Выбор материала для поршня двигателя внутреннего сгорания, работающего при температурах до 600 градусов

 

Таблица 2.Химический состав сталей

 

Таблица 3. Химический состав чугуна

 
 

Механические  свойства материалов в состоянии поставки можно увидеть в таблице 4 
 

Таблица 4 Механические свойства материалов

       

      Проанализируем свойства материалов :      

       Алюминиевые сплавы имеют малую плотность, что позволяет снизить массу поршня и, следовательно, уменьшить инерционны нагрузки на элементы цилиндропоршневой группы. При этом упрощается также проблема уменьшения термического со противления элементов поршня, что в сочетании с хорошей теплопроводностью, свойственной данным материалам, позволяет уменьшать теплонапряженность деталей поршневой группы. К положительным качествам алюминиевых сплавов следует отнести малые значения коэффициента трения в паре с чугунными или стальными гильзами.

Для улучшения  физико-механических свойств силуминов  в них вводят различные легирующие добавки. добавка в алюминиево-кремниевый сплав до 6% меди приводит к повышению  усталостной прочности, улучшает теплопроводность, обеспечивает хорошие литейные качества и, следовательно, меньшую стоимость  изготовления. Однако при этом несколько  снижается износостойкость поршня. Использование в качестве легирующих добавок натрия, азота, фосфора увеличивает  износостойкость сплава. Легирование  никелем, хромом, магнием повышает жаропрочность и твердость конструкции.                        Заготовки поршней из алюминиевых сплавов получают путем отливки в кокиль или горячей штамповкой. После механической обработки они подвергаются термической обработке для повышения твердости, прочности и износостойкости, а также для предупреждения коробления при эксплуатации.

     Однако  поршням из алюминиевых сплавов  присущ ряд серьезных недостатков, основными из которых являются невысокая  усталостная прочность, уменьшающаяся  при повышении температуры, высокий  коэффициент линейного расширения, меньшая, чем у чугунных поршней износостойкость, сравнительно большая стоимость. А так же их следует исключить из списка, по причине того, что работа поршней из алюминиевых сплавов не возможна при заданной нам температуре С [3].

          Поршни, изготовленные из жаропрочного алюминиевого                                                                      сплава АК4-1, отличающихся высокими прочностными свойствами при повышенных температурах. Несмотря на то, что масса поршней из алюминиевого сплава меньше массы поршней из чугуна, последний также применяется для изготовления поршней быстроходных двигателей

     Серый чугун в качестве материала для поршней по сравнению с алюминиевым сплавом обладает следующими преимуществами: более высокими твердостью и износостойкостью, жаропрочностью, одинаковым коэффициентом линейного расширения с материалом гильзы. Последнее позволяет существенно уменьшить и стабилизировать по режимам работы зазоры в сочленении юбка поршня - цилиндр. При повышенной по сравнению с алюминиевыми сплавами температуре плавления чугуна, устраняется обгорание кромок на поверхностях, обращенных к камере сгорания.

     Однако  большая плотность не позволяет  использовать его широко для поршней  высокооборотных автомобильных  двигателей. Данный недостаток может  быть частично нивелирован включением в структуру чугуна шаровидного  графита, что позволяет отливать элементы поршня существенно меньшей  толщины.

           На изготовление из стали переходят, если максимальная температура в наиболее нагретых зонах поршня превышает ориентировочно С  . В ряде случаев (накладки поршней двухтактных двигателей) применяют высоколегированные жаропрочные стали. В частности в составных поршнях для изготовления головки применяют жаропрочные стали типа 20ХЗМВФ[3].

     Сталь 20Х3МВФА - конструкционная теплостойкая   высококачественная сталь.  Она  относится  к  перлитному  классу  и  выплавляется в открытых электрических печах,   методами   электрошлакового   и   вакуумно-дугового переплава.  Сталь  хорошо   деформируется   в   горячем   состоянии.   Сталь удовлетворительно обрабатывается резанием.

     Перлитные стали широко применяют благодаря  невысокой стоимости,  технологичности  и удовлетворительной жаропрочности, которая обеспечивается выбором  рационального химического состава  и полученной в результате термической  обработки структуры легированного  феррита с равномерно распределенными  в нем частицами карбидов.

     Сталь 03Н18К9М5Т – это сталь особого класса высокопрочных материалов, превосходящих по конструкционной прочности и технологичности среднеуглеродистые стали. Она обладает неограниченной прокаливаемостью, хорошо сваривается, до старения легко деформируется и обрабатывается резаньем. При термической обработке не происходит коробления и исключено обезуглероживание. Но, не смотря на все эти преимущества, с экономической точки зрения использование этой стали очень не выгодно, так как она имеет значительно высокую стоимость из за легирующих элементов (в частности Ni). 

     Исходя  из изложенного, рассмотрим далее сталь 20Х3МВФ, так как она наиболее соответствует заданным свойствам [4].  
 
 
 
 

     3 Выбор методов и оборудования для определения структуры и свойств материала

           

     С целью определения структуры  и свойств стали 20Х3МВФ необходимо провести: металлографические и рентгенографические  исследования, а также испытания  на растяжение, ударную вязкость, прокаливаемость.

       В практике металлографического анализа оценивают фазовый состав сплава. Наиболее объективную характеристику структуры можно получить, применив количественные методы оценки: линейный метод Розиваля и точечный метод Глаголева. Для количественного анализа микроструктуры используют количественные телевизионные микроскопы (КТМ), которые представляют собой телевизионный микроскоп, снабженный автоматическим счетным приспособлением, позволяющим упростить и ускорить процесс счета микрочастиц. На приборе КТМ можно определять процент площади, занимаемой определенной фазой, среднее число зерен, оценивать распределение частиц по группам крупности.

     Также в металлографическом анализе определяют величину зерна в сталях. Размеры  зерна определяются характером и  технологией производства сталей (температурой литья, скоростью разливки, скоростью охлаждения и т. д.), а также различными видами последующих обработок: горячей деформацией и термообработкой. Для измерения величины зерна при контрольных испытаниях, чаще всего применяют метод сравнения. Шлиф  изучают под микроскопом при увеличении и сравнивают величину зерна с эталонным изображением на шкале. На эталонных шкалах приведены микроструктуры с различной величиной зерна, оцениваемой номером или баллом при увеличении .

     Основной  задачей рентгеноструктурного анализа  является определение расположения атомов в кристалле. Специфической  особенностью этого метода является необходимость использования расчетного и экспериментального справочного  материала. Аппаратурой для съемки образцов являются дифрактометры. Наиболее распространенные из них – ДРОН 2,0 и ДРОН 3,0. Эти аппараты позволяют применять различные варианты хода рентгеновских лучей при съемке, менять детекторы, использовать различные методы регистрации дифракционной картины.

     При испытании на растяжение тщательно подготовленный образец помещают в захваты мощной машины (Р-10), которая прикладывает к нему растягивающие усилия. Регистрируется удлинение, соответствующее каждому значению растягивающего напряжения. Предел прочности при растяжении -это максимальное напряжение, которое металл выдерживает в ходе испытания.

       Одним из самых важных видов динамических испытаний – испытания на ударную вязкость, которые проводятся на маятниковых копрах с образцами, имеющими надрез, или без надреза. По весу маятника, его начальной высоте и высоте подъема после разрушения образца вычисляют соответствующую работу удара (методы Шарпи и Изода).

  Твердость чаще всего измеряют методами Роквелла и Бринелля, при которых мерой твердости служит глубина вдавливания «индентора» (наконечника) определенной формы под действием известной нагрузки. Это испытание проводится с помощью твердомеров. На склероскопе Шора твердость определяется по отскоку бойка с алмазным наконечником, падающего с определенной высоты на поверхность образца. Твердость – очень хороший показатель физического состояния металла. По твердости данного металла зачастую можно с уверенностью судить о его внутренней структуре. Испытания на твердость часто берут на вооружение отделы технического контроля на производствах. В тех случаях, когда одной из операций является термообработка, нередко предусматривается сплошной контроль на твердость всей продукции, выходящей с автоматической линии.

     Простейшей  характеристикой прокаливаемости является глубина прокаливаемости изделия в определенном охладителе. Ее определяют методом пробной закалки по излому, макрошлифу и распределению твердости в сечении изделия [5].

     4 Установление режимов термообработки, ТМО, обеспечивающих достижение заданных свойств 

     Рассмотрим  влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали.

     Хром (Cr) понижает температуру начала мартенситного превращения (Мн) и увеличивает содержание аустенита остаточного. Хром является карбидообразующим элементом: при взаимодействии с углеродом образуются карбиды Cr7C3; Cr26C3, растворяющиеся при нагреве. Хром сильно увеличивает прокаливаемость и снижает критическую скорость закалки. Хром увеличивает прочность, при содержании более 1% снижает пластичность и ударную вязкость.

     Молибден (Mo) в комбинации с другими элементами, например с хромом, способствует увеличению прочности при повышенных температурах. Этот  элемент, повышая твёрдость и прочность, не снижает пластичность и вязкость.