Piston workpieces produced by casting with crystallization under pressure

Abstract

The article presents the data on manufacture of workpieces of piston of internal combustion engines by casting with crystallization under pressure. There are considered the schemes of pressing and pressure effect on the quality of castings.

Full Text

Литьём с кристаллизацией под давлением (ЛКД) изготовляют плотные отливки как из литейных, так и из деформируемых сплавов (главным образом из сплавов на основе алюминия и меди). Их можно и даже желательно подвергать всем видам термической обработки для улучшения структуры и свойств. Большое внимание исследователи уделяют ЛКД поршней для двигателей внутреннего сгорания автомобилей, судов и т. п., применяя для их изготовления заэвтектические силумины [1, 2]. Наиболее простые схемы пресс-форм для ЛКД поршней представлены на рисунке 1. Рисунок 1. Схемы изготовления поршней при поршневом (а), пуансонном (б) видах прессования и через литники-питатели (в). Матрицы пресс-форм (рисунок 1, а, б) являются неразъёмными, здесь только один разъём - между матрицей и прессующим пуансоном. При прессовании через литники-питатели расплав вначале заливают в металлоприёмник, из которого его вытесняют нижним прессующим пуансоном; в этом случае пресс-форма может иметь разъёмы как вертикальный, так и горизонтальный. На рисунке 1, в показана схема пресс-формы с горизонтальным разъёмом (показано стрелками), в которой одновременно могут быть изготовлены две отливки. Более удачная схема прессования (рисунок 1, в) реализована в промышленной установке, разработанной фирмой UBE (Япония), схема работы которой представлена на рисунке 2. Рисунок 2. Изготовление поршней способом ЛКД на литейной машине с нижним узлом прессования: а - заливка металлического расплава в металлоприемник; б - начало вытеснения расплава из металлоприемника в матрицу; в - уплотнение затвердевающей отливки; г - съем отливки с верхней полуформы; 1, 2, 4 - детали пресс-формы; 3 - стержень; 5 - керамическая вставка; 6 - металлоприемник; 7 - пуансон (плунжер) Особенности изготовления отливок при работе на подобных установках следующие: · малая, по сравнению с традиционным ЛКД, скорость заполнения формы, сравнимая со скоростью заполнения формы при литье под низким давлением; · большая площадь сечения питателя при его толщине, почти равной толщине стенки отливки в месте подвода металла; · медленное, равномерное (по параболической кривой) ускорение плунжера на стадии заполнения пресс-камеры; при этом газовоздушный пузырь вытесняется из пресс-камеры, не замешиваясь в расплаве; · регулируемая скорость заполнения формы каждой отдельной отливки. При этом, в зависимости от показаний датчиков уровня расплава в форме, осуществляется ускорение или замедление движения плунжера; · максимальное заполнение объема пресс-камеры; · направленное к литнику затвердевание отливки, регулируемое за счет системы охлаждения формы; · применение новых смазок на основе слюды или графита, облегчающих заполнение формы и препятствующих привариванию отливок к форме при литье сплавов с низким содержанием железа и т.д. Технологические режимы ЛКД устанавливаются опытным путем в каждом конкретном случае, поэтому приведенные ниже рекомендации носят общий характер: температура заливаемого расплава должна превышать температуру ликвидус сплава на 30…50°С; температура матрицы - 150…250°С (более высокая температура назначается при литье небольших по габаритам и массе поршней давление прессования - 80…200 МПа (в зависимости от схемы прессования); выдержка под давлением (время прессования) - 1,0…1,2 с на 1 мм толщины стенки. Механические свойства поршней, изготовленных литьем в кокиль и ЛКД с использованием поршневого и пуансонного прессования (рисунок 1, а, б), приведены в таблице 1. Видно, что отливки, изготовленные способом ЛКД, имеют более высокие механические свойства в интервале температур 20…300°С. Таблица 1. Механические свойства поршней Сплав Способ литья Термическая обработка Температура испытаний, °С sв, МПа s0,2, МПа d, % АК12М2МгН (АЛ25) Литьё в кокиль Т6 20 200 300 350 220 190 115 60 220 185 110 55 0,2 0,4 1,0 4,8 ЛКД 20 200 300 350 330 240 125 60 315 225 115 55 0,5 1,9 13,5 27,5 При ЛКД используют преимущественно металлические (стальные) формы, поэтому формирование отливок протекает в условиях повышенных скоростей охлаждения. Время затвердевания отливки сокращается в 3…4 раза по сравнению с литьём в кокиль, ширина двухфазной зоны при литье сплавов с широким интервалом кристаллизации уменьшается. В последние годы находят применение керамических вставок 2 (рисунок 3), оформляющих элементы боковой поверхности поршня. Возможно использование любых схем прессования при ЛКД. Вставки 3 закрепляют на стержнях, оформляющих отверстия под поршневые пальцы. После заливки металлического расплава в матрицу при помощи прессующего пуансона создается давление 50…200 МПа. Температура заливки алюминиевого сплава находится в пределах 700…800°С. Более высокие механические свойства отливок из КМ, изготовленных ЛКД (по сравнению с другими способами литья), обусловлено тем, что металлический расплав под давлением лучше проникает в поры и промежутки между частицами керамического материала, и создается более прочная связь между керамическим материалом и металлической матрицей. В Государственном научном центре ВНИИМЕТМАШ им. академика А.И. Целикова отработана технология композитных поршней для двигателей внутреннего сгорания. Материал поршня - литейный алюминиевый сплав, керамическая вставка - алюминий-кремнеземистые волокна диаметром 2…4 мкм с модулем упругости 150 ГПа, пределом прочности 1700 МПа, плотностью (объемное содержание волокон) 10…20% и содержанием неволокнистой составляющей - не более 5%. Рисунок 3. Эскиз поршня с керамическими вставками (а) и схемы размещения боковых вставок (б): 1 - вставка торцовая (в донной части поршня), 2 - вставки боковые; 3 - вставка в отверстие под палец Способ ЛКД в сочетании с упрочнением головки поршня керамическими волокнами по сравнению с традиционной технологией литья в кокиль позволило: снизить расход металла на 30…40%; получить плотную и мелкозернистую структуру без дефектов и газовой пористости; повысить физико-механические свойства на 15…20%; добиться высокой термической стабильности упрочняющего эффекта; существенно повысить термоустойчивость и снизить износ рабочих поверхностей поршня без появления термических трещин на кромках; совершенствовать конструкцию поршня и эффективность работы двигателя.