PL192821B1 - Sposób wytwarzania, odpornej na ścieranie, powierzchni na elementach stalowych oraz maszyna, zwłaszcza wysokoprężny silnik tłokowy, z co najmniej jednym elementem stalowym, którego przynajmniej część powierzchni jest wykonana tym sposobem - Google Patents

Abstract

1. Sposób wytwarzania odpornej na scie- ranie powierzchni na elementach stalowych, znamienny tym, ze na stalowy material podlo- za (7) w celu utworzenia powloki (6) z warstwa posrednia twardsza od stali i jeszcze twardsza warstwa zewnetrzna natapia sie kolejno kilka warstw (8, 9) z brazu aluminiowego. 10. Maszyna, zwlaszcza wysokoprezny sil- nik tlokowy, z co najmniej jednym elementem stalowym, którego przynajmniej czesc po- wierzchni jest odporna na scieranie, znamien- na tym, ze posiada odporna na scieranie ochronna powloke (6), która jest zlozona z wie- lu, korzystnie z dwóch przykrywajacych sie warstw wewnetrznej (8) i zewnetrznej (9) z brazu aluminiowego natopionych na stalowym materiale (7) podloza. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania, odpornej na ścieranie, powierzchni na elementach stalowych oraz maszyny, zwłaszcza wysokoprężnego silnika tłokowego, z co najmniej jednym elementem stalowym, którego przynajmniej część powierzchni jest wykonana tym sposobem.

Znane jest powierzchniowe hartowanie elementów wykonanych ze stali, w celu utworzenia twardej powierzchni. Wymaga to jednak kosztownej obróbki cieplnej, przy której niezbędne jest duże doświadczenie. Ponadto uzyskiwane przy tym twardości często nie są wystarczające. Oprócz tego przy powierzchniowym utwardzaniu uzyskuje się stosunkowo niewielką głębokość utwardzenia i powstaje duże niebezpieczeństwo łuszczenia się. Czas eksploatacji może być zatem stosunkowo krótki.

Z opisu patentowego WO9825017 znane jest zastosowanie, w cylindrycznym elemencie silnika spalinowego wewnętrznego spalania, dwóch warstw z brązu aluminiowego, wykonanych metodą natrysku jedna na drugiej, przy czym warstwa zewnętrzna jest warstwą docierania, o średniej twardości co najwyżej 330 HV20, a warstwa głębsza jest warstwą nośną o średniej twardości przekraczającej wartość twardości warstwy docierania i wynosi co najmniej 130 HV20.

Zadaniem wynalazku jest takie ulepszenie wymienionego na wstępie sposobu, aby za pomocą prostych i tanich środków zapewnić nie tylko dużą twardość i grubość warstwy odpornej na ścieranie, ale również długą trwałość, przy jednoczesnej łatwości wykonania.

Zadanie to zostało rozwiązane za pomocą sposobu wytwarzania odpornej na ścieranie powierzchni na elementach stalowych, charakteryzującego się tym, że na stalowy materiał podłoża wcelu utworzenia powłoki z warstwą wewnętrzną twardszą od stali i jeszcze twardszą warstwą zewnętrzną natapia się kolejno kilka warstw z brązu aluminiowego.

Na stalowy materiał podłoża korzystnie natapia się dwie warstwy z brązu aluminiowego.

Korzystnie jest, gdy tworzące ochronną powłokę warstwy napawa się.

Korzystniej materiał przyjmujący przed nakładaniem warstwy ochronnej powłoki podgrzewa się w piecu, najkorzystniej do temperatury około 350°C.

Tworzące ochronną powłokę warstwy mają korzystnie taki sam skład.

Tworzące ochronną powłokę warstwy wykonane są z brązu aluminiowego korzystnie zawierającego 8-25% Al, co najmniej jeden z następujących składników: Sb, Co, Be, Cr, Sn, Mn, Si, Cd, Zn, Fe, Ni, Pb oraz C, każdy w ilości 0,2-10%, a resztę stanowi Cu.

Co najmniej jedna warstwa ochronnej powłoki jest wykonana z brązu aluminiowego korzystniej zawierającego 13-16% Al, 4-5% Fe, 0,2-0,8% Si, 1-2% Mn, a resztę stanowi Cu.

Często korzystniej jest, gdy co najmniej jedna warstwa powłoki ochronnej jest wykonana z brązu aluminiowego zawierającego 8-11% Al, 4-6% Ni, 3-5% Fe, 1-2% Mn, a resztę stanowi Cu.

Maszyna, zwłaszcza wysokoprężny silnik tłokowy, z co najmniej jednym elementem stalowym, którego przynajmniej część powierzchni jest odporna na ścieranie charakteryzuje się tym, że posiada odporną na ścieranie ochronną powłokę, która jest złożona z wielu, korzystnie z dwóch przykrywających się warstw z brązu aluminiowego natopionych na stalowym materiale podłoża.

Korzystnie, twardość warstwy wewnętrznej, bliższej materiałowi podłoża wynosi 300-400 HV, a twardość warstwy zewnętrznej, bliskiej powierzchni wynosi 500-600 HV.

Korzystnie, w stanie nowym, na zewnętrznej warstwie brązu aluminiowego umieszczona jest powłoka docierania, wykonana z szybko ścieralnego materiału.

Brąz aluminiowy, natopiony korzystnie przez napawanie, okazał się niespodziewanie twardszy w warstwie zewnętrznej niż w warstwie wewnętrznej. Przy badaniu dwóch kolejno napawanych warstw, w warstwie wewnętrznej twardość osiągnęła wartość 300-400 HV, a w warstwie zewnętrznej 500-600 HV. Dlatego uzyskuje się stosunkowo twardą warstwę zewnętrzną i w porównaniu z nią bardziej miękką, ale zawsze jeszcze twardszą od materiału podłoża ze stali o twardości 100-200 HV warstwę wewnętrzną.

Zmiana twardości pomiędzy materiałem podłoża, a odporną na ścieranie warstwą zewnętrzną przebiega stopniowo. Zapewnia to dobre przenoszenie, działających na materiał podłoża, równoległych do powierzchni sił tnących i prostopadłych do powierzchni sił poprzecznych, dzięki czemu uzyskuje się wysoką odporność na łuszczenie, co przy dużej twardości warstwy zewnętrznej gwarantuje dużą trwałość. Wynalazek zatem zapewnia wysoką opłacalność.

Za pomocą podgrzewania można uzyskać zwiększenie twardości warstwy spodniej lub wierzchniej. Istnieje zatem możliwość indywidualnego dopasowania stopnia twardości do konkretnych warunPL 192 821 B1 ków. Jak wspomniano wyżej szczególnie korzystna temperatura podgrzewania 350°C pozwala na uzyskanie optymalnych twardości bez zmieniania struktury materiału podłoża.

Dalsza możliwość dopasowywania stopnia twardości do wymagań konkretnego zastosowania polega na zmienianiu składu stosowanego brązu aluminiowego. Jeżeli istnieje potrzeba uzyskania szczególnie wysokiej twardości, można zastosować korzystnie brąz aluminiowy zawierający 13-16% Al, 4-5% Fe, 0,2-0,8% Si, 1-2% Mn, najwyżej 0,2% C, a resztę stanowi Cu. Mniejszą twardość daje się uzyskać przez zastosowanie brązu aluminiowego zawierającego 8-11% Al, 4-6% Ni, 3-5% Fe, 1-2% Mn, a resztę stanowi Cu.

Twardość warstwy zewnętrznej i/lub warstwy spodniej daje się zatem dostosować do wymagań konkretnego zastosowania.

W większości przypadków korzystne jest, gdy wszystkie warstwy tworzące powłokę ochronną wykonane są z takiego samego brązu aluminiowego. Ułatwia to wytwarzanie i zapewnia szczególnie jednorodne połączenie pomiędzy kolejnymi warstwami.

Jak wspomniano wyżej na zewnętrznej, odpornej na ścieranie warstwie, w celu uzyskania dobrych właściwości docierania umieszcza się szybko ścieralną powłokę, na przykład z MoS2. Ta warstwa docierania sama znika podczas docierania, dzięki czemu twarda warstwa nośna utworzona przez zewnętrzną warstwę z brązu aluminiowego jest stopniowo odsłaniana i dopiero po pewnym czasie docierania zaczyna pracować, dzięki czemu zwiększa się czas eksploatacji.

Wynalazek zostanie wyjaśniony w przykładach wykonania przedstawionych na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia widok częściowy prowadnicy krzyżulcowej dużego dwusuwowego silnika wysokoprężnego, afig. 2 - powiększony wycinek konstrukcji z fig. 1 przedstawiający przekrój powierzchni z powłoką ochronną.

Przedmiotowy wynalazek można stosować wszędzie tam, gdzie stalowy element wymaga powłoki ochronnej o twardości przewyższającej twardość stali, która wynosi w przybliżeniu 200 HV. Jest tak przykładowo w przypadku silnie obciążonych powierzchni bieżnych silników takich jak silniki tłokowe, prowadnice krzyżulcowe itp. Dzięki powłoce ochronnej twardszej niż materiał podstawowy zmniejsza się prędkość ścierania i przez to przedłuża się żywotność. Dąży się zatem do możliwie dużej twardości obciążonej powierzchni oraz możliwie dobrego połączenia z materiałem podstawowym.

Pokazany na fig. 1 wycinek z kadłuba dużego dwusuwowego silnika wysokoprężnego zawiera dwie ściany 2 stojana obejmującego z boków krzyżulec 1. Ten krzyżulec 1ma boczne trzewiki ślizgowe 3, które przy swych końcach są wyposażone w płyty prowadzące 4, posiadające oddalone od siebie powierzchnie łożyskowe. Płyty te poruszają się na przewidzianych po stronie stojana prowadzących szynach 5, posiadających zwrócone ku sobie powierzchnie bieżne. Płyty prowadzące 4 i szyny prowadzące 5 wykonane są ze stali jako materiału podstawowego iw obszarze swych zwróconych ku sobie powierzchni bieżnych są wyposażone w ochronną powłokę 6, która ma twardość większą niż stal i dlatego zapewnia długi czas eksploatacji. Tego rodzaju powłoka ochronna może oczywiście być wykonana również na innych, podlegających podobnym obciążeniom częściach ze stali, takich jak panewki łożyskowe, pierścienie tłokowe itd.

Ochronna powłoka 6 jest wykonana z brązu aluminiowego i złożona jest z dwóch korzystnie kolejno napawanych na stalowym materiale podstawowym 7 warstw wewnętrznej 8 i zewnętrznej 9, usytuowanych jedna na drugiej. Twardość stali wynosi z reguły 100-200 HV. Twardość brązu aluminiowego z reguły jest rzędu 200 HV. Warstwa wewnętrzna 8 napawana jako pierwsza na stalowy materiał podstawowy 7 ma niespodziewanie twardość około 300-400 HV. Warstwa zewnętrzna 9 charakteryzuje się, niespodziewanie, znacznie większą twardością 500-600 HV. Warstwa zewnętrzna 9 nadaje się zatem szczególnie dobrze jako warstwa nośna odporna na ścieranie, która nawet w trudnych warunkach pracy zapewnia długi czas eksploatacji.

Często korzystnie jest, gdy bardzo twarda warstwa nośna zaczyna pracować dopiero po określonej fazie docierania. W takich przypadkach, jak pokazano na fig. 2, na warstwie zewnętrznej 9 można umieścić warstwę docierania 10 wykonaną ze stosunkowo szybko ścieralnego materiału, np. z MoS2, która sama znika w trakcie docierania i wtedy zaczyna pracować warstwa zewnętrzna 9posiadająca dużą twardość, wykonana z brązu aluminiowego.

Dolna, mająca mniejszą twardość warstwa wewnętrzna 8 spełnia, praktycznie, rolę średniej twardości warstwy wiążącej, która łączy bardzo twardą warstwę zewnętrzną 9 z miękkim, w porównaniu z nią, materiałem podstawowym 7. Dzięki temu uzyskuje się stopniowe przejście od większej do mniejszej twardości. Równocześnie warstwa wewnętrzna 8 na skutek swej mniejszej twardości ma większą ciągliwość i odporność na obciążenia dynamiczne, tak że te zaznaczone strzałkami 11, 12,

PL 192 821 B1 równoległe do powierzchni siły tnące i prostopadłe do powierzchni siły poprzeczne są dobrze przenoszone na materiał podstawowy 7. W przedstawionym przykładzie napawane na siebie warstwy 8, 9 mają jednakowe grubości wynoszące 1,5 mm. Oczywiście możliwa jest też inna grubość, obie warstwy mogą także mieć grubości różniące się między sobą. Do pomyślenia jest również napawanie na siebie więcej niż dwóch warstw.

Przy wytwarzaniu warstw 8, 9 stosuje się korzystnie brąz aluminiowy, który zawiera 8-25% Al, co najmniej jeden ze składników Sb, Co, Re, Cr, Sn, Mn, Si, C, Zn, Fe, Ni, Pb oraz C każdy w ilości 0,2-10%, a resztę stanowi Cu. Jeżeli pożądane są szczególnie duże twardości jednej i/lub drugiej warstwy 8, 9, można korzystnie stosować brąz aluminiowy, który zawiera 13-16% Al, 4,5% Fe, 0,20,8% Si, 1-2% Mn, najwyżej 0,2% C, a resztę stanowi Cu. Jeżeli natomiast pożądana jest nieco mniejsza twardość jednej i/lub drugiej warstwy 8, 9 można stosować brąz aluminiowy zawierający 8-11% Al, 4-6% Ni, 3-5% Fe, 1-2% Mn, a resztę stanowi Cu. Zależnie od zastosowania można na każdą z warstw 8, 9 stosować inny brąz aluminiowy. Z reguły korzystne jest jednak stosowanie na obie warstwy takiego samego brązu aluminiowego.

Warstwy 8, 9 mogą być, jak już wspomniano, nakładane przez napawanie. Można w tym celu wykorzystywać łuk elektryczny albo promieniowanie laserowe lub płomienie.

W celu zwiększenia osiąganej twardości można przedmiot obrabiany podgrzewać przed każdym nakładaniem warstwy aluminium, to znaczy materiał podłoża 7 przed nałożeniem spodniej warstwy oraz tak powleczony produkt pośredni przed nałożeniem warstwy zewnętrznej 9. Podgrzewanie przeprowadza się korzystnie w piecu, przy czym szczególnie korzystna temperatura tego procesu wynosi około 350°C.

Claims (12)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania odpornej na ścieranie powierzchni na elementach stalowych, znamienny tym, że na stalowy materiał podłoża (7) w celu utworzenia powłoki (6) z warstwą pośrednią twardszą od stali i jeszcze twardszą warstwą zewnętrzną natapia się kolejno kilka warstw (8, 9) z brązu aluminiowego.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że natapia się dwie warstwy wewnętrzną (8) i zewnętrzną (9) z brązu aluminiowego.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że tworzące ochronną powłokę (6) warstwy (8, 9) napawa się.
4. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że materiał przyjmujący przed nakładaniem warstwy wewnętrznej (8) albo zewnętrznej (9) ochronnej powłoki (6) podgrzewa się w piecu.
5. 5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że podgrzewa się do temperatury około 350°C.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że tworzące ochronną powłokę (6) warstwy (8, 9) mają taki sam skład.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że tworzące ochronna powłokę (6) warstwy (8, 9) wykonane są z brązu aluminiowego zawierającego 8-25% Al, co najmniej jeden z następujących składników. Sb, Co, Be, Cr, Sn, Mn, Si, Cd, Zn, Fe, Ni, Pb oraz C, każdy w ilości 0,2-10%, a resztę stanowi Cu.
8. 8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że co najmniej jedna warstwa (8, 9) ochronnej powłoki (6) jest wykonana z brązu aluminiowego zawierającego 13-16% Al, 4-5% Fe, 0,2-0,8% Si, 1-2% Mn, a resztę stanowi Cu.
9. 9. Sposób według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że co najmniej jedna warstwa (8, 9) ochronnej powłoki (6) jest wykonana z brązu aluminiowego zawierającego 8-11% Al, 4-6% Ni, 3-5% Fe, 1-2% Mn, a resztę stanowi Cu.
10. 10. Maszyna, zwłaszcza wysokoprężny silnik tłokowy, z co najmniej jednym elementem stalowym, którego przynajmniej część powierzchni jest odporna na ścieranie, znamienna tym, że posiada odporną na ścieranie ochronną powłokę (6), która jest złożona z wielu, korzystnie z dwóch przykrywających się warstw wewnętrznej (8) i zewnętrznej (9) z brązu aluminiowego natopionych na stalowym materiale (7) podłoża.
11. 11. Maszyna według zastrz. 10, znamienna tym, że twardość warstwy wewnętrznej (8) bliskiej materiałowi podłoża wynosi 300-400 HV, a twardość warstwy zewnętrznej (9) bliskiej powierzchni wynosi 500-600 HV.

    PL 192 821 B1
12. 12. Maszyna według zastrz. 10 albo 11, znamienna tym, że w stanie nowym na zewnętrznej warstwie brązu aluminiowego umieszczona jest wykonana z szybko ścieralnego materiału powłoka (10) docierania.