Введение к работе
Актуальность работы.
Снижение массы автомобиля является одним из основных современных направлений повышения его технико-экономических показателей:уменьшение расхода топлива,снижение материалоемкости и улучшение динамики.
По данным зарубежных фирм использование 53.3 кг алюмининие-вых сплавов для автомобиля позволяет уменьшить его массу более, чем на 120 кг, что соответствует снижению расхода топлива приблизительно на 1090 л в течение ожидаемого срока службы с. пробегом 160 тыс. км. Особо подчеркивается возможность многократного использования алюми-нивых сплавов за счет переплава лома (возврат до 80 %) по относительно простой и недорогой технологии.
Однако одним из факторов, ограничивающих применение названного материала, является более низкие, чем у стали и чугуна, значения физико-механических характеристик. Современная тенденция повышения мощности двигателей при одновременном снижении их металлоемкости требует разработки новых легких материалов, имеющих повышенные прочностные, износостойкие и другие служебные характеристики.
Одним из путей увеличения (в 2-3 раза) прочности и жесткости легких металлических сплавов является их армирование высокопрочными и высокомодульными волокнами.Для решения задачи уменьшения веса автомобилей Российские и зарубежные автомобилестроительные фирмы начали применять высокопрочные алюминиевые сплавы, армированные волокнами разных материалов (металлических, керамических и др), то есть композиционные материалы (КМ), отличающиеся меньшей массой чем у чу-
гуна и стали и высокими прочностными характеристиками.
Однако, необходимо учитывать, что для широкого применения в ав томобилестроении КМ должны быть технологичными и недорогими. Поэтом продолжаются научно-исследовательские работы по созданию литых ком позиционных материалов(ЛКШ на основе алюминия в различных отрасли, машиностроения. Основными преимуществами литых композиционных деталей являются их невысокая стоимость,технологичность и возможность повторного использования лома.
Экономия топлива в ДВС связана с термодинамическим к.п.д., увеличением частоты вращения (коленчатого вала) и уменьшением веса движущихся частей в том числе шатуна - ответственной детали поршневої группы ДВС. При уменьшении массы шатуна происходит уменьшение инерционных сил, вибраций, шума и др.
Поэтому разработка технологии изготовления литого шатуна из алюминиевого сплава, армированного сравнительно дешевыми стальными волокнами, взамен шатуна изготавливаемого в настоящее время горяч штамповкой из стали 40, является актуальной задачей.
Цель работы и задачи исследования.
Целью настоящей диссертации является исследование и разработка технологического процесса изготовления шатуна легкового автомобиля из алюминиевого матричного сплава,упрочненного волокнами стали ВШ-9 и предназначенного для легкого двигателя.
Основные задачи исследования. Выбор и обоснование исходных материалов, разработка оптимальной конструкции каркаса ; оценка эффективности и отработка режимов предварительной обработки каркаса для
улучшения его смачиваемости расплавом при заливке; анализ состояния интерметаыидного слоя на границе раздела между волокнами и матрицей; разработка оптимальных параметров техпроцесса получения отливки алюминиевого шатуна.
Научная новизна работы:
-
Анализ закономерностей взаимодействия алюминиевой матрицы и агитированного стального каркаса показал, что прочная связь между ними отсутствует из-за наличия оксидных плен, которые приводят к образованию }шхлого -їй непрочного интерметаллического слоя и дальнейщ-ему разрушению КМ.
-
Теоретически и экспериментально доказано, что для получения прочного соединения между матрицей и каркасом следует наносить промежуточное покрытие в виде бинарного сплава цинка и алюминия (5%). Это покрытие смывается вместе с оксидными пленами при заливке матричного расплава, благодаря чему и достигается взаимная диффузия и образование тоннкого интерметаллического слоя с незначительным содержанием железа, прочно связывающего матрицу и волокна.
-
На основе анализа напряженно-деформированного состояния шатуна при работе разработана оптимальная конфигурация каркаса для отливок шатуна и технология его получения из 7-болоконных полуфабрикатов.
Практическая полезность.
1. Разработаны практические рекомендации по технологии изготовлению алюминиевого шатуна, обеспечивающие использование алюминиевого
-o-
сплава взамен стали 40.
2. При замене шатуна из стали 40 на алюминиевый шатун, армиро
ванный композитной вставкой достигается снижение массы шатуна на 4';
/о .
3. Решены проблемы ограничения формирования интерметаллическогс
слоя с низкой прочностью, возникающие при использовании дешевогс
стального волокна для КМ на основе алюминия. Это способствует приме
нению разработанного композитного материала не только для шатуна, не
и для других деталей.
Реализация результатов работы.
Полученные результаты проведенной исследовательной работы имеют научно-практическую полезность и будут использованы АО НИИТавтопрс» при создании специального оборудования и технологии изготовления отливок шатуна и других композитных деталей.
Экономическая эффективность. Использование композиционного материала, армированного стальным! волокнами для шатуна даст следующие результаты : снижение расход? топлива 5 -10 %.> увеличение мощности двигателя на 5-10 %, снижение веса двигателей на 10 - 12%.
Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на второй московской международней конференции по композитам (Москва, МГУ, 1994).
Публикация. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 3 статиях [1, 2, 31.
Объем и структура работы Диссертация с общим объемом 131 страниі состоит из введения, четырех глав, списка литературы (128 наименование), 2 приложений, содержит 44 рисунок, 22 таблиц.