Поршень двигателя внутреннего сгорания и способ его изготовления

 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в поршнях преимущественно автомобильных ДВС. Головка поршня имеет вставку, выполненную из каркасного композиционного материала алюминиевый сплав - тугоплавкий карбид или алюминий - тугоплавкий карбид с объемным содержанием тугоплавкого карбида 40-75 об.%. В качестве тугоплавких карбидов, входящих в состав каркасного композиционного материала, используют карбид титана или карбид бора. В одном из вариантов технического решения состав сплава в составе композиционного материала может не совпадать с составом сплава, из которого выполнены остальные части поршня, в том числе и юбка поршня. Приведен способ изготовления такого поршня. Использование изобретения обеспечивает создание поршней для ДВС, головка которого обладает высокой жаропрочностью и твердостью при высоких температурах. Тем самым открываются возможности форсирования двигателей с такими поршнями. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в автомобилестроении.

Известно, что для обеспечения эффективности работы двигателей внутреннего сгорания поршни для них целесообразно изготавливать из сплавов с низкой плотностью, прежде всего алюминиевых сплавов. Однако, кроме низкой плотности, к материалу предъявляются еще ряд дополнительных требований, таких как прочность при повышенных (до 300-400^oС) температурах, повышенная твердость. Поэтому в автомобилестроении чаще используют сплавы алюминия, легированные кремнием, например, АК18, АЛ25.

В конструкции поршня можно выделить две части: головку и юбку. Головка поршня, т.е. часть, непосредственно примыкающая к камере сгорания, испытывает наибольшие термические воздействия. В связи с этим в перспективных конструкциях поршней для повышения термостойкости головки поршня ее изготавливают из композиционных материалов, армируя алюминиевые сплавы тугоплавкими веществами.

Так, известен поршень двигателя внутреннего собрания, описанный в патенте РФ 2116487, кл. F 02 F 3/00, опубл. 27.07.1998. Поршень, в том числе и его головка, изготовлен из матричного композиционного материала: алюминиевого сплава, армированного частицами карбида кремния или оксида алюминия. Авторы патента отмечают, что использование композиционного материала позволяет улучшить тепловое состояние поршня, уменьшить его плотность, повысить износостойкость. Однако в матричных композитах свойства в большой степени определяются металлической матрицей и, как следствие, существенно ухудшаются при повышенных температурах.

В качестве наиболее близкого технического решения авторы выбрали патент США 4920864 "Reinforced piston" (кл. F 02 F 3/06, 1 мая 1990). Описанный в патенте поршень имеет головку, изготовленную из сплава (Al, Mg, Ni) и имеющую вставку, армированную волокнами из группы: силикат алюминия, оксид алюминия, карбид алюминия, нитрид алюминия, бор, карбид бора, графит. Волокна могут быть ориентированы в различных направлениях. Армирование волокнами обеспечивает повышение механических и теплофизических характеристик головки поршня. Однако жаропрочность описанных материалов недостаточна для обеспечения возрастающих требований к поршням.

Описанный в патенте США 4920864 поршень получают методами литья, преимущественно с кристаллизацией под давлением. Для этого в литейную форму помещают заготовку из волокон, которой придана требуемая форма, соответствующая области армирования сплава в головке поршня. После этого форму заливают металлическим сплавом и осуществляют формование поршня с приложением давления. В ходе процесса волокнистая заготовка пропитывается алюминиевым сплавом, образуя тем самым композиционный материал алюминиевый сплав/волокна, локализованный в головке поршня, что ограничивает применение поршня.

Недостатками известного технического решения является относительно невысокая жаропрочность головки поршня. Это связано с матричной структурой сформированного композиционного материала, особенности которой обсуждались ранее.

Задачей изобретения является повышение жаропрочности головки поршня.

Предлагаемое техническое решение состоит в том, что головка поршня имеет вставку, выполненную из каркасного композиционного материала алюминиевый сплав - тугоплавкий карбид или алюминий - тугоплавкий карбид с объемным содержанием тугоплавкого карбида 40-75 об.%. В качестве тугоплавких карбидов, входящих в состав каркасного композиционного материала, используют карбид титана или карбид бора. В одном из вариантов технического решения состав сплава в составе композиционного материала может не совпадать с составом сплава, из которого выполнены остальные части поршня, в том числе и юбка поршня.

Предлагаемое техническое решение раскрывает также способ изготовления описанного поршня. Способ состоит в том, что используют вставку из каркасного композиционного материала, состав которого описан нами выше, устанавливают в литьевую форму (преимущественно для литья с кристаллизацией под давлением). Затем осуществляют литье в указанную форму. При этом предпочтительно, если вставка из композиционного материала предварительно нагрета до температуры, превышающей температуру плавления алюминиевого сплава в составе композиционного материала. В одном из вариантов реализации способа вставку из каркасного композиционного материала или одну ее сторону покрывают (плакируют) слоем алюминия или алюминиевым сплавом.

Интервалы объемного содержания тугоплавкого карбида (40-75%) в составе композиционного материала связаны с технологическими возможностями изготовления вставок. При содержании карбида вне указанных интервалов возникают сложности при получении каркасного композита.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем. Жаропрочную вставку в составе поршня выполняют из каркасного композиционного материала. Структура такого композита включает два взаимопроникающих каркаса - карбида и металла. То есть карбидная фаза представляет собой континуум, распространяющийся на весь объем композиционного материала, а металлическая фаза сформирована другим континуумом, также во всем объеме материала. Тем самым вставка сохраняет свою целостность даже при температурах, превышающих температуру плавления металла в его составе (в отличие от матричных композиционных материалов, описанных в известных технических решениях) за счет сохранения прочности карбидным каркасом. Каркасные композиционные материалы в данном техническом решении состоят из карбида титана или карбида бора и алюминия или его сплавов. Такая комбинация составов обеспечивает хорошее сочетание свойств в композиционном материале. Процесс получения вставки из каркасного композиционного материала указанных составов можно разбить на две основные стадии: получение пористого полуфабриката из карбидного материала и его пропитка алюминиевыми сплавами. Пористый карбидный полуфабрикат может быть получен спеканием частиц соответствующего карбида при высоких температурах, в том числе и с использованием активаторов спекания. Другим вариантом его получения является формирование заготовки из порошка металла (титан) или неметалла (бор) или их смесей с соответствующими карбидами (TiC, B₄C), введение в заготовку необходимого количества пироуглерода разложением углеводородов при повышенных температурах и последующая термообработка для протекания процесса взаимодействия порошков титана или бора с образованием карбида. В последнем варианте все стадии происходят практически без изменения формы и размеров заготовки, сформованной из порошка, а полученные пористые карбидные системы обладают хорошей прочностью. После получения пористого полуфабриката его пропитывают алюминиевыми сплавами (или алюминием), например, при 1200^oС в вакуумной печи, расплавляя алюминиевый сплав на поверхности карбидного полуфабриката.

Изготовление поршня двигателя внутреннего сгорания осуществляют методом литья, предпочтительно литьем с кристаллизацией под давлением.

Вставку из каркасного композиционного материала, изготовленную описанным выше способом, предварительно нагревают до температуры, превышающей температуру плавления алюминиевого сплава или алюминия, входящего в структуру, а затем устанавливают в форму для литья, точнее фиксируют вставку в том месте литейной формы, в котором будет формироваться головка поршня. После этого в форме реализуют процесс литья алюминиевого сплава, аналогичный описанным в известных технических решениях. Итогом этого является изготовление поршня, имеющего вставку из каркасного композиционного материала в его головке.

Применение предварительного прогрева вставки обеспечивает очень высокую адгезию вставки со сплавом корпуса головки. Действительно, в этом случае происходит диффузное взаимодействие двух жидких алюминиевых сплавов: одного внутри материала, а другого - вне его, что приводит к обеспечению высокой адгезии на границе раздела вставка/сплав после кристаллизации алюминиевого сплава.

Для повышения адгезии на границе раздела вставка/сплав в некоторых случаях целесообразно применять вставку, предварительно покрытую (плакированную) слоем алюминия или алюминиевого сплава. Плакирование может быть осуществлено на всей поверхности вставки или только на одной из ее сторон. Покрытие слоем алюминия осуществляют путем обработки вставки в алюминиевом сплаве или другими известными приемами. Кроме того, получение слоя алюминия на поверхности вставки может быть совмещено со стадией получения каркасного композиционного материала. В этом случае избыток алюминия или алюминиевого сплава, оставшегося на поверхности вставки после стадии пропитки, не удаляют.

Важно отметить, что предлагаемый способ позволяет использовать при изготовлении вставки одни типы алюминиевых сплавов (например, те, которые лучше пропитывают пористый карбидный полуфабрикат или имеют более высокую жаростойкость), а для формирования других частей поршня применять другие алюминиевые сплавы (например, обеспечивающие низкий коэффициент трения в области юбки поршня).

Введение в камеру сгорания (в составе головки поршня) карбидов переходных элементов, в частности карбида титана, может в ряде случаев приводить к повышению интенсивности сгорания топлива за счет каталитических свойств карбида титана, что выражается не только в повышении кпд двигателя, но и снижению уровня токсичных выбросов.

Следующие примеры характеризуют сущность изобретения.

Пример 1. Используют вставку из каркасного композиционного материала карбид титана/сплав алюминий-кремний (содержание кремния 13 мас.%) размером ⊘50 мм, h= 5 мм. Объемное содержание карбида титана в композите 50 об.%. Вставку нагревают до температуры 750^oС и затем помещают в литейную форму. В форму заливают сплав АЛ25 (Al-основа, Mg-1%,Si-12%, Mn-0.5%, Cu-2%, Ni-1%), форму закрывают и в форме с помощью пресса создают давление 175 МПа. После выдержки 30 с форму разбирают. В результате литья с кристаллизацией под давлением (жидкой штамповки) получают заготовку поршня, имеющую вставку в головке. Заготовку поршня обрабатывают на металлообрабатывающих станках до конечных размеров и формы, получая тем самым поршень, головка которого имеет на верхней поверхности вставку из каркасного композиционного материала алюминиевый сплав - карбид титана.

Проведенные механические испытания прочности сцепления композиционной вставки с головкой поршня показали, что разрушение происходит по композиционной вставке, а не по границе раздела вставка/поршень. Следовательно, прочность адгезионной связи композиционной вставки с поршнем превышает прочность материала самой вставки.

Для оценки свойств поверхности головки поршня из нее вырезаны образцы для проведения физико-механических испытаний. Полученные результаты представлены в таблице. Из таблицы видно, что головка поршня в соответствии с предложенным техническим решением значительно превосходит по своим свойствам материалы-аналоги.

Пример 2. Пример осуществляют аналогично примеру 1, только в качестве вставки из каркасного композиционного материала используют вставку, изготовленную из каркасного композита карбид бора/алюминий-кремний (содержание кремния 13 мас.%). Свойства материала головки поршня представлены в таблице.

Степень упрочнения головки поршня можно оценить по соотношению прочностей материалов вставок и самого поршня при повышенных температурах. Как видно из таблицы, для материала TiC/(Al-13%Si) параметр (σ_{вставки}/σ_АЛ25) при 300^oС равен 2,8, а при 400^oС - 15,5. Для материала B₄C/(Al-13%Si) соответственно 2,7 и 11. В [1] описана технология изготовления отливок поршней из сплава АЛ3О (Al-основа, Mg-1%, Si-12%, Cu-1.5%, Ni-1%) с головкой, упрочненной муллитокремнеземом. Такое техническое решение аналогично описанному в патенте США 4920864. Данные по прочности, приведенные в [1], показывают, что степень упрочнения головки поршня материалом АЛ30+17% муллитокремнезем при 350^oС равна 1,6, что значительно ниже значений, полученных для материалов, получаемых согласно предлагаемому техническому решению.

Таким образом, использование предлагаемого технического решения обеспечивает создание поршней для двигателей внутреннего сгорания, головка которого обладает высокой жаропрочностью и твердостью при высоких температурах. Тем самым открываются возможности форсирования двигателей с такими поршнями.

Источники информации 1. Хаюров С. С., Аксенов А.А., Золотаревский B.C. Волокнистые композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов для поршней двигателей внутреннего сгорания, получаемых кристаллизацией под давлением. - Технология легких сплавов, 1993, 12, с. 68-72.

Формула изобретения

1. Поршень двигателя внутреннего сгорания, выполненный из алюминиевого сплава и содержащий головку со вставкой из композиционного материала и юбку, отличающийся тем, что вставка выполнена из каркасного композиционного материала алюминиевый сплав - тугоплавкий карбид или алюминия - тугоплавкий карбид с объемным содержанием тугоплавкого карбида 40-75 об.%.

2. Поршень по п.1, отличающийся тем, что в качестве тугоплавкого карбида используют карбид титана или карбид бора.

3. Поршень по п. 1, отличающийся тем, что состав алюминиевого сплава, входящего в материал вставки, не совпадает с составом алюминиевого сплава, из которого выполнена остальная часть поршня.

4. Способ изготовления поршня двигателя внутреннего сгорания из алюминиевого сплава, содержащего юбку и головку со вставкой из композиционного материала, методом литья в форму преимущественно с кристаллизацией под давлением, отличающийся тем, что предварительно перед началом процесса литья в форму помещают вставку из каркасного композиционного материала алюминиевый сплав - тугоплавкий карбид или алюминий - тугоплавкий карбид с объемным содержанием тугоплавкого карбида 40-75 об.%.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что перед началом процесса литья вставку из каркасного композиционного материала предварительно нагревают до температуры, превышающей температуру плавления алюминиевого сплава или алюминия в составе каркасного композиционного материала.

6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что для литья используют алюминиевый сплав, состав которого не совпадает с составом алюминиевого сплава, входящего в материал вставки.

7. Способ по любому из пп.4-6, отличающийся тем, что помещаемая в форму вставка из каркасного композиционного материала или по меньшей мере одна из ее сторон покрыта слоем алюминия или алюминиевого сплава.

РИСУНКИ

Рисунок 1