RESULTS OF STRUCTURAL HEAT-RESISTANT MATERIALS FOR THE MANUFACTURE CYLINDER HEAD

Full Text

Одна из наиболее дорогостоящих деталей двигателя - головка блока цилиндра, у которой в процессе эксплуатации появляются трещины в межклапанных перемычках вследствие низкой термоусталостной прочности применяемого материала. Ресурс современных дизелей не превышает 7500-8000 моточасов [1]. Головка блока заменяется в среднем 4 раза в течение всего срока службы дизеля из-за наличия трещин, которые появляются в результате термического нагружения в процессе эксплуатации. Обследование ремфонда дизелей показало, что наиболее характерными дефектами ГБЦ являются термическая деформация и термоусталостные трещины (до 85%) [2]. Причина возникновения трещин на огневом днище ГБЦ - это термическая деформация, возникающая из-за циклической смены температурных режимов. Наличие трещин приводит к потере мощности, снижению работоспособности [2, 5]. Долговечность детали зависит от способности выдерживать термические напряжения без образования трещин, т.е. термостойкости. Этот показатель в значительной степени зависит от материала изготовления ГБЦ [7]. При исследованиях термостойкости головок блоков и разработке рекомендаций по ее повышению применялись различные установки, на которых имитировались условия теплового нагружения огневого днища при работе двигателя или создавались жесткие форсированные режимы для ускоренного получения термоусталостных трещин. ГБЦ современных дизелей подвергаются высоким нагрузкам. Как правило, это большие перепады температур по ширине и толщине огневого днища, механическая напряженность, возникающая при монтаже деталей. Сложная геометрия этой детали усиливает данные факторы. В результате возникают пластические деформации, которые при своем развитии проявляются в виде трещин в местах концентрации напряжений. Этими местами являются межклапанные перемычки огневого днища ГБЦ. Трещины в указанных местах определяют ресурс рассматриваемой детали, так как при своем дальнейшем развитии они нарушают герметичность водяного охлаждения и являются причиной выбраковки. Цель исследований - повышение термостойкости материала головки блока цилиндров (ГБЦ) с обоснованием химического состава и структуры этой детали. Задачи исследований: 1) изучить влияние химического состава и структуры материала головки блока цилиндров на термостойкость этой детали; 2) установить оптимальный материал для изготовления ГБЦ (химический состав и структуру). Материалы и методы исследований. Лабораторные испытания для определения термостойкости производили на установке, во время работы которой для нагрева использовался принцип активного сопротивления. С помощью установки можно оперативно оценить влияние различных марок чугуна на склонность к трещинообразованию самого слабого звена - межклапанных перемычек огневого днища. На установке имитировались условия местного перегрева зоны межклапанной перемычки ГБЦ, в условиях эксплуатации приводящего к появлению трещин. Вместо межклапанной перемычки ГБЦ испытывали опытные образцы из различных марок чугуна. Алюминиевые головки имеют более низкие рабочие температуры и температурные перепады, наряду с этими качествами и более высокую чувствительность к температурным напряжениям. Поэтому основные направления работ в данной области - поиск легирующих добавок и подбор соответствующих структур чугуна для увеличения теплопроводности и снижения коэффициента теплового расширения, что повысит вероятность сохранения упругих деформаций для ожидаемого температурного состояния. Для изготовления опытных образцов были взяты следующие материалы: ковкий чугун, серый чугун (С=3%, С=4%), высокопрочный чугун, легированный чугун, вермикулярный чугун (рис. 1). а б в г Рис. 1. Структуры материалов опытных образцов: а - ковкий чугун; б - высокопрочный чугун; в - серый чугун; г - вермикулярный чугун Образцы имели центральное отверстие, которое имитировало форсуночное отверстие ГБЦ. Исследования проводились на установке, представленной на рисунке 2. Основные части установки: трансформатор ТСД-1000, выпрямитель, медный электрод с графитовым наконечником. Рис. 2. Общая схема установки для определения термической усталости Нагрев осуществляется при помощи трансформатора, два провода которого через выпрямитель подводятся к опытному образцу, установленному на специальном столе. Один провод от трансформатора закреплен на опытном образце. Другой подводится к медному подвижному электроду, установленному в специальном кронштейне над испытуемой головкой. Нижняя часть электрода выполнена в виде разрезной втулки и в ней с помощью хомута закреплен графитовый стержень. Между носком графитового стержня и плоскостью опытного образца находится пакет графитовых пластин. Геометрическая форма графитовых пластин определяется формой опытного образца. Вторичная обмотка трансформатора замкнута через испытуемый образец. В этой цепи наибольшим сопротивлением будет обладать пакет графитовых пластин, следовательно там будет выделяться максимальное количество теплоты. Сила тока, а также количество и толщина пластин определены экспериментальным путем. Пакет графитовых пластин состоит из 3-х пластин толщиной 1,5 мм каждая. Эти пластины в течение нескольких секунд нагреваются до высокой температуры и значительно ускоряют нагрев исследуемого образца. Для того, чтобы в процессе лабораторных экспериментов осуществлять нагрев до заданной температуры, была проведена тарировка лабораторной установки, в процессе которой контролировалось время нагрева образца до определенной температуры. Температуру поверхности регистрировали потенциометром КСП2-005 и хромель-алюмелевой термопарой, горячий спай которой находится на поверхности нагреваемого образца. В процессе тарировки контролировали также значение напряжения U и силу тока I. Значение силы тока I было выбрано постоянным - 285 А. Эксперименты показали, что время нагрева значительно меняется и, в основном, зависит от величины напряжения U, которое изменяется в пределах от 2,5 до 3,5 В. С увеличением напряжения время нагрева уменьшается вследствие частичного прогорания графитовых пластинок. Полученная зависимость более точно учитывает характерные особенности графитовых пластин, сопротивление которых зависит от состояния их поверхностей, а следовательно, значительно влияет на нагрев. Известно, что в современных высокофорсированных дизелях температура огневого днища головки может достигать 550°С [3, 4, 6]. Испытания на термостойкость головок цилиндров проводили путем осуществления последовательных термоциклов по режиму нагрев-охлаждение, до появления трещин. Рис. 3. Зависимость времени нагрева от напряжения 1 - при t=1500C; 2-1 - при t=3500C; 3 - при t=5500C Тарировка была проведена для трех уровней температур 550, 350, 150°С. Получены зависимости для четырех последовательно испытанных пакетов, для каждого уровня температуры. Таким образом, удалось упростить методику испытаний, отказавшись от использования термопар, ориентируясь при осуществлении термоциклов по секундомеру. Результаты исследований. Результаты исследования термостойкости чугунов с различной структурой и химическим составом показаны на рисунке 4. Рис. 4. Результаты исследования термостойкости различных чугунов Материал головки, серый чугун СЧ25, подразумевает наличие графитовых включений, пластинчатой формы. Структура материала не является оптимальной для улучшения теплопередачи, что также повышает температурные напряжения по поверхности и толщине огневого днища и снижает термостойкость [7]. Повышенную термостойкость показывают чугуны с такими легирующими элементами, как медь, никель, молибден. Эти элементы препятствуют образованию внутренних окислов в чугуне при эксплуатации с чередованием циклов нагрева и охлаждения в активной газовой среде. Кремний и фосфор, наоборот, усиливают процессы внутреннего окисления. Хороший эффект достигается при использовании высокоуглеродистых чугунов (С=4,0%) легированных медью и никелем, при содержании хрома не более 0,09-0,11%. Такие чугуны разрушаются под действием термоциклических нагрузок в среде отработанных газов значительно позже, чем серийные и, практически без следов внутреннего окисления, т.е. в результате термической усталости. Термостойкость повышается в 1,3-1,4 раза. Содержащийся в чугуне графит приобретает шаровидную форму, чугун имеет хорошие механические свойства и мало окисляется при высоких температурах. В последние годы в машиностроении стали применять чугун с вермикулярным графитом марки ВЧ35 с удлинением до 3%, который при высокой прочности (до 450 МПа) обладает высокой пластичностью и выдерживает значительные динамические и термические нагрузки без образования трещин. Вермикулярный графит имеет промежуточную форму между пластинчатой и шаровидной формами. Благодаря такой форме графита, чугун имеет прочность, близкую к прочности чугуна с шаровидным графитом (350-500 МПа при растяжении) и повышенную, по сравнению с серым чугуном пластичность. В тоже время он обладает более высокой теплопроводностью. Усадка вермикулярного чугуна значительно меньше, чем у чугуна с шаровидным графитом. Заключение. Использование легирующих добавок оптимального химического состава и структуры вермикулярного чугуна позволит значительно повысить долговечность корпусных деталей двигателя.

About the authors

N D Cherkashin

FSBEI HVE Samara SAA

Email: Cherkashin_NA@ssaa.ru
cand. of techn. sciences, associate prof. of the department «Technical services» 446442, Samara region, settlement Ust-Kinelskiy, Uchebnaya, 2 str

S N Zhiltsov

FSBEI HVE Samara SAA

Email: Zhiltsov_SN@ssaa.ru
cand. of techn. sciences, associate prof. of the department «Technical services» 446442, Samara region, settlement Ust-Kinelskiy, Uchebnaya, 2 str

References

Supplementary files