Поршневые силумины

Малые добавки РЗМ, в частности  иттрия и церия, оказывают положительное влияние на структуру и свойства сплавов. Интенсификация процесса затвердевания позволяет существенно повысить качество литый изделий. В связи с этим для литья поршней не применяют литье в песчаную форму, а исключительно литье в металлические формы: в кокиль, под регулируемым газовым давлением и литье с кристаллизацией под давлением.

Новый метод модифицирования заэвтектических  силуминов

Основным минусом заэвтектических  силуминов является грубая форма  первичных кристаллов кремния, которые отрицательно сказываются на свойствах данных сплавов. Традиционным модификатором для заэвтектических силуминов является фосфор, который вводится в расплав в виде красного фосфора, солей фосфатов или лигатуры Cu-P. Однако использование первых двух загрязняет окружающую среду, а применение лигатуры не всегда эффективно. Поэтому ведутся исследования созданию новых лигатур, содержащих фосфор, технологий их применения и их модифицирующей эффективности.

В частности, эксперименты по использованию  лигатуры Si-P для модифицирования заэвтектичского силумина Al-24%Si показали, что вводить лигатуру следует в расплавленный алюминий до введения кремния. При чем оптимальный эффект модифицирования наблюдается при следующей технологии: введение 0,3% Si-P лигатуры при 810˚С, 30 минутная выдержка до введение кремния и 50 минутная выдержка после. Образующиеся после введения лигатуры частицы AlP являются центрами зарождения первичных кристаллов кремния.

Повышение качества поршневых сплавов

Важным критерием  хорошего двигателя автомобиля является его надежность Если раньше ресурс двигателя до проведения капитального ремонта составлял около 100000 км, то сегодня он возрос до 250000 км. Причем конструкторы двигателей ставят себе задачи по увеличению ресурса до 300000 км и выше. Для обеспечения этих условий необходимо разрабатывать новые сплавы поршневой группы.

Зарубежные технологи успешно справляются с возрастающими требованиями автомобильной промышленности. Поршневые сплавы марок FM B2 и FM S2N на сегодняшний день прекрасно отвечают поставленным задачам. Поршни, изготовленные из этих сплавов, по своим характеристикам на порядок выше отечественных поршней, произведенных из разработанных еще в 70-е годы ХХ века сплавов марок АК12М2МгН, АК12ММгН или АК10М2Н. Зарубежные аналоги меньше по размеру, легче, прочнее. Выдерживают гораздо большие механические и тепловые нагрузки, обладают очень высокой износостойкостью. По своей себестоимости они дороже из-за того, что при их получении применяется модифицирование ванадием, цирконием и фосфором не дешевое. Но это является вполне оправданным. Стандартный поршень двигателя российского автомобиля ВАЗ, отлитый из сплава марки АК10М2Н, весит около 400 гр. Для выполнения тех же функций, поршень, отлитый из сплава FM B2, весит почти в два раза меньше. При этом его служебная эксплуатация будет в 2-3 раза дольше.

В основном это связано с тем, что зарубежные производители сплавов  на основе алюминия ужесточают требования к их химическому составу. Уменьшают интервалы варьирования концентрации основных элементов и снижают содержание вредных примесей.

 

 

Таблица 3 – Химический состав промыщленных отечественных и зарубежных сплавов

Марка	Si, %	Ni, %	Cu, %	Mg, %	Fe, %	Mn, %
АК12ММгН	11-13	0,8-1,3	0,8-1,5	0,7-1,3	0,7	0,2
FM S2N	11,4-12,4	2,1-2,5	3,1-3,5	0,6-1,0	0,4	0,15
FM B2	12,2-12,6	2,7-3,0	3,9-4,3	0,6-0,9	0,5	0,15

FM – спецификация Federal Mogul Corporation Powertrain Systems

 

Технологи ОАО «УМЗ», совместно  с технологами ОАО «РУСАЛ Новокузнецк» (производящим различные сплавы для  российского автопрома), также начали проводить работу по улучшению эксплуатационных свойств поршневого сплава марки АК12ММгН.

На рисунке 2 представлена микроструктура сплава АК12ММгН с химическим составом в соответствии с ГОСТ 1583-93, приготовленного на ОАО «РУСАЛ Новокузнецк» с использованием первичного алюминия марки А7, кристаллического кремния марки Кр 2, чушкового магния марки Мг90 и никеля по ГОСТ 849-97 марки Н-1 или Н-2. Основной структурной составляющей сплава являются дендриты алюминиевого твердого раствора и тонкомодифицированная эвтектика Si + (Al). Медно-никелевая фаза CuNiAl, образующая с алюминием эвтектику, встречается в виде пластин.

 

Рисунок 2 - Микроструктура сплава марки АК12ММгН (химический состав согласно ГОСТ 1583-93)

 

На рисунке 3 представлена микроструктура полученного на основе АК12ММгН сплава, приготовленного в аналогичных условиях (был уменьшен интервал изменения концентрации кремния с одновременным увеличением верхнего предела до 12,4 %), но модифицированного натрием. Натрий вводили непосредственно в расплав в виде кальцинированной соды из расчета 30 кг соды на 1 т расплава. Видно, что микроструктура сплава содержит большое количество частиц первичного кремния, что характерно для заэвтектических силуминов.

 

Рисунок 3 - Микроструктура сплава марки АК12ММгН, модифицированного натрием

 

По своим характеристикам полученный на основе АК12ММгН сплав (с увеличением верхнего предела по кремнию) имеет повышенную усталостную прочность, особенно при температуре 350˚С и выше. При этом увеличение содержания кремния способствовало повышению устойчивости к износу. Полученный новый сплав по своим характеристикам полностью соответствует требованиям, предъявляемым к современным поршневым сплавам.

Операция лазерного упрочнения DuraBowl

В мощных дизелях с турбонаддувом температура поршня и оказываемое на него давление достигают запредельных величин. Головки современных поршней имеют выемки для оптимизации смесеобразования. У поршней в экстремальных условиях (температура, давление, газовая эрозия) на границе выемки могут образовываться трещины. Для измельчения зерна, специалисты Federal Mogul внедрили технологию обработки периметра выемки лазерным лучом, частицы кремния измельчаются, уменьшаясь в 10 раз. В результате прочность и долговечность поршня увеличиваются в 4–7 раз. Описанная операция лазерного упрочнения получила название DuraBowl. Эта технология применяется, в частности, для 3-литрового турбодизеля BMW.

 

Список использованной литературы

1. Белов Н.А. Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов: моногр. – М.: Изд. Дом МИСиС, 2010.
2. Золоторевский В.С., Белов Н.А. Металловедение алюминиевых сплавов. – М.: МИСиС, 2005.
3. Афанасьев В.К., Гладышев С.А., Ефименко Б.С., Никитенко С.М., Попова М.В., Прудников А.Н., Ружило А.А., Чурик М.Н., Горшенин А.В. Поршневые силумины: учебное пособие - Кемерово: КузГТУ, 2005.
4. Колонаков А. А., Кухаренко А. В., Деев В. Б., Селянин И. Ф. Повышение качества современных поршневых сплавов: Ползуновский альманах №1, 2010 с. 215-217
5. Селиванов А.А. Влияние фосфора и церия на структуру эвтектического силумина АК12MMrH и разработка технологии изготовления из него поршней для автомобильных двигателей.: Автореферат дисс. канд. тех. наук. – Москва, 2006.
6. YapingWu, ShujunWang, Hui Li, Xiangfa Liu A new technique to modify hypereutectic Al–24%Si alloys by a Si–P master alloy // Journal of Alloys and Compounds 477 (2009) 139–144.
7. Baberg A., Freidhager M., Mergler H., Schmidt K. Aspects of piston materials choice for diesel engines // MTZ worldwide. – 12.2012 p. 26-30.