Технические науки / 3. Отраслевое машиностроение

Д.т.н. Афанасьев В.К., к.т.н. Прудников А.Н., Горшенин А.В.

Сибирский государственный индустриальный университет, Россия

Новые деформируемые сплавы на основе заэвтектических силуминов (Сообщение 1)

Анализ современный материалов, используемых для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС) показывает, что наиболее полно требованиям, предъявляемым к этим материалам, удовлетворяют сложнолегированные алюминиево-кремниевые сплавы. Из них наиболее перспективны высококремнистые силумины, которые имеют низкий коэффициент линейного расширения, повышенные жаропрочность и износостойкость. Однако наряду с отмеченными преимуществами эти сплавы имеют и недостатки, главные из которых – низкие механические свойства при обычной температуре, что связано с наличием в их структуре крупных кристаллов первичного кремния и что не позволяет проводить качественную деформацию слитков. Поэтому в настоящее время не существует поршневых деформируемых сплавов на основе заэвтектических силуминов, используемых в промышленности для массового производства.

Дальнейшее развитие двигателестроения в области поршневых сплавов, наряду с разработкой принципиально новых материалов, связано также с освоением технологий, позволяющих изготовлять поршни из заэвтектических легированных силуминов с 20% Si и более по обычной схеме получения изделий из деформируемых сплавов: слиток – деформируемых полуфабрикат – поршень. Причем разработка новых технологий производства поршневых заготовок должна включать процессы более эффективной обработки сплавов как на стадии жидкого металла – рафинирование, модифицирование, так и твердого – деформация, термическая и механическая обработки.

Авторами разработаны составы сплавов и технологии получения поршневых заготовок обработкой давлением из заэвтектических силуминов с содержанием кремния до 22% [1-3]. На основании представлений о ведущей роли водорода в зарождении и росте первичных кристаллов кремния при кристаллизации сплавов Al-Si была установлена возможность его применения в комплексе с другими реагентами для эффективного модифицирования структуры поршневых заэвтектических силуминов с последующим его удалением при получении и обработке поршневых заготовок. Так, разработан высокопрочный заэвтектический силумин с 18…20% Si, легированный медью, магнием и марганцем, а также водородом, азотом и фосфором и не содержащий дефицитного никеля, а также технология его приготовления [1]. Для модифицирования структуры слитков из разработанного сплава использовали смесь оксидов и фосфидов некоторых металлов, а для введения регламентированного количества водорода – борную кислоту [2]. После окончательной термической обработки кованые прутки и штамповки имели следующие физико-механические характеристики (табл.).

Таблица – Физико-механические свойства опытного высокопрочного и известных поршневых сплавов

Сплав	Механические свойства			α·10^6, град^-1
	σВ, МПа	δ, %	НВ, МПа
Опытный высокопрочный	425…448 / 340…366	4,5…5,5 / 2,0…3,3	1140…1250	18,5
АК4 (ГОСТ 4784-97)	409/364	3,5/4,2	1070	24,0
АК12Д (ТУ 48-5-248-85)	365/335	4,8/2,0	950	22,0

Примечание. В числителе – свойства поковок, знаменателе – штамповок; НВ – твердость штамповок.

Анализ данных таблицы показывает более высокий уровень механических характеристик для разработанного сплава по сравнению аналогичными деформируемыми сплавами системы Al-Si (АК12Д) и более низкий коэффициент линейного расширения и меньший удельный вес (2642-2650 кг/м³) по сравнению со сплавами Al-Cu (АК4).

Из опытного сплава в условиях ОАО «СМК» (г.Ступино) была изготовлена партия деталей (50 шт.) и проведены объектовые испытания в форсированном режиме на серийном тяжелонагруженном двигателе, показавшие лучшие технико-экономические показатели по сравнению с поршнями из промышленных сплавов.

Таким образом, предложено одно из перспективных направлений развития поршневых сплавов, позволяющих получить детали ДВС обработкой давлением с улучшенными характеристиками из сплавов, ранее считавшихся недеформируемыми с использованием традиционных схем изготовления поршней. В качестве предложенного направления показана возможность изготовления поршней по разработанным технологиям из заэвтектических силуминов с высоким содержанием кремния в промышленных условиях.

Литература:

1.Афанасьев В.К., Прудников А.Н. Усовершенствование состава деформируемого поршневого заэвтектического силумина // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. – 2000. -№12.-С 27-28

2.Пат.2102514 РФ. Способ модифицирования заэвтектических силуминов / В.К. Афанасьев, А.Н. Прудников, В.В. Ушаков и др. Заяв. 09.01.96, опубл. 20.01.98, бюл.№ 2

3.Прудников А.Н. Структура и свойства жаропрочного силуминового поршня с высоким содержанием кремния // Изв. ВУЗов. Черная металлургия.- 2009.- №8.- С. 28-30