Васенин В. И., Малеев А. В., г. Пермь

АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВЫЕ СПЛАВЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРШНЕЙ

Проведено сравнение свойств заготовок из стандартного сплава АК12Л и разработанного V12. После старения при 300 °C в течение 10 часов твердость поршня из  АК12Л составляет 100 HB, из V12 – 130 HB, а через 500 часов – 96 и 120 HB соответственно. Пробег автобусов «Икарус» с поршнями из АК12Л составляет 150 000 – 180 000 км, из V12 – 300 000 – 350 000 км.

В качестве материала поршней для двигателей внутреннего сгорания широко используется алюминиево-кремниевый сплав АК12Л следующего состава: 11–13% Si, 1,5–3,0% Сu, 0,8–1,3% Mg, 0,8–1,3% Ni, 0,3–0,6% Mn, 0,05–0,20% Ti, до 0,8% Fe, до 0,5% Zn. Заготовки получают литьем в кокиль или жидкой штамповкой. Термическую обработку производят по режимам Т1 или Т6. Т1: старение при 200, 210 или 220 °С в течение 10 часов. Т6: выдержка при 510 °C в течение 4 часов, закалка в воде, старение при 220, 230 или 240 °C в течение 10 часов. Как показала эксплуатация автобусов «Икарус», поршни, термообработанные по режиму Т1, выходят из строя из-за износа поверхности отверстия под поршневой палец, а поршни после Т6 – из-за разбивания канавки под первое поршневое кольцо. Причем пробег автобусов с поршнями после обоих режимов термообработки был практически одинаковым и довольно низким – 150 000 – 180 000 км.

Был разработан алюминиево-кремниевый сплав V12 следующего состава: 11–13% Si, до 1% Fe, до 0,5% Zn и другие элементы. Отливки из этого сплава как после старения, так и после закалки и старения имеют твердость 175 HB, а из АК12Л – 108 и 170 HB соответственно. После выдержки при 300 °C в течение 10 часов твердость отливок из V12 равна 130 HB (Т1) и 85 HB (Т6), а из сплава АК12Л – 100 HB (Т1) и 74 HB (Т6). Как видно, уже через 10 часов выдержки при 300 °C твердость поршней из АК12Л и V12, подвергнувшихся закалке и старению, уменьшается в 2 раза. А ведь поршень должен работать при этой температуре около 10000 часов. Поэтому подвергать поршни из алюминиево-кремниевых сплавов гомогенизации (выдержке при 510 °C в течение четырех и более часов) и закалке в воде не следует.

После выдержки при 300 °C в течение 10 часов твердость только состаренных отливок из V12 на 30% выше твердости отливок из АК12Л: 130 и 100 HB соответственно. Через 500 часов старения при 300 °C твердость отливок из V12 составляет 120 HB, из АК12Л – 96 HB. Как видно, даже после отжига при 300 °C в течение 500 часов сохраняется высокая твердость заготовок. Поэтому термообработку поршней из V12 можно производить при 300 °С, а не при 200-240 °C, как это принято для сплава АК12Л. Большая твердость материала заготовки – 120 – 130 HB – обеспечивает получение при механической обработке высокой чистоты поверхности и нужную точность размеров, а при работе двигателя – износостойкость и жаропрочность поршня. Кроме того, высокая температура старения позволяет снизить остаточные напряжения на 90 %, стабилизировать структуру и размеры деталей, предотвратить «рост» поршня при работе двигателя. Поэтому можно уменьшить зазор между поршнем и гильзой, снизить расход масла, увеличить мощность двигателя. Пробег автобусов «Икарус» с поршнями из сплава V12 составляет 300000 – 350000 км.

Такие высокие показатели сплава V12 объясняются тем, что поршни обладают, казалось бы, взаимоисключающими свойствами: у них литая (как после Т1) и поэтому жаропрочная при 300 °C структура и высокие механические свойства при 20 °C – как у закаленных и состаренных деталей (что соответствует термообработке по режиму Т6). Причем сплав V12 превосходит не только существующие алюминиево-кремниевые, но и алюминиевые бескремниевые поршневые сплавы. Поэтому следует ожидать широкого использования сплава V12 при изготовлении поршней для двигателей внутреннего сгорания.