Разработка технологических основ электронно-лучевого упрочнения поршневых алюминиево-кремниевых сплавов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.06, кандидат технических наук Кровяков, Константин Сергеевич

• Кровяков, Константин Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кровяков, Константин Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Современные алюминиевые поршневые сплавы.

1.1.1. Характеристика сплавов для поршней, используемых в отечественном и зарубежном двигателестроении.

1.1.2. Основные направления совершенствования поршневых сплавов.

1.2. Анализ существующих технологий создания упрочненных слоев на поверхности алюминиевых поршневых сплавов.

1.2.1. Локальное упрочнение и его особенности.

1.2.2. Упрочнение методом заливки кольцедержателей.

1.2.3. Использование композиционных материалов.

1.2.4. Создание на поверхности силуминов защитных покрытий небольшой толщины.

1.2.5. Аргоно-дуговая наплавка и ее разновидности.

1.2.6. Плазменно-дуговой переплав с легированием.

1.2.7. Лазерное поверхностное упрочнение.

1.2.8. Электронно-лучевая обработка.

1.3. Постановка задач исследований.

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА

И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Выбор поршневого сплава для создания упрочненных слоев.

2.2. Методика электронно-лучевого упрочнения в вакууме и технологическая аппаратура для ее реализации.

2.3. Обоснование выбора системы легирования для получения наплавленного металла с высоким комплексом механических свойств.

2.4. Металлографический анализ и измерение микротвердости.

2.5. Фазовый анализ.

2.6. Определение плотности.

2.7. Разработка методики измерения твердости при высоких температурах и описание конструкции прибора для ее осуществления

2.8. Испытания на теплостойкость (термоциклирование) исходного поршневого сплава и упрочненных слоев.

2.9. Испытания на износостойкость.

Глава 3. ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ ОСНОВНОГО И УПРОЧНЕННОГО МЕТАЛЛА.

3.1. Микроструктура и фазовый состав поршневого сплава заэвтектического состава в исходном состоянии.

3.2. Структурные особенности упрочненных слоев, полученных методом электронно-лучевой технологии.

3.3. Влияние структурно-фазового состояния на характер распределения микротвердости.

3.4. Исследование кинетики старения поршневого сплава до и после электронно-лучевого упрочнения.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УПРОЧНЕННЫХ

СЛОЕВ.

4.1. Исследование влияния технологических параметров процесса электронно-лучевой обработки на геометрические характеристики упрочненных слоев.

4.2. Определение плотности поршневого сплава в исходном состоянии и после обработки электронным лучом.

4.3. Изучение твердости основного и упрочненного электронным лучом металла при высоких температурах.

4.4. Испытание сплавов на сопротивление механическому изнашиванию.

4.5. Взаимосвязь структурно-фазового состояния и физико-механических свойств упрочненного металла.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

Глава 5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологических основ электронно-лучевого упрочнения поршневых алюминиево-кремниевых сплавов»

Развитие машиностроения в современном мире во многом обусловливается решением проблемы надежности подвижных сопряжений деталей машин на основе рационального конструирования, разработки высокопрочных материалов и методов их технологической обработки, выбора смазочных материалов и покрытий. Основной путь создания деталей нового поколения заключается в нанесении на их рабочие поверхности защитных и упрочняющих покрытий, которые имеют свойства, значительно отличающиеся от свойств основного материала деталей. Такое разделение функций позволяет многократно повысить надежность и ресурс работы деталей машин при одновременном снижении затрат на изготовление единицы продукции.

Поршень является важнейшей и наиболее напряженной деталью двигателя внутреннего сгорания. Ресурс работы поршня в целом определяется ресурсом работы его слабых мест, к числу которых в зависимости от конструкции поршня и условий его работы относятся: зоны кольцевых канавок под компрессионные кольца, кромка камеры сгорания, днище и юбка поршня, жаровый пояс и отверстия для поршневого пальца. Для поршней дизельных двигателей проблема износа и разрушения слабых мест приобретает особую остроту, поскольку с повышением уровня форсирования дизельного двигателя значительно возрастают динамические нагрузки на поршень, что приводит к интенсификации износа его слабых мест. Как показывает анализ износов и разрушений поршней, из перечисленных слабых мест наиболее интенсивному износу подвержены зоны кольцевых канавок под компрессионные кольца, особенно зона первой кольцевой канавки. Образование предельного зазора между поршневым кольцом и канавкой в основном и определяет ресурс дизеля до переборки, расход топлива и масла, а также затраты на ремонт.

Материалом, используемым для изготовления поршней, являются преимущественно алюминиево-кремниевые сплавы (силумины). Поршни карбюраторных двигателей изготавливают из малокремнистых силуминов, в то время как поршни дизельных двигателей, особенно форсированных, выполняют из более жаропрочных высококремнистых силуминов эвтектического и заэвтектического состава. Однако для того, чтобы обеспечить удовлетворительную работу сопряжения первое поршневое кольцо - канавка, износостойкости высококремнистых силуминов оказывается явно недостаточно. Таким образом, разработка эффективных технологических процессов для упрочнения кольцевых канавок поршней форсированных дизельных двигателей является актуальной и одной из основных задач современного машиностроения.

Электронно-лучевая обработка пучками низкой энергии благодаря ряду преимуществ (более высокий, чем при лазерной обработке к.п.д., значительно меньшие энергозатраты, вакуумная дегазация и рафинирование обрабатываемого металла, возможность полной автоматизации процесса) является одним из наиболее перспективных методов упрочнения поршневых сплавов.

Работа выполнена в Проблемной НИЛ "Процессы сварки и создания защитных покрытий" и в Зональной межвузовской НИЛ электронно-лучевой технологии АлтГТУ в соответствии с тематическим планом Единого заказ-наряда Минвуза РФ (1993.2000 г.г.), а также в рамках программ, включенных на конкурсной основе в: Региональную НТП "Сибирь" (1995. 1997 г.г.), Региональную НТП "Нефть и газ Сибири" (1993. 1997 г.г.), Региональную НТП "Алтай-наука" (1995. 1998 г.г.), Республиканскую межвузовскую НТП "Сварочные процессы" (1995. 1998 г.г.), Республиканскую межвузовскую НТП "Сварка и контроль" (1999 г.), и гранта Минобразования РФ по фундаментальным исследованиям в области транспортной техники в 1999 г. (Раздел 5 "Технология производства транспортной техники").

Цель работы. Разработка технологических основ процесса упрочнения поршневых алюминиево-кремниевых сплавов методом электронно-лучевой обработки в вакууме.

Для достижения цели в работе были поставлены следующие научные и прикладные задачи исследований:

- провести экспериментальные исследования по выявлению влияния технологических параметров режима электронно-лучевого упрочнения на геометрические характеристики упрочненных слоев; с использованием регрессионных моделей оптимизировать технологию упрочнения кольцевых канавок поршней под компрессионные кольца.

- исследовать физико-механические свойства упрочненного металла: твердость, в том числе при высоких температурах, микротвердость, износостойкость, плотность.

- установить качественную и количественную взаимосвязь структуры и свойств металла, наплавленного с легирующими добавками.

- оценить теплостойкость основного и упрочненного металла; выявить механизм разупрочнения от температурного воздействия методом исследования кинетики старения.

- разработать технологические рекомендации по практическому использованию технологии электронно-лучевого упрочнения; выявить области рационального использования разработанного способа упрочнения поршневых сплавов.

Методы исследований. Экспериментальные исследования процесса элекгронно-лучевой обработки в вакууме проводили на заготовках поршней, отлитых из заэвтектического силумина, с использованием электронно-лучевого энергетического комплекса ЭЛА-5 на основе пушки с плазменным эмиттером.

Микроструктурные исследования выполняли на оптическом микроскопе МИМ-8М и растровом электронном микроскопе Тез1а ВБ-ЗОО. Твердость и микротвердость упрочненных слоев измеряли на приборах 2109ТБ и ПМТ-ЗМ. Испытания на теплостойкость и исследование кинетики старения силаbob проводили методом измерения механических свойств. В качестве источника нагрева использовали печь типа "CHOJI".

Исследования износостойкости выполняли по модернизированной методике в условиях сухого и масляного трения скольжения со схемой изнашивания "пальчиковый образец - диск". Износ контролировали по потере массы на аналитических весах ВЛР-200.

Построение математических моделей и оценку их качества проводи при помощи программы "BESSER", которая предназначена для построения регрессионных моделей в прикладных статистических исследованиях. Основой программы является алгоритм поиска лучшей регрессионной модели, построенной методом наименьших квадратов.

Достоверность полученных результатов при решении поставленных в диссертационной работе задач обеспечивали использованием современных приборов, оборудования, компьютерной техники и методик экспериментальных и теоретических исследований, а также получением адекватных практических результатов.

Научная новизна.

- впервые метод электронно-лучевого упрочнения с легированием научно обоснованно применен для создания слоев с высокими механическими свойствами на поверхности поршневых алюминиево-кремниевых сплавов. На разработанный способ получено положительное решение по заявке на патент №98123272/02 от 21.12.1998 г.

- установлены рациональные технологические параметры режима электронно-лучевого упрочнения применительно к обработке зон кольцевых канавок под компрессионные кольца.

- получены новые экспериментальные данные о физико-механических свойствах упрочненного металла, в том числе при высоких температурах; установлено, что в слоях, упрочненных с легированием, на алюминиевой основе со структурой эвтектики сложного состава возможно получение твердости до 2300 МПа по Бринеллю, и сохранение высоких показателей твердости при повышенных температурах.

- установлена зависимость физико-механических свойств упрочненного металла от количества легирующих элементов, вводимых при наплавке; разработаны рекомендации по управлению формированием микроструктуры с целью получения упрочненного металла с заданным комплексом механических свойств.

Практическая ценность работы. Разработана технология электроннолучевого упрочнения поршневых силуминов, которая может быть использована для упрочнения слабых мест поршней, например кольцевых канавок под компрессионные кольца. Разработанный технологический процесс упрочнения поршневых силуминов прошел опытно-промышленную проверку и внедрен на научно-производственной фирме (НПФ) "ЭЛИОМ" (г.Барнаул).

Диссертационные исследования и разработки используются в учебном процессе АлтГТУ при выполнении дипломных проектов, лабораторных занятий и научно-исследовательских работ студентов.

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты экспериментальных исследований по выявлению влияния технологических параметров процесса электронно-лучевой обработки на геометрические характеристики упрочненных слоев с использованием метода планирования эксперимента и последующим построением регрессионных математических моделей.

- результаты исследований микроструктуры поршневого сплава в исходном состоянии и после его упрочнения методом электронно-лучевой технологии.

- результаты исследования кинетики старения упрочненных слоев, на основании которых выявлен механизм разупрочнения обработанного металла от воздействия температуры.

- установленные зависимости физико-механических свойств (твердости, в том числе при высоких температурах, микротвердости, плотности, износостойкости) основного и упрочненного металла и их взаимосвязь со структурно-фазовым состоянием обработанного металла и содержанием в нем легирующих элементов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 55-й научно-технической конференции студентов, аспирантов, профессорско-преподавательского состава АлтГТУ (г.Барнаул, 1998 г.), XXX Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы современного строительства" (г.Пенза, 1999 г.), научно-технической конференции студентов и аспирантов Рубцовского индустриального института (г.Рубцовск, 1999 г.), V Межгосударственном семинаре "Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий" (г.Обнинск, 1999 г.), III Международном Российско-Корейском симпозиуме (КО!Ш8л99) (г.Новосибирск, 1999 г.), Международной молодежной научной конференции "XXV Гагаринские чтения" (г.Москва, 1999 г.), 1 Международной научно-технической конференции "Металлофизика и деформирование перспективных материалов (Металлдеформ-99)" (г.Самара, 1999 г.), 56-й научно-технической конференции студентов, аспирантов, профессорско-преподавательского состава АлтГТУ (г.Барнаул, 1999 г.), научно-практической конференции "Наука - городу Барнаулу" (г.Барнаул, 1999 г.). Диссертация обсуждалась на научно-технических семинарах кафедры "Малый бизнес и сварочное производство" АлтГТУ.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 22 научных работах, в том числе в 3-х отчетах по научным темам, прошедших государственную регистрацию. Получено положительное решение по заявке на патент № 98123272/02 от 21.12.1998 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе и приложений. Работа изложена на 203 стра