СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Свойства поршневых алюминиевых сплавов и требования к материалам для упрочнения

Применение алюминиевых сплавов для изготовления поршней дало возможность снизить вес двигателя и удельный расход топлива на единицу мощности.

История применения жаропрочных сплавов алюминия ведет свое начало от появления в 1907-1908 гг. первых литых поршней для гоночных автомобилей из сплавов алюминия с цинком.

Современные алюминиевые сплавы, как правило, технологичны, имеют относительно высокую прочность и пластичность. В таблице 10.1 приведен химический состав, а в таблице 10.2 физико-механические свойства некоторых поршневых сплавов при нормальной и повышенной температуре.

Как видно из таблицы 10.1, поршневые сплавы отличаются довольно сложным химическим составом, потому что для повышения жаропрочности их обычно легируют медью, марганцем, никелем, хромом, кобальтом и другими элементами. Поэтому целесообразно рассмотреть влияние легирующих элементов на структуру и свойства поршневых сплавов.

В настоящее время поршни отечественных автомобильных и тракторных двигателей в большинстве своем изготавливают из алюминиевых сплавов типа АЛ 25 и АЛ 26. Эти сплавы относятся к эвтектическому типу - в равновесии находятся твердый раствор кремния в алюминии и твердый раствор алюминия в кремнии.

Микроструктура двойных силуминов типа Al-Si состоит из двух фаз: a-твердого раствора кремния в

алюминии и твердого раствора алюминия в кремнии, который находится в виде отдельных частиц или в двойной эвтектике. Твердый раствор на основе алюминия представляет собой сравнительно мягкую ( Нц ■=23-34 Н/ мм2 ) и пластичную фазу, а твердый раствор кремния характеризуется высокой твердостью ( Цц =800-1000 Н/ мм2) и хрупкостью. Таким образом, функцию упрочняющей фазы в двойных силуминах выполняет кремний [17, 127, 128].

Чем выше содержание кремния в поршневых сплавах, тем ниже коэффициент термического расширения. Временное сопротивление этих сплавов растет с повышением концентрации кремния, а их пластичность падает, причем по мере приближения к эвтектической точке прирост прочности с увеличением содержания кремния в сплаве уменьшается.

В настоящее время не существует общей модели, которая давала бы возможность полностью объяснить увеличение прочностных характеристик силуминов при повышении концентрации кремния. В отношении литых сплавов полагают [127-129], что в первую очередь это связано с увеличением относительного объема эвтектических колоний, механические характеристики которых существенно превышают аналогичные свойства первичных кристаллов а АІ. Применительно к эвтектическим колониям авторы работы [130] использовали модель дислокационного упрочнения двухфазных сплавов, объясняющую повышение прочностных характеристик торможением дислокаций вблизи включений второй фазы. Авторы работ [131,132] отмечают, что изменение содержания кремния в пределах 10-14% существенно не влияет на свойства сплава.

В настоящее время наблюдается тенденция применять для тяжело нагруженных форсированных двигателей силумины с высоким содержанием кремния.

Как уже упоминалось, для того, чтобы повысить

прочностные свойства поршневых сплавов и сделать их восприимчивыми к упрочняющей термообработке, используют дополнительное легирование медью и магнием. Изменение содержания меди в пределах 0,5-4,5% мало отражается на прочности сплава при комнатной температуре, но повышение содержания меди способствует повышению длительной прочности при температуре 570 К [I, 129].

Это объясняется тем, что медь при высоком содержании повышает межатомную связь твердого раствора, содержащего марганец, магний и другие аналогичные элементы.

Кроме того, при распаде твердого раствора сложного по составу сплава образуются дисперсные частицы фазы T(AlJAn2Cu), которые способствуют созданию микрогетерогенности внутри зерен твердого раствора, что затрудняет их деформацию. Избыточная медь участвует в образовании никельсодержащей фазы, которая кристаллизуется в разветвленной форме, ее частицы, располагаясь по границе зерен твердого раствора, блокируют их и тем самым обеспечивают значительное повышение жаропрочности сплава. Медянистые сплавы, содержащие 5-11% Si и 3-5% Си, могут значительно упрочняться в результате закалки и старения. Согласно [1], наибольший эффект упрочнения имеют сплавы, содержащие примерно 4% Си. Из диаграммы срстояния Al-Si-Cu следует, что система не имеет тройных соіединений, а фазы aAl, Si, Cu^Al образуют тройную эвтектику с температурой плавления 1053 К [25]. Фаза Cu^l, появляющаяся при избыточном содержании меди, способствует охрупчиванию сплава, понижению коррозионной стойкости и повышению склонности к объемным изменениям («росту» поршней).

Для того, чтобы повысить прочностные свойства поршневых сплавов, используют легирование магнием. Однако введение магния повышает прочность сплава при комнатной температуре, но мало сказывается на жаропрочности [128,133,134] Из всех легирующих элементов магний оказывает наибольшее влияние на эффект термической обработки. Прирост прочностных свойств в результате термической обработки наблюдается при содержании в сплаве уже 0,2% Mg2Si. С увеличением количества Mg^Si повышается твердость, временное сопротивление и предел текучести, а относительное удлинение уменьшается. Максимальный эффект от термической обработки достигается при содержании в сплаве около 2% фазы Afg-Ді, что соответствует примерно 1% Mg.

Введение никеля мало изменяет механические свойства поршневых сплавов при комнатной температуре, но заметно повышает их жаропрочность. Это объясняется тем, что введение никеля обеспечивает упрочнение границ зерен a-твердого раствора устойчивыми никельсодержащими фазами.

Из проведенного анализа можно заключить, что свойства многокомпонентных алюминиевых сплавов определяются их химическим составом, однако выбор оптимального состава затруднен из-за неясности взаимодействия компонентов в тройных и более сложных системах сплава. Следует лишь отметить, что большинство исследователей сходится во мнении о положительном влиянии на служебные свойства таких компонентов, как никель, медь, кремний, титан.

Таким образом, при разработке материалов для упрочнения наплавкой необходимо выбирать такую технологию и электродный материал, которые позволили бы регулировать химсостав наплавленного металла в широком диапазоне с целью обеспечения повышенной работоспособности поршня. При этом необходимо учитывать достаточно противоречивые требования к наплавленному металлу, сводящиеся, в основном, к следующему.

Упрочняемый материал поршня в зоне верхней канавки ( по сравнению с основным сплавом поршня ) должен иметь при повышенных температурах более высокую твердость (для снижения абразивного изнашивания) и жаропрочность (для уменьшения пластической деформации).

Кроме того, он должен обладать пониженным коэффициентом термического расширения, так как цилиндры двигателей стальные, коэффициент термического расширения которых в два раза меньше, чем у алюминия, повышенной теплопроводностью, обеспечивающей быстрый отвод тепла от камеры сгорания двигателя.

Необходимо обеспечить стабильную структуру материала поршня в зоне верхней канавки поршня, так как структурные изменения могут привести к объемному изменению поршня и заклиниванию его.

Исходя из анализа условий работы поршней современных тяжело нагруженных дизельных двигателей, следует, что наплавляемый материал должен иметь достаточно высокую антифрикционность и износостойкость, высокую теплопроводность, хорошую коррозионную стойкость, минимальную склонность к необратимым изменениям размеров при повышенных температурах, малый удельный вес и хорошую обрабатываемость.