Химический состав поршневых сплавов

Введение 0,5—2,0% никеля мало изменяет механические свойства сплава при комнатной температуре, но заметно повышает его жаро­прочность. Это объясняется тем, что никельсодержащая фаза спо­собствует упрочнению границ зерен твердого раствора. В сплаве необходимо иметь 0,8—1,3% никеля.

Примесь олова (до 0,08%) заметно не отразилась на изменении механических свойств. Однако содержание его следует ограничить 0,02%, так как в массивных сечениях отливок возможно скопление легкоплавкой эвтектики (Al + Sn), резко снижающей жаропрочность сплава.

Введение свинца (до 0,15%) не сказалось на свойствах сплава, но содержание его следует ограничить 0,1% вследствие повышенной склонности к ликвации, которая способствует снижению жаропроч­ности сплава.

Таким образом, содержание легирующих элементов и примесей в сплаве АЛ25 (ЖЛС1) установлено следующее: 11,0—13,0% Si, 1,5—3,0% Си, 0,8—1,3% Mg, 0,8—1,3% Ni, 0,3—0,6% Mn, 0,05— 0,2% Ti, до 0,8% Fe, до 0,5% Zn, до 0,02% Sn, до 0,1% Pb, осталь­ное — алюминий.

2.3.2. Жаропрочность высококремниевых

 легированных сплавов

Для исследования были изготовлены высококремнневые сплавы типа KS280 с кобальтом (условная марка АК21), типа KS280 с хромом (условная марка АЛ26) и другие сплавы.

Испытания проводились на отдельно отлитых (в песчаные формы) образцах диам. 10 мм с литейной коркой. Сплавы АК21 и АЛ26 имеют практически одинаковые механические свойства при комнатной температуре и длительную прочность при 300^о С.

Исследования показали, что комплексное легирование медью, никелем и марганцем (или кобальтом) значительно повышает жаро­прочность сплавов типа силумин (АЛ25 и АЛ26). По жаропрочности сплав АЛ25 превосходит сплав АЛ10В, жаропрочность сплава АЛ26 еще выше. Повышенная жаропрочность сплава АЛ26 обеспечивается увеличением степени легирования твердого раствора элементами с низким коэффициентом диффузии, а также упрочнением границ зерен твердого раствора частицами вторых фаз которые до 300^о С мало взаимодействуют с а -твердым раствором. Кроме того, мелких частиц кремния, склонных к коагу­ляции, в сплаве АЛ26 меньше. Сплавы АЛ25 и АЛ26 отличаются меньшим (в два раза) содержанием меди по сравнению со сплавом АЛ10В, поэтому они имеют небольшие величины коэффициента термического расширения, объемного изме­нения во время работы поршней и более высокие жаропрочность и литейные свойства. Следовательно, можно давать меньший зазор между поршнем из новых сплавов и цилин­дром. Этот фактор играет важную роль в снижении расхода масла и горючего.

Были установлены верхние пределы при­месей олова и свинца, что позволяет при­готовлять сплавы АЛ25 и АЛ26 с приме­нением большего количества вторичных ме­таллов.

К недостаткам сплава АЛ26 следует от­нести грубокристаллическую структуру (со­держание большого количества крупных первичных кристаллов кремния), что снижает относительное удлине­ние до 0,2%. Повысить эту величину можно модифицированием. Суще­ствующие в настоящее время способы модифицирования заэвтектических (особенно, содержащих более 20% Si) силуминов весьма разнообразны. Модифицирование осуществляют фосфористой медью, красным фосфором, различными неорганическими соединениями фосфора, термитными смесями и т. д. За рубежом для модифицирова­ния заэвтектических силуминов применяют сложные препараты, содержащие фтортитанат и фторцирконат калия и другие вещества.

Однако имеющиеся в настоящее время модификаторы не позво­ляют получить нужные структуру и механические свойства заэвтек­тических силуминов. Общий недостаток всех известных модифика­торов — это то, что при измельчении кристаллов первичного крем­ния огрубляется структура эвтектики a – Al₃Si, вследствие чего относительное удлинение даже хорошо модифицированных сплавов, содержащих более 22% кремния, очень низкое (не превышает 0,5%). Сцелью устранения этого недостатка И. Ф. Колобневым и В. А. Ро-тенбергом для заэвтектических силуминов предложены комбиниро­ванные модификаторы, содержащие фосфор и углерод (в виде фосфорорганнческих соединений).

Эксперименты по модифицированию заэвтектических силуминов трифениловым эфиром ортофосфорной кислоты (трифенилфосфатом) (С₁₀Н₃О₃) РО, хлорофосом С₄Н₈О₄РС1₉ и другими фосфорорганическими соединениями показали, что введение фосфора и углерода (в виде фосфорорганического соединения) в расплав позволяет резко измельчить кристаллы первичного кремния и одновременно модифи­цировать эвтектику, тогда как существующие в настоящее время модификаторы измельчают первичный кремний, но при этом способствуют огрублению эвтектики.

Исследованный сплав имел следующий химический состав: 21,75% Si; 2,93% Си; 2,04% Ni; 0,52% Мп; 0,38% Сг; 0,24% Ti; 0,68% Mg-0,1% Zr; 0,56% Fe.

Предел прочности при растяжении и относительное удлинение заэвтектических силуминов, модифицированных фосфорорганическими соединениями (в частности, хлорофосом и трифинилфосфатом), выше этих же характеристик сплавов, модифицированных другими способами, в среднем соответственно на 10—15% и на 40—50%. Интересно отметить, что относительное удлинение модифицирован­ных фосфорорганическими соединениями сплавов достигало на целом ряде образцов 2,0—2,5%.

Механизм модифицирования заэвтектических силуминов фосфор-органическими соединениями можно представить следующим обра­зом. Как было показано прямыми экспериментами по фильтрации расплавов, при введении в заэвтектические силумины фосфора обра­зуется фосфид алюминия, параметры кристаллической решетки которого (структурный тип сфалерита ZnS) очень близки к параметрам кристаллической решетки кремния (тот же структурный тип). Вследствие этого, согласно принципу структурного и размерного соответствия, мельчайшие частицы фосфида алюминия служат за­родышами для кристаллов кремния. Вместе с тем при введении угле­рода в расплаве, по-видимому, образуются частицы карбида кремния и карбидов других металлов (TiC, ZrC и др.), которые являются готовой кристаллической подкладкой для кристаллизующегося из расплава первичного кремния. Таким образом, измельчение кристал­лов первичного кремния связано с увеличением числа центров кри­сталлизации.

Проведенные эксперименты показали более высокую эффектив­ность комбинированных фосфорорганических модификаторов по сравнению с другими известными в настоящее время модификато­рами, в том числе зарубежными препаратами «Alphosit», «Phoral» и др. Помимо наиболее важного достоинства фосфорорганических модификаторов — одновременное измельчение и кристаллов пер­вичного кремния и эвтектики, эти модификаторы имеют еще следу­ющие достоинства. Операция модифицирования не связана с изменением состава сплава и не требует высокого перегрева расплава.

         Введение в расплав правильно подобранных фосфорорганических соединений не сопровождается пироэффектами и выбросами металла, часто происходит при модифицировании заэвтектических силуминов термитными смесями.