Основы электролиза криолитоглиноземных расплавов

2.2.4 Электротермическое получение алюминиево-кремниевых сплавов

2.3 Литье в песчаные формы

3. Улучшение механических свойств

3.1 Старение и закалка

4. Механическая обработка

4.1 Установка базовых точек

4.2 Получение коренных опор коленвала (постель коленвала) и установка гильз

Вывод по проделанной работе

Список использованной литературы

 

1. Анализ проектируемой детали и условия её работы

 

1.1 Описание детали

 

Блок цилиндров - литая деталь, служит основой двигателя внутреннего сгорания. К его верхней части крепится головка блока, нижняя часть является частью картера, в ней имеются опорные поверхности для установки коленчатого вала.

Блок цилиндров (или блок-картер) воспринимает нагрузки от вращающихся и поступательно движущихся деталей. Наиболее распространенные рядные четырехцилиндровые двигатели обычно имеют блок отлитый из серого легированного чугуна, реже – алюминия, блок показан на Рисунке 1. При этом гильзы цилиндров отлиты за одно целое с блоком, образуя рубашку охлаждения между гильзами и наружными стенками. Блок цилиндров имеет в нижней части отверстия - т.н. постели для вкладышей подшипников коленчатого вала. Постели обрабатываются на специальном прецизионном оборудовании с высокой точностью.

 

 

Сами цилиндры могут являться частью отливки (негильзованный блок), а могут иметь отдельные сменные гильзы, которые могут быть "мокрыми" или "сухими", схематично это показано на Рисуноке 2.

Сухие гильзы чаще всего запрессовывают в корпус блока, а мокрые гильзы дополнительно уплотняют кольцами из различных материалов таких как резина, или меди. Отвод теплоты через гильзы к охлаждающей жидкости зависит от свойств материала гильзы и её толщины (чем выше теплопроводность материала и тоньше стенки гильзы, тем лучше теплоотвод).

Применение гильзованных цилиндров, с одной стороны, несколько увеличивает стоимость двигателя и усложняет его сборку, но с другой стороны, - упрощает ремонт блока, так как в этом случае достаточно заменить гильзы и поршневую группу.

В то же время у негильзованных блоков при износе зеркала цилиндра его необходимо растачивать и хонинговать, что существенно усложняет ремонт, так как требуется обязательная практически полная разборка двигателя. Кроме того, к негильзованным блокам предъявляются очень высокие требования к качеству материала и технологии отливки.

 

Рисунок 2 - Схематичное изображение сечения блоков различных

 

Вокруг каждого цилиндра выполнены резьбовые отверстия для болтов крепления головки блока как Рисуноке 3. Резьбовые отверстия не связываются напрямую с гильзой (что уменьшает деформацию гильзы при затяжке болтов головки. Небольшая деформация гильз при затяжке все равно проявляется, но обычно не превышает 0,010-0,015 мм, хотя может значительно увеличиться при излишнем затягивании болтов головки.

 

Рисунок 3 - Отверстия болтов крепления головки блока цилиндров: 1 — проточка; 2 — деформация при отсутствии проточки

 

Рабочие поверхности цилиндров и гильз, которые называют зеркалом цилиндра, обрабатываются с высокой точностью и имеют очень высокую чистоту. Иногда на зеркало цилиндра наносят специальный микрорельеф, высота которого составляет доли микрометров. Такая поверхность хорошо удерживает масло и способствует снижению трения боковой поверхности поршня и колец о зеркало цилиндра.

Зеркало цилиндра Зеркало цилиндра находится в постоянном контакте с поршнем и смазывается моторным маслом, которое разбрызгивается вращающимися элементами кривошипно-шатунного механизма. Высокие технологические свойства металла и качество его обработки обуславливают необходимое сопротивление поверхности.

 Рубашка охлаждения Рубашка охлаждения предназначена для отвода тепла от стенок цилиндров и от головки двигателя. Целью применения водяной система охлаждения двигателя является не только отвод тепла от стенок цилиндров, но и поддержание расчетной рабочей температуры.

Картер коленчатого вала На картере блока цилиндров предусмотрены места креплений таких элементов как генератор, компрессор кондиционера, кронштейнов крепления, насоса гидроусилителя руля и др. Картер коленчатого вала может быть отлит с блоком цилиндров в едином корпусе, а может присоединяться к нему болтами. К нижней части картера блока крепится масляный поддон, который предназначен для хранения моторного масла. Поддон обычно изготавливается из стали или алюминиевого сплава.

 

1.2 Анализ условий работы

 

Цилиндр двигателя предназначены для направления возвратно-поступательного движения поршня, восприятия энергии, выделяющейся при сгорании топлива, восприятия и отвода тепла от камеры сгорания к охлаждающей жидкости, а так же для крепления коленчатого вала для этого в блоке цилиндров выполнены каналы для смазки и охлаждения. В картере блока цилиндров выполнены постели для крепления коленчатого вала. Из этого следует, что блок-картер подвергается:

· Воздействию давления газов;

· Силы воздействия газов, которые воспринимаются резьбовыми соединениями головки блока цилиндров и опорами коленчатого вала;

· внутренние силы инерции (изгибающие силы), являющиеся результатом сил инерции при вращении и колебаниях;

· внутренние силы кручения (скручивающие силы) между отдельными цилиндрами;

· крутящий момент коленчатого вала и, как результат, силы реакции опор двигателя;

· свободные силы и моменты инерции, как результат сил инерции при колебаниях, которые воспринимаются опорами двигателя;

· Боковых сил трения возникающих при движении поршня;

· Изгибающим нагрузкам от сил давления газов и сил инерции, передаваемых через шатуны от поршней, от коленчатого вала нагрузки передаются на коренные опоры коленчатого вала и изгибают блок;

· Трение с элементами поршня (вызывает механический износ);

· Высокая температура (вызывает выжигание и коррозию металла) В том случае, если блок цилиндров изготавливается из алюминиевого сплава, зеркало цилиндра выполняется в специальной чугунной вставке (гильзе);

· Упругие деформации блока или вала приводит к искривлению осей постелей и шеек коленчатого вала. В этом случае появляется износ, неравномерный по ширине шейки;

· Нагрузка, передаваемая от вкладышей к постели, при периодическом искривлении осей приводит к износу поверхностей самих постелей (такая ситуация характерна, например, для шатунных подшипников длинных валов с малым количеством опор (например, четырехопорный вал рядного шестицилиндрового двигателя);

 

1.3 Составление требований к деталям

 

Проанализировав условия работы блока-картера, в предыдущем пункте, можно выдвинуть требования к свойствам блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, а именно:

· Жесткость является весьма важной характеристикой блока, которая определяет упругие деформации блока под действием различных сил. При работе двигателя коленчатый вал испытывает изгибающие нагрузки от сил давления газов и сил инерции, передаваемых через шатуны от поршней. От коленчатого вала нагрузки передаются на коренные опоры коленчатого вала и изгибают блок. При его недостаточной жесткости это может привести к ускоренному износу подшипников и выходу двигателя из строя. Жесткость блока на изгиб обычно увеличивается при увеличении расстояния от плоскости разъема коренных подшипников до нижней плоскости разъема блока и поддона картера как показано на Рисунке 4 , а также с увеличением ширины блока, толщины стенок. Особенно это важно для рядных многоцилиндровых двигателей (с числом цилиндров 5-6).

Рисунок 4 - Увеличение жесткости блок-картера (а) путем увеличения размера Н (б)

 

· соосность отверстий всех постелей блока;

· одинаковый размер (диаметр) всех постелей (за исключением специальных конструкций);

· перпендикулярность осей постелей и цилиндров;

· Параллельность плоскости разъема блока с головкой и оси постелей;

· Параллельность осей постелей вспомогательных и распределительного валов (если они установлены в блоке) оси постелей коленчатого вала;

· Практика показывает, что все отклонения от перпендикулярности и параллельности не должны превышать половины рабочего зазора деталей. При зазоре 0,04+0,06 мм это составляет не более 0,02+0,03 мм.

 

1.4 Материалы для изготовления

 

Блок-картер является одной из самых тяжелых деталей всего автомобиля. И занимает самое критичное место для динамики движения: место над передней осью. Поэтому именно здесь делаются попытки полностью использовать потенциал для уменьшения массы. Серый чугун, который в течение десятилетий использовался в качестве материала для блок-картера, все больше и больше заменяется в бензиновых так и в дизельных двигателях алюминиевыми сплавами. Это позволяет получить значительное снижение массы. Но, преимущество в массе не единственное отличие, которое имеет место при обработке и применении другого материала. Изменяется также акустика, антикоррозионные свойства, требования к производству обработке и объемы сервисного обслуживания.

 

1.4.1Серый чугун

Чугун - это сплав железа с содержанием углерода более 2 % и кремния более 1,5 %. В сером чугуне избыточный углерод содержится в форме графита. Для блок-картеров дизельных двигателей использовался и используется чугун с пластинчатым графитом, который получил свое название по расположению находящегося в нем графита. Другие составляющие сплава - это марганец, сера и фосфор в очень маленьких количествах. Чугун с самого начала предлагался как материал для блок-картеров серийных двигателей, т. к. этот материал не дорог, просто обрабатывается и обладает необходимыми свойствами. Легкие сплавы долго не могли удовлетворить этим требованиям. Автопроизводители используют для своих двигателей чугун с пластинчатым графитом вследствие его особенно благоприятных свойств. А именно:

· хорошая теплопроводность;

· хорошие прочностные свойства;

· простая механообработка;

· хорошие литейные свойства;

· очень хорошее демпфирование.

Выдающееся демпфирование - это одно из отличительных свойств чугуна с пластинчатым графитом. Оно означает способность воспринимать колебания и гасить их за счет внутреннего трения. Благодаря этому значительно улучшаются вибрационные и акустические характеристики двигателя. Хорошие свойства, прочность и простая обработка делают блок-картер из серого чугуна и сегодня конкурентоспособным. Благодаря высокой прочности, бензиновые двигатели М и дизельные двигатели и сегодня делаются с блок-картерами из серого чугуна. Возрастающие требования к массе двигателя на легковом автомобиле в будущем смогут удовлетворить только легкие сплавы.

 

1.4.2 Алюминиевые сплавы

Блок-картеры из алюминиевых сплавов пока еще относительно новы только для дизельных двигателей. Плотность алюминиевых сплавов составляет примерно треть по сравнению с серым чугуном. Однако, это не значит, что преимущество в массе имеет такое же соотношение, т. к. вследствие меньшей прочности такой блок-картер приходится делать массивнее.Другие свойства алюминиевых сплавов:

· хорошая теплопроводность;

· хорошая химическая стойкость;

· неплохие прочностные свойства;

· простая механообработка.

Чистый алюминий не пригоден для литья блок-картера, т. к. имеет недостаточно хорошие прочностные свойства. В отличие от серого чугуна основные легирующие компоненты добавляются здесь в относительно больших количествах.

Сплавы делятся на четыре группы, в зависимости от преобладающей легирующей добавки. Эти добавки:

· кремний (Si);

· медь (Си);

· магний (Мд);

· цинк (Zn).

Для алюминиевых блок-картеров двигателей используются исключительно сплавы AlSi. Они улучшаются небольшими добавками меди или магния. Кремний оказывает положительное воздействие на прочность сплава. Если составляющая больше 12 %, то специальной обработкой можно получить очень высокую твердость поверхности, хотя резание при этом осложнится. В районе 12 % имеют место выдающиеся литейные свойства. Добавка меди (2-4 %) может улучшить литейные свойства сплава, если содержание кремния меньше 12 %. Небольшая добавка магния (0,2-0,5 %) существенно увеличивает значения прочности. Для бензиновых и дизельных двигателей используют алюминиевый сплав AISi7MgCuO,5. Как видно из обозначения AISi7MgCuO,5, этот сплав содержит 7 % кремния и 0,5 % меди. Он отличается высокой динамической прочностью. Другими положительными свойствами являются хорошие литейные свойства и пластичность. Правда, он не позволяет достичь достаточно износостойкой поверхности, которая необходима для зеркала цилиндра. Поэтому блок-картеры из AISI7MgCuO,5 придется выполнять с гильзами цилиндров.

Прогрессивные исследователи задумываются об использовании еще более легкого материала - магниевого сплава. Были созданы прототипы двигателей, в которых металлические гильзы цилиндров устанавливались в легковесные пластиковые блоки, хотя эти двигатели оказывались ужасно шумными.

 

1.4.3 Табличные данные по материалам

Ниже я дам табличные сравнение 2х марок чугуна(СЧ25 и СЧ35), 2х марок алюминия(АЛ2 и АЛ4) и одной марки марганцевого сплава(МЛ4) из которых можно делать отливки блока-картера.

 

Таблица 1 - Классификация

Материал	Название	Применение материалов
СЧ25	Чугун серый	для изготовления отливок
СЧ35	Чугун серый	для изготовления отливок
АЛ2	Алюминиевый литейный сплав	для изготовления деталей малой нагруженности; сплав отличается высокой герметичностью
АЛ4	Алюминиевый литейный сплав	для изготовления деталей средней и большой нагруженности; сплав отличается высокой герметичностью
МЛ4	Магниевый литейный сплав	детали двигателей и других агрегатов, работающие в условиях высокой коррозионной стойкости, статических и динамических нагрузок; предельная рабочая температура: 150°C -длительная, 250°C -кратковременная

 

Таблица 2 - Химический состав в % материала СЧ25 и СЧ35

Материал	C	Si	Mn	S	P
СЧ25	3.2 - 3.4	1.4 - 2.2	0.7 - 1	до 0.15	до 0.2
СЧ35	2.9 - 3	1.2 - 1.5	0.7 - 1.1	до 0.12	до 0.2

 

Таблица 3 - Химический состав в % материала АЛ2

Fe	Si	Mn	Ti	Al	Cu	Zr	Mg	Zn	Примесей
до 1.5	10 - 13	до 0.5	до 0.1	84.3 - 90	до 0.6	до 0.1	до 0.1	до 0.3	всего 2.7

 

Таблица 4 - Химический состав в % материала АЛ4

Fe	Si	Mn	Al	Cu	Pb	Be	Mg	Zn	Sn	Примесей	-
до 1	8 - 10.5	0.2 - 0.5	87.2 - 91.63	до 0.1	до 0.05	до 0.1	0.17 - 0.3	до 0.2	до 0.01	всего 1.5	Ti+Zr<0.15

 

Таблица 5 - Химический состав в % материала МЛ4

Fe	Si	Mn	Ni	Al	Cu	Zr	Be	Mg	Zn	Примесей
до 0.06	до 0.25	0.15 - 0.5	до 0.01	5 - 7	до 0.1	до 0.002	до 0.002	88.4 - 92.85	2 - 3.5	прочие 0.1; всего 0.5

 

Таблица 6 - Механические свойства при Т=20^oС

	Sв	S T	 5	Твердость по Бринеллю
	МПа	МПа	%	МПа
СЧ25	250			HB 10 -1 = 156 - 260
СЧ35	350			HB 10 -1 = 179 - 290
АЛ2	160-170	80-90	5	HB 10 -1 = 55
АЛ2	190	120	1.8
АЛ4	260	200	4	HB 10 -1 = 70
АЛ4	290	160	2
МЛ4	250-255	85-115	6-9	HB 10 -1 = 50 - 75

 

Таблица 7 - Физические свойства материала СЧ25 и СЧ 35

Материал	T	E 10- 5	 1 6			C
-	Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)
СЧ25	20	1		50	7200
	100		10			500
СЧ 35	20	1.4		42	7400
	100		11			545

 

Таблица 8 - Физические свойства материала АЛ2 и АЛ4

Материал	T	E 10- 5	 1 6			C
-	Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)
АЛ2	20	0.7			2650
	100		21.1	168		838
АЛ4	20	0.7			2650
	100		21.7	155		755

 

Таблица 9 - Физические свойства материала МЛ4

T	E 10- 5	 1 6			C
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)
20	0.43		79.5	1830	1046.7
100		27.6

 

Обозначения:

HB - Твердость по Бринеллю , [МПа]

T - Температура, при которой получены данные свойства , [Град]

E - Модуль упругости первого рода , [МПа]

a - Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20^o - T ) , [1/Град]

l - Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) , [Вт/(м·град)]

r - Плотность материала , [кг/м³]

C - Удельная теплоемкость материала (диапазон 20^o - T ), [Дж/(кг·град)]

R - Удельное электросопротивление, [Ом·м]

Вывод: Для своего алюминиевого блока-картера двигателя я буду использовать исключительно сплавы AlSi, а именно АЛ4. Они улучшаются небольшими добавками меди или магния. Кремний оказывает положительное воздействие на прочность сплава. Если составляющая больше 12 %, то специальной обработкой можно получить очень высокую твердость поверхности, хотя резание при этом осложнится. В районе 12 % имеют место выдающиеся литейные свойства. Добавка меди (2-4 %) может улучшить литейные свойства сплава, если содержание кремния меньше 12 %. Небольшая добавка магния (0,2-0,5 %) существенно увеличивает значения динамической прочности. Другими положительными свойствами являются хорошие литейные свойства и пластичность. Правда, он не позволяет достичь достаточно износостойкой поверхности, которая необходима для зеркала цилиндра. Поэтому блок-картеры из АЛ4 придется выполнять с гильзами цилиндров.

 

2. Технология изготовления

 

2.1 Технологическая схема производства

 

2.2 Описание каждого технологического этапа

 

2.2.1 Добыча бокситов

Рудами алюминия могут служить лишь породы, богатые глиноземом (Al₂O₃) и залегающие крупными массами на поверхности земли. К таким породам относятся бокситы, нефелины — (Na, K)₂OּAl₂O₃ּ2SiO₂, алуниты — (Na, K)₂SO₄ּAl₂(SO₄)₃ּ4Al(OH)₃ и каолины (глины), полевой шпат (ортоклаз) — K₂OּAl₂O₃ּ6SiO₂.

Основной рудой для получения алюминия являются бокситы. Бокситы—важнейшая алюминиевая руда. На долю бокситов приходится основная часть мирового производства глинозема. Бокситы являются сложной горной породой, алюминий в которых находится в виде гидроксидов—диаспора и бемита (одноводные оксиды), гиббсита или гидраргиллита (трехводный оксид). Наряду с гидроксидами часть алюминия может находиться в бокситах в виде корунда, каолинита и других минералов.

Алюминий в них содержится в виде гидроокисей Al(OH), AlOOH, корунда Al₂O₃ и каолинита Al₂O₃ּ2SiO₂ּ2H₂O. Химический состав бокситов сложен: 28-70% глинозема; 0,5-20% кремнезема; 2-50% окиси железа; 0,1-10% окиси титана. В последнее время в качестве руды стали применять нефелины и алуниты. Нефелин (KּNa₂OּAl₂O₃ּ2SiO₂) входит в состав апатитонефелиновых пород (на Кольском полуострове).

Наиболее важным является Североуральское месторождение бокситов в Свердловской области. Североуральскне бокситы — диаспор-бемитовые и диаспоровые; основная масса их характеризуется высоким содержанием А1₂O₃ (52—54 %) и низким содержанием кремнезема (3—5%); содержание Fе₂О₃ в этих бокситах 21—28%. Добыча бокситов ведется подземным (шахтным) способом с глубины до 700 м. Содержание оксида углерода (IV) —СОа в добываемых бокситах (2,5—3,5%) и серы (около 1 %) высокое, что снижает их качество. Часть месторождений находится в районах, трудных для освоения, и непригодна для разработки более эффективным открытым способом.

Ряд месторождений бокситов бемит-диаспорового типа открыт на Южном Урале в Челябинской области и Башкирской области. Южноуральские бокситы характеризуются повышенным содержанием кремнезема и оксида углерода (IV), а также высокой твердостью. Их добывают также подземным способом. Добываемые бокситы в среднем содержат, % (по массе): А1₂O₃ 50—53; SiO₂ 5—10 и Fе₂О₃ 21—22.

2.2.2 Получение глинозема из руд

Глинозем получают тремя способами: щелочным, кислотным и электролитическим. Наибольшее распространение имеет щелочной способ (метод К. И. Байера, разработанный в России в конце позапрошлого столетия и применяемый для переработки высокосортных бокситов с небольшим количеством (до 5-6%) кремнезема). С тех пор техническое выполнение его было существенно улучшено. Схема производства глинозема по способу Байера представлена на Рисунке 5.

 

Рисунок 5 - Схема производства глинозема по способу Байера

 

Сущность способа состоит в том, что алюминиевые растворы быстро разлагаются при введении в них гидроокиси алюминия, а оставшийся от разложения раствор после его выпаривания в условиях интенсивного перемешивания при 169-170^оС может вновь растворять глинозем, содержащийся в бокситах. Этот способ состоит из следующих основных операций:

1). Подготовки боксита, заключающийся в его дроблении и измельчении в мельницах; в мельницы подают боксит, едкую щелочь и небольшое количество извести, которое улучшает выделение Al₂O₃; полученную пульпу подают на выщелачивание;

2). Выщелачивания боксита (в последнее время применяемые до сих пор блоки автоклав круглой формы частично заменены трубчатыми автоклавами, в которых при температурах 230-250°С (500-520 К) происходит выщелачивание), заключающегося в химическом его разложении от взаимодействия с водным раствором щелочи; гидраты окиси алюминия при взаимодействии со щелочью переходят в раствор в виде алюмината натрия:

 

AlOOH+NaOH→NaAlO₂+H₂O

 

или

 

Al(OH)₃+NaOH→NaAlO₂+2H₂O;

 

содержащийся в боксите кремнезем взаимодействует со щелочью и переходит в раствор в виде силиката натрия:

 

SiO₂+2NaOH→Na₂SiO₃+H₂O;

 

в растворе алюминат натрия и силикат натрия образуют нерастворимый натриевый алюмосиликат; в нерастворимый остаток переходят окислы титана и железа, предающие остатку красный цвет; этот остаток называют красным шламом. По окончании растворения полученный алюминат натрия разбавляют водным раствором щелочи при одновременном понижении температуры на 100°С;

3). Отделения алюминатного раствора от красного шлама обычно осуществляемого путем промывки в специальных сгустителях; в результате этого красный шлам оседает, а алюминатный раствор сливают и затем фильтруют (осветляют). В ограниченных количествах шлам находит применение, например, как добавка к цементу. В зависимости от сорта бокситов на 1 т полученной окиси алюминия приходится 0,6-1,0 т красного шлама (сухого остатка);

4). Разложения алюминатного раствора. Его фильтруют и перекачивают в большие емкости с мешалками (декомпозеры). Из пересыщенного раствора при охлаждении на 60°С (330 К) и постоянном перемешивании извлекается гидроокись алюминия Al(OH)₃. Так как этот процесс протекает медленно и неравномерно, а формирование и рост кристаллов гидроокиси алюминия имеют большое значение при ее дальнейшей обработке, в декомпозеры добавляют большое количество твердой гидроокиси — затравки:

 

Na₂OּAl₂O₃+4H₂O→Al(OH)₃+2NaOH;

 

5). Выделения гидроокиси алюминия и ее классификации; это происходит в гидроциклонах и вакуум-фильтрах, где от алюминатного раствора выделяют осадок, содержащий 50-60% частиц Al(OH). Значительную часть гидроокиси возвращают в процесс декомпозиции как затравочный материал, которая и остается в обороте в неизменных количествах. Остаток после промывки водой идет на кальцинацию; фильтрат также возвращается в оборот (после концентрации в выпарных аппаратах — для выщелачивания новых бокситов);

6). Обезвоживания гидроокиси алюминия (кальцинации); это завершающая операция производства глинозема; ее осуществляют в трубчатых вращающихся печах, а в последнее время также в печах с турбулентным движением материала при температуре 1150-1300^оС; сырая гидроокись алюминия, проходя через вращающуюся печь, высушивается и обезвоживается; при нагреве происходят последовательно следующие структурные превращения:

 

Al(OH)₃→AlOOH→ γ-Al₂O₃→ α-Al₂O₃

 

В окончательно прокаленном глиноземе содержится 30-50% α-Al₂O₃ (корунд), остальное γ-Al₂O₃. Этим способом извлекается 85-87% от всего получаемого глинозема. Полученная окись алюминия представляет собой прочное химическое соединение с температурой плавления 2050 ^оС.