БЫСТРОЗАКРИСТАЛЛИЗОВАННЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРШНЕЙ Российский патент 2012 года по МПК C22C21/02 

Описание патента на изобретение RU2468105C1

Изобретение относится к области металлургии сплавов, в частности к быстрозакристаллизованным деформируемым термически упрочняемым сплавам на основе системы Al-Si, и может быть использовано для производства поршней двигателей внутреннего сгорания и дизельных двигателей, которые по сравнению с поршнями, изготовленными деформацией из слитка или отливкой в форму, обладают более высоким комплексом физико-механических, эксплуатационных и экологических характеристик. Кроме того, данный сплав может использоваться для изготовления других деталей, от которых требуется высокая износостокость, жаропрочность, низкий коэффициент термического расширения, размерная стабильность и т.п.

Известен жаропрочный деформируемый сплав на основе алюминия АК4-1, применяемый также для изготовления деталей поршневых двигателей, содержащий, вес.%: медь 1,9-2,7; магний 1,2-1,8; марганец 0,2; железо 0,8-1,4; кремний 0,35; титан 0,02-0,1; никель 0,8-1,4; цинк 0,3; хром 0,1; алюминий остальное (ГОСТ 4784-97 "Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки").

Недостатком этого сплава является относительно низкая износостойкость, а также высокий коэффициент линейного расширения (λ=22×10-6 1/град при Тисп. 20°C). Это снижает ресурс работы поршней, требует применения больших зазоров между поршнем и цилиндром, что приводит к увеличению эмиссии выхлопных газов, снижению мощности, увеличению шума двигателя.

Известен литейный сплав на основе алюминия АК18, предназначенный для отливки поршней в различные формы, а также для литья под давлением, содержащий, вес.%: медь 0,8-1,5; магний 0,8-1,3; марганец 0,2; железо 0,5; кремний 17,0-19,0; титан 0,2; никель 0,8-1,3; цинк 0,2; олово 0,001; свинец 0,005 (ГОСТ 30620-98 «Сплавы алюминиевые для производства поршней») - прототип.

Данный сплав обладает относительно низким коэффициентом линейного расширения (λ=19,5×10-6 1/град при Тисп. 20°C).

Недостатком сплава АК18 является то, что после отливки поршней в различные формы, а также после литья под давлением в структуре сплава присутствуют кристаллы кремния крупных размеров (в зависимости от условий литья от 100 до 400 мкм), располагающиеся неравномерно, иногда строчечно, что ослабляет сплав и может вызвать образование трещин. Хотя частицы первичного кремния обеспечивают относительно высокую износостойкость за счет того, что они создают сопротивление воздействию контртела, в процессе эксплуатации поршней может происходить их выкрашивание.

Еще одним недостатком сплава АК18 является относительно мягкая матрица, в результате чего под воздействием контртела происходит вдавливание частиц кремния в матрицу, что снижает износостойкость сплава.

Уровень прочности сплава АК18 относительно низкий как при комнатной температуре (σв=250-270 МПа), так и при повышенной. Кроме того, сплав имеет низкие пластические свойства (относительное удлинение 0,6-0,8%), что иногда вызывает разрушение поршня в процессе эксплуатации в месте канавки первого компрессионного кольца, а также в отверстиях под пальцы поршня.

Задачей изобретения является повышение физико-механических и эксплуатационных характеристик сплава, предназначенного для изготовления поршней.

Это достигается изменением химического состава и структуры сплава за счет дополнительного легирования и быстрой скорости охлаждения при кристаллизации.

Технической задачей изобретения является разработка деформируемого сплава на основе системы Al-Si для производства поршней двигателей внутреннего сгорания и дизельных двигателей с повышенным уровнем физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение материала из алюминиевого сплава на основе системы Al-Si, обеспечивающего увеличение мощности, снижение шума, уменьшение эмиссии выхлопных газов при использовании поршней двигателей, изготовленных из этого материала.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен деформируемый сплав на основе алюминия, получаемый методом быстрой кристаллизации, за счет чего удается ввести повышенное количество малорастворимых в равновесных условиях циркония, титана, диспергировать избыточные фазы, образованные никелем и железом, измельчить первичные кристаллы кремния либо изменить фазовый состав сплава, обеспечив формирование эвтектической структуры.

В предлагаемый сплав, содержащий кремний, медь, магний, никель, марганец, железо, титан, дополнительно вводят цирконий, оксид алюминия и церий при следующем соотношении компонентов в мас.%: кремний 16,0-19,5; медь 3,0-5,0; магний 0,7-1,2; марганец 0,3-0,7; железо 0,9-1,5; титан 0,2-0,5; цирконий 0,15-0,4; оксид алюминия 0,01-0,3; церий 0,001-0,005; никель до 1,3.

Цирконий в количестве 0,15-0,4% вводят в сплав для повышения прочностных свойств сплава при комнатной и повышенной температурах, упрочнения (повышения твердости) матрицы и, как следствие, повышения износостойкости.

Оксид алюминия в количестве 0,01-0,3% вводят в сплав технологически, в виде поверхностной оксидной пленки гранул. Частицы оксида алюминия не взаимодействуют с матрицей сплава, сохраняют стабильность формы и размеров в процессе эксплуатации, что способствует повышению жаропрочности.

Церий в количестве 0,001-0,005 вводят как поверхностно-активный компонент, который способствует защите поверхности гранул от окисления.

Высокая скорость охлаждения при кристаллизации способствует измельчению частиц кремния до размера не более 20 мкм, измельчает фазы, образованные железом с алюминием, марганцем или никелем, что повышает жаропрочность сплава.

Титан и цирконий в указанных количествах растворяются в алюминии. При последующих технологических нагревах сплава происходит распад твердого раствора и упрочнение сплава по механизму дисперсионного твердения за счет выделения фаз Al3Zr и Al3Ti.

Марганец упрочняет твердый раствор, а медь и магний упрочняют сплав в результате термообработки (закалки и старения), в результате образования дисперсных фаз CuAl2 и Mg2Si.

Таким образом, в сплаве удается сформировать структуру, которая обеспечивает высокую износостойкость: дисперсные частицы первичного кремния размером до 20 мкм, равномерно распределенные по объему матрицы, упрочненной цирконием, титаном, марганцем, магнием и медью. Избыточные фазы, образованные железом или железом и никелем, дисперсные частицы оксида алюминия также способствуют повышению износостойкости и жаропрочности сплава.

Заявленные пределы легирования сплава легирующими компонентами обеспечивают возможность получения оптимальной дисперсности фаз.

Введение церия, препятствуя окислению поверхности гранул, способствует лучшему схватыванию гранул между собой и, соответственно, улучшению качества поршней, исключает образование таких дефектов, как расслоения, рыхлоты и т.п.

Примеры опробования и испытания сплавов, соответствующих по составу предлагаемому изобретению.

В таблице 1 представлен химический состав опробованных вариантов предложенного сплава.

Таблица 1. Химический состав известного и вариантов предлагаемого сплава. Сплав № сплава Содержание компонентов, масс.% Si Cu Mg Mn Fe Ti Zr Ni Al2O3 Ce Al Прототип АК18 18,2 1,2 1,1 0,15 0,35 0,12 - 1,1 - - осн Предложенные варианты сплава 1 16,2 4,0 0,9 0,5 1,1 0,35 0,39 1,1 0,27 0,004 осн 2 18,3 3,8 0,8 0,4 1,3 0,25 0,15 0,7 0,02 0,002 осн 3 19,1 3,2 1,1 0,6 1,4 0,43 0,24 0 0,1 0,003 осн

Сплав получали на установке центробежного литья с охлаждением капель расплава в воде, при этом скорость охлаждения была 103-104 К/с. Изготовление заготовок для последующего производства поршней осуществляли по схеме: сушка гранул при температуре 250°C; рассев гранул на фракцию -1,6+0,4 мм; засыпка гранул в технологические алюминиевые капсулы; вакуумная ступенчатая дегазация при температуре верхней ступени 450°C, герметизация капсулы и подача ее в контейнер диаметром 310 мм гидравлического пресса усилием 5000 тс, температура контейнера 400°C; компактирование при максимальном усилии пресса в течение 3 минут; механическая обработка компактированной заготовки для снятия остатков алюминиевой капсулы; прессование прутка диаметром 90 мм из нагретой до 400°C заготовки на прессе усилием 5000 т. Из прутка на вертикальном прессе в НЛП «Автотехнология» была проведена изотермическая штамповка заготовок поршней. Физико-механические свойства прутков после закалки и искусственного старения представлены в таблице 2.

Таблица 2. Физико-механические свойства прутков. Сплав № сплава Тисп, °С σВ, МПа σ0,2 МПа δ, % НВ, МПа КТЛР, 1×10-6 1/град Диам. пятна износа при Т-300°С, мм Прототип АК 18 20 255 - 0,7 1050 19,5 4,8 250 120 Предлагаемый 1 20 420 360 4,5 1600 18 3,0 250 170 2 20 370 330 4,5 1500 17,5 2,8 250 165 3 20 390 340 5,0 1550 17 2,7 250 185

Таким образом, предложенные составы сплавов обеспечивают повышение износостойкости, более высокую прочность при комнатной и повышенной температуре и более высокую пластичность, более низкий коэффициент линейного расширения. Это, в итоге, обеспечивает повышение ресурса работы поршней, работоспособность поршней при форсированных режимах двигателей, увеличение мощности двигателей, улучшение экологических характеристик двигателей (снижение шума, уменьшение эмиссии выхлопных газов).

Похожие патенты RU2468105C1

название год авторы номер документа
Заэвтектический деформируемый алюминиевый сплав 2022
  • Наумова Евгения Александровна
  • Белов Николай Александрович
  • Дорошенко Виталий Владимирович
  • Барыкин Михаил Александрович
RU2795622C1
ПОРОШКОВЫЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ МАТЕРИАЛ 2019
  • Манн Виктор Христьянович
  • Крохин Александр Юрьевич
  • Вахромов Роман Олегович
  • Поляков Сергей Витальевич
  • Рябов Дмитрий Константинович
  • Королев Владимир Александрович
  • Даубарайте Дарья Константиновна
  • Логинова Ирина Сергеевна
RU2737902C1
ИЗНОСОСТОЙКИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ 1990
  • Ясинский К.К.
  • Постников Н.С.
  • Глущенко И.Н.
  • Липчин Т.Н.
  • Лактионова Л.И.
  • Егорова Н.А.
  • Рощупкина В.И.
RU1709746C
ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ 2008
  • Буше Николай Александрович
  • Миронов Александр Евгеньевич
  • Маркова Татьяна Федоровна
  • Зайчиков Анатолий Васильевич
RU2385358C1
ПОРОШКОВЫЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ИЗНОСОСТОЙКИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 1993
  • Сурикова М.А.
  • Манегин Ю.В.
RU2038401C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ЛИТЬЯ ДЕТАЛЕЙ ГОРЯЧЕГО ТРАКТА ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК, ИМЕЮЩИХ РАВНООСНУЮ СТРУКТУРУ 2015
  • Авдюхин Сергей Павлович
  • Берестевич Артур Иванович
  • Гасуль Михаил Рафаилович
  • Ковалев Геннадий Дмитриевич
  • Логашов Сергей Юрьевич
  • Лубенец Владимир Платонович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Соболев Александр Алексеевич
  • Яковлев Евгений Игоревич
RU2581337C1
ПОРОШКОВЫЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ МЕТОДАМИ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 2023
  • Манн Виктор Христьянович
  • Вахромов Роман Олегович
  • Рябов Дмитрий Константинович
  • Сеферян Александр Гарегинович
  • Митин Виталий Иванович
  • Рахуба Евгений Михайлович
  • Торопов Александр Владимирович
  • Сухенко Александр Александрович
RU2805736C1
АЛЮМИНИЕВЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ИЗДЕЛИЕ, ПОЛУЧЕННОЕ ИЗ ЭТОГО МАТЕРИАЛА 2022
  • Манн Виктор Христьянович
  • Рябов Дмитрий Константинович
  • Вахромов Роман Олегович
  • Грушин Иван Алексеевич
RU2804221C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО 2002
  • Каблов Е.Н.
  • Фридляндер И.Н.
  • Романова О.А.
  • Якимова Е.Г.
  • Телешов В.В.
  • Зеленюк Н.Ю.
RU2222628C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 2009
  • Овсепян Сергей Вячеславович
  • Ломберг Борис Самуилович
  • Григорьева Татьяна Ильинична
  • Самсонов Виктор Дмитриевич
  • Лимонова Елена Николаевна
  • Бакрадзе Михаил Михайлович
  • Вавилин Николай Львович
RU2404275C1

Реферат патента 2012 года БЫСТРОЗАКРИСТАЛЛИЗОВАННЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРШНЕЙ

Изобретение относится к области металлургии сплавов, в частности к быстрозакристаллизованным деформируемым термически упрочняемым сплавам на основе системы Al-Si, и может быть использовано для производства поршней двигателей внутреннего сгорания и дизельных двигателей. Сплав на основе алюминия, получаемый методом быстрой кристаллизации, содержит следующие компоненты, в мас.%: кремний 16,0-19,5; медь 3,0-5,0; магний 0,7-1,2; марганец 0,3-0,7; железо 0,9-1,5; титан 0,2-0,5; цирконий 0,15-0,4; оксид алюминия 0,01-0,3; церий 0,001-0,005; никель до 1,3. Сплав, предназначенный для изготовления поршней, обладает высоким комплексом физико-механических, эксплуатационных и экологических характеристик. 2 табл., 3 пр.

Формула изобретения RU 2 468 105 C1

Быстрозакристаллизованный деформируемый сплав на основе алюминия для изготовления поршней, содержащий кремний, медь, магний, никель, марганец, железо, титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий, оксид алюминия и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
кремний 16,0-19,5 медь 3,0-5,0 магний 0,7-1,2 марганец 0,3-0,7 железо 0,9-1,5 титан 0,2-0,5 цирконий 0,15-0,4 никель до 1,3 оксид алюминия 0,01-0,3 церий 0,001-0,005

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2012 года RU2468105C1

Способ сушки вулканизированной фибры 1931
  • Фролов Г.Н.
SU30620A1
US 20080031768 A1, 07.02.2008
JP 60131944 A, 13.07.1985
Огнетушитель 0
  • Александров И.Я.
SU91A1
СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ 2006
  • Щепочкина Юлия Алексеевна
RU2333992C1
ГЕТЕРОГЕННЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ 1996
  • Эскин Георгий Иосифович
  • Эскин Дмитрий Георгиевич
  • Пименов Юрий Петрович
  • Вертман Александр Абрамович
  • Сухолинский-Местечкин Сергей Леонидович
RU2092604C1

RU 2 468 105 C1

Авторы

Конкевич Валентин Юрьевич

Лебедева Татьяна Ивановна

Тарануха Галина Владимировна

Даты

2012-11-27Публикация

2011-11-18Подача