Материалы для поршневых двигателей

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана




Л.В. Тарасенко, М.В. Унчикова



МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ




Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия по направлению подготовки «Материаловедение и технология материалов»















Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2013

УДК 669.017:621.43(075.8)
ББК 34.2:31.365
     Т19
                   Рецензенты: И.С. Белашова, А.Ф. Третьяков
          Тарасенко Л. В.
    Т19 Материалы для поршневых двигателей: учеб. пособие / Л. В. Тарасенко, М. В. Унчикова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. — 103, [1] с.: ил.
             ISBN 978-5-7038-3687-3
             Дано описание современных конструкционных материалов, применяемых в поршневых двигателях внутреннего сгорания для изготовления поршней, поршневых колец, клапанов, коленчатых валов, подшипников скольжения, деталей выпускного коллектора, деталей двигателей с турбонаддувом (сплавы на основе железа, алюминия, олова, свинца; композиционные материалы, керамика и металлокерамика).
             Для студентов 5-го курса факультета «Энергомашиностроение», слушающих лекции по дисциплине «Материаловедение» (часть 2).
УДК 669.017:621.43(075.8)
                                                ББК 34.2:31.365


Учебное издание
Тарасенко Людмила Васильевна
Унчикова Марина Васильевна
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Редактор С.А. Серебрякова
Корректор Е.В. Авалова
Компьютерная верстка В.И. Товстоног
             Подписано в печать 11.04.2013. Формат 60x84/16.
Усл. печ. л. 6,05. Тираж 200 экз. Изд. № 66.
Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5, стр. 1.
ISBN 978-5-7038-3687-3                    © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013

                ПРЕДИСЛОВИЕ


   Учебное пособие соответствует содержанию программы второй части дисциплины «Материаловедение» для студентов пятого курса факультета «Энергомашиностроение», обучающихся по специальности 1405010065 «Поршневые двигатели». Излагаемый материал является логическим продолжением первой части курса, посвященной изучению закономерностей формирования структуры и свойств общетехнических материалов.
   Известно, что рабочие характеристики двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в значительной степени обусловлены качеством применяемых материалов, общая характеристика которых дана в учебнике «Материаловедение» Б.Н. Арзамасова, В.И. Макаровой, Г.Г. Мухина и других. Более подробные сведения о материалах, применяемых в ДВС, приведены в различных монографиях и справочниках.
   В настоящем пособии обобщены данные о новых материалах, применяемых в двигателестроении, которые были опубликованы за последние годы в отечественной и зарубежной литературе, а также показана связь между структурно-фазовым состоянием материала и его работоспособностью в условиях комплексного воздействия механических напряжений, температурного фактора и агрессивной рабочей среды.
   Цель пособия — помочь студентам в выборе материалов с заданными свойствами для изготовления деталей поршневых двигателей.
   В гл. 1 дана общая характеристика материалов, применяемых в автомобильном двигателестроении: 1) традиционных металлических сплавов; 2) сплавов, получаемых с использованием новых методов литья, термической и термомеханической обработки;
3

3) материалов, альтернативных металлическим сплавам, — керамики, металлокерамики, интерметаллидных сплавов, композиционных материалов (КМ), пластмасс.
   В гл. 2 сформулированы требования к материалам для поршней ДВС, дана сравнительная характеристика материалов, применяемых для изготовления указанных деталей: деформируемых и литейных алюминиевых сплавов, КМ на алюминиевой основе, чугунов; проанализированы условия эксплуатации компрессорных и маслосъемных поршневых колец и приведены свойства материалов для их изготовления.
   В гл. 3 в соответствии с требованиями к эксплуатационным свойствам клапанов ДВС рассмотрены жаростойкие стали мартенситного и аустенитного классов, КМ и керамика на основе нитрида кремния.
   В гл. 4 приведены данные о свойствах сталей и чугунов, предназначенных для изготовления коленчатых валов ДВС, а также описаны способы поверхностного упрочнения шеек вала.
   В гл. 5 дана характеристика и проведен сравнительный анализ антифрикционных материалов (баббитов, медных сплавов, чугунов, сплавов на основе алюминия, комбинированных и пористых порошковых материалов) для подшипников скольжения.
   В гл. 6 представлено описание наиболее широко применяемых способов и материалов наплавки поршней и клапанов ДВС; рассмотрены система легирования, фазовый состав и свойства ферритных и аустенитных жаростойких сталей для деталей выпускного коллектора.
   В гл. 7 рассмотрены особенности конструкции двигателей с турбонаддувом, а также условия эксплуатации и требования к материалам отдельных деталей турбины. Большое внимание уделено критериям оценки жаропрочности, анализу особенностей механизма пластического деформирования высокотемпературных материалов. Сформулированы требования к структуре и фазовому составу жаропрочных сплавов. Приведены данные о химическом и фазовом составе, механизмах упрочнения и свойствах жаропрочных сталей мартенситного и аустенитного классов.
   В учебном пособии приведены марки материалов, соответствующие ГОСТам, и зарубежные аналоги отечественных сплавов.
4

                1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
                В АВТОМОБИЛЬНОМ ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИИ


   В автомобильном двигателестроении, отличающемся разнообразием типов двигателей и рабочих процессов, применяют многочисленные металлические и неметаллические материалы, обладающие специфическими свойствами. Выбор материала для изготовления той или иной детали двигателя определяется ее конструктивной формой, условиями работы, технологией изготовления и экономической целесообразностью.
   Конструкционные материалы должны обеспечивать основные свойства, которые требуются деталям двигателей: прочность статическую и циклическую, износостойкость, жаростойкость, жаропрочность, термостойкость, ударную вязкость. В основном материалы автомобильного двигателестроения можно подразделить на три группы:
   •    металлические сплавы, получаемые по традиционным технологиям;
   •   металлические сплавы, получаемые по новым технологиям;
   •   альтернативные материалы.
   Металлические сплавы, изделия из которых получают по традиционным технологиям, разрабатывают по экстенсивному принципу: подбор основы и легирующих элементов и применение одной из двух технологий (для литейных сплавов она заключается в выплавке, литье, механической и термической обработке традиционными способами; для деформируемых сплавов — в выплавке, литье, горячей и холодной деформации, термической обработке также традиционными способами). Для экстенсивного принципа
5

Рис. 1.1. Современные металлические материалы экстенсивного и интенсивного принципов разработки (а) и материалы, альтернативные металлическим сплавам (б)
разработки сплавов понятие «материал» означает вещество данного химического состава, которым определяются его свойства (рис. 1.1).
6

   По традиционным технологиям получают большинство сплавов, применяемых для изготовления двигателей в автомобилестроении: сталей и чугунов, сплавов на основе цветных металлов.
   Стальные детали составляют до 25.. .30 % массы двигателя. Их изготовляют литьем, сваркой из сортового металла, ковкой и штамповкой. Для деталей, работающих при повышенных нагрузках (распределительные и коленчатые валы, толкатели, поршневые пальцы, шестерни), используют низко- и среднелегированные стали. Для деталей, работающих в условиях высокой температуры (впускные и выпускные клапаны), применяют высоколегированные хромоникелевые стали.
   Чугуны — литейные железоуглеродистые сплавы. Их применяют для изготовления многочисленных деталей двигателя, таких, как поршневые кольца, блоки цилиндров, рамы, картеры, головки и крышки цилиндров, поршни. Масса чугунных деталей в стационарных и судовых двигателях составляет 75.. .80 % массы двигателя, а в быстроходных — 25.. .30 %. В наиболее мощных и напряженных двигателях чугуны применяют для изготовления лишь отдельных мелких деталей.
   Алюминиевые сплавы, относящиеся к легким сплавам, отличаются от сталей и чугунов меньшей плотностью, коррозионной стойкостью, а также высоким коэффициентом теплопроводности. Последнее определяет меньшие температурные напряжения в деталях и меньшие значения температуры поверхностей поршней и головок цилиндров, в результате чего к октановому числу топлива для двигателей с внешним смесеобразованием предъявляют менее жесткие требования.
   Литейные алюминиевые сплавы применяют для изготовления крупных отливок, имеющих сложную форму, поршней, блоков, головок цилиндров. Деформируемые жаропрочные сплавы также применяют для изготовления поршней. Выбор литейного или деформируемого сплава для поршней находится в компетенции конструктора.
   Сплавы на основе меди, олова и свинца обладают высокими антифрикционными свойствами. Сплавы на основе меди — оловянисто-фосфористые и алюминиево-железистые бронзы — применяют для изготовления втулок поршневых пальцев,
7

вкладышей, поршней водяных насосов; а свинцовистую бронзу — для изготовления подшипников скольжения и вкладышей к ним.
   Основным материалом для подшипников скольжения являются сплавы на основе олова и свинца — оловянистые и свинцовистые баббиты.
   Металлические сплавы, изделия из которых получают по новым, нетрадиционным технологиям, разрабатывают по принципу, который называется интенсивным: технология получения изделия включает новые технологии выплавки, литья, горячего и холодного деформирования, термической и химико-термической обработки. При интенсивном принципе разработки понятие «материал» включает в себя не только химический состав, но и технологию его получения (см. рис. 1.1).
   Так, модернизация процесса выплавки ограничивает влияние вредных примесей и неметаллических включений, позволяя получать высокочистые (вч) и особовысокочистые (оч) сплавы. Эту задачу выполняют способами переплава — вакуумного, вакуумноиндукционного, электрошлакового и др. Электрошлаковый переплав, например, применяют для получения высококачественных сталей. Используя такой способ обработки расплава, как модифицирование , управляют структурой кристаллизующегося слитка. Этот способ применяют, например, к литейным алюминиевым сплавам. Применение новых способов выплавки диктуется возросшими требованиями к характеристикам долговечности и надежности сплавов.
   К новым методам технологии литья относятся гранульная технология, направленная кристаллизация, получение монокристаллических направленно-закристаллизованных сплавов. Эти методы применяют в основном в авиационном двигателестроении.
   К радикальным методам изменения технологии получения материалов относится порошковая металлургия. Процесс получения «сплава» в порошковой металлургии заключается в смешивании составляющих «сплав» порошков, в их консолидации способами спекания, прессования, взрывного компактирования, в непосредственной консолидации при штамповке и экструзии. Последующие стадии могут включать термомеханическую обработку.
   Преимуществом порошковой металлургии является возможность получения изделий из тех материалов, которые не могут быть
8

получены по традиционным технологиям: керамических, композиционных.
   Одним из положительных отличий порошковых сплавов является мелкозернистая однородная структура, обеспечивающая изотропность механических свойств. К недостаткам относится пористость изделий.
   Для поршневых ДВС изготовляют из порошковых алюминиевых сплавов и коррозионно-стойких сталей шатуны, цилиндры, крышки подшипников.
   Материалы, альтернативные металлическим сплавам, были созданы потому, что прогресс в машиностроении и двигателестро-ении требовал улучшения комплекса эксплуатационных свойств: большей износостойкости, жаропрочности, коррозионной стойкости, большей удельной прочности. Для создания конструкций начали использовать керамики, пластмассы, композиционные материалы, а также сплавы на основе интерметаллических соединений.
   Композиционные материалы (КМ), или композиты, представляют собой твердое вещество, состоящее из матрицы и различных наполнителей, частицы которых, особым образом расположенные внутри матрицы, армируют ее. Композиты различаются по типу матрицы — металлическая и неметаллическая (полимерная, углеродная, керамическая).
   Роль матрицы в КМ состоит в придании формы и создании монолитного материала. Объединяя в единое целое армирующий наполнитель, матрица участвует в обеспечении несущей способности композита. Она передает напряжения на волокна и позволяет воспринимать различные внешние нагрузки: растяжение, сжатие, изгиб, удар. Матрица предохраняет наполнитель от механических повреждений и окисления. Выбором матрицы определяется температурная область применения КМ. Рабочая температура деталей из КМ повышается при переходе от полимерной матрицы к металлической, а далее — к углеродной и керамической.
   В соответствии с геометрией армирующих частиц различают порошковые КМ (или гранулированные), волокнистые, пластинчатые. Порошковые композиты представляют собой смесь порошков металлов с неметаллическими соединениями. Они отличаются изотропностью свойств. В волокнистых композитах матрицу
9

упрочняют непрерывно и дискретно расположенные волокна. Волокнистые и пластинчатые композиты, так же как и металлические сплавы, имеют анизотропию механических свойств. Основная задача наполнителя — обеспечить прочность и жесткость КМ. Сами частицы наполнителя должны иметь высокую прочность во всем диапазоне значений температуры, малую плотность, быть нерастворимыми в матрице и нетоксичными. Армирующими веществами в КМ являются оксиды, карбиды (обычно карбид кремния SiC), нитрид кремния Si3N4, стеклянные или углеродные нити, волокна бора (бороволокна), стальная или вольфрамовая проволока.
   Керамика — неорганический материал, получаемый в процессе высокотемпературного обжига минеральных масс: глины, полевого шпата, каолина, оксидов, карбидов, нитридов, боридов (соединения элементов с кислородом, углеродом, азотом, бором соответственно). Керамику изготовляют с помощью технологических операций порошковой металлургии: компактирования, спекания, горячего прессования.
   Керамические материалы (керамику) в настоящее время можно получать методом синтеза. К промышленно изготовляемым синтетическим материалам относятся корунд Al2O₃, кварц SiO2, другие оксиды, такие, как TiO2, ZrO2, карбиды WC, TiC, SiC, нитрид TiN, борид TiB2.
   Химическая природа керамик определяет их особые механические свойства:
   •     высокую жаропрочность (сопротивление нагружению при повышенных температурах); так, детали из нитрида кремния Si₃N4 работают при температуре до 1500 ◦С, из карбида кремния SiC — до 1800 ◦ С;
   •     высокую жаростойкость (сопротивление окислению при повышенной температуре);
   •     термостабильность (сопротивление резким сменам температуры): детали из керамических материалов не боятся перегрева и не нуждаются в принудительном охлаждении;
   •     высокую износостойкость, которая определяется высокой твердостью составляющих керамику минералов.
   Преимуществом керамик является также изотропность свойств.
   К недостаткам керамик относятся: хрупкость; меньшая, чем у металлов, теплопроводность; высокая трудоемкость изготовления
10