Поршень – это один из важнейших элементов любого двигателя, который передает энергию сжигаемого топлива в движение автомобиля. На поршень в процессе его работы действуют экстремальные тепловые и механические нагрузки. Поршневая система двигателя работает в условиях высоких температур, детонации, охлаждения, трения, поэтому огромное значение придается материалу, из которого делают поршни.
В настоящее время практически во всех современных моторах используют поршни из алюминиевых сплавов. Алюминиевые поршни имеют следующие преимущества:
- малый вес, что снижает инерцию поршня и способствует его более быстрому движению;
- достаточную прочность, позволяющую поршням выдерживать высокие температуры и нагрузки;
- хорошую теплопроводность, которая позволяет быстро отводить тепло и снижать перегрев двигателя;
- хорошую коррозионную стойкость и антифрикционные свойства.
Однако для увеличения эффективности и надежности работы двигателей необходимо повышать прочность алюминиевого материала поршней и снижать его коэффициент линейного теплового расширения (КЛТР) для уменьшения зазора между поршнем и цилиндром.
Повысить прочность алюминиевых поршней можно за счет увеличения в его составе доли кремния. Увеличение содержания кремния одновременно ведет и к снижению КЛТР. Кремний расширяется меньше, чем алюминий. Это позволяет уменьшать зазор между поршнем и гильзой цилиндра. При добавлении кремния также увеличивается твердость поршня, что положительным образом сказывается на его надежности при работе в холодном двигателе или при аномально высоких рабочих температурах.
Для изготовления поршней в соответствии с ГОСТ 30620-98 сегодня используют алюминиевые сплавы типа КС740, АК18, ЖЛС, АЛ-26, АК21, ВКЖЛС, Mahle 224 и др. Все эти сплавы имеют в своем составе повышенное (до 22 %) содержание кремния. Однако кремний в данных сплавах находится в виде крупных (100-200 мкм) кристаллов или даже целых строчек таких кристаллов, что является серьезным недостатком. С ростом доли кремния и размеров его частиц поршни становятся все более хрупкими, восприимчивыми к растрескиванию. Все это снижает прочность поршня и ведет к его разрушению в области пальцев и поршневых канавок.
Устранить проблему можно за счет снижения размера кристаллов кремния в сплаве и обеспечения более равномерного их распределения по материалу. В институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (www.sl-alloys.ru) разработали технологию литья слитков, позволяющую значительно снизить размеры частиц кремния в поршне.
Здесь используют алюминиевый сплав типа 1379, который относится к заэвтектическим силуминам. Данный сплав имеет плотность 2,72 г/см3 и содержит около 17% кремния. Сплав обладает весьма привлекательными свойствами: малой плотностью при хорошей прочности, высокой коррозионной стойкостью и свариваемостью. Характеризуются также высоким модулем упругости, низким коэффициентом линейного теплового расширения и высокой износостойкостью.
При литье слитков из этого сплава применяют специальные добавки – модификаторы. В процессе литья при помощи ультразвукового генератора осуществляют кавитационное воздействие на расплав, которое измельчает частицы кремния и не даёт им собираться в цепочки-агломераты.
Такая комплексная обработка расплава позволила снизить размеры первичных кристаллов кремния с 100-200 мкм (как предусмотрено в ГОСТ 30620-98) до 40 мкм. При этом содержание водорода составило 0,25 см3 /100 г (по ГОСТ – 0,3 см3 /100 г).
Анализ структуры полученного материала показал, что основная масса частиц кремния в этом сплаве находится в диапазоне 10-30 мкм. Доля частиц с размером 40-60 мкм составляет всего около 5 %.
Кавитация расплава обеспечила также достаточно равномерное распределение частиц кремния по материалу.
В результате новой технологии был получен улучшенный алюминиевый сплав для изготовления поршней двигателей с диаметром до 100 мм. Данный сплав в штампованных заготовках имеет следующие характеристики:
- прочность > 350 МПа;
- относительное удлинение 2,6 %;
- твердость на рабочей поверхности поршня > 120 НВ;
- содержание кремния 17 % масс;
- размер первичных, равномерно распределенных, кристаллов кремния не более 40 мкм;
- линейный коэффициент теплового расширения на уровне 18 х10-6 1/°С.