Поршни супермоторов — из суперматериала

При конструировании двигателей моделисты часто сталкиваются с проблемой материала для поршней. Алюминиевые спеченные сплавы еще дефицитны. Предлагаю разработанные мною технологии для выплавления этих деталей. Возможность получения поршней с низким коэффициентом трения и недефицитностью исходных компонентов позволит решить большую проблему.

При содержании кремния до 30% коэффициент линейного расширения меньше, чем у САС-сплавов, что также отличает предлагаемые материалы. Основу сплавов составляют Ал-30 или Ал-26, которые широко используются в автотракторной технике. Марка сплава обычно указывается на внутренней стенке поршня от «большого» двигателя.

Для получения модельных поршней использована система Al-Cu-Cd, имеющая квазибинарный разрез Cd-CuAl2. Для приготовления сплава требуется лигатура Cu-P-Cd, которую получаем следующим образом. Берется фосфористая медь любой марки (хотя предпочтительнее Мф-13). Добавляется 2% олова и столько же цинка. Лигатура плавится при температуре 850°С под слоем древесного угля в любом тигле, за исключением металлического. На принятый вес фосфористой меди берем 36% кадмия, щипцами окунаем в расплав фосфористой меди, вынутой из печи, и размешиваем. При этом медь должна быть охлаждена на воздухе, чтобы кадмий не горел и не образовывал бы бурого дыма. Работу следует проводить под вытяжкой, так как пары кадмия весьма токсичны. Температура расплава фосфористой меди при вмешивании кадмия примерно 400°—450°С. После этого приготовленную таким образом лигатуру охлаждают на воздухе вместе с тиглем. Полученный материал — белого цвета, весьма хрупок.

Для приготовления поршневого сплава бывшие в употреблении поршни от автомобилей или тракторов промывают от грязи и масел, дробят и закладывают в тигель (графитовый или шамотный). Смесь разогревается до 850°—920°С. После ее расплавления следует снять шлак; полезно добавить немного сплава Ал-4, Ал-9, Ал-34, ВАЛ-8, Ал-5 или Ал-24 (в количестве 2%), так как эти материалы содержат препятствующий окислению и выгоранию компонентов бериллий. Затем в расплав вводят никель в виде стружки в количестве 2—2,5% и выдерживают в течение 10 минут. После этого вводится подготовленная заранее лигатура Cu-P-Cd весом от 5 до 10%, в зависимости от требуемых физико-механических свойств будущего поршневого материала. Лигатуру следует вводить порциями по 8—10 г. Примерно через 15—20 минут сплав готов к разливу.

Для уменьшения коэффициента линейного расширения добавляют кремний. Надо отметить, что в модельной практике следует использовать только кремний марки Кр-ОО. Он вводится в расплав отрезками размером 10—15 мм, предварительно нагретыми до 300°С. При необходимости кремний приходится вводить перед никелем. Полный химический состав сплава при применении исходного Ал-30: кремний 11… 30%, магний 0,8…1,3%, марганец 0,2…0,6%, медь 5,0…12,0%, никель 3,0…4,0%, фосфор 0,5…1,3%, кадмий 0,3…2,5%, цинк 0,2…0,5%, железо до 0,7%, титан до 0,2%, олово до 0,1%, свинец до 0,1 %, бериллий до 0,005%, алюминий — остальное. При использовании в качестве исходного компонента Ал-26 также общее содержание никеля должно быть в пределах 3,0…4,0%, а меди от 5,0 до 12%.

Кроме этого, предлагается вводить в сплав цирконий в виде фторцирконата калия в количестве 0,5…2,0%. Такой сплав требует для заливки более высокой температуры перегрева (940°—980°С) и ускоренного процесса разлива. Но его последующая термическая обработка при 480°С в течение одного часа даст более высокие физико-механические свойства изделия.

Любой из перечисленных сплавов разливают в предварительно подогретые до 300°—450°С кокили. Их предпочтительно изготавливать из алюминиевых сплавов с последующим анодированием, из меди или, в крайнем случае, из чугуна. При этом следует иметь в виду, что высота падения струи заливаемого в кокиль расплава должна быть минимальна, а питатель кокиля расположен под углом 45° к изделию. Чтобы предотвратить рост размеров поршней в двигателе, их подвергают, длительному искусственному старению. Для приведенных сплавов этот процесс проводят при 240°С в течение от 8 до 18 часов.

При необходимости скорректировать коэффициент линейного расширения поступают следующим образом. Круглую заготовку из материала гильзы с калиброванным внешним размером помещают в емкость с нагретым до 220°—230°С глицерином или касторовым маслом. Образец выдерживают 10—15 минут, быстро достают его и замеряют пассаметром, на губки которого надеты пустотелые титановые наконечники, позволяющие избежать быстрого охлаждения материала. Образец с пассаметром держат до полного охлаждения (пассаметр предварительно настраивается на холодном материале). Надо отметить, что при соответствующей изобретательности и более частых замерах возможно использование и обычного микрометра. Разность же показаний пасса-метра будет определять величину конуса на рабочей части гильзы, так как она разогревается при работе двигателя примерно до 250°С.

Таким же образом поступают и с материалом поршня. При этом он должен быть предварительно состарен, а поршень следует замерять по его донышку. Поскольку поршень в двигателе разогревается примерно до 300°С, то его материал должен расширяться немного меньше, чем у гильзы. Можно принять, что показания пассаметра на поршне в среднем меньше на 3…4 мкм. Но окончательные выводы удастся сделать лишь после экспериментов непосредственно на моторе.

Изменяя содержание в сплаве поршня кремния и фосфористой лигатуры, подбирают соответствующее сочетание с материалом гильзы. Требуется помнить, что конус на рабочем пояске должен равняться показаниям пассаметра, а на юбке — в два раза меньше. Таким образом, геометрия поршня приобретает бочкообразность. Более хорошие результаты показывают так называемые Х-образные поршни. Для получения подобной геометрии берется узкий притир, с помощью которого середину поршня занижают на несколько микрон.

В приведенных сплавах с увеличением содержания фосфористой меди растет хрупкость и твердость. Поэтому для обработки применяют алмазный или эльборовый инструмент.

При плавке полезно помнить, что этот процесс нужно вести только в узких тиглях, как можно меньше времени выдерживая сплав при температуре 850°—960°С. Если отсутствуют исходные компоненты, содержащие бериллий, то перед введением в расплав фосфористой меди примерно за 5 минут с помощью «колокольчика» добавляют хлористый цинк в количестве 0,2% (предварительно переплавленный) и энергично его вмешивают. Флюсы, содержащие соли натрия, применять не следует.

Также нужно знать, что присутствие в сплаве железа свыше 0,7% делает поршневой материал совершенно непригодным. Поэтому нельзя использовать тигли, инструмент и лигатуру, содержащие данный металл.

Г. ЕГЕРЬ, Пермь