ремонт и эксплуатация

 

Устройство Двигатель Трансмиссия Ходовая Рулевое Тормоза Кузов Электрика Схемы
 
 

Новая технология увеличивающая долговечность алюминиевых поршней при высоких температурах




Температуры и давления в современных дизельных двигателях неуклонно растут. В результате этого и для обеспечения необходимых запасов прочности, алюминиевые поршни должны обладать улучшенной термомеханической долговечностью в условиях высоких температур. Технология DuraBowl (локальная пост-обработка высоко-нагруженных участков поршня), разработанная компанией Federal-Mogul, позволила увеличить срок службы поршня в четыре - восемь раз.

МОТИВАЦИЯ

Литые алюминиевые поршни, поскольку они легче стальных аналогов, отличаются хорошими производственными свойствами и экономически выгодны в производстве, широко распространены на современном мировом автомобилестроительном рынке. Тем не менее, существующие и будущие разработки дизельных двигателей для высоких нагрузок делают проблематичным дальнейшее использование алюминия как материала для производства поршней. Развитие тенденции увеличения удельной мощности и выходного крутящего момента двигателей для удовлетворения потребностей потребителей и требований законодательства ведет к тому, что поршень дизельного двигателя работает под все возрастающим давлением в цилиндре (более 200 бар) и температурой сгорания (более 400 °С).

В таких рабочих условиях обычные литые алюминиевые сплавы и процессы приближаются к порогу своих возможностей в плане сопротивляемости усталости в областях поршня, подверженных максимальным термомеханическим нагрузкам. Рассмотрите камеру сгорания в днище поршня, работающую при пиковых температурах 420 °С - это всего на 60-70 °С ниже начальной температуры плавления некоторых вторичных интерметаллических фаз, присутствующих в алюминиевом сплаве поршня. В таких условиях трещины из-за термомеханической усталости в кромке днища поршня представляют собой реальную угрозу, которая возникает при наложении комплексных чередующихся много- и малоцикловых термомеханических нагрузок и создает критические проблемы проектирования для специалистов по компонентам и материалам.

Компания Federal-Mogul постоянно разрабатывает технологии алюминиевых поршней. В последнее время особое внимание уделяется локальному улучшению микроструктуры кромки днища поршня для повышения прочности поршня и устойчивости к комплексным многофазным термомеханическим нагрузкам.

ПРИЧИНЫ И ТИПЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ

Высокие температуры и скорости охлаждения, возникающие в процессе сгорания топлива, создают режим комплексной нагрузки на стенки камеры сгорания поршня. В дизельном двигателе конструкция камеры сгорания поршня обычно дает не лучшие условия отвода тепла, что приводит к высоким нагрузкам из-за флуктуации тепловой нагрузки. Чаша камеры сгорания также является концентратором механических напряжений, чувствительным к давлению в камере сгорания. Наложение высоких тепловых и механических нагрузок может привести к возникновению усталостных трещин (рис. 1).Трещины такого типа обычно называют трещинами из-за термомеханической усталости (TMF), вызванными наложением много- и малоцикловых усталостных нагрузок.

Рис. 1. Трещина на кромке днища поршня в результате чередующейся тепловой нагрузки

Малоцикловая тепловая нагрузка на поршень в дизельном двигателе возникает вследствие меняющихся рабочих условий двигателя, накладывающихся на многоцикловую механическую и тепловую нагрузку вследствие нагрузки сгорания топлива за один цикл двигателя. При пиковых температурах свыше 400 °С грубые и неравномерно распределенные микроструктуры особенно уязвимы для возникновения повреждений, возникающих вследствие термомеханической усталости. Разрабатываются новые поршневые сплавы и процессы для достижения высокой стабильности при температурах до 440 °С и повышения сопротивления нагрузкам термомеханической усталости (TMF).

УЛУЧШЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПУТЕМ ГАЗОВОЛЬФРАМОВОЙ СВАРКИ

После многих лет интенсивных исследований компания Federal-Mogul разработала очень эффективный способ усиления участков кромки днища поршня и/или усталостной прочности основания чаши. Коммерческое наименование этой технологии -DuraBowl. В ней описывается процесс локальной переплавки критических участков поршня, подвергающихся повреждениям под воздействием высоких температур и ТМЕ Используя этот метод, можно получить структуру, которая в десять раз тоньше, чем в стандартной отливке. Такая очень тонкая микроструктура значительно меньше подвержена растрескиванию из-за TMF. Во время испытаний двигателей, специалисты Federal-Mogul доказали, что технология DuraBowl увеличивает срок службы компонентов алюминиевых поршней в четыре - восемь раз.

Таким образом, DuraBowl намечает пути продолжения использования алюминиевых поршней в следующем поколении высоконагруженных дизельных двигателей, в которых возникают еще большие давления и температуры сгорания. Столь заметное увеличение долговечности кромки днища поршня с помощью DuraBowl означает, что эта технология позволяет уменьшить массу деталей и улучшить вибрационношумовые характеристики в некоторых областях применения, сохраняя при этом структурную целостность. Более того, в некоторых областях применения дизельных двигателей, где особенно важно использовать алюминиевые поршни, применение DuraBowl может обеспечить альтернативу конструкционным элементам из стали.

ПРОЦЕСС

В процессе технологии DuraBowl Federal-Mogul применяет измененный вариант дуговой газовольфрамовой сварки (TIG) для локального расплавления кромки днища поршня (рис. 2). При этом процессе сварочный робот подает строго определенную энергию. Сразу после сварки нагретая зона очень быстро твердеет, обеспечивая значительно более тонкую микроструктуру по сравнению со стандартным литым материалом.

Рис. 2. Принцип локальной переплавки

Процесс TIG требует только один сварочный проход по диаметру днища поршня для достижения необходимой глубины сварки в несколько миллиметров. Если требуется переплавка края и основания днища поршня, выполняется несколько проходов в зависимости от требований к покрытию. Этот процесс можно использовать для поршней как легковых, так и грузовых автомобилей.

Компания Federal-Mogul первой исследовала процесс локальной переплавки на уровне микроструктуры, проверила этот процесс и разработала его до уровня серийного производства.

При сравнении оригинального литого алюминия с более тонкими микроструктурами, получаемыми в процессе DuraBowl, оценка микроструктуры показывает, что исходный кремний и интерметаллические фазы тоньше примерно в десять раз. В случае литой детали фазы кремния имеют размер до 50 мкм, после переплавки размер уменьшается до 4-5 мкм (рис. 3).

Рис. 3. Микроструктура до и после переплавки (слева и справа соответственно)

Обширные испытания в данном обзоре базируются на алюминиевом сплаве FM-B2, который в настоящее время применяется Federal-Mogul для изготовления алюминиевых поршней дизельных двигателей. Этот сплав содержит 12-14,5 % кремния, медь (3,7-5,2 %), магний (0,5-1,5 %), никель (1,7-3,2 %) менее 0,7 % железа, плюс дополнительные легирующие присадки(рис. 4) . Половина образцов, подвергавшихся испытаниям, была обычными разновидностями литья, а вторая половина была усилена путем модификации с помощью процесса DuraBowl.

Рис. 4. Микроструктура материала поршня AISi13Cu4Ni3

На испытательном стенде материалов оба варианта подвергались нагреву и охлаждению со скоростью 5 К/сек, и эксплуатировались в цикличном режиме при температурах от 200 до 440 °С.

Специалисты Federal-Mogul проверили образцы материалов после 20, 50, 100, 200, 500, 1000 и 2000 циклов тепловой нагрузки. После 50 циклов с использованием обычного литого материала возникли тонкие микротрещины между алюминиевой матрицей и крупными исходными кристаллами Si. Эти трещины стали появляться из-за циклических тепловых нагрузок, вызывающих микропластичность на стыке Si/AI. По мере увеличения циклов нагрузки скопления микротрещин увеличивались в объеме и размере до отделения частиц и слияния микротрещин, после чего образец выходил из строя. В случае переплавленного алюминиевого сплава первые признаки микротрещин и пластической деформации были обнаружены более чем через 2000 циклов (рис. 5).

Рис. 5. Изображения SEM до (слева) и после (справа) переплавки и 2000 тепловых циклов (различное увеличение)

Микропластичность и последующие микротрещины на границе Al/Si возникают из-за различия коэффициентов теплового расширения в разных фазах (рис. 6). Во время тепловых циклов на границе AI возникает напряжение на фазе нагрева и сжатие на фазе охлаждения (следует заметить, что это не зависит от макрокомпонентных нагрузок).

Рис. 6. Причина растрескивания алюминиевого сплава

ВЫВОДЫ

В ходе испытаний материалов срок службы переплавленного материала увеличился в четыре-восемь раз по сравнению с обычным литым материалом. Эти результаты подтверждены испытаниями двигателей, проведенными автопроизводителем. При испытании дизельного двигателя коммерческого автомобиля, работавшего под большой нагрузкой, не возникло ни одной трещины в переплавленной кромке днища поршня на протяжении 2000 часов испытаний.

В случае переплавленных поршней, Federal-Mogul относит это на счет улучшения структуры и, таким образом, на счет более низких уровней тепловой циклической нагрузки на микроструктуру. Кроме того, поскольку охлаждение материала в процессе DuraBowl проходит почти в тысячу раз быстрее, чем в обычных процессах, возникает более высокое перенасыщение алюминиевой матрицы. Это, в свою очередь, поддерживает теорию улучшения дисперсионного твердения переплавленного материала.

Наконец, можно сделать вывод, что поршни излитого алюминия по-прежнему обладают достаточным потенциалом для адаптации к повышению давлений и температур в современных дизельных двигателях. Локальное изменение области кромки и основания днища поршня с использованием процесса DuraBowl увеличивает сопротивление усталости при цикличных термомеханических нагрузках в четыре-восемь раз. Данные поршни уже устанавливаются на первичную комплектацию в такие двигатели как Mercedes-Benz ОМ 651 DE 22 LA, Bi-Turbo, С 250 CDI и т.д.

Технология DuraBowl поступила в серийное производство с 2009 года для трех различных областей применения. В ближайшее время ожидается запуск в серийное производство для прочих потребителей.










    Поршни и их повреждения
Поршень
Задиры из-за недостаточного зазора
Задиры из-за работы всухую
Задиры из-за перегрева
Нарушения режима сгорания
Поломки поршня и поршневых колец
Поломки поршневого пальца
Повреждения на стопорах пальцев
Задиры в бобышках поршневых пальцев
Стук поршня
Цилиндры и гильзы цилиндров
Чрезмерный расход масла
О новых алюминиевых поршнях