RU2232308C1

RU2232308C1 - Connecting rod of internal combustion engine and method of its manufacture (versions)

Info

Publication number: RU2232308C1
Application number: RU2003108427/11A
Authority: RU
Inventors: Ю.П. Москвичев (RU); Ю.П. Москвичев; В.И. Панин (RU); В.И. Панин; гков Л.Л. М (RU); Л.Л. Мягков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Компоненты двигателя"; Закрытое акционерное общество "Межотраслевое юридическое агентство "Юрпромконсалтинг"
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-07-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering; manufacture of engines; piston-type internal combustion engines.

SUBSTANCE: connecting rod is manufactured from alloy

of phase composition which is additionally strengthened by inter-metalloid

-phase on base of compound

dispersedly distributed in

-phase; fraction of inter-metalloid

-phase in material of connecting rod, as well as content of Al in alloy are different for gasoline and diesel engines. Invention gives description of method of manufacture of connecting rod.

EFFECT: reduction of connecting rod mass to 60% for gasoline engines and to 30% for diesel engines; possibility of obtaining forging of connecting rod close to shape and sizes of finished connecting rod.

8 cl, 7 dwg, 2 tbl, 3 ex

Description

Область техники. Изобретение относится к машиностроению, более конкретно к двигателестроению, и может использоваться в поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС).The field of technology. The invention relates to mechanical engineering, more specifically to engine building, and can be used in reciprocating internal combustion engines (ICE).

Предшествующий уровень техники. Одним из основных направлений повышения технического уровня двигателей является применение новых конструкционных материалов: композитов, интерметаллидов, керамики и других материалов со специальными свойствами, обеспечивающими высокие значения прочности и жесткости, жаропрочности и жаростойкости, износостойкости и задиростойкости, а также сопротивления усталости и сопротивления коррозии при меньшей плотности, что позволяет при их использовании снизить массу движущихся с высокими скоростями и ускорениями деталей двигателя. Прежде всего это позволяет снизить потери на трение. Согласно исследованиям и разработкам, проводимым за рубежом, снижение потерь на трение в ДВС сконцентрировано на клапанном механизме, поршнях, поршневых кольцах, коленчатом вале и подшипниках коленчатого вала, а также шатунах.The prior art. One of the main directions of increasing the technical level of engines is the use of new structural materials: composites, intermetallic compounds, ceramics and other materials with special properties that provide high strength and stiffness, heat resistance and heat resistance, wear resistance and scoring resistance, as well as fatigue and corrosion resistance at lower density, which allows their use to reduce the mass moving with high speeds and accelerations of engine parts. First of all, it allows to reduce friction losses. According to research and development conducted abroad, the reduction of friction losses in internal combustion engines is concentrated on the valve mechanism, pistons, piston rings, crankshaft and crankshaft bearings, as well as connecting rods.

Актуальность задачи по снижению массы шатунов очевидна и для производителей двигателей внутреннего сгорания, например в США. Они констатируют, что снижение массы, в том числе шатунов, на 25-30% на массовых моделях автомобильных двигателей будет осуществлено в 2015 году (Recommended Citation: U.S. Congress, Office of Technology Assessment, Advanced Automotive Technology: Visions of a Super-Efficient Family Car, OTA-ETI-638 Washington, DC: U.S. Government Printing Office, Sept. 1995).The relevance of the task to reduce the weight of the connecting rods is obvious for manufacturers of internal combustion engines, for example in the USA. They note that a mass reduction, including connecting rods, of 25-30% on mass models of automobile engines will be carried out in 2015 (Recommended Citation: US Congress, Office of Technology Assessment, Advanced Automotive Technology: Visions of a Super-Efficient Family Car, OTA-ETI-638 Washington, DC: US Government Printing Office, Sept. 1995).

Проведенный анализ конструкций шатунов ДВС со сниженной массой и способов их изготовления показал, что они в основном выполняются из сталей. Многолетний опыт совершенствования их конструкции привел к тому, что в настоящее время она является в основном оптимизированной с точки зрения распределения напряжений и массы. Однако высокая плотность сталей (ρ =7,8-8,0 г/см³) не позволяет снизить массу шатуна за счет свойств самого материала. Применение материалов с низкой плотностью (алюминиевые сплавы, стандартные титановые сплавы), имеющих недостаточную прочность или жесткость, не отвечает, в полной мере, условиям нагружения шатуна в ДВС. В то же время, тенденции развития конструкций ДВС направлены на снижение массы деталей двигателя, в том числе шатунов, при сохранении необходимых прочностных свойств. Необходим поиск новых материалов для изготовления шатуна, имеющих низкую плотность и повышенные механические свойства. Такие материалы должны обладать более высокими удельными прочностными свойствами, а именно пределом текучести, пределом усталости, а также модулем нормальной упругости, отнесенными к плотности материала, в частности, в сопоставлении со сталью.The analysis of the designs of ICE connecting rods with reduced mass and methods for their manufacture showed that they are mainly made of steel. Many years of experience in improving their design has led to the fact that at present it is mainly optimized in terms of the distribution of stress and mass. However, the high density of steels (ρ = 7.8-8.0 g / cm ³ ) does not allow to reduce the mass of the connecting rod due to the properties of the material itself. The use of materials with low density (aluminum alloys, standard titanium alloys) with insufficient strength or stiffness does not fully meet the conditions for loading the connecting rod in the internal combustion engine. At the same time, the trends in the development of ICE designs are aimed at reducing the mass of engine parts, including connecting rods, while maintaining the necessary strength properties. It is necessary to search for new materials for the manufacture of connecting rods having low density and improved mechanical properties. Such materials should have higher specific strength properties, namely, yield strength, fatigue, and normal elastic modulus, referred to the density of the material, in particular, in comparison with steel.

Известен способ и устройство для производства безоблойного шатуна (US №5544413), согласно которому точно взвешенная заготовка, равная весу шатуна, получаемого после штамповки, подвергается индукционному нагреву и предварительной штамповке в два перехода. В результате этого получают предварительную штамповку, которая подвергается окончательной штамповке в третьем ручье штампа. Полученная окончательная штамповка не имеет облоя и заусенцев, а ее вес соответствует весу исходной заготовки. Данный способ штамповки более пригоден для получения заготовок шатунов из стали, имеющей широкий температурный интервал деформационной обработки. Соответственно, штамповка за три перехода осуществляется с одного нагрева. Для штамповки шатунов из титановых сплавов, имеющих узкий температурный интервал деформационной обработки, штамповка за три перехода с одного нагрева не осуществима. Потребуется промежуточный подогрев заготовки, в результате получить качественную штамповку проблематично.A known method and device for the production of a flameless connecting rod (US No. 5544413), according to which a precisely weighed workpiece equal to the weight of the connecting rod obtained after stamping, is subjected to induction heating and preliminary stamping in two transitions. As a result of this, preliminary stamping is obtained, which is subjected to final stamping in the third stream of the stamp. The resulting final stamping has no flash and burrs, and its weight corresponds to the weight of the original workpiece. This method of stamping is more suitable for producing billets of connecting rods made of steel having a wide temperature range of deformation processing. Accordingly, stamping for three transitions is carried out with one heating. For stamping rods made of titanium alloys having a narrow temperature range of deformation processing, stamping for three transitions from one heating is not feasible. An intermediate heating of the workpiece will be required, as a result, obtaining high-quality stamping is problematic.

Аналогами предлагаемого изобретения “Шатун двигателя внутреннего сгорания” являются известные конструкции шатунов, которые ориентированы на снижение веса шатунов (US №5140869, US №4827795). В данных конструкциях стальных шатунов с целью снижения их массы видоизменена форма поперечных сечений стержня шатуна, которая реализована с применением прецизионного литья по выплавляемым моделям. В шатуне по патенту US №5140869 стержень выполнен полым, с постоянным сечением в форме круга с отверстием. Однако такое сечение применяется в шатунах, в которых напряжения от продольного изгиба являются слабо выраженными. В шатуне по патенту US №4827795 двутавровое (I-образное) поперечное сечение стержня выполнено предельно тонким по краям, а полки усилены скругленными утолщениями с целью повышения изгибной жесткости при снижении массы. Основной участок стержня шатуна имеет постоянное поперечное сечение, что не согласуется в полной мере с характером нагружения стержня шатуна. Также применение литейной технологии с присущими ей недостатками, особенно пористостью отливок, для сложно нагруженной детали, которой является шатун, неприемлемо. Метод литья по выплавляемым моделям является трудоемким и не согласуется с массовым производством шатунов.The analogues of the present invention “Connecting rod of an internal combustion engine” are the known design of the connecting rods, which are aimed at reducing the weight of the connecting rods (US No. 5140869, US No. 4827795). In these designs of steel connecting rods, in order to reduce their mass, the shape of the cross-sections of the connecting rod rod is modified, which is implemented using precision casting on investment casting. In the connecting rod according to US patent No. 5140869, the rod is made hollow, with a constant cross-section in the shape of a circle with a hole. However, such a section is used in connecting rods, in which the stresses from the longitudinal bend are weakly expressed. In the connecting rod according to US patent No. 4827795, the I-beam (I-shaped) cross-section of the rod is made extremely thin at the edges, and the shelves are reinforced with rounded thickenings in order to increase bending stiffness while reducing weight. The main section of the connecting rod rod has a constant cross section, which does not fully agree with the nature of the loading of the connecting rod rod. Also, the use of foundry technology with its inherent disadvantages, especially the porosity of castings, is unacceptable for a complexly loaded part, which is a connecting rod. Lost wax casting is labor intensive and inconsistent with the mass production of connecting rods.

Другим аналогом шатуна является шатун со сниженной массой для высокооборотных двигателей, преимущественно спортивного назначения, с ограниченным ресурсом (US №3482468), который выполнен из алюминиевого сплава. Для обеспечения большей жесткости стержень шатуна имеет Н-образное сечение, а для дополнительного снижения веса шатуна, по оси стержня, высверливается глубокое цилиндрическое отверстие. Выполнение шатуна с высокой прочностью, жесткостью и усталостной прочностью из алюминиевого сплава, механические свойства которого низкие (прочность, модуль упругости, усталостная прочность), осуществимо только при значительном увеличении площади сечений, как стержня шатуна, так и его головок. Сопоставление удельных, отнесенных к плотности материала, свойств: предела текучести, предела усталости и модуля нормальной упругости стали и алюминиевого сплава (см. Таблицу 1) показывает, что площади сечений шатуна из алюминиевого сплава должны быть увеличены на отношение плотностей ρ _ст·/ρ _ал·=7,85/2,8=2,8, т.е. в 2,8 раза. Это вызовет значительное увеличение конструктивных размеров шатуна (его внешнего контура), что не всегда согласуется с компоновкой его в двигателе. Штамповка шатуна с Н-образным сечением стержня невозможна, такое сечение выполняется дополнительной механической обработкой, что снижает коэффициент использования материала и значительно повышает трудоемкость его изготовления. Такая конструкция шатуна и способ его изготовления неприемлемы для массового производства.Another analog of the connecting rod is a connecting rod with a reduced mass for high-speed engines, mainly for sports purposes, with a limited resource (US No. 3482468), which is made of aluminum alloy. To ensure greater rigidity, the connecting rod rod has an H-shaped cross section, and to further reduce the weight of the connecting rod, a deep cylindrical hole is drilled along the axis of the rod. The implementation of the connecting rod with high strength, rigidity and fatigue strength of aluminum alloy, the mechanical properties of which are low (strength, elastic modulus, fatigue strength), is feasible only with a significant increase in the cross-sectional area of both the connecting rod rod and its heads. A comparison of specific properties related to the density of the material: yield strength, fatigue and normal elastic modulus of steel and aluminum alloy (see Table 1) shows that the cross-sectional area of the aluminum alloy connecting rod should be increased by the density ratio ρ _{st ·} / ρ _{al +} = 7.85 / 2.8 = 2.8, i.e. 2.8 times. This will cause a significant increase in the structural dimensions of the connecting rod (its outer contour), which is not always consistent with its layout in the engine. Stamping of a connecting rod with an H-shaped cross-section of the rod is not possible, such a cross-section is performed by additional machining, which reduces the utilization of the material and significantly increases the complexity of its manufacture. This design of the connecting rod and the method of its manufacture are unacceptable for mass production.

Известны конструкции шатунов, изготавливаемых из титанового сплава Ti-6A1-4V, которые устанавливаются на двигатели автомобилей Porsche и Ferrari (Opportunities for Low Cost Titanium in Reduced Fuel Consumption, Improved Emission, and Enhanced Durability Heavy-Duty Vehicles. Jan. 1, 1996, web site http:/www.osti.gov/bridge, table 13). Применение для шатуна титановых сплавов обеспечивает значительное снижение его массы, однако, титановый сплав Ti-6A1-4V имеет сравнительно невысокий модуль нормальной упругости (см. Таблицу 1), в результате чего, для обеспечения необходимой жесткости шатуна, требуется увеличение площади поперечных сечений стержня и головок. Соответственно, достигаемый эффект по снижению массы шатуна уменьшается.Known designs of rods made of titanium alloy Ti-6A1-4V, which are installed on the engines of Porsche and Ferrari cars (Opportunities for Low Cost Titanium in Reduced Fuel Consumption, Improved Emission, and Enhanced Durability Heavy-Duty Vehicles. Jan. 1, 1996, website http: /www.osti.gov/bridge, table 13). The use of titanium alloys for a connecting rod provides a significant reduction in its weight, however, the Ti-6A1-4V titanium alloy has a relatively low modulus of normal elasticity (see Table 1), as a result of which, to ensure the necessary connecting rod rigidity, an increase in the cross-sectional area of the rod and heads. Accordingly, the achieved effect on reducing the mass of the connecting rod is reduced.

Наиболее близким по технической сущности аналогом к предлагаемому “Шатуну двигателя внутреннего сгорания” является шатун с уменьшенной массой для высоконагруженных двигателей и способ его изготовления (US №5370093). Шатун ДВС выполнен из материала, обладающего повышенными механическими свойствами, и содержит поршневую и кривошипную головки, соединенные стержнем. Конструкция шатуна и способ его изготовления обеспечивают получение наиболее благоприятных форм во всех поперечных сечениях (по мнению авторов патента) и оптимальное соотношение действующих напряжений в элементах шатуна к его весу (S/W - Strength-to-Weight). Конструкция шатуна выполнена из отдельных частей. Части шатуна изготавливаются деформационной обработкой, затем обрабатываются механически и свариваются диффузионной сваркой, образуя целостную конструкцию шатуна полого исполнения. Стержень шатуна выполнен с постоянной площадью поперечного сечения. Приемлемыми материалами для шатуна данного исполнения признаны сплавы деформационного типа с высокими значениями прочности и усталостной прочности, в частности стали, имеющие явно выраженные пределы усталости. Также показано, что применение для шатуна материалов с низкой плотностью: алюминиевые сплавы и фактически все сплавы цветных металлов, в том числе титана, нерезультативно, так как они не имеют явно выраженного предела усталости. Шатун данного исполнения, изготовленный из стали, обеспечивает снижение веса на 20%. Недостатком известного шатуна является то, что зона сварки частей шатуна является концентратором напряжений при изготовлении его из любого материала, а в случае применения титанового сплава в зоне сварки будет видоизменена микроструктура сплава, что дополнительно снизит его надежность. В конструкции шатуна заложено множество участков с резкими переходами сечений, которые также являются концентраторами напряжений, что неблагоприятно отразится на его усталостной прочности. Такая сборная с применением сварки конструкция шатуна полого исполнения не обеспечит необходимой надежности в условиях нагружения шатуна динамическими знакопеременными сжимающими и растягивающими, а также изгибающими нагрузками. Выполнение стержня шатуна с постоянной площадью поперечных сечений не согласуется с распределением по поперечным сечениям стержня суммарных знакопеременных нагрузок, действующих по оси шатуна, и поперечных нагрузок, обусловленных массой шатуна. Достигаемое снижение веса шатуна на 20% при существенном усложнении конструкции является малоэффективным.The closest in technical essence analogue to the proposed “Connecting rod of an internal combustion engine” is a connecting rod with a reduced mass for highly loaded engines and the method of its manufacture (US No. 5370093). The connecting rod of the internal combustion engine is made of a material with improved mechanical properties and contains a piston and crank head connected by a rod. The design of the connecting rod and the method of its manufacture provide the most favorable shapes in all cross sections (according to the authors of the patent) and the optimal ratio of the acting stresses in the connecting rod elements to its weight (S / W - Strength-to-Weight). The design of the connecting rod is made of individual parts. Parts of the connecting rod are made by deformation processing, then they are machined mechanically and welded by diffusion welding, forming a hollow design of the connecting rod. The rod rod is made with a constant cross-sectional area. Deformation type alloys with high values of strength and fatigue strength, in particular steel, with clearly defined fatigue limits, are recognized as acceptable materials for the connecting rod of this design. It is also shown that the use of low-density materials for connecting rods: aluminum alloys and virtually all non-ferrous metal alloys, including titanium, is ineffective, since they do not have an explicit fatigue limit. The connecting rod of this design, made of steel, provides a weight reduction of 20%. A disadvantage of the known connecting rod is that the welding zone of the connecting rod parts is a stress concentrator when it is made from any material, and if a titanium alloy is used in the welding zone, the microstructure of the alloy will be modified, which will further reduce its reliability. The design of the connecting rod has many sections with sharp transitions of sections, which are also stress concentrators, which will adversely affect its fatigue strength. Such a welded assembly design of a connecting rod of a hollow design will not provide the necessary reliability under conditions of loading of the connecting rod with dynamic alternating compressive and tensile, as well as bending loads. The implementation of the connecting rod rod with a constant cross-sectional area is not consistent with the distribution of the total alternating loads acting along the connecting rod axis and the transverse loads due to the mass of the connecting rod along the rod cross-sections. The achieved reduction in the weight of the connecting rod by 20% with a significant complication of the design is ineffective.

Известен способ изготовления заготовки для шатуна (US №6490790). Согласно этому изобретению на первой стадии деформационной обработки из круглого прутка мерной длины методом экструзии получают заготовку в форме ступенчатого вала, при этом участок вала, сформированный экструзией, имеет постоянное сечение. На второй стадии деформационной обработки участку вала с диаметром исходной заготовки, обжатием (вальцовкой), придается форма для последующей штамповки большой головки шатуна совместно с крышкой. В результате выполнения последующих 5-ти стадий деформационной обработки концевому участку вала, полученному экструзией, деформацией в осевом направлении придается шарообразная форма для последующей штамповки малой головки шатуна. Полученную таким образом предварительную заготовку штампуют для получения заготовки шатуна. Этот способ имеет следующие недостатки: применение метода экструзии является не эффективным при формировании заготовок из титановых сплавов с пониженной технологической пластичностью, кроме этого, процесс экструзии сопровождается быстрым износом прессового инструмента, выполненного из дорогостоящих жаропрочных сталей, особенно при экструзии титановых сплавов в двухфазной (α +β ) - области.A known method of manufacturing a workpiece for connecting rod (US No. 6490790). According to this invention, in the first stage of deformation processing, a workpiece in the form of a stepped shaft is obtained from a round bar of measured length by extrusion, and the portion of the shaft formed by extrusion has a constant section. At the second stage of deformation processing, a section of the shaft with the diameter of the initial billet, compression (rolling), is shaped for subsequent stamping of the large connecting rod head together with the cover. As a result of the subsequent 5 stages of deformation processing, the end section of the shaft obtained by extrusion, deformation in the axial direction is given a spherical shape for subsequent stamping of the small connecting rod head. The pre-blank thus obtained is stamped to obtain a connecting rod blank. This method has the following disadvantages: the application of the extrusion method is not effective when forming blanks from titanium alloys with reduced technological ductility, in addition, the extrusion process is accompanied by rapid wear of a pressing tool made of expensive heat-resistant steels, especially when extruding titanium alloys in two-phase (α + β) - areas.

Наиболее близким по технической сущности аналогом предлагаемого изобретения “Способ изготовления шатуна двигателя внутреннего сгорания” является способ изготовления кованых шатунов для двигателей внутреннего сгорания (FR №2746683). Известный способ изготовления шатуна, заключающийся в том, что цилиндрическую заготовку подвергают деформационному воздействию с помощью операций поперечно-клиновой прокатки и штамповки, нагревая ее предварительно перед каждой операцией до температуры деформации и получая после поперечно-клиновой прокатки полуфабрикат в виде исходной заготовки под штамповку в форме гантели, а в процессе штамповки, в формующих вставках штампа, получают точную поковку шатуна с поршневой и кривошипной головками, соединенными стержнем, затем поковку подвергают термообработке. Этот способ позволяет изготавливать точные поковки кованых шатунов из стали с достаточной размерной и весовой точностью. Однако этот способ рассчитан на изготовление шатунов из стали. Он не учитывает особенностей изготовления шатунов из труднодеформируемых материалов, таких как титан и его сплавы, имеющих узкий температурный интервал деформационной обработки и обеспечивающих высокий уровень механических свойств, позволяющих снизить массу шатуна.The closest in technical essence to the analogue of the invention “Method of manufacturing a connecting rod of an internal combustion engine” is a method of manufacturing forged connecting rods for internal combustion engines (FR No. 2746683). A known method of manufacturing a connecting rod, which consists in the fact that the cylindrical billet is subjected to deformation using the operations of transverse wedge rolling and stamping, heating it before each operation to a temperature of deformation and receiving after transverse wedge rolling a semi-finished product in the form of an initial blank for stamping in the form dumbbells, and during the stamping process, in the forming inserts of the stamp, they receive the exact forging of the connecting rod with the piston and crank heads connected by a rod, then the forging is jected to heat treatment. This method allows to produce accurate forgings of forged connecting rods of steel with sufficient dimensional and weight accuracy. However, this method is designed for the manufacture of connecting rods made of steel. It does not take into account the peculiarities of the manufacture of connecting rods from hardly deformable materials, such as titanium and its alloys, having a narrow temperature range of deformation processing and providing a high level of mechanical properties, allowing to reduce the weight of the connecting rod.

Раскрытие изобретения.Disclosure of the invention.

Задачей изобретения является разработка конструкции шатуна двигателя внутреннего сгорания и способа его изготовления из новых материалов, обеспечивающих снижение массы шатуна при сохранении необходимых свойств: прочности, усталости и упругости. При этом достигается технический результат, заключающийся:The objective of the invention is to develop the design of the connecting rod of an internal combustion engine and a method for manufacturing it from new materials, providing a reduction in the mass of the connecting rod while maintaining the necessary properties: strength, fatigue and elasticity. This achieves a technical result, consisting of:

а) В снижении массы шатуна до 60% для бензиновых двигателей и до 30% для дизельных двигателей, по сравнению с массой шатуна из традиционных материалов, например сталей, за счет изготовления шатуна из материала с низкой плотностью и высокими удельными механическими свойствами, с поперечным сечением стержня, оптимально отвечающим условиям его нагружения в процессе работы двигателя.a) In reducing the mass of the connecting rod to 60% for gasoline engines and up to 30% for diesel engines, compared with the mass of the connecting rod from traditional materials, such as steel, by making the connecting rod from a material with low density and high specific mechanical properties, with a cross section a rod that optimally meets the conditions of its loading during engine operation.

б) В получении поковки шатуна, максимально приближенной по форме и размерам к готовому шатуну, с минимальными затратами и максимальным коэффициентом использования металла, а также в максимальной реализации возможностей сплава по достижению высоких механических свойств (прочности, упругости, сопротивления усталости) в материале, из которого изготавливается шатун.b) In obtaining the forging of the connecting rod, as close as possible in shape and size to the finished connecting rod, with minimum costs and a maximum utilization of metal, as well as in maximizing the potential of the alloy to achieve high mechanical properties (strength, elasticity, fatigue resistance) in the material, whose connecting rod is made.

Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом шатуне двигателя внутреннего сгорания, выполненном из материала, обладающего повышенными механическими свойствами, и содержащего поршневую и кривошипную головки, соединенные стержнем, достигается тем, что шатун изготовлен из титанового сплава (α +β ) фазового состава, дополнительно упрочненного интерметаллидной α ₂-фазой на основе соединения Ti₃Al, дисперсно распределенной в α -фазе, при этом массовая доля интерметаллидной α ₂-фазы в материале шатуна для бензинового двигателя составляет от 5 до 60 мас.% при содержании алюминия в сплаве от 7,5 до 11,5 мас.%.The specified technical result and elimination of shortcomings in the proposed connecting rod of an internal combustion engine made of a material having improved mechanical properties and containing a piston and crank head connected by a rod is achieved by the fact that the connecting rod is made of a phase composition titanium alloy (α + β), additionally hardened intermetallic α ₂ -phase based compound Ti ₃ Al, a dispersedly distributed α -phase, wherein the mass fraction of intermetallic α ₂ phase in the material rod to benzinovog Engine is from 5 to 60 wt.% when the aluminum content in the alloy is from 7.5 to 11.5 wt.%.

При этом стержень шатуна имеет площадь поперечного сечения, которая в каждой i-ой точке, расположенной на оси шатуна, определяется для бензинового двигателя из соотношения:In this case, the connecting rod rod has a cross-sectional area, which at each i-th point located on the connecting rod axis is determined for a gasoline engine from the ratio:

F_iсечБД=Р_iсеч/k_σ σ _-1,F _{i sec sec DB} = P _{i sec} / k _σ σ _-1 ,

где F_iсечБД - площадь поперечного сечения стержня шатуна бензинового двигателя в каждой i-ой точке, расположенной на оси шатуна, мм²;where F _isecBD - the cross-sectional area of the rod rod of the gasoline engine at each i-th point located on the axis of the rod, mm ² ;

P_iсеч - максимальное значение суммарной знакопеременной продольной нагрузки, действующей на шатун в каждой i-ой точке, расположенной на оси шатуна, Н;P _{i cut} - the maximum value of the total alternating longitudinal load acting on the connecting rod at each i-th point located on the axis of the connecting rod, N;

σ _-1 - предел усталостной прочности титанового сплава, не содержащего α ₂-фазу, МПа;σ _-1 is the fatigue strength of a titanium alloy not containing α ₂ phase, MPa;

kσ - переменный коэффициент относительной усталостной прочности, зависящий от содержания α ₂-фазы в титановом сплаве.kσ is a variable coefficient of relative fatigue strength, depending on the content of the α ₂ phase in the titanium alloy.

В то же время, указанный технический результат и устранение недостатков в шатуне двигателя внутреннего сгорания, выполненном из материала, обладающего повышенными механическими свойствами, и содержащем поршневую и кривошипную головки, соединенные стержнем, достигаются тем, что шатун изготовлен из титанового сплава (α +β ) фазового состава, дополнительно упрочненного интерметаллидной α ₂-фазой на основе соединения Тi₃Аl, дисперсно распределенной в α -фазе, при этом массовая доля интерметаллидной α -фазы в материале шатуна для дизельного двигателя составляет от 45 до 90 мас.% при содержании алюминия в сплаве от 10,5 до 13,5 мас.%.At the same time, the indicated technical result and the elimination of defects in the connecting rod of the internal combustion engine made of a material having improved mechanical properties and containing the piston and crank heads connected by a rod are achieved by the fact that the connecting rod is made of a titanium alloy (α + β) phase composition, additionally hardened by an intermetallic α ₂ phase based on a Ti ₃ Al compound dispersed in the α phase, while the mass fraction of the intermetallic α phase in the connecting rod material for diesel wiggler is from 45 to 90 wt.% when the aluminum content in the alloy from 10.5 to 13.5 wt.%.

При этом стержень шатуна имеет площадь поперечного сечения, которая в каждой i-ой точке, расположенной на оси шатуна, определяется для шатуна дизельного двигателя из соотношения:In this case, the connecting rod rod has a cross-sectional area, which at each i-th point located on the connecting rod axis is determined for the connecting rod of a diesel engine from the ratio:

F_iсечДД=P_iсеч/k_{Eσ -1},F _{i section DD} = P _{i section} / k _{Eσ -1} ,

где F_iceчДД - площадь поперечного сечения стержня шатуна дизельного двигателя в каждой i-ой точке, расположенной на оси шатуна, мм²;where F _iceчДД is the cross-sectional area of the rod of the connecting rod of a diesel engine at each i-th point located on the axis of the connecting rod, mm ² ;

Р_iсеч - максимальное значение суммарной знакопеременной продольной нагрузки, действующей на шатун в каждой i-ой точке, расположенной на оси шатуна, Н;R _isec - the maximum value of the total alternating longitudinal load acting on the connecting rod at each i-th point located on the axis of the connecting rod, N;

k_E - переменный коэффициент относительной упругости, зависящий от содержания α ₂-фазы в титановом сплаве.k _E is a variable coefficient of relative elasticity, depending on the content of the α ₂ phase in the titanium alloy.

В предлагаемом изобретении устранение указанных выше недостатков осуществляется за счет создания шатуна из титанового сплава (α +β ) фазового состава и дополнительного содержания в сплаве, из которого изготавливается шатун, интерметаллидной α ₂-фазы на основе соединения Тi₃Аl. При этом содержание в материале шатуна α ₂-фазы, которая дисперсно распределена в α -фазе, обеспечивает ему повышение модуля нормальной упругости и твердости при высоком уровне прочности при растяжении и сжатии и усталостной прочности.In the present invention, the aforementioned disadvantages are eliminated by creating a connecting rod from a titanium alloy (α + β) of phase composition and additional content in the alloy from which the connecting rod is made of an intermetallic α ₂ phase based on the Ti ₃ Al compound. Moreover, the content in the connecting rod material of the α ₂ phase, which is dispersedly distributed in the α phase, provides it with an increase in the modulus of normal elasticity and hardness with a high level of tensile and compression strength and fatigue strength.

Дополнительное легирование титанового сплава алюминием переводит сплав из двухфазного (α +β ) в трехфазный (α +β +α ₂), при этом α ₂-фаза на основе соединения Тi₃Аl дисперсно распределена в α -фазе и выделяется, в основном, в процессе термообработки. Выделение в сплаве α ₂-фазы происходит при упорядочении α -фазы, содержащей растворенный алюминий сверх равновесной концентрации. Например, предел растворимости алюминия в α -фазе при 550° С составляет 7,0-7,5% (см. Корнилов И.И. Титан. Источники, составы, свойства, металлохимия и применение. М.: Наука, 1975 г., стр. 187). При больших концентрациях алюминия при этой температуре происходит дисперсное выделение α ₂-фазы, представляющей собой твердый раствор на основе соединения Ti₃Al. Это позволяет повысить модуль нормальной упругости сплава до 122-150 ГПа и твердости до 340-420 НВ в зависимости от количества α ₂-фазы. Необходимое сочетание механических свойств: прочности, упругости и усталостной прочности (в зависимости от характера и уровня нагруженности шатуна) достигается при содержании α ₂-фазы в сплаве от 5 до 90 мас.%. Более подробное подтверждение и обоснование существенности признаков изобретения “Шатун двигателя внутреннего сгорания” смотри в разделе “Пример осуществления изобретений”.Additional alloying of the titanium alloy with aluminum transfers the alloy from two-phase (α + β) to three-phase (α + β + α ₂ ), while the α ₂ phase based on the Ti ₃ Al compound is dispersedly distributed in the α phase and is mainly released in heat treatment process. The release of the α ₂ phase in the alloy occurs during the ordering of the α phase containing dissolved aluminum in excess of the equilibrium concentration. For example, the solubility limit of aluminum in the α phase at 550 ° C is 7.0-7.5% (see Kornilov II Titan. Sources, compositions, properties, metal chemistry and application. M: Nauka, 1975. , p. 187). At high aluminum concentrations at this temperature, the α ₂ phase is dispersed, which is a solid solution based on the Ti ₃ Al compound. This allows you to increase the modulus of normal elasticity of the alloy to 122-150 GPa and hardness to 340-420 HB depending on the amount of α ₂ phase. The necessary combination of mechanical properties: strength, elasticity and fatigue strength (depending on the nature and level of the connecting rod load) is achieved when the content of α ₂ -phase in the alloy is from 5 to 90 wt.%. For more detailed confirmation and justification of the materiality of the features of the invention “Connecting rod of an internal combustion engine”, see the section “Example of the Invention”.

Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом способе изготовления шатуна, заключающемся в том, что цилиндрическую заготовку подвергают деформационному воздействию с помощью операций поперечно-клиновой прокатки и штамповки, нагревая ее предварительно перед каждой операцией до температуры деформации и получая после поперечно-клиновой прокатки полуфабрикат в виде осесимметричной исходной заготовки под штамповку, а в процессе штамповки в формующих вставках штампа получают точную поковку шатуна с поршневой и кривошипной головками, соединенными стержнем, после чего поковку подвергают термообработке, обеспечивается тем, что в качестве материала, из которого изготавливают шатун, используют титановый сплав (α +β ) фазового состава, дополнительно упрочненный интерметаллидной α ₂-фазой на основе соединения Тi₃Аl, дисперсно распределенной в α -фазе, при этом заготовку цилиндрической формы, из указанного сплава предварительно нагревают до температуры деформации в диапазоне, нижний предел которого на 20° С ниже температуры полного полиморфного превращения (Т_пп) для данного сплава, а верхний предел - на 60° С выше этой температуры, и подвергая ее деформационному воздействию в процессе поперечно-клиновой прокатки, получают осесимметричную исходную заготовку под штамповку, спрофилированную таким образом, что ее профиль при последующей штамповке обеспечивает минимальное деформационное перемещение материала, затем заготовку, предварительно нагревая до температуры деформации в диапазоне, нижний предел которого на 10° С ниже температуры полного полиморфного превращения (Т_пп) для данного сплава, а верхний предел - на 50° С выше этой температуры, подвергают штамповке, обеспечивающей оптимальное течение металла в формующих вставках штампа для заполнения их материалом заготовки и получения точной поковки шатуна за один деформационный цикл, после чего последующую термообработку поковки проводят с помощью закалки и отжига.The specified technical result and the elimination of shortcomings in the proposed method for manufacturing a connecting rod, which consists in the fact that the cylindrical billet is subjected to deformation by means of the operations of transverse wedge rolling and stamping, heating it before each operation to a deformation temperature and obtaining a semi-finished product after transverse wedge rolling in as an axisymmetric initial blank for stamping, and during stamping in the forming inserts of the stamp get the exact forging of the connecting rod with the piston the crank-head rod connected, after which the forging is subjected to heat treatment, provided that as a material of the connecting rod is made, using a titanium alloy (α + β) phase composition further reinforced intermetallic α ₂ -phase based compound Ti ₃ Al, dispersed in the α-phase, while the billet of a cylindrical shape from the specified alloy is preheated to a deformation temperature in the range, the lower limit of which is 20 ° C lower than the temperature of the complete polymorphic ascheniya _(BTT) for the given alloy, and the upper limit of - 60 ° C above this temperature, and subjecting it to deformation effects during cross-wedge rolling, prepared axisymmetric starting workpiece for stamping, profiled so that its profile in the subsequent stamping provides minimal deformation movement of the material, then the preform previously heating to the deformation temperature in a range whose lower limit is 10 ° C below the temperature of complete polymorphous transformation _(BTT) for danno about the alloy, and the upper limit is 50 ° C above this temperature, is subjected to stamping, which ensures the optimal flow of metal in the forming inserts of the stamp to fill them with the workpiece material and obtain accurate forging of the connecting rod in one deformation cycle, after which the subsequent heat treatment of the forging is carried out using quenching and annealing.

При этом получают точную поковку шатуна, стержень которой в каждой i-ой точке, расположенной на оси шатуна, соответствует условиям равной прочности и жесткости.An accurate forging of the connecting rod is obtained, the rod of which at each i-th point located on the connecting rod axis corresponds to conditions of equal strength and stiffness.

Поперечно-клиновую прокатку и штамповку в процессе изготовления шатуна осуществляют при контроле температур.Cross-wedge rolling and stamping during the manufacture of the connecting rod is carried out under temperature control.

Термообработку полученной поковки проводят после завершения операций прокатки и штамповки. При этом поковку под закалку выдерживают в течение 0,2-2,0 часа в диапазоне температур, нижний предел которого на 30° С ниже температуры полного полиморфного превращения (Т_пп) для данного сплава, а верхний предел - на 10° С ниже этой температуры. После чего закалку проводят в воду. Последующий отжиг проводят при температуре 600-850° С в течение 1-100 часов.The heat treatment of the obtained forgings is carried out after completion of the rolling and stamping operations. In this case, the forging for hardening is maintained for 0.2-2.0 hours in the temperature range, the lower limit of which is 30 ° C lower than the temperature of the complete polymorphic transformation (T _pp ) for this alloy, and the upper limit is 10 ° C lower than this temperature. Then quenching is carried out in water. Subsequent annealing is carried out at a temperature of 600-850 ° C for 1-100 hours.

Отличительной особенностью титановых (α +β ) сплавов является то, что они имеют узкий температурный интервал деформационной обработки. Поэтому штамповку шатуна из титанового сплава (α +β ) фазового состава, дополнительно упрочненного интерметаллидной α ₂-фазой, для получения максимального уровня механических свойств, целесообразно проводить за один деформационный цикл.A distinctive feature of titanium (α + β) alloys is that they have a narrow temperature range of deformation processing. Therefore, the stamping of a connecting rod made of titanium alloy (α + β) of phase composition, additionally hardened by intermetallic α ₂ phase, in order to obtain the maximum level of mechanical properties, it is advisable to carry out in one deformation cycle.

Для применяемого сплава такой интервал лежит в диапазоне температур (Т_пп-10)° С - (Т_пп+50)° С. Экспериментально установлено, что достигаемый технический результат обеспечивается, если предварительный нагрев перед штамповкой осуществляют в указанном диапазоне температур. Нагревая сплав до температур в этом диапазоне и подвергая деформационному воздействию штамповкой, обеспечивают получение точной поковки шатуна за один деформационный цикл. Это возможно при соблюдении требований, когда исходная заготовка под штамповку имеет такую форму, которая в процессе штамповки обеспечивает минимальное деформационное перемещение материала заготовки в штампе. Поэтому заготовка под штамповку должна быть спрофилирована и подобрана таким образом, чтобы происходило равномерное заполнение материалом пространства формующих вставок штампа при минимальном деформационном перемещении металла в процессе штамповки.For the alloy used, this interval lies in the temperature range (T _pp -10) ° C - (T _pp +50) ° C. It has been experimentally established that the achieved technical result is achieved if preliminary heating before stamping is carried out in the specified temperature range. Heating the alloy to temperatures in this range and subjecting it to a deformation effect by stamping provide accurate forging of the connecting rod in one deformation cycle. This is possible if the requirements are met when the initial blank for stamping has such a shape that during stamping provides minimal deformational movement of the workpiece material in the stamp. Therefore, the blank for stamping should be profiled and selected so that uniform filling of the space of the forming inserts of the stamp occurs with the material with minimal deformation of the metal during stamping.

При недогреве перед штамповкой в сплаве резко падает технологическая пластичность, что затрудняет заполнение металлом штампового пространства и, следовательно, получение качественной поковки. При перегреве резко укрупняется макро- и микроструктура, что приведет к снижению механических свойств сплава.When underheating before stamping in the alloy, the process plasticity drops sharply, which makes it difficult to fill the stamp space with metal and, therefore, to obtain high-quality forgings. When overheating, macro- and microstructure sharply coarsens, which will lead to a decrease in the mechanical properties of the alloy.

При одной и той же массе заготовок разных форм, в различных областях поковки при штамповке, может иметь место переполнение формующих вставок штампа (образование облоя) или недостаток металла (недоштамповка). Для шатуна определенной формы и размеров, для каждого сплава, существует единственная оптимальная форма осесимметричной исходной заготовки под штамповку, обеспечивающая равномерное заполнение формующих вставок штампа при минимальных деформационных перемещениях металла. При другой, отличной от оптимальной, форме, для получения качественной поковки, необходимо увеличивать массу заготовки под штамповку, что снижает коэффициент использования металла.With the same mass of blanks of different shapes, in different areas of forging during stamping, overflow of forming die inserts (formation of a burr) or lack of metal (under-stamping) can occur. For a connecting rod of a certain shape and size, for each alloy, there is a single optimal shape of the axisymmetric initial blank for stamping, which ensures uniform filling of the forming inserts of the stamp with minimal deformation of the metal. In a different form, which is different from the optimal one, in order to obtain high-quality forgings, it is necessary to increase the mass of the workpiece for stamping, which reduces the metal utilization rate.

Форму осесимметричной исходной заготовки под штамповку рассчитывают или подбирают экспериментально. Поперечно-клиновая прокатка является в этом случае очень эффективным инструментом для получения с высокой производительностью и точностью осесимметричных заготовок, имеющих заданный профиль.The shape of the axisymmetric initial blank for stamping is calculated or selected experimentally. Cross-wedge rolling in this case is a very effective tool for producing axisymmetric billets with a given profile with high productivity and accuracy.

Экспериментально установлено, что деформационное воздействие в ходе поперечно-клиновой прокатки на применяемый сплав, для достижения указанного технического результата, осуществляют в диапазоне температур: (Т_пп-20)° С - (Т_пп+60)° С. Поэтому заготовку в виде цилиндра нагревают до указанного диапазона температур, а затем подвергают поперечно-клиновой прокатке. Если температура будет ниже этого предела, заготовку при прокатке разрывает, из-за недостаточной технологической пластичности. Перегрев заготовки приведет к снижению механических свойств изготавливаемой детали.It was experimentally established that the deformation effect during the cross-wedge rolling on the alloy used to achieve the specified technical result is carried out in the temperature range: (T _pp -20) ° C - (T _pp +60) ° C. Therefore, the workpiece is in the form of a cylinder heated to the specified temperature range, and then subjected to cross-wedge rolling. If the temperature is below this limit, the workpiece during rolling breaks, due to insufficient technological ductility. Overheating of the workpiece will reduce the mechanical properties of the manufactured part.

Так как достижение максимального уровня механических свойств, в процессе деформационной обработки, для применяемого сплава лежит в очень узком температурном интервале, поперечно-клиновую прокатку и последующую штамповку ведут при контроле температур.Since the achievement of the maximum level of mechanical properties during deformation processing for the alloy used lies in a very narrow temperature range, cross-wedge rolling and subsequent stamping are carried out under temperature control.

При профилировании заготовки учитываются такие факторы, как размеры и форма шатуна и его поперечных сечений, устанавливаемые, исходя из уровня его нагруженности, припуски на механическую обработку поковки, объем металла “компенсатора” для обеспечения полного заполнения штампового пространства при штамповке, соответственно объем металла точной поковки шатуна, механические свойства сплава при температуре нагрева под штамповку, температуру штамповой оснастки, скорость и степени деформации, ряд и др. Это позволяет в процессе штамповки получить точную поковку шатуна со стержнем, поперечное сечение которого в каждой i-ой точке, расположенной на оси шатуна, соответствует условиям равной прочности и жесткости при нагружении шатуна в процессе работы двигателя знакопеременными нагрузками.When profiling a workpiece, factors such as the size and shape of the connecting rod and its cross-sections are taken into account, which are established based on the level of its load, allowances for machining the forgings, the volume of the “compensator” to ensure full filling of the stamping space during stamping, and accordingly the volume of the metal for forging connecting rod, mechanical properties of the alloy at a heating temperature for stamping, tooling temperature, speed and degree of deformation, row, etc. This allows during the stamping process Obtain accurate forging a connecting rod with the rod, the cross section of which in each i-th point located on the axis of the rod, corresponds to the condition of equal strength and stiffness when loaded rod during operation of the engine by alternating loads.

Для двухфазных α +β титановых сплавов, для достижения наилучших показателей механических свойств, сплавы подвергают термообработке с помощью закалки и отжига, причем, закалку необходимо проводить из α +β области.For biphasic α + β titanium alloys, in order to achieve the best mechanical properties, the alloys are subjected to heat treatment by quenching and annealing, moreover, quenching must be carried out from the α + β region.

Для получения максимального результата от закалки необходима выдержка сплава в α +β области для разрушения фаз, образующихся при охлаждении поковки после штамповки. Экспериментально определено, что наилучшие результаты достигаются при выдержке в диапазоне температур: (Т_пп-30)° С - (Т_пп-10)° С, причем выдержку при этой температуре необходимо осуществлять в течение 0,2-2,0 часа. После этого закалка проводится в воду.To obtain the maximum result from hardening, it is necessary to hold the alloy in the α + β region to destroy the phases formed when the forgings are cooled after stamping. It was experimentally determined that the best results are achieved when holding in the temperature range: (T _pp -30) ° C - (T _pp -10) ° C, and exposure at this temperature must be carried out for 0.2-2.0 hours. After that, quenching is carried out in water.

Отжиг в процессе термообработки необходим для дисперсионного упрочнения сплава за счет выделения α ₂-фазы. Чем меньше размер α ₂-фазы, тем эффективнее дисперсионное упрочнение. Полнота прохождения процесса выделения α ₂-фазы и ее размер зависят от температуры и времени отжига. Чем выше температура и продолжительнее отжиг, тем полнее происходит процесс выделения α ₂-фазы и крупнее ее выделение. Экспериментально установлено, что наилучшее достижение технического результата происходит в диапазоне температур 600-850° С, в течение 1-100 часов. Если температура отжига выше этого предела, то происходит выделение крупных частиц α ₂-фазы и снижение механических свойств. При температуре ниже 600° С процесс отжига затягивается.Annealing during the heat treatment is necessary for the dispersion hardening of the alloy due to the release of the α ₂ phase. The smaller the size of the α ₂ phase, the more effective is the dispersion hardening. The completeness of the process of separation of the α ₂ phase and its size depend on the temperature and annealing time. The higher the temperature and longer annealing, the more complete the process of separation of the α ₂ phase and the larger its release. It was experimentally established that the best achievement of the technical result occurs in the temperature range of 600-850 ° C, within 1-100 hours. If the annealing temperature is above this limit, then large particles of the α ₂ phase are released and the mechanical properties decrease. At temperatures below 600 ° C, the annealing process is delayed.

Краткое описание фигур чертежей.A brief description of the figures of the drawings.

Изобретение поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

на фиг.1 изображен общий вид шатуна ДВС;figure 1 shows a General view of the connecting rod of the engine;

на фиг.2 изображена исходная цилиндрическая заготовка, изготовленная из титанового сплава (α +β ) фазового состава, дополнительно упрочненного интерметаллидной α ₂-фазой;figure 2 shows the original cylindrical billet made of a titanium alloy (α + β) phase composition, additionally hardened intermetallic α ₂ phase;

на фиг.3 изображена осесимметричная спрофилированная заготовка под штамповку, полученная в процессе поперечно-клиновой прокатки;figure 3 shows the axisymmetric profiled blank for stamping obtained in the process of transverse wedge rolling;

на фиг.4 изображена точная поковка шатуна, полученная в процессе штамповки за один деформационный цикл;figure 4 shows the exact forging of the connecting rod obtained in the stamping process for one deformation cycle;

на фиг.5 представлены зависимости боковой силы (N), действующей на поршень двигателя ВАЗ-2108, со стальным шатуном и с шатуном из сплава по предлагаемому изобретению;figure 5 presents the dependence of the lateral force (N) acting on the piston of the VAZ-2108 engine, with a steel connecting rod and with an alloy connecting rod according to the invention;

на фиг.6 представлены зависимости силы, действующей на шатунную шейку коленчатого вала двигателя ВАЗ-2108 (R_шш), со стальным шатуном и с шатуном из сплава по предлагаемому изобретению;figure 6 presents the dependence of the force acting on the connecting rod neck of the crankshaft of a VAZ-2108 engine (R _Шш ), with a steel connecting rod and with an alloy connecting rod according to the invention;

на фиг.7 представлены зависимости силы, действующей на коренную шейку коленчатого вала двигателя ВАЗ-2108 (R_кш), со стальным шатуном и с шатуном из сплава по предлагаемому изобретению.figure 7 presents the dependence of the force acting on the main neck of the crankshaft of the engine VAZ-2108 (R _ksh ), with a steel connecting rod and with an alloy connecting rod according to the invention.

Пример осуществления изобретений.An example embodiment of the invention.

Шатун (фиг.1) содержит поршневую головку 1 с отверстием 2 для монтажа поршневого пальца, стержень 3, кривошипную головку 4 с отверстием 5 для монтажа шатуна на шатунной шейке коленчатого вала.The connecting rod (figure 1) contains a piston head 1 with an opening 2 for mounting a piston pin, a rod 3, a crank head 4 with an opening 5 for mounting a connecting rod on a crank pin of the crankshaft.

Применение для шатунов (как бензиновых, так и дизельных двигателей) титановых сплавов, дополнительно упрочненных интерметаллидной α ₂-фазой на основе соединения Тi₃Аl, дисперсно распределенной в α -фазе и обеспечивающей повышение модуля нормальной упругости и твердости при высоком уровне прочности при растяжении и сжатии усталостной прочности, и в то же время имеющих низкую плотность, предоставляет возможность снижения массы деталей. Эффективность применения титановых сплавов (α +β ) фазового состава, дополнительно упрочненных интерметаллидной α ₂-фазой на основе соединения Тi₃Аl, с целью снижения массы шатуна, оценивали по удельным, отнесенным к плотности материала, свойствам: пределу текучести при растяжении (σ _0,2/ρ ), пределу текучести при сжатии (σ _-0,2/ρ ), пределу усталости (σ _-1/ρ ) и модулю нормальной упругости (Е/ρ ). Для сопоставления рассматривали сталь 40ХН2МА (аналог стали SAE-4349), стандартный титановый сплав Ti-6Al-4V и алюминиевый сплав Д16Т - материалы, применяемые для изготовления шатунов. Сопоставление свойств материалов для шатунов приведено в Таблице 1.Application for connecting rods (both gasoline and diesel engines) of titanium alloys additionally hardened with intermetallic α ₂ phase based on Ti ₃ Al compound dispersed in the α phase and providing an increase in the modulus of normal elasticity and hardness with a high level of tensile strength and compression of fatigue strength, and at the same time having low density, provides the opportunity to reduce the mass of parts. The efficiency of using titanium alloys of (α + β) phase composition, additionally hardened with an intermetallic α ₂ phase based on the Ti ₃ Al compound, in order to reduce the mass of the connecting rod, was evaluated by the specific properties related to the material density: tensile yield strength (σ _{0 , 2} / ρ), compressive yield strength (σ _-0.2 / ρ), fatigue limit (σ _-1 / ρ) and normal elastic modulus (E / ρ). For comparison, we considered steel 40XH2MA (an analogue of steel SAE-4349), standard titanium alloy Ti-6Al-4V and aluminum alloy D16T - materials used for the manufacture of connecting rods. A comparison of the material properties for the connecting rods is shown in Table 1.

Анализ данных, представленных в Таблице 1 (п.п.8, 9, 10 и 11), показывает следующее:Analysis of the data presented in Table 1 (items 8, 9, 10 and 11) shows the following:

а) С увеличением в сплаве доли интерметаллидной α ₂-фазы от 5 до 90% модуль нормальной упругости повышается от 122 до 150 ГПа, значения прочности при растяжении и сжатии и усталостной прочности несколько снижаются, оставаясь на высоком уровне.a) With an increase in the share of the intermetallic α ₂ phase from 5 to 90% in the alloy, the normal modulus increases from 122 to 150 GPa, the tensile and compressive strength and fatigue strength decrease slightly, remaining at a high level.

б) По удельным свойствам: σ _0,2/ρ , σ _-0,2/ρ , σ _-1/ρ и Е/ρ титановые сплавы (α +β ) фазового состава, дополнительно упрочненные интерметаллидной α ₂-фазой на основе соединения Тi₃Аl, имеют самые высокие показатели и превышают:b) In terms of specific properties: σ _0.2 / ρ, σ _-0.2 / ρ, σ _-1 / ρ and E / ρ titanium alloys (α + β) of phase composition, additionally hardened by the intermetallic α ₂ phase based on the compound Ti ₃ Al, have the highest rates and exceed:

- в сопоставлении со сталью 40ХН2МА по σ _0,2/ρ - в 2-2,5 раза, по σ _-0,2/ρ - в 2,2-2,5 раза, по σ _-1/ρ - в 2,5-3 раза и по Е/ρ - на 5-38%;- in comparison with steel 40KHN2MA, σ _0.2 / ρ - 2-2.5 times, σ _-0.2 / ρ - 2.2-2.5 times, σ _-1 / ρ - 2 , 5-3 times and by E / ρ - by 5-38%;

- в сопоставлении с алюминиевым сплавом Д16Т по σ _0,2/ρ - в 2-2,5 раза, по σ _-0,2/ρ - в 2,35-2,7 раза, по σ _-1/ρ - в 2,9-3,6 раза и по Е/ρ - на 8-42%;- in comparison with the aluminum alloy D16T, σ _0.2 / ρ - 2-2.5 times, σ _-0.2 / ρ - 2.35-2.7 times, σ _-1 / ρ - 2.9-3.6 times and by E / ρ - by 8-42%;

- в сопоставлении с титановым сплавом Ti-6A1-4V по σ _0,2/ρ - на 10-37%, по σ _-0,2/ρ - на 15-33%, по σ _-1/ρ - на 10-37% и по E/ρ - на 15-32%.- in comparison with the titanium alloy Ti-6A1-4V by σ _0.2 / ρ - by 10-37%, by σ _-0.2 / ρ - by 15-33%, by σ _-1 / ρ - by 10- 37% and for E / ρ - by 15-32%.

в) Основываясь на статистических данных по характеру и уровню нагрузок, действующих в кривошипно-шатунном механизме 4-тактных бензиновых и дизельных двигателей транспортных средств (см. Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Конструкция автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высш. шк., 1986, стр. 19-21, 318-324. Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей / под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова. - 4-е изд. М.: Машиностроение, 1984, стр. 60-72), для бензиновых двигателей, имеющих степень сжатия до 12 и максимальную частоту вращения до 8000 об/мин, шатун которых нагружен как значительными сжимающими, так и растягивающими нагрузками, действующими с высокой частотой, и с учетом снижения напряжений от продольного изгиба шатуна при уменьшении его массы, наилучший технический результат достигается, когда доля интерметаллидной α ₂-фазы в материале шатунов бензиновых двигателей составляет, предпочтительно, от 5 до 60 мас.% при содержании алюминия в сплаве от 7,5 до 11,5 мас.%. При этом с учетом соотношений удельных показателей механических свойств материала шатуна по предлагаемому изобретению, по сравнению со сталью, обеспечивается снижение массы шатуна до 60%.c) Based on statistical data on the nature and level of loads acting in the crank mechanism of 4-stroke gasoline and diesel engines of vehicles (see Raikov I.Ya., Rytvinsky G.N. Design of automobile and tractor engines. M .: Higher School, 1986, pp. 19-21, 318-324. Internal Combustion Engines: Design and Strength Analysis of Piston and Combined Engines / Edited by A.S. Orlin, M.G. Kruglov. - 4th Publishing House M: Mechanical Engineering, 1984, pp. 60-72), for gasoline engines having a compression ratio of up to 12 and maximum rotation speed up to 8000 rpm, the connecting rod of which is loaded with both significant compressive and tensile loads acting with a high frequency, and taking into account the reduction of stresses from the longitudinal bending of the connecting rod while reducing its weight, the best technical result is achieved when the proportion of intermetallic α ₂ -phase in the material of the connecting rods of gasoline engines is preferably from 5 to 60 wt.% when the aluminum content in the alloy is from 7.5 to 11.5 wt.%. Moreover, taking into account the ratios of specific indicators of the mechanical properties of the material of the connecting rod according to the invention, compared with steel, the weight of the connecting rod is reduced to 60%.

г) Соответственно для шатунов дизельных двигателей, имеющих степень сжатия ≥ 16 и максимальную частоту вращения до 5000 об/мин, в которых сжимающие шатун нагрузки значительно превышают растягивающие, и при умеренной частоте действия нагрузок, наилучший технический результат достигается, когда доля интерметаллидной α ₂-фазы в материале шатунов дизельных двигателей составляет, предпочтительно, от 45 до 90 мас.% при содержании алюминия в сплаве от 10,5 до 13,5 мас.%. При этом, с учетом соотношений удельных показателей механических свойств материала шатуна по предлагаемому изобретению, по сравнению со сталью, обеспечивается снижение массы шатуна до 30%.d) Accordingly, for connecting rods of diesel engines having a compression ratio of ≥ 16 and a maximum speed of up to 5000 rpm, in which the compressive loads of the connecting rod are much higher than tensile, and at a moderate frequency of action of the loads, the best technical result is achieved when the proportion of intermetallic α ₂ is phase in the material of the connecting rods of diesel engines is preferably from 45 to 90 wt.% when the aluminum content in the alloy from 10.5 to 13.5 wt.%. Moreover, taking into account the ratios of the specific indicators of the mechanical properties of the connecting rod material according to the invention, compared with steel, a reduction in the mass of the connecting rod to 30% is ensured.

При меньшем, чем 5 мас.%, содержании α ₂-фазы в материале шатуна, эффект упрочнения практически сводится к нулю (см. приведенное выше сопоставление удельных показателей свойств со сплавом Ti-6A1-4V).When the α ₂ phase content in the connecting rod material is less than 5 wt.%, The hardening effect is practically reduced to zero (see the above comparison of specific properties with Ti-6A1-4V alloy).

При большем, чем 90 мас.%, содержании α ₂-фазы в материале шатуна, сплав переходит в состав, близкий к одно фазному (α ₂), с низкой технологической пластичностью, что не позволит применять деформационные методы получения поковки шатуна.With a greater than 90 wt.%, Α ₂ -phase content in the connecting rod material, the alloy goes into a composition close to single-phase (α ₂ ), with low technological ductility, which will not allow the use of deformation methods for producing the connecting rod forgings.

Пример 1 осуществления изобретения “Шатун двигателя внутреннего сгорания”, для бензиновых двигателей.Example 1 of the invention “Connecting rod of an internal combustion engine”, for gasoline engines.

С целью проверки эффективности применения шатуна из титанового сплава (α +β ) фазового состава, дополнительно упрочненного интерметаллидной α ₂-фазой на основе соединения Тi₃Аl, обеспечивающего снижение массы шатуна бензинового двигателя до 60%, был проведен динамический расчет двигателя ВАЗ-2108 при установке в него стальных шатунов и шатунов в соответствии с предлагаемым изобретением. Масса стального шатуна двигателя ВАЗ-2108 составляет 665 г, масса шатуна из титанового сплава, упрочненного α ₂-фазой, составляет 360 г (масса установлена при осуществлении способа изготовления шатуна, см. Пример 3). Снижение массы шатуна составило 46%. В результате проведения динамического расчета двигателя ВАЗ-2108 на режиме максимальной мощности при частоте вращения коленчатого вала 5600 об/мин с шатунами 2-х исполнений получены зависимости протекания сил, действующих в звеньях кривошипно-шатунного механизма двигателя по углу поворота коленчатого вала:In order to verify the effectiveness of the use of a connecting rod made of titanium alloy (α + β) of phase composition, additionally hardened with an intermetallic α ₂ phase based on the Ti ₃ Al compound, which reduces the weight of the connecting rod of a gasoline engine to 60%, a dynamic calculation of the VAZ-2108 engine was carried out at the installation of steel rods and connecting rods in accordance with the invention. The weight of the steel connecting rod of the VAZ-2108 engine is 665 g, the weight of the connecting rod made of a titanium alloy hardened by an α ₂ phase is 360 g (the weight was established by the method for manufacturing the connecting rod, see Example 3). The weight reduction of the connecting rod was 46%. As a result of dynamic calculation of the VAZ-2108 engine at maximum power at a crankshaft speed of 5600 rpm with connecting rods of 2 versions, the dependences of the flow of forces acting in the links of the crank mechanism of the engine along the angle of rotation of the crankshaft are obtained:

- боковой силы N, действующей на поршень (см. фиг.5);- lateral force N acting on the piston (see figure 5);

- силы R_шш, действующей на шатунную шейку коленчатого вала (см. фиг.6);- force R _w , acting on the crank pin of the crankshaft (see Fig.6);

- силы R_кш, действующей на коренную шейку коленчатого вала (см. фиг.7).- force R _ksh acting on the main neck of the crankshaft (see Fig.7).

Анализ величин сил, действующих на звенья кривошипно-шатунного механизма, при установке шатунов со сниженной на 46% массой показывает, что амплитудные значения боковой силы N, действующей на поршень, снижаются в среднем на 13%, среднее значение силы R_шш, действующей на шатунную шейку коленчатого вала, снижается на 28% и среднее значение силы R_кш, действующей на коренную шейку коленчатого вала, снижается на 29,5%. Соответственно, это приводит к снижению динамических нагрузок в кривошипно-шатунном механизме от массы шатуна, позволяет уменьшить конструктивные размеры коленчатого вала и его массу, а также снизить механические потери в двигателе и повысить топливную экономичность, надежность и долговечность двигателя.An analysis of the forces acting on the links of the crank mechanism when installing connecting rods with a mass reduced by 46% shows that the amplitude values of the lateral force N acting on the piston decrease by 13% on average, and the average value of the force R _w acting on the connecting rod the neck of the crankshaft is reduced by 28% and the average value of the force R _ksh acting on the main neck of the crankshaft is reduced by 29.5%. Accordingly, this leads to a decrease in dynamic loads in the crank mechanism from the mass of the connecting rod, allows to reduce the structural dimensions of the crankshaft and its mass, as well as reduce mechanical losses in the engine and increase fuel economy, reliability and durability of the engine.

Пример 2 осуществления изобретения “Шатун двигателя внутреннего сгорания”, для дизельных двигателей.Example 2 of the invention “Connecting rod of an internal combustion engine”, for diesel engines.

Для дизельного двигателя 10Д (Гомельского завода) был спроектирован шатун из титанового сплава (α +β ) фазового состава, дополнительно упрочненного интерметаллидной α ₂-фазой на основе соединения Тi₃Аl, взамен стального шатуна. Далее, с использованием метода конечных элементов проведены расчеты напряженно-деформированного состояния шатунов стального и из титанового сплава, упрочненного α ₂-фазой. В исходных данных при расчете шатуна из титанового сплава, упрочненного α ₂-фазой, приняты механические свойства сплава, соответствующие содержанию α ₂-фазы 60-90 мас.% (см. Таблицу 1). Расчетное значение массы шатуна на 30% ниже массы стального (определено по построенной 3-мерной модели спроектированного шатуна). По результатам расчета напряженно-деформированного состояния шатуна установлено, что предлагаемый шатун имеет более высокие прочностные характеристики по сравнению с базовым, выполненным из стали 45. Так, запасы прочности в элементах шатуна из предлагаемого материала составляют для поршневой головки, стержня и кривошипной головки соответственно 1,89; 2,21 и 4,7, что по поршневой головке и стержню является достаточным, а по кривошипной головке избыточным. Предложенная конструкция шатуна имеет сниженную на 30% массу, что повысит технический уровень двигателя.For the 10D diesel engine (Gomel Plant), a connecting rod made of a titanium alloy (α + β) of phase composition, additionally reinforced with an intermetallic α ₂ phase based on the Ti ₃ Al compound, was replaced instead of a steel connecting rod. Further, using the finite element method, the stress-strain state of the connecting rods of steel and titanium alloy reinforced with an α ₂ phase was calculated. In the initial data, when calculating a connecting rod made of a titanium alloy hardened by an α ₂ phase, the mechanical properties of the alloy corresponding to the content of α ₂ phase of 60-90 wt.% Are taken (see Table 1). The calculated value of the mass of the connecting rod is 30% lower than the weight of the steel (determined by the constructed 3-dimensional model of the designed connecting rod). According to the results of calculating the stress-strain state of the connecting rod, it was found that the proposed connecting rod has higher strength characteristics compared to the base made of steel 45. Thus, the safety margins in the connecting rod elements of the proposed material are for the piston head, rod and crank head, respectively, 1, 89; 2.21 and 4.7, which is sufficient for the piston head and shaft, and excessive for the crank head. The proposed design of the connecting rod has a mass reduced by 30%, which will increase the technical level of the engine.

Способ изготовления шатуна заключается в следующем.A method of manufacturing a connecting rod is as follows.

Цилиндрическую заготовку 6 из титанового сплава (α +β ) фазового состава, дополнительно упрочненного интерметаллидной α ₂-фазой на основе соединения Тi₃Аl, дисперсно распределенной в α -фазе (фиг.2), предварительно нагревают до температуры деформации в диапазоне температур (Т_пп-20)° С - (Т_пп+60)° С. Затем ее подвергают поперечно-клиновой прокатке, в результате которой получают спрофилированную осесимметричную исходную заготовку 7 под штамповку (фиг.3). Затем исходную заготовку под штамповку нагревают до температуры деформации в диапазоне температур (Т_пп-10)° С - (Т_пп+50)° С и подвергают ее штамповке, в результате которой обеспечивается оптимальное течение металла в формующих вставках штампа для заполнения их материалом заготовки. В результате чего получают в штампе точную поковку 8 шатуна (фиг.4) за один деформационный цикл. Затем проводят термообработку поковки с помощью закалки и отжига.A cylindrical billet 6 of a titanium alloy (α + β) of a phase composition additionally strengthened by an intermetallic α ₂ phase based on a Ti ₃ Al compound dispersed in the α phase (Fig. 2) is preheated to a deformation temperature in the temperature range (T _pp -20) ° C - (T _pp +60) ° C. Then it is subjected to wedge rolling, as a result of which a profiled axisymmetric billet 7 for stamping is obtained (Fig. 3). Then, the initial blank for stamping is heated to a deformation temperature in the temperature range (T _pp -10) ° C - (T _pp +50) ° C and subjected to stamping, which ensures the optimal flow of metal in the forming inserts of the stamp to fill them with the workpiece . As a result, the exact forging 8 of the connecting rod (Fig. 4) is obtained in the stamp in one deformation cycle. Then heat treatment of the forgings is carried out using quenching and annealing.

Далее приведен пример конкретной реализации способа изготовления шатуна с использованием трех титановых сплавов с различным содержанием алюминия и долей α -фазы. В качестве экспериментального был принят шатун двигателя ВАЗ-2108.The following is an example of a specific implementation of a method for manufacturing a connecting rod using three titanium alloys with different aluminum contents and fractions of the α phase. The connecting rod of the VAZ-2108 engine was adopted as an experimental.

Пример 3 осуществления изобретения “Способ изготовления шатуна”.Example 3 of the invention “Method of manufacturing a connecting rod".

Шатуны для бензинового двигателя ВАЗ-2108 изготавливали из титановых сплавов (α +β ) фазового состава, дополнительно упрочненных интерметаллидной α ₂-фазой на основе соединения Тi₃Аl, которая дисперсно распределена в α -фазе, трех составов с различным содержанием алюминия и долей α ₂-фазы (см. табл.2).The connecting rods for the VAZ-2108 gasoline engine were made of phase composition titanium alloys (α + β), additionally hardened with an intermetallic α ₂ phase based on the Ti ₃ Al compound, which is dispersedly distributed in the α phase, of three compositions with different aluminum contents and fractions of α ₂ phases (see table 2).

- Сплав №1 - содержание алюминия 8±0,5 мас.%, при этом доля α ₂-фазы после полного технологического цикла 12±5 мас.%. Температура полного полиморфного превращения для этого сплава составляет 1060° С.- Alloy No. 1 - aluminum content of 8 ± 0.5 wt.%, While the proportion of α ₂ phase after a full technological cycle of 12 ± 5 wt.%. The temperature of the complete polymorphic transformation for this alloy is 1060 ° C.

- Сплав №2 - содержание алюминия 10±0,5 мас.%, при этом доля α ₂-фазы после полного технологического цикла 40±5 мас.%. Температура полного полиморфного превращения для этого сплава составляет 1090° С.- Alloy No. 2 - the aluminum content of 10 ± 0.5 wt.%, While the proportion of α ₂ phases after a full technological cycle of 40 ± 5 wt.%. The temperature of the complete polymorphic transformation for this alloy is 1090 ° C.

- Сплав №3 - содержание алюминия 12±0,5 мас.%, при этом доля α ₂-фазы после полного технологического цикла 67±5% мас.%. Температура полного полиморфного превращения для этого сплава составляет 1100° С.- Alloy No. 3 - the aluminum content of 12 ± 0.5 wt.%, While the proportion of α ₂ phases after the full technological cycle 67 ± 5% wt.%. The temperature of the complete polymorphic transformation for this alloy is 1100 ° C.

Сплавы дополнительно легированы молибденом 1,8-2,2 мас.%, цирконием 2,0-2,2 мас.% и кремнием 0,05-0,1 мас.%.The alloys are additionally alloyed with molybdenum 1.8-2.2 wt.%, Zirconium 2.0-2.2 wt.% And silicon 0.05-0.1 wt.%.

Исходные цилиндрические заготовки 6 из данных сплавов (фиг.2) диаметром 41,0 мм и длиной 70 мм, масса которых составляла, соответственно: 410 г (сплав №1), 407 г (сплав №2) и 403,5 г (сплав №3), прокатывали на стане клиновой поперечной прокатки. В результате прокатки получали осесимметричные спрофилированные заготовки под штамповку (фиг.3). Нагрев исходных заготовок под прокатку осуществляли индукционным методом. Температура нагрева для данных сплавов устанавливалась в следующих интервалах:The original cylindrical blanks 6 of these alloys (figure 2) with a diameter of 41.0 mm and a length of 70 mm, the mass of which was, respectively: 410 g (alloy No. 1), 407 g (alloy No. 2) and 403.5 g (alloy No. 3), rolled on a wedge cross rolling mill. As a result of rolling, axisymmetric profiled blanks for stamping were obtained (Fig. 3). The heating of the initial billets for rolling was carried out by the induction method. The heating temperature for these alloys was set in the following intervals:

- 1040-1120° С - для сплава №1;- 1040-1120 ° C - for alloy No. 1;

- 1070-1150° С - для сплава №2;- 1070-1150 ° C - for alloy No. 2;

- 1080-1160° С - для сплава №3.- 1080-1160 ° C - for alloy No. 3.

Температуру нагрева контролировали двухспектральным инфракрасным пирометром с системой фокусировки M77S фирмы MICRON Instrument Co., Inc. M 120 (США).The heating temperature was controlled by a two-spectral infrared pyrometer with a M77S focusing system from MICRON Instrument Co., Inc. M 120 (USA).

При температуре деформации для сплавов №1, 2, 3 выше, соответственно, 1120, 1150 и 1160° С структура сплавов представляла собой крупное макрозерно с крупнокристаллической микроструктурой пластинчатого типа, которая не обеспечивает необходимого уровня механических свойств (Александров В.К., Аношкин Н.Ф. и др. Полуфабрикаты из титановых сплавов. М.: ВИЛС, 1996 г., стр. 68-76). При температуре деформации для сплавов №1, 2, 3 ниже, соответственно, 1040, 1070 и 1080° С исходные заготовки разрывало, или не обеспечивалось полное заполнение профиля прокатанной заготовки из-за недостаточной технологической пластичности.At a deformation temperature for alloys No. 1, 2, 3 higher, respectively, 1120, 1150 and 1160 ° С, the alloy structure was a large macrograin with a coarse-grained microstructure of the plate type, which does not provide the necessary level of mechanical properties (Alexandrov V.K., Anoshkin N . F. et al. Semi-finished products from titanium alloys. M.: VILS, 1996, pp. 68-76). At a deformation temperature for alloys No. 1, 2, 3 below, respectively, 1040, 1070 and 1080 ° С, the initial billets were torn, or the profile of the rolled billet was not completely filled due to insufficient technological ductility.

Заявляемый диапазон температур нагрева под клиновую поперечную прокатку, нижний предел которого на 20° С ниже температуры полного полиморфного превращения (Т_пп) для данных сплавов, а верхний предел - на 60° С выше этой температуры, позволяет в результате прокатки получать в деформируемой части осесимметричной спрофилированной заготовки смесь микроструктур: равноосной, бимодальной и мелкозернистой пластинчатой с размером зерен не более 100 мкм, которые обеспечивают высокий уровень механических свойств. В недеформируемой в процессе клиновой поперечной прокатки части заготовки, соответствующей кривошипной головке шатуна, микроструктура при этих температурах и временах выдержки не претерпевает критических фазовых и структурных превращений.The inventive temperature range of heating for wedge cross rolling, the lower limit of which is 20 ° C lower than the temperature of complete polymorphic transformation (T _pp ) for these alloys, and the upper limit is 60 ° C higher than this temperature, allows rolling to obtain axisymmetric in the deformable part the profiled workpiece a mixture of microstructures: equiaxial, bimodal and fine-grained lamellar with a grain size of not more than 100 microns, which provide a high level of mechanical properties. In the non-deformable part of the billet during wedge rolling, corresponding to the crank head of the connecting rod, the microstructure at these temperatures and holding times does not undergo critical phase and structural transformations.

Форма осесимметричной заготовки под штамповку, получаемая в результате прокатки, определяется расчетным или экспериментальным путем и спрофилирована таким образом, что ее профиль при последующей штамповке обеспечивает минимальное деформационное перемещение материала в штампе.The shape of the axisymmetric blank for stamping, obtained as a result of rolling, is determined by calculation or experimentally and profiled in such a way that its profile during subsequent stamping provides minimal deformation movement of the material in the stamp.

Штамповку шатунов проводили на 1000-тонном механическом прессе. Нагрев осесимметричных спрофилированных при клиновой поперечной прокатке заготовок под штамповку проводили в печи с защитной средой. Температура нагрева для данных сплавов устанавливалась в следующих интервалах:The connecting rods were stamped on a 1000-ton mechanical press. The axisymmetric profiled during wedge rolling rolling of blanks for stamping was heated in a furnace with a protective medium. The heating temperature for these alloys was set in the following intervals:

- 1050-1100° С - для сплава №1;- 1050-1100 ° С - for alloy No. 1;

- 1080-1140° С - для сплава №2;- 1080-1140 ° C - for alloy No. 2;

- 1090-1150° С - для сплава №3.- 1090-1150 ° C - for alloy No. 3.

Температуру нагрева контролировали двухспектральным инфракрасным пирометром с системой фокусировки M77S фирмы MICRON Instrument Co., Inc. M 120 (США). При штамповке осесимметричных спрофилированных заготовок из данных сплавов в указанных интервалах температур обеспечивалось оптимальное течение металла в формующих вставках штампа и заполнение их материалом заготовки. В результате получали точные поковки шатунов за один деформационный цикл. Микроструктура материала шатунов в различных его сечениях имела преимущественно равноосный и бимодальный типы.The heating temperature was controlled by a two-spectral infrared pyrometer with a M77S focusing system from MICRON Instrument Co., Inc. M 120 (USA). When stamping axisymmetric profiled billets from these alloys in the indicated temperature ranges, the optimal metal flow in the forming die inserts and their filling with the billet material were ensured. The result was the exact forgings of the connecting rods in one deformation cycle. The microstructure of the material of the connecting rods in its various sections was predominantly equiaxed and bimodal types.

При температуре деформации для сплавов №1, 2, 3 выше, соответственно, 1100, 1140 и 1150° С попадали в зону α -области, в которой резко укрупняется макро- и микроструктура, в поковках преобладала крупнокристаллическая микроструктура пластинчатого типа, которая не обеспечивает необходимого уровня механических свойств (Л.А.Никольский, С.З.Фиглин, В.В.Бойцов и др. Горячая штамповка и прессование титановых сплавов. M.: Машиностроение, 1975 г., с. 50). При температуре деформации для сплавов №1, 2, 3 ниже, соответственно, 1050, 1080 и 1090° С резко возрастали усилия деформации, что затрудняло заполнение металлом штампового пространства - имели место недоштамповки поковок, также на поверхностях шатунов возникали трещины из-за недостаточной технологической пластичности при данных температурах.At a deformation temperature for alloys No. 1, 2, 3 above, respectively, 1100, 1140 and 1150 ° C fell into the zone of the α-region, in which the macro- and microstructure are sharply enlarged, a coarse-grained plate-type microstructure prevailed in the forgings, which does not provide the necessary level of mechanical properties (L.A. Nikolsky, S.Z. Figlin, V.V. Boytsov et al. Hot stamping and pressing of titanium alloys. M .: Mechanical Engineering, 1975, p. 50). At a deformation temperature for alloys No. 1, 2, 3 below, respectively, 1050, 1080 and 1090 ° C, the deformation forces sharply increased, which made it difficult to fill the die space with metal - there were under-forging of forgings, and cracks also appeared on the surfaces of the connecting rods due to insufficient technological ductility at given temperatures.

Заявляемый диапазон температур нагрева под штамповку, нижний предел которого на 10° С ниже температуры полного полиморфного превращения (Т_пп) для данных сплавов, а верхний предел - на 50° С выше этой температуры, позволяет в результате прокатки получать в поковке шатуна преимущественно равноосную и бимодальную микроструктуры, которые обеспечивают высокий уровень механических свойств.The inventive temperature range of heating for stamping, the lower limit of which is 10 ° C lower than the temperature of the complete polymorphic transformation (T _pp ) for these alloys, and the upper limit is 50 ° C higher than this temperature, allows rolling to obtain mainly equiaxial and bimodal microstructures that provide a high level of mechanical properties.

Термообработку проводили следующим образом.Heat treatment was carried out as follows.

Образцы поковок шатуна из сплавов №1, 2, 3 нагревали под закалку до температур 1030, 1040, 1050° С - для Сплава 1; 1055, 1065, 1075° С - для Сплава 2; 1070, 1080, 1090° С - для Сплава 3. При временных выдержках: 0,2 ч; 1,0 ч; 2,0 ч.Samples of connecting rod forgings from alloys No. 1, 2, 3 were heated for quenching to temperatures of 1030, 1040, 1050 ° С for Alloy 1; 1055, 1065, 1075 ° С - for Alloy 2; 1070, 1080, 1090 ° С - for Alloy 3. At temporary exposure times: 0.2 h; 1.0 h; 2.0 hours

Закаленные образцы подвергали отжигу при температурах 600, 750, 850° С с временами отжига от 1,0 до 100 часов.The quenched samples were annealed at temperatures of 600, 750, and 850 ° С with annealing times from 1.0 to 100 hours.

В заявленных температурно-временных интервалах закалки и отжига для каждого сплава получали образцы с высоким уровнем механических свойств. При отклонении от заявленных интервалов наблюдали либо уменьшение уровня механических свойств, либо отсутствие заявляемого технического результата.In the declared temperature-time intervals of quenching and annealing for each alloy, samples with a high level of mechanical properties were obtained. When deviating from the declared intervals, either a decrease in the level of mechanical properties or the absence of the claimed technical result was observed.

Изготовленные описанным выше способом поковки шатуна подвергали дробеструйной обработке и механической обработке по посадочным поверхностям согласно чертежу шатуна 2108-1004045 известными методами. Масса механически обработанных шатунов равнялась 360±2,5 г, что на 46% ниже массы стального шатуна двигателя ВАЗ-2108.The forgings of the connecting rods made as described above were subjected to bead-blasting and machining along the seating surfaces according to the connecting rod drawing 2108-1004045 by known methods. The mass of machined connecting rods was 360 ± 2.5 g, which is 46% lower than the weight of the steel connecting rod of the VAZ-2108 engine.

Предлагаемый способ изготовления поковки шатуна позволяет получать шатуны ДВС, которые согласуются с уровнем механической нагруженности в бензиновых и дизельных двигателях различного назначения и степени форсирования. При этом достигается снижение массы шатунов бензиновых двигателей до 60% и дизельных - до 30%. Предлагаемый способ основан на применении высокопроизводительных деформационных технологий и может быть применен при массовом производстве шатунов ДВС.The proposed method for the manufacture of connecting rod forgings allows to obtain ICE connecting rods that are consistent with the level of mechanical loading in gasoline and diesel engines for various purposes and the degree of forcing. At the same time, a reduction in the mass of connecting rods of gasoline engines to 60% and diesel to 30% is achieved. The proposed method is based on the use of high-performance deformation technologies and can be used in the mass production of ICE rods.

Применение шатунов, изготовленных заявляемым способом, обеспечит:The use of connecting rods made by the claimed method will provide:

- значительное уменьшение динамических нагрузок в кривошипно-шатунном механизме от массы шатуна, что, в свою очередь, позволяет уменьшить конструктивные размеры коленчатого вала и его массу, снизить нагрузки и потери в опорах коленчатого вала, повысить топливную экономичность, надежность и долговечность двигателя;- a significant reduction in dynamic loads in the crank mechanism from the mass of the connecting rod, which, in turn, allows to reduce the structural dimensions of the crankshaft and its mass, reduce loads and losses in the bearings of the crankshaft, increase fuel economy, reliability and durability of the engine;

- уменьшение боковой силы, действующей на поршень, и, соответственно, снижение механических потерь в цилиндрово-поршневой группе; это приведет к повышению топливной экономичности и долговечности двигателя;- a decrease in the lateral force acting on the piston, and, accordingly, a decrease in mechanical losses in the cylinder-piston group; this will lead to increased fuel efficiency and engine durability;

- снижение вибраций двигателя и повышение комфортабельности автомобиля;- reduction in engine vibration and increased vehicle comfort;

- форсирование двигателя по частоте вращения, что повысит его мощность.- forcing the engine in rotation speed, which will increase its power.

Claims

1. Шатун двигателя внутреннего сгорания, выполненный из материала, обладающего повышенными механическими свойствами, и содержащий поршневую и кривошипную головки, соединенные стержнем, отличающийся тем, что шатун изготовлен из титанового сплава (α +β )-фазового состава, дополнительно упрочненного интерметаллидной α ₂-фазой на основе соединения Тi₃Аl, дисперсно распределенной в α -фазе, при этом массовая доля интерметаллидной α ₂-фазы в материале шатуна для бензиновых двигателей составляет от 5 до 60 мас.% при содержании алюминия в сплаве от 7,5 до 11,5 мас.%.1. The connecting rod of the internal combustion engine, made of a material with improved mechanical properties, and containing a piston and crank heads connected by a rod, characterized in that the connecting rod is made of a titanium alloy (α + β) -phase composition, additionally hardened intermetallic α ₂ - phase based on the Ti ₃ Al compound dispersed in the α phase, while the mass fraction of the intermetallic α ₂ phase in the connecting rod material for gasoline engines is from 5 to 60 wt.% with an aluminum content of 7 5 to 11.5 wt.%.

2. Шатун по п.1, отличающийся тем, что его стержень имеет площадь поперечного сечения, которая в каждой i-й точке, расположенной на оси шатуна, определяется для шатуна бензинового двигателя из соотношения2. The connecting rod according to claim 1, characterized in that its rod has a cross-sectional area, which at each i-th point located on the connecting rod axis is determined for the connecting rod of a gasoline engine from the ratio

F_iсечБД=P_iсеч/k_σ σ _-1,F _{i sec sec DB} = P _{i sec} / k _σ σ _-1 ,

где F_iсечБД - площадь поперечного сечения стержня шатуна бензинового двигателя в каждой i-й точке, расположенной на оси шатуна, мм²;where F _isecBD - the cross-sectional area of the rod rod of the gasoline engine at each i-th point located on the axis of the rod, mm ² ;

P_iсеч - максимальное значение суммарной знакопеременной продольной нагрузки, действующей на шатун в каждой i-й точке, расположенной на его оси, Н;P _{i cut} - the maximum value of the total alternating longitudinal load acting on the connecting rod at each i-th point located on its axis, N;

kσ - переменный коэффициент, зависящий от содержания α ₂-фазы в титановом сплаве.kσ is a variable coefficient depending on the content of the α ₂ phase in the titanium alloy.

3. Шатун двигателя внутреннего сгорания, выполненный из материала, обладающего повышенными механическими свойствами, и содержащий поршневую и кривошипную головки, соединенные стержнем, отличающийся тем, что шатун изготовлен из титанового сплава (α +β )-фазового состава, дополнительно упрочненного интерметаллидной α ₂-фазой на основе соединения Тi₃Аl, дисперсно распределенной в α -фазе, при этом массовая доля интерметаллидной α ₂-фазы в материале шатуна для дизельного двигателя составляет от 45 до 90 мас.% при содержании алюминия в сплаве от 10,5 до 13,5 мас.%.3. The connecting rod of the internal combustion engine, made of a material with improved mechanical properties, and containing a piston and crank heads connected by a rod, characterized in that the connecting rod is made of a titanium alloy (α + β) -phase composition, additionally hardened intermetallic α ₂ - phase based on the Ti ₃ Al compound dispersed in the α phase, while the mass fraction of the intermetallic α ₂ phase in the connecting rod material for the diesel engine is from 45 to 90 wt.% with an aluminum content of 10 5 to 13.5 wt.%.

4. Шатун по п.3, отличающийся тем, что его стержень имеет площадь поперечного сечения, которая в каждой i-й точке, расположенной на оси шатуна, определяется для шатуна дизельного двигателя из соотношения4. The connecting rod according to claim 3, characterized in that its rod has a cross-sectional area, which at each i-th point located on the axis of the connecting rod is determined for the connecting rod of a diesel engine from the ratio

где F_iсечДД - площадь поперечного сечения стержня шатуна дизельного двигателя в каждой i-й точке, расположенной на оси шатуна, мм²;where F _i section _DD is the cross-sectional area of the rod of the rod of the diesel engine at each i-th point located on the axis of the rod, mm ² ;

Р_iсеч - максимальное значение суммарной знакопеременной продольной нагрузки, действующей на шатун в каждой i-й точке, расположенной на его оси, Н;P _{i cut} - the maximum value of the total alternating longitudinal load acting on the connecting rod at each i-th point located on its axis, N;

k_E - переменный коэффициент, зависящий от содержания α ₂-фазы в титановом сплаве.k _E is a variable coefficient depending on the content of the α ₂ phase in the titanium alloy.

5. Способ изготовления шатуна, заключающийся в том, что цилиндрическую заготовку подвергают деформационному воздействию с помощью операций поперечно-клиновой прокатки и штамповки, нагревая ее предварительно перед каждой операцией до температуры деформации и получая после поперечно-клиновой прокатки полуфабрикат в виде осесимметричной исходной заготовки под штамповку, а в процессе штамповки в формующих вставках штампа получают точную поковку шатуна с поршневой и кривошипной головками, соединенными стержнем, после чего поковку подвергают термообработке, отличающийся тем, что в качестве материала, из которого изготавливают шатун, используют титановый сплав (α +β )-фазового состава, дополнительно упрочненный интерметаллидной α ₂-фазой на основе соединения Тi₃Аl, дисперсно распределенной в α -фазе, при этом заготовку цилиндрической формы из указанного сплава предварительно нагревают до температуры деформации в диапазоне, нижний предел которого на 20°С ниже температуры полного полиморфного превращения для данного сплава, а верхний предел - на 60°С выше этой температуры, и, подвергая ее деформационному воздействию в процессе поперечно-клиновой прокатки, получают осесимметричную исходную заготовку под штамповку, спрофилированную таким образом, что ее профиль при последующей штамповке обеспечивает минимальное деформационное перемещение материала, затем заготовку, предварительно нагревая ее до температуры деформации в диапазоне, нижний предел которого на 10°С ниже температуры полного полиморфного превращения для данного сплава, а верхний предел - на 50°С выше этой температуры, подвергают штамповке, обеспечивающей оптимальное течение металла в формующих вставках штампа для заполнения их материалом заготовки и получения точной поковки шатуна за один деформационный цикл, после чего последующую термообработку поковки проводят с помощью закалки и отжига.5. A method of manufacturing a connecting rod, which consists in the fact that the cylindrical billet is subjected to deformation using the operations of transverse wedge rolling and stamping, heating it before each operation to a temperature of deformation and obtaining, after transverse wedge rolling, a semi-finished product in the form of an axisymmetric initial blank for stamping and in the process of stamping in the forming inserts of the stamp get the exact forging of the connecting rod with the piston and crank heads connected by a rod, after which the forging is tested heat treatment, characterized in that the material from which the connecting rod is made, use a titanium alloy of (α + β) -phase composition, additionally hardened by intermetallic α ₂ -phase based on the Ti ₃ Al compound dispersed in the α-phase, at this cylindrical billet from the specified alloy is preheated to a deformation temperature in the range, the lower limit of which is 20 ° C lower than the temperature of complete polymorphic transformation for this alloy, and the upper limit is 60 ° C higher than this temperature, and, exposing it to deformation during transverse wedge rolling, we obtain an axisymmetric initial billet for stamping, profiled in such a way that its profile during subsequent stamping provides minimal deformation movement of the material, then the billet, preheating it to a deformation temperature in the range whose lower limit is 10 ° C below the temperature of complete polymorphic transformation for this alloy, and the upper limit of 50 ° C above this temperature is subjected to stamping, ensuring ivayuschey optimal metal flow in the forming die inserts can fill in blanks pictures and obtain accurate forging rod for one deformation cycle followed by the subsequent heat treatment of the forging is carried out by quenching and annealing.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что получают точную поковку шатуна, площадь поперечного сечения стержня которого в каждой i-й точке, расположенной на оси шатуна, соответствует условиям равной прочности и жесткости при нагружении шатуна в процессе работы двигателя знакопеременными нагрузками.6. The method according to claim 5, characterized in that an exact forging of the connecting rod is obtained, the cross-sectional area of the rod of which at each i-th point located on the axis of the connecting rod corresponds to conditions of equal strength and stiffness when loading the connecting rod during engine operation with alternating loads.

7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что поперечно-клиновую прокатку и штамповку осуществляют при контроле температур.7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that the cross-wedge rolling and stamping is carried out under temperature control.

8. Способ по любому из пп.5, 6 или 7, отличающийся тем, что поковку шатуна под закалку выдерживают в течение 0,2-2,0 ч в диапазоне температур, нижний предел которого на 30°С ниже температуры полного полиморфного превращения для данного сплава, а верхний предел - на 10°С ниже этой температуры, после чего закалку проводят в воду, а последующий отжиг проводят при температуре 600-850°С в течение 1-100 ч.8. The method according to any one of claims 5, 6 or 7, characterized in that the forging of the connecting rod for hardening is maintained for 0.2-2.0 hours in the temperature range, the lower limit of which is 30 ° C lower than the temperature of the complete polymorphic transformation for this alloy, and the upper limit is 10 ° C below this temperature, after which quenching is carried out in water, and subsequent annealing is carried out at a temperature of 600-850 ° C for 1-100 hours