Тепловое расширение доэвтектических поршневых силуминов

Технические науки/ 1 Металлургия

Д.т.н. Афанасьев В.К., Горшенин А.В., д.т.н. Попова М.В.

Сибирский государственный индустриальный университет, Россия

Тепловое расширение доэвтектических поршневых силуминов

1. Поршни двигателей внутреннего сгорания изготавливаются из сплавов на основе системы Al – Si, поскольку кремний – это элемент, который в наибольшей мере снижает температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР). Отсутствуют результаты исследований по сплавам с наиболее высокими механическими свойствами (прочность и пластичность) – эвтектическим силуминам, содержащим в качестве легирующего элемента водород.

Показано, что для сплавов, содержащих от 1 до 35 % кремния, характерно резкое увеличение ТКЛР в интервале рабочих температур поршня (аномалия ТКЛР), что нежелательно, так как при стартовых моментах эксплуатации наличие аномалии приводит к увеличению зазора между гильзой, кольцами и поршнем и потере КПД двигателя (рисунок 1).

2. Изучено влияние легирования на линейное расширение двойного эвтектического силумина. Установлено, что добавки легкоплавких элементов - магния (0,3 - 20,0 %), свинца (0,1 - 10,0%), висмута (1,0 – 11,0 %), цинка (10,0 - 11,0%) раздельно и совместно (магния со свинцом, сурьмы со свинцом и свинца с сурьмой и оловом) могут уменьшать температурный коэффициент линейного расширения в районе рабочих температур поршня (рисунок 2). Совместное легирование легкоплавкими и тугоплавкими элементами (никель, кобальт, медь, бериллий) способно устранять аномалию линейного расширения в районе рабочих температур поршня только при больших содержаниях легирующих элементов. Однако при этом резко повышается хрупкость сплава-основы, что не позволяет применять такое легирование для изготовления поршней. Изучено влияние более тугоплавких добавок (меди и никеля) и показано, что только при больших количествах эти элементы могут уменьшать расширение поршня, резко увеличивая его хрупкость. Учитывая высокую стоимость таких добавок и отрицательное влияние на пластичность, сделано заключение о непригодности такого легирования.

3. Легирование сплава АК12 водородом (10 см³ на 100 г металла) снижает ТКЛР в районе рабочих температур поршня с 20,0 до 15,5·10^-6 град^-1 (рисунок 3). Предварительное старение поршней при рабочих температурах приводит к интенсивному выделению продуктов распада пересыщенного раствора основных и примесных элементов в алюминии (рисунок 4). В этом же температурном интервале резко снижается плотность до ρ=2615 кг/м³ после нагрева при 250 °С в течение 10ч и охлаждения на воздухе.

Рисунок 1 – Влияние температуры заливки на линейное расширение доэвтектических силуминов, заливка со средних температур:

-○- 1 % Si, 860 °С; -●- 3 % Si, 830 °С; -□- 5 % Si, 830 °С; -■- 7 % Si, 830 °С; -◊- 9 % Si, 880 °С; -♦ 11 % Si, 830 °С

Рисунок 2 – Влияние температуры заливки на линейное расширение доэвтектических силуминов, заливка со средних температур:

-○- О – Al - 11 % Si; -●- O +10 % Mg + 5 % Pb; -□- 10 % Mg + 10 % Pb; -■- О + 10 % Sb; -◊- О + 10 % Sb + 5% Pb; -♦- О + 10 % Sb + 10 % Pb; -x- О + 2 % Pb + 2 % Sb +% Sn