Современные технологии упрочнения поршневых алюминиевых сплавов

Министерство образования Российской Федерации

Международная академия наук высшей школы

Алтайский государственный технический университет имени

И.И. Ползунова

М.В. РАДЧЕНКО

СОВРЕМЕННЫЕ 
ТЕХНОЛОГИИ УПРОЧНЕНИЯ 
ПОРШНЕВЫХ

АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Монография

Москва

ИНФРА-М

2019

Р15

УДК 621.79(075.4)
ББК 34.65 
Р15

Рецензент:

В.В. Евстигнеев., доктор физико-математических наук, профессор, 
академик Международной академии наук высшей школы

ФЗ

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Радченко М.В.

Современные 
технологии 
упрочнения 
поршневых 
алюминиевых сплавов : монография / М.В. Радченко. — Москва : 
ИНФРА-М, 2019. — 214 с.

ISBN 978-5-16-108154-9 (online)

Рассмотрены 
существующие 
технологические 
процессы 
создания 
износостойких 
слоев 
на 
поверхности 
порш невых 
алюминиевых 
сплавов, 
практической 
областью 
применения 
которых 
является 
упрочнение 
быстро 
изнаш ивающ ихся зон поршней, например, кольцевых канавок под компрессионные 
кольца. Раскрыты преимущ ества и недостатки каждой из технологий, показана 
возможная область их применения.

Изложены 
результаты 
научных 
исследований 
по 
разработке 
нового 
технологического процесса локального упрочнения сплавов для поршней с 
помощью электронно-лучевого способа. Рассмотрены особенности взаимодействия 
электронного луча с алюминиевыми сплавами, приводящие к изменению их 
структурно-фазового состояния, а также комплекса физико-механических свойств. 
Показаны области практического использования электронно-лучевой технологии 
для упрочнения конкретных марок порш невых алюминиевых сплавов.

Рассчитана на научных и инженерно-технических работников, занятых в 
области 
сварочного 
производства, 
металлургии, 
металловедения, 
двигателестроения. 
М ожет 
быть 
полезна 
аспирантам 
и 
студентам 
вузов 
маш иностроительных специальностей.

УДК 621.79(075.4) 
ББК 34.65

ISBN 978-5-16-108154-9 (online)
© Радченко М.В., 2019

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................... 
6

1 АНАЛИЗ МИРОВОГО СОСТОЯНИЯ УПРОЧНЯЮЩИХ 

ТЕХНОЛОГИЙ ПОРШНЕВЫХ СПЛАВОВ.............................................. 
10

1.1 Современные алюминиевые поршневые сплавы................................... 10

1.1.1 Характеристика сплавов для поршней, используемых

в отечественном и зарубежном двигателестроении............................. 
10

1.1.2 Основные направления совершенствования

поршневых сплавов.....................................................................................  
18

1.2 Анализ существующих технологий создания упрочненных слоев

на поверхности алюминиевых поршневых сплавов.................................... 
21

1.2.1 Локальное упрочнение и его особенности...................................  
21

1.2.2 Упрочнение методом заливки кольцедержателей......................  
22

1.2.3 Использование композиционных материалов.............................  
26

1.2.4 Создание на поверхности силуминов защитных

покрытий небольшой толщины.............................................................  
28

1.2.5 Аргоно-дуговая наплавка.................................................................  31

1.2.6 Плазменно-дуговой переплав.......................................................... 
37

1.2.7 Лазерное поверхностное упрочнение............................................  
49

1.2.8 Электронно-лучевая обработка в вакууме.................................... 
59

1.3 Перспективы развития и области применения

упрочняющих технологий................................................................................. 66

3

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ УПРОЧНЕНИЯ

ПОРШНЕВЫХ СПЛАВОВ. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ 

СВОЙСТВ УПРОЧНЕННОГО МЕТАЛЛА............................................. 69

2.1 Выбор поршневых сплавов для создания упрочненных слоев......... 
69

2.2 Технология электронно-лучевого упрочнения в вакууме и

аппаратура для ее реализации....................................................................... 72

2.3 Обоснование выбора системы легирования

для создания наплавленного металла.......................................................... 77

2.4 Методики экспериментальных исследований....................................  
84

2.4.1 Металлографический анализ и измерение микротвердости. . 
84

2.4.2 Фазовый анализ.............................................................................. 
85

2.4.3 Определение плотности............................................................... 
86

2.5 Методика и аппаратура измерения твердости

при высоких температурах........................................................................... 87

2.6 Теплостойкость (термоциклирование) исходного

поршневого сплава и упрочненных слоев.................................................  91

2.7 Износостойкость упрочненного металла............................................. 
93

3 СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ

ОСНОВНОГО И УПРОЧНЕННОГО МЕТ АЛЛА.................................. 
99

3.1 Микроструктура и фазовый состав поршневого сплава

заэвтектического состава в исходном состоянии....................................  
99

3.2 Структурные особенности упрочненных слоев, полученных

методом электронно-лучевой технологии................................................. 
105

3.3 Влияние структурно-фазового состояния на характер

распределения микротвердости..................................................................  
112

4

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 

И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

УПРОЧНЕННЫХ СЛОЕВ........................................................................... 129

4.1 Влияние технологических параметров процесса электроннолучевой обработки на геометрические характеристики

упрочненных слоев.......................................................................................  129

4.2 Плотность поршневого сплава в исходном

состоянии и после обработки электронным лучом..................................  
142

4.3 Твердость основного и упрочненного электронным

лучом металла при высоких температурах............................................... 
144

4.4 Износостойкость сплавов в условиях механического изнашивания. 154

4.5 Взаимосвязь структурно-фазового состояния и

физико-механических свойств упрочненного металла............................ 
159

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 4 ....................................................................... 
163

5 ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОЙ ТЕХНОЛОГИИ УПРОЧНЕНИЯ ПОРШНЕЙ...................  
165

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................... 
 
170

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................  
172

ПРИЛОЖЕНИЯ..............................................................................................  
198

3.4 Кинетика старения поршневого сплава

до и после электронно-лучевого упрочнения........................................... 
121

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 3 ....................................................................... 
126

5

ВВЕДЕНИЕ

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

6

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.

Монография написана на основании научно-исследовательских работ, 

выполненных в Проблемной НИЛ “Процессы сварки и создания защитных 

покрытий” и в Зональной межвузовской НИЛ электронно-лучевой технологии Алтайского государственного технического университета.

Главным направлением явилась разработка технологии упрочнения 

поршневых алюминиево-кремниевых сплавов методом электронно-лучевой 

обработки в вакууме. Практическая ценность заключается в использовании

основном и определяет ресурс дизеля до переборки, расход топлива и масла, а также затраты на ремонт.

7

Монография состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений.

В первой главе на основании изучения отечественных и зарубежных 

литературных источников проведен аналитический обзор, в котором дана 

характеристика алюминиевых сплавов, используемых для изготовления 

поршней, и подробно рассмотрены основные технологические процессы 

создания упрочненных слоев 
на поверхности поршневых сплавов. 

Раскрыты преимущества и недостатки каждого из рассмотренных процессов, показаны области их рационального использования.

Во второй главе проведено обоснование выбора поршневого сплава 

для создания на его поверхности упрочненных слоев методом электроннолучевой обработки в вакууме. Выполнен научно обоснованный выбор легирующих элементов, которые использовали для упрочнения поршневого 

сплава. Разработана методика электронно-лучевого упрочнения и приведена конструкция и техническая характеристика электронно-лучевой 

аппаратуры, с использованием которой реализована разработанная технология. Модернизированы и разработаны методики исследования механических свойств упрочненного поршневого сплава, проведено описание 

общепринятых методик исследований микроструктуры, фазового состава и 

физико-механических свойств.

В третьей главе выполнены исследования микроструктур, фазового 

состава, проведена оценка степени гомогенности микроструктур Исследована кинетика старения поршневого сплава и упрочненных слоек, а ш  

основании ее результатов выявлен механизм разупрочэеяня д ™ »  т  

температурного воздействия.

разработанной технологии для упрочнения слабых мест поршней, например, кольцевых канавок под компрессионные кольца.

8

В четвертой главе изложены результаты исследований по выявлению 

зависимости геометрических характеристик упрочненного металла от 

технологических параметров режима упрочнения. Изучены физико-механические свойства: плотность, твердость в диапазоне температур от 20 до 

300 °С, износостойкость. Показана взаимосвязь физико-механических 

свойств со структурно-фазовым состоянием упрочненного металла.

В пятой главе на основании выполненных исследований разработаны 

научно обоснованные рекомендации по созданию упрочненных слоев на 

быстроизнашивающихся локальных участках поршней.

В приложении к монографии приведен вспомогательный материал 

справочного характера.

9

АНАЛИЗ МИРОВОГО СОСТОЯНИЯ УПРОЧНЯЮЩИХ 

ТЕХНОЛОГИЙ ПОРШНЕВЫХ СПЛАВОВ

1Л Современные алюминиевые поршневые сплавы

1.1.1 Характеристика сплавов для поршней, используемых 

в отечественном и зарубежном двигателестроении

В 
настоящее 
время 
модернизирование 
и 
усовершенствование 

конструкции двигателей внутреннего сгорания, как дизельных, так и 

бензиновых, идет по пути форсирования режимов работы, снижения 

удельной металлоемкости и увеличения сроков эксплуатации. К числу 

наиболее ответственных и напряженных деталей двигателя, в значительной 

мере влияющих на эксплуатационные характеристики машин, относятся 

поршни. В этой связи особое значение приобретают вопросы увеличения 

срока службы поршней, поскольку с повышением мощности существенно 

возрастают тепловые и динамические нагрузки на поршень. Срок службы 

поршней лимитируется многими факторами, из которых основным 

является материал, используемый для их изготовления. Однако, следует 

учитывать и другие немаловажные факторы, также влияющие на срок 

службы поршней: режим работы двигателя, использование принудительного циркуляционного охлаждения поршней [1,2], качество используемого 

моторного масла и топлива и др.

Поршни двигателей работают в очень тяжелых условиях, подвергаясь 

воздействию знакопеременных нагрузок при постоянном контакте с 

агрессивными жидкими и газовыми средами. В связи с этим к поршневым 

сплавам предъявляют следующие требования [3]:

10

1. Пониженная плотность, снижающая нагрузку на шатун.

2. Пониженный коэффициент термического расширения, так как 

цилиндры двигателей стальные, коэффициент термического расширения 

которых в два раза меньше, чем у алюминия.

3. Повышенная теплопроводность, обеспечивающая быстрый отвод 

тепла от камеры сгорания двигателя.

4. Повышенная твердость, что определяет износостойкость поршней.

5. Достаточная плотность, поскольку проникновение газа в поры и 

микротрещины приводит к быстрому разрушению поршней.

6. Стабильность структуры. Структурные изменения могут привести к 

объемному изменению поршня, к его заклиниванию и быстрому выходу из 

строя.

7. Коррозионная стойкость в среде горячих агрессивных газов. 

Воздействуя на днище поршня, газы могут привести его к быстрому 

разрушению.

Сравнительный анализ материалов, используемых в отечественном и 

зарубежном двигателестроении для изготовления поршней двигателей 

внутреннего сгорания, показывает, что наиболее полно указанному комплексу требований удовлетворяют сложнолегированные алюминиево-кремниевые сплавы (силумины). Силумины широко используют для изготовления поршней как в отечественном [4-8], так и в зарубежном двигателестроении [9-12].

С 
целью 
выяснения 
особенностей 
структурных 
составляющих 

сплавов, рассмотрим диаграмму состояния системы Al-Si (рисунок 1.1).

Как видно из диаграммы, кремний не образует химических соединений с алюминием. Растворимость алюминия в кремнии очень мала, 

поэтому можно считать, что в системе Al-Si присутствует чистый кремний.

11

Рисунок 1. 1- Диаграмма состояния 
двойных сплавов системы Al-Si [13]

Растворимость кремния в алюминии (а -  твердый раствор) при эвтектической температуре достигает 1,65 %, а при комнатной температуре почти равна нулю (0,09 % 

при 300 °С).

Эвтектика содержит 11,7 % Si 

и состоит из чередующихся включений обоих фаз (а -  твердого 

раствора + Si). Температура плавления эвтектики составляет 577 °С.

При комнатной температуре 

кремний присутствует в сплаве в

виде отдельных первичных включений (в «эвтектических сплавах), а также входит в состав двойной эвтектики. По мере увеличения количества эвтектики уменьшается склонность сплавов к образованию межкристаллит- 

ных усадочных рыхлот, горячих трещин, что позволяет получить отливку 

высокой плотности. Это объясняется тем, что процесс кристаллизации протекает в узком температурном интервале и идет сплошным фронтом от периферийной зоны (стенок формы) к внутренним зонам отливок, что 

вызывает образование между первичными кристаллами сплошного слоя 

мелкозернистой эвтектики. Это препятствует образованию сквозных 

усадочных каналов между зернами твердого раствора.

С повышением содержания кремния в сплавах понижается коэффициент термического расширения и получается более грубая структура, 

что приводит к охрупчиванию сплава и ухудшает обрабатываемость реза12

нием. Для измельчения включений гсремния в эвтектике используют 

модифицирование натрием, литием, что повышает пластические свойства.

Отечественные поршневые сплавы классифицированы по ГОСТ 1583- 

89 (литейные) и ГОСТ 4784-74 (деформируемые). Химический состав 

наиболее часто используемых сплавов приведен в таблице 1.1, а механические свойства -  в таблице 1.2.

Таблица 1.1- Химический состав поршневых сплавов в % 

(остальное алюминий) ГОСТ 1583-89, ГОСТ 4784-74 (Россия)

Марка
сплава

Химический состав, %

Основные компоненты

Si
Си
Mg
Мл
№
Fe
Другие

элементы

АК4
0,5-1,2

1,9-2,5

1,4-1,8
—
0,8-1,3

0,8-1,3
—

АК4-1
—
1,9-2,7

1,2-1,8
—
0,8-1,4

0,8-1,4
0,02-0, ITi

АК5М7
(АЛ10В*)

4,5-6,5

6,0-8,0

0,2-0,5
—
—
—
—

АК12М2МгН

(АЛ25)

11,0-13,0

1,5-3,0

0,85-1,35

0,3-0,6

0,8-
-1,3
—
0,05-0,20

Ti

АК12ММгН

(АЛЗО)

11,0-13,0

0,8-1,5

0,85-1,35
—■
0,8-1,3
—
—

АЛ26
20,0-22,0

1,5-2,5

0,4-0,7

0,4-0,8

1,0-2,0
—
0,1-0,4 Cr

АК21М2,5Н2,5
20,0-22,0

2,2-3,0

0,3-0,6

0,2-0,4

2,2-2,8
—
0,1-0,3 Ti 
0,2-0,4 Сг

*Буква В означает, что сплав изготовляют из лома и отходов.

Химический состав сплава приведен по справочнику [14].

Коротко рассмотрим особенности поршневых сплавов, которые 

подразделяют на две большие группы: деформируемые и литейные.

13