НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

РОМАНОВА Наталія Сергіївна

УДК 669.017:669.715 (043)

ДОСЛІДЖЕННЯ СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ СИЛУМІНІВ,

РОЗРОБКА І ОСВОЄННЯ ТЕХНОЛОГІЇ AИРОБНИЦТВА

ЗНОСОСТІЙКИХ ДИЗЕЛЬНИХ ПОРШН?В

Спеціальність 05.16.01

"Металознавство та термічна обробка металів"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2001

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Мазур Владислав Іустинович,

Національна металургійна академія України,

м. Дніпропетровськ, професор кафедри

металознавства.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент

Калініна Наталія Євграфівна,

Фізико-технічний інститут Дніпропетровського

національного університету, м. Дніпропетровськ,

професор кафедри технології виробництва;

доктор фізико-математичних наук, професор

Воробйов Геннадій Михайлович,

Придніпровська державна академія будівництва

і архітектури, м. Дніпропетровськ,

професор кафедри матеріалознавства та обробки

матеріалів.

Провідна установа: Державний науково-дослідний та

конструкторсько-технологічний інститут трубної

промисловості ім.Я.Ю. Осади міністерства

промислової політики України, м.Дніпропетровськ.

Захист відбудеться 11.12.2001г. в 12-30 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр.Гагаріна 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр.Гагаріна 4.

Автореферат розісланий 10.11.2001г.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Должанський А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність Сучасні вимоги споживчого ринку стимулюють зростання виробництва дизельних двигунів з високими техніко-економічними показниками, які багато в чому визначаються властивостями поршневих сплавів, таких як зносостійкість, жароміцність, стійкість до термічного розширення і розгарних тріщин, низька питома вага. Форсовані режими роботи важконавантажених дизельних двигунів приводять до зростання робочої температури поршня до 250...3500С, до додаткового термічного розширення поршня, до його більш інтенсивного корозійного і абразивного зносу. Для підвищення зносостійкості поршні двигунів КАМАЗ, АМЗ, фірми Mahle (ФРН) армуються в області, що найбільш зношується, вставками із зносостійкого нірезистового чавуна. Таке технічне рішення має ряд недоліків, пов'язаних як з технологією армування, так і з утилізацією відпрацьованих поршнів. Тому проблема розробки поршневих сплавів з високими показниками зносостійкості, питомої жароміцності, низьким коефіцієнтом лінійного розширення і підвищеної стійкості до розгарних тріщин є актуальною науково-технічною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами Дисертаційна робота виконана відповідно з єдиним планом проведення досліджень, розробок і дослідних робіт "МНТК Антікор" ГКНТ і АН СРСР (постанова ГКНТ СРСР від 1.04.87 №90, завдання 10.03.03 М). У рамках цих програм було виконано науково-дослідні роботи (№ гос.рег. 01870019457, № гос.рег.018700094735, № гос.рег.01880077330), в яких автор брав участь на всіх етапах досліджень і дослідно-промислового виробництва, що відображено в переліках виконавців звітів по виконаних НДР.

Мета і задачі дослідження Мета роботи - підвищити зносостійкість поршнів дизельних двигунів на основі вивчення закономірностей структуроутворення в заевтектичних складнолегованих силумінах при затвердженні з високими швидкостями охолоджування. Для досягнення цих цілей були поставлені наступні задачі: 1 - обгрунтувати і розробити хімічний склад нового гранульованого зносостійкого сплаву на основі електротермічного силуміна (сплав Альрезист); 2 - дослідити вплив параметрів охолоджування на фазовий склад і структуру сплаву Альрезист; 3 - розробити технологічні параметри виробництва гранульованого сплаву Альрезист; 4 - дослідити вплив температурно-деформаційних режимів переробки гранульованого сплаву Альрезист на його структуру, фазовий склад і властивості; 5 - розробити і обгрунтувати технологічні параметри виробництва суцільноштампованої поршневої заготовки зі сплаву Альрезист.

Об'єкт дослідження Висококремнисті та складнолеговані заевтектичні силуміни, схильні до охрупчення.

Предмет дослідження Процеси структурних і фазових змін в заевтектичних силумінах при різних параметрах охолоджування, а також при різних температурно-деформаційних режимах переробки.

Методи дослідження При дослідженні застосовувалися металографічний, рентгеноструктурний, електрономікроскопічний, мікрорентгеноспектральний і термічний аналізи з комп'ютерною обробкою результатів спостережень, а також проведені механічні іспити при різних температурах за стандартними методиками.

Наукова новизна отриманих результатів складається в наступному:

1. Вперше в роботі показано, що Н-подібні кристали первинного кремнію в заевтектичних силумінах є дендритні форми зростання стрічкових кристалів і по морфологічних ознаках виявлені три їхні різновиди.

Раніше компактні первинні кристали кремнію в заевтектичних силумінах трактувалися як стрічкові, якщо в поперечному перетині вони мали форму близьку до прямокутної з відношенням а/b >> 1, що не змінювалося при зішліфовках. Описані також тільки форми, пов'язані з простим, мультиплетним і циклічним двійникуванням і кристали октаедричного габітуса. Н-подібні кристали не були класифіковані.

2. Вперше показано, що морфологічні особливості дендритних форм зростання стрічкових кристалів кремнію в заевтектичних електротермічних силумінах підтверджують механізм зростання стрічкових кристалів з алмазоподібними гратами, запропонованими в роботах Петрова Д.А. і Буханової А.А.

Поширена точка зору на механізм зростання стрічкових кристалів кремнію по Гамільтону і Вагнеру не може пояснити три типа Н-подібних форм зростання кремнію, що спостерігаються. За механізмом, запропонованим Петровим Д.А. і Бухановою А.А., активним центром росту стрічкового кристала є здвійникований тетраедр на основі полісинтетичного двійника. Морфологія стрічкового кристала зумовлена наявністю та дендритним розгалудженням тетраедричного центра росту, а також залежить від товщини двійникових ламелів, що приводить до формування трьох різновидностей Н-подібних кристалів.

3. Вперше побудовано стереомоделі зростання дендрита стрічкового кристала кремнію типу <211> та <110>. Моделі побудовано на основі даних по зішліфовках Н-подібних первинних кристалів кремнію заевтектичного силуміна.

У літературі відсутні моделі стрічкових дендритів кремнію в силумінах типу <110>. По стрічкових кристалах типу <211> побудовано модель на основі даних по шарах зростання антимоніду індія і зроблено узагальнення на всі кристали з алмазоподібними гратами, до якої відноситься і кремній. Подібне узагальнення є тільки припущення, оскільки існують кристали з алмазоподібними гратами, але для яких подібні форми не спостерігались (наприклад алмаз).

4. Вперше запропонован механізм кристалізації і побудовано модель зростання п'ятипроменевих кристалів первинного кремнію як стрічкових кристалів на базі циклічного полісинтетичного двійника.

У літературі є відсутній опис п'ятипроменевих кристалів кремнію в силумінах. Описані кристали у вигляді п'ятикутної зірки, що є сформовані на базі циклічного двійника. Введення в модель циклічного двійника елементів полісинтетичного двійникування приведе до утворення п'яти тетраедричних центрів, активне зростання яких і формує п'ятипроменевий кристал.

5. У роботі отримала подальший розвиток теорія метастабільної кристалізації, яка розроблена Саллі І.В. та Мірошніченко І.С.

Показано, що сплав Альрезист кристалізується відповідно до метастабільної діаграми стану Al-Si-Fe, побудованої шляхом екстраполяції поверхонь ліквідуса і відповідних тальвегів у переохолоджену область. Раніше можливість побудови метастабільних діаграм стану була доведена експериментально і теоретично на основі екстраполяції тільки ліній ліквідуса і солідуса для двокомпонентних діаграм стану.

Практичне значення отриманих результатів На основі вивчених закономірностей структуроутворення при кристалізації в складнолегованих заевтектичних силумінах в інтервалі швидкостей охолоджування 103...104 град/с розроблено новий гранульований сплав Альрезист для виробництва суцільноштампованих поршнів. Розроблено основні технологічні параметри для всіх етапів виробництва, що дозволило отримати дослідно-промислові партії гранул і суцільноштамповані поршневі заготовки. Стендові випробування показали збільшення зносостійкості поршнів у 1,3...1,5 рази, що нарівні зі зменшенням коефіцієнта лінійного розширення (до 30%) дозволяє значно поліпшити техніко-економічні показники роботи двигуна. Виробництво дослідно-промислових партій гранул, пресованих напівфабрикатів та поршнів відображені у відповідних актах випробувань (акт про виробництво гранул та холодно-пресованих брикетів від 20.11.1988р., акт про виробництво прутків від 12.12.1988р., акт про виробництво суцільноштампованих поршнів від 23.12.1988р., акти про виробництво дослідної партії гранульованого сплава від 14.12.1990р.).

Технологія виробництва сплаву Альрезист дозволяє використати вітчизняні родовища кіанітових руд з підвищеним вмістом заліза, переводячи його з розряду шкідливої домішки в жарозміцнюючу добавку.

Застосування нового зносостійкого сплаву дозволить виключити технологічні проблеми, пов'язані з армуванням поршнів дорогими нірезистовими вставками та з їх подальшою утилізацією.

Особистий внесок здобувача Автором досліджено фазові та структурні перетворення в сплаві Альрезист на всіх етапах виробництва від отримання первинного сплаву до суцільноштампованої поршневої заготовки. Автором уперше класифіковано Н-подібні кристали кремнію в силумінах як дендритні форми зростання стрічкових кристалів типу <211> та <110> і побудовано їх стереомоделі, а також запропоновано механізм зростання п'ятипроменевого кристала кремнію як стрічкового кристала на базі циклічного полісинтетичного двійника.

Особистий внесок здобувача в спільних публікаціях (в порядку опублікованих робіт): [2,4] - мікроструктурні дослідження, фізико-механічні випробування і аналіз впливу мікроструктури на фізико-механічні властивості; [5] - аналіз впливу мікроструктури на властивості брикета і прутка, аналіз залежності якості схоплювання між гранулами від міри деформаційної обробки, аналіз високотемпературних характеристик пластичності; [6] - аналіз мікроструктурних досліджень після гранулювання і пресування; [7] - аналіз твердофазних перетворень в гранульованих силумінах за даними рентгеноструктурного аналізу і їх трактування на основі метастабильної діаграми стану.

Апробація результатів дисертації Результати дисертації доповідались та обговорювались на Всесоюзній науково-технічній конференції "Будова і властивості металевих і шлакових розплавів" - Свердловськ, УПІ, 1987; Всесоюзній науково-технічній конференції "Прогнозування і управління якістю металовиробів, що отримуються обробкою тиском" - Абакан, 1988; Міжнародній науковій конференції "Евтектика IV" - Дніпропетровськ, Україна 1997; Міжнародній науковій конференції "Евтектика V" - Дніпропетровськ, Україна 2000; Міжнародній науковій конференції "Перспективні задачі інженерної науки" - Алушта, Україна, 2001.

Публікації Матеріали дисертації опубліковані в 3 статтях спеціалізованих наукових журналів. Додатково наукові результати відображені у 5 виданнях по матеріалах наукових конференцій.

Структура дисертації Дисертація складається з вступу, 6 розділів і висновків. Загальний об'єм дисертації становить 168 сторінок, вміщує 20 таблиць, 47 малюнків і 4 додатки. Список літературних джерел складається з 122 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі дослідження, представлено основні наукові положення, які виносяться на захист, а також практичне значення і цінність отриманих результатів.

Перший розділ є присвячений аналітичному огляду літератури та патентно-ліцензійних розробок, які стосуються підвищення зносостійкості, жароміцності і стійкості до термічного розширення поршневих сплавів на основі алюмінію. Найбільш перспективними, що мають кращі показники перерахованих властивостей, є силуміни, леговані перехідними металами (Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Ti, Mo, W, V). Причому чим більше в силумінах міститься кремнію, тим вище зносостійкість і нижче к.л.р., а чим більше сплав містить перехідних легуючих елементів, тим краще його показники жароміцності. Максимальна кількість кремнію в існуючих поршневих силумінах не перевищує 25%, а зміст перехідних елементів не перевищує їх максимальної розчинності в алюмінієвому твердому розчині. Основною перешкодою, що обмежує подальше зростання їх вмісту в сплавах є різке пониження пластичності, стійкості до розгарних тріщин та ударних навантажень через утворення в структурі великих первинних кристалів кремнію та інтерметаллідів при затвердженні. Аналіз теплофізичних властивостей сплавів на основі алюмінію дозволяє передбачити дуже сильну залежність структури та фазового складу цих сплавів від швидкості охолодження при твердінні, що може дозволити значно поліпшити структурно-чутливі властивості сплавів такі як жароміцність, пластичність і стійкість до крихкого руйнування. На основі аналітичного огляду літератури виявлено основні тенденції в розробці складів нових зносостійких і жароміцних поршневих сплавів на основі алюмінію, проаналізовано механізми впливу структури сплавів на вказані властивості і доцільність застосування швидкостей охолоджування 103...104 град/с при затвердженні для поліпшення пластичності та в'язкості сплавів з високими показниками зносостійкості, жароміцності та стійкості до термічного розширення.

Другий розділ є присвячений опису методики досліджень. Дослідно-промислові партії сплавів виплавлено на Запорізькому алюмінієвому заводі на базі електротермічного первинного силуміна (ПС), який отримують з кіанітових руд в трифазних рудовідновних печах ОКБ 6012 потужністю 22,5 МВА. Первинний сплав дошихтовувався в роздавальному ковші відповідно до вимог досліджень. Як дошихтовочні матеріали використовувалися лігатури Al-Cr, Al-Cu, а також мідно-нікелеві відходи марки МНц 15-20. Розплав з температури перегріву 1000-13000С переливався у ківш і по футерованому жолобу розливався в злитки по 16 кг.

Хімічний склад електротермічних силумінів, що були використані для отримання гранул, приведено в таблиці:

№ п/п Si Fe Ti Ni Cu Zr Cr Al, мас.%

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 28,10 1,90 0,50 0,25 2,15 0,21 0,36 ост.

2 29,30 2,15 0,70 0,32 0,90 0,20 0,09 ост.

3 30,30 1,58 0,55 0,25 0,81 0,21 0,08 ост.

4 30,37 1,93 0,89 0,10 2,12 0,21 1,09 ост.

5 30,81 1,67 0,46 0,30 6,35 0,21 0,70 ост.

6 31,00 1,47 0,55 0,72 3,70 0,25 0,60 ост.

7 31,90 2,08 0,60 0,70 1,55 0,21 0,10 ост.

8 32,00 1,65 0,81 0,70 1,25 0,21 0,36 ост.

9 32,10 1,80 0,98 0,31 1,58 0,23 0,85 ост.

10 32,12 1,89 0,70 1,48 1,15 0,23 0,07 ост.

11 33,00 1,45 0,50 0,40 2,45 0,25 0,06 ост.

12 33,00 1,50 0,80 1,25 0,04 0,21 0,08 ост.

13 33,10 2,06 0,55 0,40 5,00 0,22 0,80 ост.

14 33,90 1,57 0,54 0,78 2,50 0,22 0,70 ост.

15 33,90 1,90 0,65 0,71 3,39 0,22 0,36 ост.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

16 34,48 1,87 0,98 0,10 1,47 0,21 0,87 ост.

17 35,70 1,6 0 0,56 0,23 0,79 0,22 0,07 ост.

18 36,00 2,60 0,87 1,45 0,60 0,25 0,10 ост.

19 36,32 1,89 0,99 1,51 3,45 0,22 0,70 ост.

20 38,50 2,01 0,63 0,90 3,80 0,21 0,60 ост.

21 40,10 1,98 0,63 0,70 3,30 0,22 1,04 ост.

22 40,10 2,08 0,65 0,30 0,84 0,21 0,10 ост.

23 42,10 1,50 0,60 0,28 0,85 0,25 0,10 ост.

24 39-34 1,5-1,6 0,8-0,9 0,8-1,2 <0,2 <0,3 0,05-0,08 ост.

Механічні властивості, гранулометричний склад, насипну щільність і зміст вологи в гранулах було вивчено по стандартних методиках (ГОСТ 9454-78, ГОСТ 1497-84, ГОСТ 10006-80, ГОСТ 19040-81, ГОСТ 18318-94 (ДСТУ2640-94), ГОСТ 19440-74 (ДСТУ2495-94), ГОСТ 5494-71 відповідно).

Випробування поршнів проведено на двигуні КАМАЗ-7404 №293190 у відповідності з ГОСТ 14846-81 "Двигуни автомобільні"

Якісний металографічний аналіз проведено на оптичному мікроскопі Neofot-21 (фірми Carl Zeiss, ГДР). Для дослідження мікроструктури гранул їх заздалегідь заливали епоксидною смолою ЭДП в металевих або пластмасових обоймах, а потім робили шліфи. Для розділення фаз і підвищення контрастності мікроструктури всі шліфи травилися у 0,5% водному розчині плавикової кислоти. Трансмісійні електрономікроскопічні дослідження проводили на об'єктах без попереднього утонення на електронному мікроскопі ЭМ-200 за прискорюючого напруження 175 кВ. Зразки отримували у вигляді плівки шляхом її екстракції з розплаву за допомогою металевої рамки. Рентгеноструктурний фазовий аналіз проводили на універсальному дифрактометрі загального призначення ДРОН-2,0.

Дифрактограми від плоских зразків і гранул отримували в фільтрованому CuKa випромінюванні за стандартною методикою. Якісний мікрорентгеноспектральний аналіз проводився на приладі MS-46 (фірми "CAMECA", Франція) за загальноприйнятою методикою. Високотемпературний диференціальний термічний аналіз проводився на приладі DERIVATOGRAPH-C System: F.Paulik, J.Paulik, L.Erdey (Угорщина). Зразки вміщувалися в алундові тиглі і нагрівалися до температури 10000С із заданою швидкістю (V=5 град/мін). Мінімальна різниця температур зразка, що реєструється та еталона становила 0,2 0С.

Третій розділ є присвячений дослідженню закономірностей структуроутворення нового складнолегованого висококремнистого сплаву Альрезист. Приведене обгрунтування хімічного складу сплаву Альрезист, приведен аналіз фазових та структурних змін в ньому в залежності від швидкості охолоджування при затвердженні.

Встановлено, що фазові складові сплаву при затвердженні з швидкостями охолоджування не більше за 10 град/с представлені великими пластинами первинних кристалів кремнію розміром 200...300 мкм, дільницями a-Al твердого розчину, великими голчатими кристалами b(FeSiAl5) фази, тонкими великими пластинами d(FeSi2Al4) фази і багатофазною тонкодиференційованою евтектикою, до складу якої входять a(Fe2SiAl8), Al5SiMn, FeAl3, b(FeSiAl5), d(FeSi2Al4), CuAl2, Si і a-Al тв.розчин. Збільшення швидкості охолоджування від 10 град/с до 103...104 град/с приводить до наступних змін в структурі сплаву: а) в середньому на порядок зменшуються розміри первинних кристалів кремнію; б) пригнічується виділення з розплаву первинних кристалів складних інтерметалідів b(FeSiAl5) і d(FeSi2Al4) фаз; в) в структурі гранульованого сплаву збільшується об'ємний зміст a-Al твердого розчину на 20...27%.

Даними фазового аналізу показано, що затвердження сплаву йде відповідно до діаграми стану Al-Si-Fe і при швидкості охолоджування не більше за 10 град/с відбувається в чотири етапи:

1. Ж Ю Si + Ж - з розплаву виділяються кристали первинного кремнію;

2. Ж Ю d(FeSi2Al4) + Ж - з розплаву виділяється проміжна фаза d(FeSi2Al4);

3. Ж+d(FeSi2Al4)Юb(FeSiAl5)+Ж - з розплаву виділяються проміжна фаза b(FeSiAl5);

4. Ж Ю евт.(a-Al+Si+Al5SiMn, d(FeSi2Al4)+b(FeSiAl5)+a(Fe2SiAl8)+FeAl3+CuAl2) - кристалізація закінчується з появою багатофазної евтектики.

При швидкості охолоджування 103...104 град/с затвердження гранул проходить в наступній послідовності:

1. Ж Ю (Si + Ж) - з розплаву виділяються кристали первинного кремнію;

2. Ж Ю (a-Al +Si) + Ж - з розплаву одночасно виділяються кристали алюмінієвого твердого розчину і кремнію;

3. Ж Ю евт.(a-Al+Si+Al5SiMn, d(FeSi2Al4)+b(FeSiAl5)+a(Fe2SiAl8)+FeAl3+CuAl2)- кристалізація закінчується появою багатофазної евтектики.

Показано, що кристалізація гранул йде відповідно до метастабільної діаграми стану, яка побудована шляхом екстраполяції поверхонь ліквідуса і відповідних тальвегів у переохолоджену область при подавленні кристалізації кристалів Al5SiMn, d(FeSi2Al4) і b(FeSiAl5) фаз. Збільшення в структурі гранул об'ємної частки алюмінієвого твердого розчину пов'язане з виділенням його на дільниці екстрапольованого тальвега.

Встановлено стрибкоподібний характер залежності мікротвердості алюмінієвого твердого розчину і періоду його кристалічних гратів від температури загартування гранул в інтервалі 300-5500С, яку проводили з метою фіксації його високотемпературного стану. Виходячи з того, що всі легуючі елементи, присутні в сплаві (Ni, Cu, Cr, Fe, Ti, Si), при розчиненні в a-Al твердому розчині зменшують період кристалічної гратки, стрибкоподібний характер цієї залежності від температури нагріву під загартування пояснюється послідовним пересиченням і розпадом a-Al твердого розчину у відповідності з метастабільним і стабільним сольвусами метастабільної і стабільної діаграм стану.

Четвертий розділ є присвячений аналізу морфології первинних кристалів кремнію сплаву Альрезист. Високий вміст кремнію в сплаві (до 40 мас.%) приводить до того, що саме ця фаза відповідальна як за високі показники стійкості сплаву до зносу і термічного розширення, так і за зниження показників пластичності та ударної в'язкості. У зв'язку з цим проведене дослідження впливу швидкості охолоджування на морфологію і механізми зростання кристалів кремнію.

Встановлено, що в основній фракції гранульованого сплаву можна виділити декілька морфологічних типів кристалів кремнію: полиедричні, дендритні, дендритно-скелетні форми зростання, вироджені дендритно-скелетні форми зростання, Н-подібні кристали і п'ятипроменеві кристали. Причому із збільшенням швидкості охолоджування спостерігається перехід від поліедричних форм зростання до дендритних. У мікроструктурі гранул великих фракцій (>1,0 мм) від 20 до 60% первинного кремнію представлено у вигляді пластинчатих Н-подібних кристалів трьох видів (рис. 1): Н-подібні кристали з перпендикулярною перемичкою (а), з косою перемичкою між пластинами (б) і кристали з бічними паростками на перпендикулярній перемичці (в).

У літературі Н-подібні кристали первинного кремнію в силумінах не виділяють в спеціальну групу, опис особливостей цього морфологічного типу і механізмів його зростання є відсутні. За даними електронографічного аналізу встановлено, що первинні кристали кремнію висококремнистого електротермічного силуміна інтенсивно двійникуються по площині типу (111). Двійникування є характерне для стрічкових кристалів з алмазоподібними кристалічними гратами. Існує два підходи до пояснення морфології стрічкових кристалів кремнію: перший зв'язує їх морфологію зі шаруватістю алмазоподібних кристалічних гратів, другий - з полісинтетичним двійникуванням кристалів кремнію і розвитком стрічкових форм зростання. Морфологія Н-подібних кристалів кремнію знаходить своє пояснення на основі уявлень про тетраедричний центр зростання на гранях вхідного кута, ребром якого є полісинтетичний двійник. Це дозволило зробити висновок про те, що Н-подібні кристали трьох різновидів є дендритними формами зростання стрічкових кристалів. Н-подібні кристали з косою перемичкою є перетином стрічкового дендрита типу <110>, а з перпендикулярною перемичкою - перетином стрічкового дендрита типу <211>, бічні ж паростки на перпендикулярній перемичці являють собою дендритне гілкування ребер здвійникованого тетраедра. На основі проведеного морфологічного аналізу зішліфовок кристалів кремнію Н-подібної форми, побудовані стереомоделі стрічкових кристалів кремнію типу <211> та <110> (рис. ).

Рис. 2 Стереомоделі дендритів стрічкових кристалів а) типу <211> б) типу <110>

Моделі морфологічних типів стрічкових кристалів кремнію, а також кристалогеометричний аналіз механізмів їх зростання, дозволяють пояснити і морфологію п'ятипроменевих кристалів кремнію. Аналіз мікроструктур п'ятипроменевих кристалів показав, що їх промені формуються по схемі зростання стрічкових кристалів, описаних вище. Відомо, що фази з гратами типу алмаза схильні до утворення циклічних двійників. Результатом циклічного двійникування кремнію по площині типу (111) є п'ятикутні двоопуклі зірки (рис. 3). Оскільки для формування стрічкового морфологічного типу необхідно, щоб ребро двогранного кута було сформоване полісинтетичним двійником, то введення в модель п'ятикутної двоопуклої зірки елементів полісинтетичного двійникування приведе до формування п'яти тетраедричних центрів зростання і до утворення п'ятипроменового кристала. Оскільки при формуванні циклічного двійника площини двійникування формують кристалографічну зону з віссю <110>, то псевдовісь п'ятого порядку п'ятипроменевого кристала буде перпендикулярна площині типу (110).

П'ятий розділ присвячено технології виробництва поршневих заготовок з сплаву Альрезист. Внаслідок проведених досліджень розроблено технологічні параметри виробництва суцільноштампованої поршневої заготовки, виготовлена дослідна партія поршнів і проведені їх стендові випробування. Технологічна схема виробництва поршневої заготовки включає: виплавку сплаву, гранулювання сплаву, сушку гранул, розсівання гранул по фракціях, термічну вакуумну дегазацію гранул, брикетування гранул, екструдування прутка з брикета, порізку прутка під поршневі заготовки, штампування поршневой заготовки. Гранулювання сплаву проводилося в умовах КраМЗ (м. Красноярськ) на грануляторі відцентрового типу з охолоджуванням гранул у водяній завісі. Вогкість отриманих гранул після сушки становила (2,5-3,5)х103 масВизначено основні технологічні параметри гранулювання: температура розплаву, швидкість обертання склянки розпилювача, швидкість охолоджування гранул і щільність струму, яким обробляється розплав перед гранулюванням.

Встановлено технологічні параметри термічної дегазації гранул на основі одержаної кінетичної кривої виділення водню при нагріві гранул до 7000С. Найбільш інтенсивне виділення водню спостерігалося в інтервалі 430-5400С. Час дегазації лімітується швидкістю знеміцнення гранульованого сплаву. Кінетика знеміцнення оцінювалась по значеннях мікротвердості евтектики сплаву через різні часові інтервали. Кожну точку графіка побудовано за результатами 10 вимірів значень мікротвердості. Показано, що витримка при температурі дегазації не повинна перевищувати 2 години.

Оскільки насипна маса гранул сплаву Альрезиста невисока і становить 1,6 г/см3, то для підвищення щільності пресованих заготовок, пресування прутка здійснюється після попереднього брикетування гранул в еліптичних гільзах з витримкою під тиском 3 хв на вертикальному гідравлічному пресі зусиллям 250 т.с. Як оптимальні були вибрані такі технологічні параметри виготовлення екструдованих зразків, які забезпечили максимальні показникі міцності, мінімальне газове вмісто і відсутність внутрішніх і зовнішніх дефектів. Якісні прутки щільністю 2,71...2,74 г/см3 отримано при швидкості деформування 18 мм/с з деяким варіюванням параметрами пресування та геометричними параметрами матриці.

Для визначення температурного інтервалу максимальної пластичності при штампуванні було проведено випробування на розтягнення циліндричних зразків з прутка при різних температурах в інтервалі 400-5200С за стандартними методиками при фіксованих температурах і швидкостях деформації 10 і 100 мм/хв (див. рис. 5).

Рис. 5

Виявлено вузький температурний інтервал, в якому спостерігається різке збільшення пластичності і подальше її падіння зі зростанням температури при постійному падінні опору деформації. Така залежність пластичності та міцності від температури і значення температури максимальної пластичності характерна для металів та сплавів, що виявляють ефект надпластичності на основі фазового дифузійного перетворення. Приведені результати дозволяють зробити висновок про те, що найбільшу пластичність сплав Альрезист буде виявляти в умовах ізотермічного штампування при температурі 4900С і швидкості деформування більше 100 мм/хв, оскільки ефект надпластичності дуже сильно залежить від схеми напруженого стану, зсуваючись у бік більш високих швидкостей деформування при переході від одноосного розтягнення до схеми триосного стиснення.

На основі розроблених основних технологічних параметрів отримано партію суцільноштампованих поршнів з гранульованого сплаву Альрезист з наступними властивостями: твердість поршневих заготовок після термообробки становила 145...155; границя міцності на розтягнення при кімнатній температурі - 270...300 МПа; границя міцності на розтягнення при температурі 250 0С - 155...175 МПа; твердість при температурі 250 0С становила 90...100 НВ; коефіцієнт лінійного розширення в інтервалі температур 100-3000С становив 14,5...15,7 х 10-6 град-1.

Шостій розділ є присвячений аналізу стендових випробувань суцільноштампованих поршнів з сплаву Альрезист. Механічна обробка поршневих заготовок проведена на технологічних лініях механічної обробки поршневих відливок заводу Двигунів ПО КАМАЗ.

Стендовий двигун у випробувальному боксі було укомплектовано суцільноштампованими поршнями (дет.7403.1004.015СБ) в 1,3, 6 і 8 циліндрах. Випробування на задиростійкість в об'ємі 100 годин витримали і серійні, і дослідні поршні. Для оцінки зносостійкості визначався знос поршневих канавок по висоті, середній знос поршнів по зовнішньому діаметру, а також приведені профілограми нижнього торця поршневої канавки суцільноштампованих і серійних поршнів після випробувань на задиростійкість. Результати стендових випробувань показали, що показники потужності та економічності двигуна при роботі з дослідними поршнями відповідають вимогам ТУ; суцільноштамповані поршні з сплаву Альрезист витримали випробування на задиростійкість і зносостійкість; величина зносу в області канавки під перше компресійне кільце знизилася в середньому на 30% в порівнянні з серійними поршнями з нірезистовою вставкою, інші величини зносу деталей циліндро-поршневої групи при роботі двигуна з дослідними і серійними поршнями є ідентичні (при цьому для суцільноштампованих поршнів графітизація юбки не була потрібна).

ВИСНОВКИ

У дисертації приведено теоретичне узагальнення і нове рішення науково-технічної задачі, яка полягає в підвищенні зносостійкості дизельних поршнів (зокрема двигуна КАМАЗ 740) на основі вивчення закономірностей структуроутворення складнолегованих висококремнистих Al-Si сплавів при твердінні їх з швидкостями охолоджування 103...104 град/с. На основі отриманих закономірностей розроблено новий гранульований сплав Альрезист, розроблені і освоєні технологічні параметри виробництва з нього суцільноштампованого поршня, стендові випробування якого показали збільшення зносостійкості поршнів в 1,3...1,5 рази. По матеріалах проведених досліджень отримано наступні основні наукові і практичні результати:

1. Аналіз науково-технічної літератури показав, що підвищення зносостійкості, жароміцності і стабільності до термічного розширення поршневих сплавів для форсованих дизельних двигунів, є актуальне науково-технічне завдання, рішення якого є можливе на основі вивчення закономірностей формування структурно-фазового складу висококремнистих силумінів, легованих перехідними металами при їх твердінні з високими швидкостями охолодження (103-104 град/с). На основі критичного аналізу науково-технічної інформації запропоновано та обгрунтовано хімічний склад гранульованого поршневого сплава Альрезист.

2. Встановлено, що при зміні швидкості охолоджування при твердінні від 10 град/с до 103...104 град/с в сплаві Альрезист відбуваються наступні структурні зміни:

- на порядок зменшуються розміри первинного кремнію (з 200-300 мкм до 15-25 мкм);

- подавляється кристалізація грубих кристалів первинних інтерметалідів з вмістом заліза d(FeSi2Al4) і b(FeSiAl5);

- збільшується на 20...27% об'ємна частка a-Al твердого розчину;

- формується тонкодисперсна багатофазна евтектика, до складу якої входять Si, a-Al, d(FeSi2Al4), b(FeSiAl5), a(Fe2SiAl8), FeAl3 і CuAl2.

3. Вперше показано, що структуроуворення гранульованого сплаву Альрезист при затвердженні з швидкостями охолоджування 103...104 град/с йде відповідно до метастабільної діаграми стану Al-Si-Fe, яка будувалась шляхом екстраполяції поверхні ліквідуса і відповідного тальвега стабільної діаграми в переохолоджену область. Правомірність екстраполяції ліній і поверхонь діаграми стану в область переохолодження знаходиться відповідно до принципу безперервності Курнакова Н.С.

4. Вперше показано, що при затвердженні гранул з швидкостями охолоджування 103-104 град/с первинні кристали кремнію кристалізуються у вигляді стрічкових дендритів двох типів <211> та <110>. По морфологічних ознаках стрічкового дендрита можна визначити тип стрічкового кристала. Морфологія, що спостерігалась у сплаві Альрезист, стрічкових дендритів кремнію, підтверджує зростання кристалів з алмазоподібними кристалічними гратами на базі полісинтетичних двійників по механізму Петрова Д.А. та Буханової А.А. і спростовує поширений в літературі механізм зростання стрічкових кристалів по Гамільтону і Вагнеру. Вперше за результатами зішліфовок побудовано стереомоделі стрічкових дендритів кристалів кремнію <211> та <110>.

5. Вперше розроблено модель і запропоновано механізм зростання п'ятипроменевих кристалів кремнію, що спостерігалися в гранульованому сплаві. Показано, що зростання п'ятипроменевих кристалів здійснюється на циклічному двійникові, у якого грані вхідних кутів являють собою полісинтетичні двійники, що приводить до появи п'яти тетраедричних центрів зростання, що формують п'ятипроменевий кристал.

6. Встановлено, що прутки, отримані з гранульованого сплаву Альрезист, виявляють ознаки ефекту надпластичності у вузькому температурному інтервалі 480...5000С і швидкості деформування 10...100 мм/хв.

7. Внаслідок виявлених закономірностей структуроутворення сплаву Альрезист визначено основні технологічні параметри:

- отримання гранульованого сплаву (температура розплаву; величина щільності трифазного змінного струму, яким обробляється розплав перед грануляцією; швидкість обертання склянки гранулятора);

- дегазація гранул (температура дегазації капсул з гранулами, час витримки під вакуумом);

- отримання брикета (температура брикетування, час витримки в штампі під тиском, температура штампу);

- екструдування прутка з брикета (температура брикета, питоме зусилля та швидкість деформування, температура пресового інструмента);

- ізотермічного штампування поршневой заготовки (температура нагріву заготовки, швидкість деформування, питоме зусилля штампування).

8. Показано, що прутки із сплава Альрезист мають стійкість до термічного розширення на рівні сталі (коефіцієнт лінійного розширення a300-14~15х106К1); міцність на розтягнення при 200С - 270...290 МПа, при 2500С - 160...175МПа; твердість за Брінелем 145...155 та 90...110НВ при температурах 20 та 2500С відповідно. Стендові іспити поршнів під типорозмір двигуна КАМАЗ 740 показали зростання зносостійкості в 1,3...1,5 рази.

9. Сплав Альрезист розроблено на базі електротермічного силуміна і містить до 36%Si, 4%Cu та легуючий комплекс з перехідних металів (Ti, Ni, Zr, Cr, Fe). Вміст в сплаві до 2% Fe дозволяє використати для виробництва сплаву вітчизняні родовища кіанітових руд з підвищеним змістом заліза.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ В РОБОТАХ:

1. Романова Н.С. Фазовый состав и превращения при нагреве в гранулированных Al-Si сплавах //Теория и практика металлургии.-1998.-№4.-С.55-57.

2. Мазур В.И., Таран Ю.Н., Романова Н.С. Новые аспекты технологической пластичности труднодеформируемых сплавов на основе алюминия //Металл и литье Украины.-1999.-№11-12.-С.38-41.

3. Романова Н.С. Особенности микроструктуры высококремнистого гранулированного силумина //Металлургическая и горнорудная промышленность.-1999.-№2-3.-С.42-45.

ДОДАТКОВО НАУКОВІ РЕЗУЛЬТАТИ ВІДОБРАЖЕНІ В РОБОТАХ:

4. Мазур В.И., Савельев В.С., Притоманов В.А., Романова Н.С. Влияние дополнительной металлизации на структуру и свойства гранул // Труды Всесоюзной научной конф. "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов" - Свердловск, УПИ, 1987 -С.58-59.

5. Мазур В.И., Савельев В.С., Романова Н.С., Притоманов В.А. Исследование структуры и свойств прессованных полуфабрикатов износостойкого теплопрочного сплава АК35Ж2Г // Всесоюзная научно-техническая конф. "Прогнозирование и управление качеством металлоизделий, получаемых обработкой давлением" -Абакан, 1988. -С. 200-201.

6. Мазур В.И., Савельев В.С., Романова Н.С., Притоманов В.А. Формирование структуры сложнолегированного силумина АК35Ж2Г для реализации режима сверхпластического деформирования // Всесоюзная научно-техническая конф. "Сверхпластичность металлов" (АН СССР, Институт проблем сверхпластичности металлов) -Уфа, 1989. -С.118-119.

7. Романова Н.С., Савельев В.С. Влияние температуры нагрева на твердофазные превращения в гранулированных заэвтектических силуминах // Труды международной конф. "Эвтектика IV" , Днепропетровск: НМетАУ -1997. -С.123-125.

8. Романова Н.С. Морфология и механизмы роста кристаллов кремния в высококремнистом электротермическом сплаве Al-Si // Труды международной конф. "Эвтектика V" , Днепропетровск: НМетАУ -2000. -С.103-104.

АНОТАЦІЇ

Романова Н.С. "Дослідження структуроутворення силумінів, розробка і освоєння технології виробництва зносостійких дизельних поршнів" - Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01 - Металознавство та термічна обробка металів. - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2001.

Дисертація присвячена вивченню структуроутворення у висококремнистих складнолегованих силумінах при твердінні з високими швидкостями охолоджування. На основі вивчених закономірностей розроблено новий гранульований поршневий сплав Альрезист, з вмістом кремнію до 40мас.% та з легуючим комплексом з Cu та перехідних металів Fe, Ni, Cr, Ti, Zr. Сплав має високу зносостійкість, жароміцність та стійкість до термічного розширення. Встановлено закономірності формування структурно-фазового складу сплава при твердінні з швидкістю охолоджування до 104 град/с, що дозволило розробити технологічні параметри виробництва суцільноштампованої поршневої заготовки і виготовити дослідно-промислову партію поршнів. Стендові випробування суцільноштампованих поршнів показали збільшення зносостійкості в 1,3...1,5 рази, що разом із зменшенням коефіцієнту лінійного розширення до 30% дозволяє значно покращити техніко-економічні показники дизельних двигунів.

Ключові слова: силуміни, структуроутворення, двійникування, зносостійкість, гранульований поршневий сплав.

Романова Н.С. Исследование структурообразования силуминов, разработка и освоение технологии производства износостойких дизельных поршней. -Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов. - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2001.

Диссертация посвящена изучению структурообразования в высококремнистых сложнолегированных силуминах при затвердевании с высокими скоростями охлаждения. На основе изученных закономерностей разработан новый гранулированный поршневой сплав Альрезист, содержащий до 40мас.% кремния и легирующий комплекс из Cu и переходных металлов Fe, Ni, Cr, Ti, Zr. Исследовано влияние скорости охлаждения при затвердевании на фазовый состав и структуру сплава Альрезист. Установлено, что увеличение скорости охлаждения от 10 град/с до 104 град/с приводит к следующим изменениям в структуре сплава: а) в среднем на порядок уменьшаются размеры первичных кристаллов кремния; б) подавляется выделение из расплава первичных кристаллов промежуточных b(FeSiAl5) и d(FeSi2Al4) фаз; в) в структуре гранулированного сплава увеличивается объемное содержание a-Al твердого раствора на 20...27%. Показано, что кристаллизация гранул идет в соответствии с метастабильной диаграммой состояния Al-Si-Fe, которая построена путем экстраполяции поверхностей ликвидуса и соответствующих тальвегов в переохлажденную область при подавлении кристаллизации промежуточных b(FeSiAl5) и d(FeSi2Al4) фаз. Увеличение в структуре гранул объемной доли алюминиевого твердого раствора связано с выделением его на участке экстраполированного тальвега.

Морфологический анализ первичных кристаллов кремния в гранулах выявил три типа Н-образных кристаллов и пятилучевые кристаллы, которые не были ранее классифицированы. В работе установлено, что Н-образные кристаллы кремния представляют собой сечения дендритных форм роста ленточных кристаллов с алмазоподобной решеткой типа <211> и <110>. Впервые построены стереомодели дендритов ленточных кристаллов кремния типа <211> и <110>. Показано, что пятилучевые кристаллы представляют собой ленточные кристаллы на базе циклического двойника. Впервые предложен механизм их роста и построена модель этих кристаллов, как циклических двойников, ребрами двугранных углов которых являются полисинтетические двойники.

Структурно-фазовые изменения в гранулах, связанные с высокой степенью дисперсности структурных составляющих, развитостью межфазных границ, подавлением кристаллизации промежуточных фаз и увеличением объемной доли алюминиевого твердого раствора, позволяют получить цельноштампованный поршень из сложнолегированного силумина с содержанием кремния в нем до 40 мас.%.

В результате проведенных исследований разработаны технологические параметры производства цельноштампованной поршневой заготовки, изготовлена опытная партия поршней и проведены их стендовые испытания. Технологическая схема производства поршневой заготовки включает: выплавку сплава, гранулирование сплава, сушку гранул, рассев гранул по фракциям, термическую вакуумную дегазацию гранул, брикетирование гранул, экструдирование прутка из брикета, порезку прутка под поршневые заготовки и изотермическую штамповку поршневой заготовки.

На основании разработанных основных технологических параметров, получена партия цельноштампованных поршней из гранулированного сплава Альрезист со следующими свойствами: твердость поршневых заготовок после термообработки составила 145-155; предел прочности на растяжение при комнатной температуре - 270...300 МПа; предел прочности на растяжение при температуре 250 0С - 155...175 МПа; твердость при температуре 250 0С составила 90...100В; коэффициент линейного расширения в интервале температур 25-3000С составил 14,5...15,7 х 10-6 град-1. Стендовые испытания цельноштампованного поршня показали увеличение износостойкости в 1,5 раза, что, наряду с уменьшением коэффициента линейного расширения сплава на 30%, позволит значительно улучшить технико-экономические показатели дизельных двигателей.

Ключевые слова: силумины, структурообразование, двойникование, износостойкость, гранулированный поршневой сплав.

Natalya S. Romanova. Research of structure formation of alloys Al-Si, elaboration and assimilation of production technology of wear-resistant pistons for diesels. -Manuscript.

Thesis for the competition of a candidate degree (technical sciences) by specialty 05.16.01 - Physical metallurgy and heat treatment of metals. - National metallurgical academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2001.

The dissertation is devoted to study of structure in Al-Si alloys, which crystallized with high speeds of cooling. On the basis of the investigated structure formation laws is developed new piston alloy Alresist, which contains of silicon 40% and alloying elements Fe, Ni, Cr, Ti, Zr, Cu. The alloy has high resistance, high-temperature strength and stability to thermal expansion. By established laws of formation of structure in alloy Alresist, which was crystallized with high speed of cooling (up to 104 0С/s), were developed the technology parameters of manufacture formed piston. Test of pistons have shown increase of resistance on 30... 50%.

Key words: Al-Si alloys, structure formation, twinning, wear-resistance, hot strength, granulated piston alloy.

Подписано до друку 30.10.01 Формат 60х84 1/16. Папір друк. Друк

плоский. Облік. –вид. арк. 1.2 Тираж 100 пр.Замовлення № 37

Національна металургійна академія України

49600, Дніпропетровськ-5, пр.Гагаріна,4

РВВ НМетАУ