Материалы для изготовления поршней

2.2.6 Технология обработки поршней двигателей внутреннего

сгорания (ДВС)

Поршни относится к основным деталям двигателя и работают в наиболее тяжелых условиях – при высокой температуре, больших переменных нагрузках, высоких скоростях возвратно-поступательного движения. Поэтому, при конструировании и изготовлении поршней добиваются:

— высокой точности обработки рабочих поверхностей;

— высокой износостойкости трущихся поверхностей;

— высокой жаропрочности и жаростойкости материала поршня;

— по возможности, малого веса поршня.

Конструктивно поршни представляют собой полый цилиндр с днищем и бобышками, в которых имеется отверстие под поршневой палец (рисунок 2.63). Условно поршень разделяют на головку, в которой установлены поршневые кольца, и юбку (нижняя часть поршня). Поршни могут иметь сплошные юбки виде стакана или выполненные по радиусу выемки для прохода противовесов коленчатого вала. В головке устанавливаются поршневые кольца, например, два компрессионных и одно маслосъемное. В бобышках устанавливается поршневой палец, через который поршень передает усилие на шатун.

3

Рисунок 2.63. Основные элементы поршня:1-головка; 2-юбка; 3-днище;

4 — бобышки, 5 – выемки для прохода противовесов коленчатого вала.

2.2.6.1 Материалы и заготовки поршней.

Для изготовления поршней ДВС в основном используют алюминиевые сплавы, реже серый или ковкий чугун, композиционные материалы.

Алюминиевые сплавы имеют малую плотность, что позволяет снизить массу поршня, обладают высокой теплопроводностью, позволяющей иметь меньшие температуры деталей поршневой группы. К положительным качествам алюминиевых сплавов относятся малые значения коэффициента трения в паре с чугунными гильзами цилиндров.

Однако поршням из алюминиевых сплавов присущ ряд недостатков – невысокая усталостная прочность, резко уменьшающаяся при повышении температуры, высокий коэффициент линейного расширения, меньшая, чем у чугунных поршней износостойкость, сравнительно большая стоимость.

Для изготовления поршней используют литейные и ковочные сплавы алюминия с кремнием – силумины с содержанием кремния 11…14 % (доэвтектические) и 17…25 % (заэвтектические).

Увеличение содержания кремния в сплаве приводит к уменьшению коэффициента линейного расширения, к повышению термо и износостойкости, но при этом ухудшаются его технологические качества, растет стоимость производства.

Для улучшения физико-механических свойств силуминов используются различные легирующие добавки. Введение в сплав до 6 % меди повышает усталостную прочность, увеличивает теплопроводность, улучшает литейные качества. Однако, при этом несколько снижается износостойкость поршня. Использование в качестве легирующих добавок натрия, азота, фосфора увеличивает износостойкость сплава. Легирование никелем, хромом, магнием повышает жаропрочность и износостойкость.

Наибольшее распространение получили для поршней отечественных карбюраторных двигателей доэвтектические сплавы Аl25 и Аl30. Они хорошо обрабатываются резанием, обладают хорошими литейными свойствами, имеют высокую коррозионную стойкость. Для быстроходных форсированных двигателей (например ВАЗ-а), поршни изготовляют из сплава АК10М2Н, т.е. с добавками меди и никеля, отличающегося более высокими прочностью и жаростойкостью по сравнению со сплавами Аl25 и Аl30.

Для поршней дизельных двигателей получили распространение заэвтектические алюминиевые сплавы – АК15МН (ЗИЛ- 645), АК18 – двигатели КамАЗ и ЯМЗ.

Для некоторых двигателей с воздушным охлаждением нашли применение сплавы с содержанием кремния до 25%.

Для поршней тихоходных двигателей применяют чугун, имеющий более высокие прочность износостойкость.

Заготовки поршней из алюминиевых сплавов получают путем отливки в кокиль или горячей штамповкой.

Первой операцией изготовления заготовки является получение отливки. Перед заливкой ме­талла все внутренние поверхности формы покрывают краской, кокиль подогревают до температуры 220 . 280º С. После сборки кокиля (установка центрального стержня, терморегулирующих пластин, вставки и стержня-пальца) заливают сплав под давлением при температуре 730º С.

На второй операции удаляется литниковая система и зачища­ются заусенцы на опорной части.

Третья операция осуществляется на агре­гатном станке — обрабатывается наружная поверхность, обрезается прибыль, снимаются фаски, протачивается днище и контролируется масса заготовки.

На четвертой операции заготовка термообрабатывается для стабилизации структуры металла и снятия внутренних напряже­ний.

Лучшие производители поршней

Поршень двигателя внутреннего сгорания в процессе работы мотора воспринимает энергию взрыва смеси топлива и воздуха. Постоянные высокие нагрузки приводят к износу детали. При выявлении дефектов необходима обязательная замена поршня, иначе потребуется дорогостоящий капитальный ремонт двигателя. Комплектующие выпускают десятки компаний, но к выбору поставщика нужно относиться очень ответственно. Только лучшие производители поршней предлагают детали с увеличенным ресурсом. Команда VyborExperta.ru решила выяснить, комплектующие каких брендов соответствуют стандартам, допускам автоконцернов.

Рейтинг производителей поршней

При составлении обзора рассматривались компании, выпускающие запчасти для двигателей автомобилей разных классов. Сравнивались технические параметры, доступность на рынке, ресурс комплектующих. Учитывалось профессиональное мнение сотрудников станций технического обслуживания, отзывы владельцев машин.

Основное внимание уделили следующим характеристикам:

• Размер – зазор между цилиндром и поршнем не должен превышать 0,05-0,07 мм. Измерения выполняются в четырех поясах, сильные отклонения не допустимы;
• Вес – должен соответствовать классу машины, расчётным нагрузкам, допускам автопроизводителя;
• Ресурс – зависит от качества используемой стали или сплава, наличия специальных покрытий;
• Ассортимент – наличие в каталоге запчастей для автомобилей разных марок положительно влияет на репутацию бренда;
• Защита от подделок – наличие QR-кодов, голограмм, фирменных кодов, гарантируют покупателю покупку качественных деталей.

Не все производители выпускают продукцию, достойную внимания автовладельцев. Нестабильная геометрия, плохое качество металла, дефицит продукции на рынке, слабая защищенность от контрафакта – поршни с такими характеристиками исключались из нашего рейтинга.

Лучшие производители поршней

На рынке представленные отечественные и зарубежные фирмы поршней, выпускающие продукцию для легковых, грузовых машин, спецтехники, тракторов. Запчасти предлагают компании с многолетним опытом работы, молодые фирмы, уже имеющие хорошую репутацию. Производители придерживаются единой классификации по ремонтным размерам, но готовые изделия различаются по качеству, ресурсу. Оценив продукцию 15 фирм, рекомендуем поршни 7 брендов, которые отличаются безупречной геометрией, надежностью, длительным сроком службы.

Prima

Польский бренд, поставляющий 80% своей продукции на экспорт. Выпускает поршни двигателя автомобили для немецких концернов Mahle, Kolbenschmidt, американской компании Endine Components, которые являются поставщиками лучших заводов по производству двигателей в своих странах. Комплектующие Prima используют на Ярославском и Ульяновском моторных заводах. В каталоге продукция на ВАЗ, ГАЗ, европейские, американские автомобили.

Завод укомплектован японским, немецким оборудованием. При изготовлении, используется сертифицированный чугун, специальные марки стали. Для защиты от износа поверхность подвергается лужению, фосфорированию, оксидированию, молибденированию. Это увеличивает средний ресурс до 80 тысяч километров. Качество подтверждается международными сертификатами.

Достоинства:

• Диаметр поршней от 20 до 320 мм;
• Проверка подлинности на сайте;
• Ресурс не уступает деталям конвейерной сборки;
• Стабильная геометрия;
• Комплектуются пальцами, кольцами;
• Минимальные отклонения при развесовке.

Недостатки:

• Не обнаружены.

Польская компания выпускает безвтыковые модели. Особенность конструкции позволяет сохранить геометрию клапана при обрыве ремня ГРМ. Это снижает затраты на ремонт двигателя.

Компания из Тольятти производит кованые поршни двигателя автомобиля из сплава, аналогичного по структуре, техническим параметрам М124ЗР. Полный цикл производства позволяет снизить цену, обеспечить контроль над каждым этапом изготовления комплектующих. Установленное оборудование гарантирует точность исполнения по диаметру до 2 микрон.

Технологические процессы обеспечивают твердость по Бринеллю в 120 единиц, что на 30% выше, чем у деталей, изготавливаемых методом литья. Термоциклическая стойкость достигает 2500 циклов. Основной ассортимент продукции рассчитан на авто отечественного производства, подержанные машины европейских автоконцернов.

Достоинства:

• Высокая износоустойчивость;
• Противозадирное покрытие;
• Стабильное качество;
• Хорошая комплектация.

Недостатки:

• Узкий ассортимент.

Nural

Компания создана в 1924 году в Германии, первой реализовала технологию литья алюминиевых сплавов под давлением. Через 10 лет после основания фирма поставляла запчасти для двигателей всех немецких марок, авиационных моторов. Первой в Европе установила автоматизированную линию в 1971 году. Является поставщиком конвейерной сборки Mercedes-Benz, Volkswagen, Audi, Opel. В 1999 году вошла в состав корпорации Federal Mogul, которой принадлежит 100 заводов в 34 странах мира.

Под этим брендом выпускаются упрочненные алюминиевые поршни для дизельных двигателей, стальные модели с каналом охлаждения сложной структуры для тяжелых грузовиков. Использование антифрикционного покрытия собственной разработки позволяет снизить коэффициент сухого трения юбки на 25% по сравнению с аналогами.

Достоинства:

• Кольца произведены по технологии Goetze;
• Широкий ассортимент;
• Отсутствие дефицита;
• Хорошая комплектация;
• Роботизированное производство снижает вероятность брака.

Недостатки:

• Нестабильное качество продукции турецкого завода.

Autowelt

Молодая немецкая компания создана в 2000 году. Выпускает 5000 наименований продукции, которая предназначена для ремонта автомобилей европейского, японского и южнокорейского производства. Поставляет комплектующие для спецтехники. Используемые технологии снижают вес деталей без потери прочности.

Автоматизированное оборудование обеспечивает высокую точность диаметра поршня двигателя, защитные покрытия увеличивают износоустойчивость. Антизадирные добавки позволяют применять запчасти для ремонта машин, которые эксплуатируются в сложных условиях. Для улучшения характеристик рекомендуется использовать в комплекте кольца Kolbenshmidt, которые компенсируют высокое тепловое расширение, обеспечат низкий расход масла.

Достоинства:

• Удобный электронный каталог для подбора;
• Цена ниже, чем у аналогов европейского производства;
• Хорошая защита от подделок;
• Увеличенный ресурс – более 80 тысяч км.

Недостатки:

• Сложная обкатка двигателя после ремонта.

Мотордеталь-Кострома

Предприятие начало работу в 1967 году, первыми заказчиками стали Ульяновский и Заволжский моторные заводы. Сегодня компания является официальным поставщиком Ford, выпускает поршни диаметром от 76 до 150 мм для MAN, Volvo, IVECO. Технологические линии укомплектованы немецким, японским оборудованием, которое обеспечивает стабильное соблюдение геометрических параметров.

Выпускаются легкие цельнолитые модели, комплектующие с терморегулирующей вставкой и каналами масляного охлаждения. Бочкообразная форма внешнего профиля компрессионных колец снижает вероятность задиров. Антифрикционные покрытия KS Kolbenschmidt снижают трение на 9%, увеличивают маслоемкость, устойчивость к коррозии.

Достоинства:

• Высокая износостойкость;
• Низкое сухое трение;
• Легирующие добавки в сплаве;
• Повышенное содержание кремния;
• Индивидуальные заготовки для колец.

Недостатки:

• Не самый широкий ассортимент.

Kolbenschmidt

Дочерняя фирма группы компания MSI, выпускающая детали для вторичного рынка. Производство локализовано в Европе, Азии, Северной Америке. Оригинальная конструкция поршней увеличивает поступление охлаждающего масла, улучшая устойчивость к высоким нагрузкам. Трапециевидная выемка увеличивает внутреннее свободное пространство, упрощая деформацию пальца.

На производстве внедряются инновационные технологии, активно используются нанохромные покрытия для увеличения износостойкости, маслоемкости, срока службы. Антифрикционная защита снижает сухое трение в два раза. Кольца, используемые для комплектации, имеют ресурс на 20-30% выше, чем у аналогов европейского или американского производства.

Достоинства:

• Пробег более 60 тысяч км;
• Широкий ассортимент;
• Совместимы с шатунами старого образца
• Снижают расход топлива;
• Увеличивают мощность двигателя.

Недостатки:

• Много подделок.

Mahle

Созданная в 1920 году в Германии компания одной из первой начала литье с использованием сплавов кремния с алюминием. Сегодня в каталоге бренда поршни диаметром от 30 до 620 мм, продукция поставляется всем ведущим моторостроительным заводам. Выбрать комплектующие можно для любого двигателя, установленного на легком или грузовом автомобиле, электрогенераторе, морском судне. Инновационные разработки тестируются в условиях «Формулы-1», гонок «Ле-Ман».

В каталоге алюминиевые, кованые поршни с овальными, бочкообразными профилями для колец, которые отличаются прецизионной точностью. Особенности конструкции обеспечивают эффективное охлаждение маслом, снижение расхода топлива. Защитные покрытия снижают вероятность появления задиров, коррозии. Подобрать деталь можно с помощью онлайн-сервиса со свободным доступом.

Достоинства:

• Стабильные геометрические размеры;
• Высокая прочность;
• Ресурс более 60 тысяч км;
• Простая обкатка мотора после ремонта;
• Низкий расход масла.

Недостатки:

Как выбрать поршень

Выбирая поршень авто, необходимо уделить внимание диаметру детали, весу, точности геометрических размеров. Ресурс зависит от используемых технологий литья, особенностей защитных покрытий. Тип юбки влияет на качество скольжения, а конструкция пальца на стабильность работы. Если учесть все эти параметры, то можно купить деталь, способную прослужить более 50-60 тысяч км, снизить расход топлива, масла, вредных выбросов.

Классификация

Каждый ремонтный размер имеет 5 классов, которые маркируются буквами латинского алфавита. Разница диметра между каждой категорией 0,01 мм. Это позволяет выбрать запчасти оптимального размера с учетом износа двигателя. Дополнительная классификация ведется по диаметру отверстия поршневого пальца. Классы маркируются цифрами, а разница между категориями составляет 0,004 мм. Все данные нанесены на днище детали.

Диаметр

Определяется с учетом особенностей выработки цилиндра. При ее отсутствии приобретается поршень, рекомендованный производителем автомобиля. Рекомендации, какой диаметр является оптимальным, можно получить у мастера СТО, который выполнит измерения в 4 поясах с помощью нутрометра. При выборе учитывается необходимость зазора. Для машин с новыми двигателями он не должен превышать 0,07 мм. На подержанных машинах допустимый зазор может достигать 0,15 мм.

Масса поршней, установленных в двигателе, не должна сильно различаться. Производители моторов разработали допуски, которые учитывают особенности эксплуатации техники. Для спортивных авто разница в весе не должна превышать 1 г, для легковых автомобилей масса деталей может отличаться на 2 г. Внедорожники, коммерческий автотранспорт комплектуются запчастями, вес которых различается на 3-4 г.

Литье

Кованые модели имеют небольшой вес, но обладают высоким коэффициентом теплового расширения. При холодном запуске зазор будет большим, что заметно по характерному постукиванию. Литые модели имеют незначительный коэффициент расширения, но увеличенная масса деталей требует прецизионного изготовления.

Палец и юбка

Палец не должен выпадать из поршня, внутренняя конструкция должна обеспечивать стабильное качество смазки. Юбка может иметь разную форму. Бочкообразный профиль обеспечивает хорошее скольжение по масляной пленке, снижает вероятность образования задиров. Такая форма обеспечивает стабильный слой смазки между зеркалом цилиндра и юбкой. Бочкообразный профиль более сложен в производстве, имеет высокую цену, но в процессе эксплуатации затраты компенсируются увеличением ресурса, снижением расхода топлива.

Поршень какого производителя лучше

Компания, выпускающая лучшие поршни на ВАЗ, не всегда может предложить комплектующие для южнокорейских или немецких автомобилей, соответствующие стандартам автоконцернов. Производственные линии большинства заводов настроены на выпуск деталей с определенным диаметром. Различаются технологии нанесения защитных покрытий, запчасти имеют конструктивные особенности. Все это не позволяет выбрать универсального поставщика. Команда VyborExperta.ru рекомендует следующие бренды с учетом сферы применения продукции:

• Prima – для бюджетного ремонта иномарок;
• СТИ – выбор владельцев отечественных автомобилей;
• Kolbenschmidt – для ремонта южнокорейских и европейских машин;
• Mahle – для двигателей, испытывающих высокие нагрузки.

Все представленные в обзоре торговые марки выпускают продукцию прецизионного качества и достойны звания лучших брендов в своих категориях.

Поршень

Поршень — деталь поршневой группы двигателя, находящаяся внутри цилиндра. При помощи шатуна поршень соединен с коленчатым валом. Конструкция спроектирована таким образом, что поршень во время работы двигателя постоянно совершает возвратно-поступательное движение, преобразуя энергию расширяющихся при сгорании газов во вращение коленчатого вала.

Устройство поршня

Поршень состоит из трех частей, хотя и выполняется из единой заготовки: днища, уплотняющей части и юбки. К коленчатому валу поршень присоединяется при помощи шатуна. Поршень надевается на шатун и закрепляется поршневым пальцем, продетым сквозь деталь. Форма днища поршня двигателя внутреннего сгорания никогда не бывает плоской. В зависимости от конструкции днище может иметь сложную конфигурацию. Сверху над днищем могут быть расположены свечи, форсунки и клапаны.

Расстояние от днища поршня до первого компрессионного кольца называется огневым поясом поршня

Чаще всего в днище поршня можно видеть углубления, предназначенные для того, чтобы двигающиеся над ними клапана не соприкасались с поверхностью поршня. Углубления, как правило, имеют большую глубину с одного края, так как расположенные над ними клапаны установлены под углом. В целом, как правило, общую форму днища делают вогнутой. Это обусловлено тем, что поршень, поднимаясь вверх, является одновременно дном камеры сгорания, а для оптимального распространения пламени вогнутое днище подходит как нельзя лучше. У этой формы есть и свои недостатки — в нижней части впадины быстрее отлагается нагар.

Поршень

Расстояние от днища поршня до первого компрессионного кольца называется огневым поясом поршня. Поскольку поршень работает в условии экстремально высоких температур, огневой пояс имеет строго просчитанную высоту, которая зависит еще и от материала, из которого выполнен поршень. Снижение высоты ниже определенного предела может привести к преждевременному прогоранию поршня.

В прошлом поршень выполнялся из стали целиком, но в современных двигателях нередко применяются облегченные поршни из алюминиевых сплавов

Поршень — высокоточная деталь, так как одна из его задач — служить основой для компрессионных колец, уплотняющих камеру сгорания в момент сжатия. Со временем поршень изнашивается и обгорает, что приводит к снижению уплотнения — раскаленные газы начинают просачиваться между телом поршня и кольцом, и попадают в картер, а из картера в камеру сгорания просачивается масло.

Из этого следует, что повышенный расход масла может служить признаком износа поршней. Кроме того, об этом можно судить по появлению дыма в потоке выхлопных газов — дым образуется в результате сгорания попадающего в пространство над поршнем масла.

Поршень и поршневые кольца

Сочетание днища и уплотняющей части (служащей основой для колец) называется головкой поршня. В прошлом поршень выполнялся из стали целиком, но в современных двигателях нередко применяются облегченные поршни из алюминиевых сплавов. Алюминий уступает стали в прочности, поэтому для создания основы для верхнего компрессионного кольца его снабжают ободком из обладающего высокими антикорозионными и прочностными свойствами чугуна. В чугунном ободке, вплавленном в тело поршня, нарезают канавку, в которое и вставляется верхнее компрессионное кольцо. Этот вид чугуна называется нирезистом.

В нижней части головки расположены каналы для маслосъемных колец. Их нарезают на станке и снабжают сквозными отверстиями, через которое снятое с зеркала цилиндра масло по внутренней стенке поршня стекает в поддон картера блока цилиндров.

Поршневой палец

Юбка или направляющая часть поршня снабжена двумя приливами, или бобышками, в которых проделаны отверстия для установки поршневого пальца. Поскольку в месте расположения бобышек поршень имеет наибольшую толщину, в нем чаще всего возникают деформации под воздействием температуры. Для того, чтобы избежать риска деформации, часть метала с бобышек срезают на фрезеровочном станке. Служащие для охлаждения и повышающие интенсивность смазывания поршня углубления именуются на техническом сленге «холодильниками».

Материалы для производства поршней

К материалам, применяемым для изготовления поршней, предъявляются высокие требования. Прежде всего, материал должен обладать высокой механической прочностью при малой плотности и низком коэффициенте линейного расширения, высокой теплопроводностью и корозионной стойкостью, хорошими антифрикционными свойствами. Исходяиз этого, поршни делают либо из серого чугуна, либо из алюминиевого сплава, нередко с вкраплением чугуна.

Чугунные поршни отличаются прочностью и износостойкостью, работают с малыми зазорами. Недостаток чугуна — большой вес. Поэтому чугунные поршни применяются, как правило, в низкооборотистых, хорошо сбалансированных двигателях. У чугуна низкая теплопроводность, поэтому сильно нагревается днище. Это недостаток, так как высокая температура внутри камеры сгорания до зажигания может приводить к некорректному сгоранию топлива, которое называется калильным зажиганием. Особенно остро эта проблема стояла в прежние годы, когда преобладающим устройством впрыска был карбюратор.

Гораздо чаще в современных двигателях применяются поршни из алюминиевого сплава. В числе их достоинств малый вес, высокая теплопроводность (благодаря чему температура днища редко поднимается выше 250 °C). Именно благодаря этому фактору инженерам удалось в свое время найти способ существенно поднять степень сжатия в бензиновых двигателях. Основной недостаток алюминия — большой коэффициент линейного расширения, что заставляет делать большие зазоры, снижая способность поршня к уплотнению. Кроме того, механическая прочность алюминия при нагреве резко (до 50%) падает, чего с чугуном не происходит. Тем не менее, недостатки не оказались фатальными, так как инженерам удалось придумать способы нивелировать отрицательные свойства материала. Например, чтобы уменьшить потери при сжатии, юбке поршня придают овально-конусную форму. Чтобы не допусать деформации от перегрева, юбку изолируют от головки при помощи материала с низкой теплопроводностью и тп.

Интересные факты о поршне

Самые «крепкие» поршни — кованые, то есть сделаные из заготовок, полученных методом литья, а впоследствии подвергнутых ковке. Ковка — механическая обработка нагретого до ковочной температуры металла. Для каждого металла существует своя ковочная температура; у алюминия она не высока — всего лишь в районе 500 градусов.

Способ изготовления поршня двигателя внутреннего сгорания

Владельцы патента RU 2318126:

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано при изготовлении поршней ДВС из сплава на основе железа весом, эквивалентным весу поршня, выполненного из сплава на основе алюминия. Способ изготовления поршня включает приготовление расплава металла, подготовку литейной формы для заливки, заполнение формы расплавом, выдержку расплава металла в форме для затвердевания отливок, удаление готовых отливок из формы, проведение финишных операций, подготовку формы производят путем изготовления многоместного, многозвенного блока разовых моделей поршня с последующим заформовыванием его огнеупорным зернистым материалом, преимущественно холодно-твердеющими смесями, заполнение формы расплавом производят в жидко-твердом состоянии под механическим давлением со скоростью движения расплава в литниковом ходе 1-10 м/с, а выдержку расплава в форме для затвердевания отливок производят под давлением сжатого газа. В начальный момент поступления расплава в форму и до окончания затвердевания отливок в форме создают газовое давление в пределах 4-6 атм. Использование изобретения позволяет снизить затраты на материалы и себестоимость изготовления поршня. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении поршней двигателя внутреннего сгорания из сплава на основе железа.

Известен способ изготовления поршней из алюминиевых сплавов на автоматической линии (Г.А.Бобров «Автоматическая линия для отливки поршней». «Литье в металлические формы, Труды конференции» под ред. д.т.н. Н.Н.Рубцова, «Машгиз», М., 1952 г., стр.42).

Алюминиевые поршни имеют низкую стойкость, имеют ограничения использования по температурным параметрам, имеют высокую стоимость.

Известны поршни, выполненные из сплава на основе железа, весом, эквивалентным весу поршня, выполненного из сплава на основе алюминия. Эти поршни лишены вышеперечисленных недостатков, присущих алюминиевым поршням.

Однако получение поршней из сплавов на основе железа весом, эквивалентным весу поршня из алюминиевого сплава, проблематично, т.к. возникают трудности изготовления тонкостенных отливок. Поэтому стенки литых поршней на основе железа утолщают путем введения припусков, снаружи, с последующим их удалением при механической обработке. Например, боковую стенку поршней увеличивают до 12 мм при размере толщины стенки готового поршня 1,5-3 мм; технология изготовления включает приготовление расплава, заполнение формы расплавом, выдержку расплава в форме для затвердевания отливок, удаление готовых отливок и проведение финишных операций (ВНИ ТОЛ «Литье в металлические формы». Труды конференции, «Машгиз», М., 1952, стр.204). Известный способ литья поршней в кокиль невозможно применить из-за непроливаемости при гравитационной заливке тонких стенок, образования трещин и высоких требований к литью по герметичности. При использовании форм по выплавляемым моделям можно получать отливки с толщиной стенки до 1 мм, однако это дорогой, трудоемкий процесс, и его использование нерационально для литья поршней.

К недостаткам известного способа изготовления тонкостенных поршней и сплавов на основе железа следует отнести низкое качество отливок из-за негерметичности при литье способом гравитационного литья с кристаллизацией под атмосферным давлением. Необходимость введения больших припусков на механическую обработку удорожает литье. Низкий коэффициент использования материала (КИМ) получаемых отливок связан с большим объемом механической обработки и удорожанием изделий.

Целью настоящего изобретения является устранение отмеченных недостатков, а именно:

— улучшение качества поршней за счет повышения герметичности,

— снижение расхода на материалы,

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления поршня двигателя внутреннего сгорания из сплава на основе железа весом, эквивалентным весу поршня, выполненного из сплава на основе алюминия, включающем приготовление расплава, заполнение формы расплавом, выдержку расплава в форме для затвердевания отливок, удаление готовых отливок и проведение финишных операций, подготовку формы производят путем изготовления многоместного многозвенного блока разовых моделей поршня с последующим заформовыванием его огнеупорным зернистым материалом, преимущественно холодно-твердеющими смесями, заполнение формы расплавом производят в жидко-твердом состоянии под механическим давлением со скоростью движения в литниковом ходе 1-10 м/с, а выдержку расплава в форме для затвердевания производят под давлением сжатого газа. При этом используют давление преимущественно в пределах 4-6 атм.

Заполнение формы расплавом в жидко-твердом состоянии обеспечивает:

— удаление газов из перегретого расплава при его охлаждении в интервале температур Т_лик-Т_сол,

— получение химической однородности металла отливки с мелким первичным зерном,

— повышение скорости заливки (ламинарный режим в жидко-твердом расплаве сохраняется до скоростей порядка 10 м/с) обеспечивает рост производительности.

Затвердевание отливки под газовым давлением предотвращает выделение газов из металла при кристаллизации, устраняет микропористость за счет микропластической деформации. Нижний предел газового давления 4 атм, принят исходя из практических результатов, а верхний предел 6 атм — из условий достаточности и техники безопасности.

В результате проведения этих приемов отливка поршня получается беспористой, химически однородной, с мелким первичным зерном (структура металла аналогична кованому).

Указанные приемы литья позволяют получить герметичные отливки без трещин, а благодаря давлению при литье проливаются толщины стенок в 1 мм и менее.

На фиг.1 изображен поршень из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, на фиг.2 — звено разовых моделей поршней из легкоплавкого сплава, на фиг.3 — рабочая схема получения поршней.

Поршень 1 имеет цапфы 2, канавки 3 под поршневые кольца, стенку 4 в головной части, отверстия 5 и утолщение 6. Звено моделей поршней (фиг.2) состоит из моделей поршней 7, соединенных через питатели 8 с литником 9, снабженным соединительными частями 10.

Нижняя неподвижная плита 11 (фиг.3) связана колонками (на чертеже не показано) с верхней плитой 12, к которой присоединен контейнер 13 через герметизирующее уплотнение 14 с расположенной в нем литейной формой 15.

На подвижной плите 16, связанной силовым гидроприводом (на чертеже не показано), установлена камера выжимания 17, облицованная слоем 18 кварцевого песка, в которую залит расплав металла 19. На камеру выжимания 17 установлен пуансон 20 с облицовкой 21, имеющий литниковый ход 22, перекрытый пенокерамическим фильтром 23. В контейнере выполнена кольцевая канавка 24 для герметизации его при заливке.

Работа предлагаемых поршней не отличается от известных, за исключением устранения износа «юбки» и разбивания поршневых канавок 3 под поршневые кольца, что обеспечивается в несколько раз более высокой прочностью чугуна с шаровидным графитом, в 2 раза более высокой твердостью и рабочей температурой.

Пример осуществления способа

Поршни из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом ВЧ60 — 2, имеющим химсостав, %: С 3,2-3,6, Si 2,4-2,6, Mn 0,4-0,7, Р до 0,1, S до 0,02, получают следующим образом.

Звенья моделей 7 поршней из легкоплавкого сплава Sn-Pb-Bi (температура плавления 127°С), по 6 моделей в одном звене, изготавливают на кокильных карусельных автоматах, используемых при литье алюминиевых поршней, с производительностью 6 звеньев в минуту (2160 моделей в час). Модели собирают в блоки по 5 звеньев (30 моделей в блоке).

Готовый блок устанавливают в контейнер 13 и заформовывают холодно-твердеющими смесями. После затвердевания смеси контейнеры продувают горячим воздухом, нагретым до 200°С, и выплавляют модели.

Контейнеры 13 с подготовленными формами 15 в составе поточной линии производительностью 60 заливок в час (1800 отливок в час) подаются для заполнения расплавом.

Выплавленный в индукционной печи модифицированный чугун заливают в камеру выжимания 17 при температуре 1400°С и производят выдержку для отвода теплоты перегрева, в результате которой растворенные газы (больший объем) выходят из расплава. Для ускорения процесса отвода тепла расплав продувают азотом.

При достижении температуры ликвидус происходит выделение твердой фазы и при температуре 1250°С расплав 19 вытесняют в литейную форму 15 пуансоном 20 при перемещении камеры выжимания 17 вверх. Расплав 19 вытесняют через фильтр 22, литниковый ход 23 и литник 9 со скоростью 3 м/с.Одновременно в контейнер 13 через газопровод 25 подают сжатый воздух под давлением 5 атм (первые порции расплава, попадая в канавку 24, герметизируют контейнер).

Т.к. расплав поступает в форму 15 под газовым противодавлением, выделение оставшихся газов из расплава подавляется, устраняется усадочная микропористость, в т.ч. за счет микропластической деформации. За счет наличия в расплаве центров кристаллизации затвердевание отливки происходит объемно. Механическое давление при литье обеспечивает проливание тонких стенок, а кристаллизация под газовым давлением позволяет улучшить качество металла отливки и повысить механические свойства. Полученные отливки имеют σ_в≥700 МПа, δ≥2,5%, НВ=190-270.

Если отливки выбивают из форм на воздух при охлаждении их до температуры 900°С, то происходит нормализация, а механические свойства поршней возрастают до σ_в≥750 МПа, δ≥6%. Относительная прочность полученных поршней по сравнению с относительной прочностью поршней из алюминиевых сплавов (с учетом удельного веса металла) выше на 28 -38%. За счет литья в интервале кристаллизации измельчается зерно, улучшается химическая однородность материала, а при кристаллизации металла отливки под давлением 4-6 атм устраняется микропористость и повышается герметичность отливок. Расход на материалы поршня сокращается не менее чем в 2 раза. Уменьшается объем механической обработки.

Полученный, согласно предлагаемому способу, поршень имеет более высокий рабочий ресурс, повышенную надежность.

Использование изобретения позволяет снизить расход материала на поршни за счет уменьшения припусков на мех. обработку, повысить коэффициент использования материала (КИМ), снизить себестоимость поршня.

1. Способ изготовления поршня двигателя внутреннего сгорания из сплава на основе железа, весом эквивалентным весу поршня, выполненного из сплава на основе алюминия, включающий приготовление расплава, заполнение формы расплавом, выдержку расплава в форме для затвердевания отливок, удаление готовых отливок и проведение финишных операций, отличающийся тем, что подготовку формы производят путем изготовления многоместного многозвенного блока разовых моделей поршня с последующим заформовыванием его огнеупорным зернистым материалом, преимущественно холодно-твердеющими смесями, заполнение формы расплавом производят в жидко-твердом состоянии под механическим давлением со скоростью движения расплава в литниковом ходе 1-10 м/с, а выдержку расплава в форме для затвердевания производят под давлением сжатого газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в начальный момент поступления расплава в форму и до окончания затвердевания отливок в форме создают газовое давление в пределах 4-6 атм.