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

     Вольфрам  (W) сильнее хрома повышает устойчивость стали против отпуска. Вольфрам отрицательно влияет на теплопроводность стали.

     Ванадий (V) является сильным карбидообразующим элементом, способен упрочнять твёрдый раствор. При взаимодействии с углеродом ванадий образует карбид VC.

     Зная, влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей и  основных принципов химико-термической  и термической обработки различных  сталей и сплавов, можно рекомендовать  следующий режим для стали 20Х3МВФ:

 Нормализация  при температуре С, закалка (С) в масло и высокий отпуск при температуре 670-С, охлаждение с печью до С. Прочность стали при нормализации становится выше, так как во время этого процесса подавляется выделение избыточной фазы феррита или вторичного цементита.

 Во время закалки в масло, уменьшая скорость охлаждения в области мартенситного превращения, тем самым стремятся уменьшить структурные напряжения. После высокого отпуска сталь имеет структуру сорбита. Качество закалки сильно сказывается на свойствах стали после отпуска. Деталь должна прокаливаться насквозь. После такого комплексного процесса  материал  имеет стабильную структуру и достаточно прочную поверхность, что позволяет ему хорошо сопротивляться износу.

Сталь 20Х3МВФ после данного режима имеет свойства: =390 МПа,    =400 МПа, =18%, KCU=98 кДж/, НRC= 60.

     Из  приведенных данных следует, что сталь 20Х3МВФ обеспечивает (с некоторым запасом) технические требования, изложенные в задаче по выбору материала для поршня работающего при температурах до.

           5 Анализ возможных дефектов при термообработке и способы их предотвращения или устранения 

       Достигнутые механические свойства, обеспечивающие надёжную и долговечную работу изделия, возможны только при точном соблюдении технологических режимов его изготовления и термической обработки. При изготовлении материалов необходимо строго следить за химическим составом.

     Время выдержки при температуре закалки, необходимое для растворения  интерметаллидных фаз, зависит от структурного состояния сплава, типа печи и толщины  изделия. Скорость охлаждения при закалке  должна быть выше критической, под которой  понимают наименьшую скорость охлаждения, не вызывающую распад твердого раствора.

     Нарушение режимов нагрева под закалку приводит к снижению прочности и твердости закаленной стали из-за наличия феррита в структуре (недогрев), или укрупнению зерна (перегрев), прежогу и обезуглероживанию. Наличие этих дефектов обнаруживается металлографически. Недогрев и перегрев устраняются повторным нагревом до оптимальной температуры закалки. После пережога и обезуглероживания изделия отправляются на переплав. При закалке важно обеспечить нормальную скорость охлаждения, поэтому охлаждение проводят масле. Даже незначительный распад твердого раствора в процессе охлаждения с выделением интерметаллидных фаз по границам зёрен снижает сопротивление межкристаллитной коррозии.

Брак  по недогреву при отпуске не обеспечивает необходимой вязкости, а перегрев – определенного уровня прочности. Это означает, что нарушение температурных  режимов  при отпуске приводит к неблагоприятному сочетанию параметров прочности и пластичности. Устранение брака при отпуске достигается или подогревом (при недогреве), или повторением операций закалка – отпуск с соблюдением режимов (при перегреве).

     Во  избежание необратимой отпускной  хрупкости легированных стали охлаждение после отпуска следует проводить  в печи.

     Таким образом, достижение заданных эксплуатационных характеристик достигается только при строгом выполнении всех режимов  в процессах изготовления и упрочняющей  термической обработки изделия.  
 
 

     6 Оценка показателей выбранного металла 

     Окончательный выбор материала осуществлен  с учетом основного экономического критерия – стоимости материала  и технологичности изготовления детали.

     Рассмотрев  ряд материалов для изготовления поршня, мы видим, что алюминиевые сплавы Д16 и АК4-1 следует исключить и списка, так как им присущ ряд серьезных недостатков, основными из которых являются невысокая усталостная прочность, уменьшающаяся при повышении температуры, высокий коэффициент линейного расширения, не значительная износостойкость, сравнительно большая стоимость. А также работа поршней из алюминиевых сплавов не возможна при заданной нам температуре С [3].

     Серый чугун СЧ-4 не подходит по причине большой плотности, которая не позволяет использовать его широко для поршней высокооборотных автомобильных двигателей.

     Сталь 03Н18К9М5Т, не смотря на все свои преимущества, с экономической точки зрения очень не выгодна. 

     Следовательно среди пяти предлагаемых материалов Д16 , АК4-1,СЧ-45, 20Х3МВФ, 03Н18К9М5Т заданному условию и экономическим требованиям соответствует только конструкционная теплоустойчивая сталь 20Х3МВФ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Заключение 

     Выбор сплава осуществлялся исходя из условия задания подбора пяти возможных материалов (Д16, АК4-1, СЧ-45, 20Х3МВФ, 03Н18К9М5Т), подходящим по технологическим, техническим, эксплуатационным и в особенности экономическим требованиям. С учетом всех этих требований для поршня двигателя внутреннего сгорания, работающего при температурах до С, была выбрана  жаропрочная сталь 20Х3МВФ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Список  литературы 

     1 Лахтин Ю.М. Материаловедение: учебник  / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. –  М.: Машиностроение, 1980. – 494 с.

          2 Марочник сталей и сплавов  / Под ред. В.Г. Сорокина – М.: Машиностроение, 1989. – 639 с.

     3 Новиков И.И.Теория термической  обработки металлов. – М.: Металлургия, 1986. – 480 с.

     4 Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин Материаловедение: учебник для вузов /.; под ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 5-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. – 648 с.

     5 Белихов А.Б. Основы практической  металлографии: учебное пособие  /

Белихов А.Б., Белкин П.Н.-Кострома:КГУ,2006.-64с.