RU2060124C1

RU2060124C1 - Constricted arc treatment method

Info

Publication number: RU2060124C1
Authority: RU
Inventors: Н.И. Захаров; В.В. Трищенков; Г.А. Видясов
Original assignee: Центральный научно-исследовательский дизельный институт
Priority date: 1989-12-18
Filing date: 1989-12-18
Publication date: 1996-05-20

Abstract

FIELD: engine construction. SUBSTANCE: method involves preliminarily heating internal combustion engine piston work piece; melting a portion of piston groove by constricted arc; introducing powderlike alloying metal into molten metal bath, with metal powder being supplied to constricted arc active cathode spot zone; maintaining molten metal volume in bath at constant level and uniformly reducing constricted arc current by 10-30%. EFFECT: increased wear-resistance and strength of piston groove zone. 1 tbl

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и направлено на повышение износостойкости канавки поршня, выполненного из алюминиевого сплава. Способ может быть использован в других областях машиностроения, где необходимо локальное упрочнение, повышение жаропрочности и износостойкости алюминиевых сплавов. The invention relates to mechanical engineering, in particular to engine building, and is aimed at increasing the wear resistance of the piston groove made of aluminum alloy. The method can be used in other areas of engineering, where local hardening, increasing the heat resistance and wear resistance of aluminum alloys is necessary.

Известен способ наплавки твердого поверхностного слоя, заключающийся в том, что в жидкую металлическую ванну, создаваемую плазменной струей, подают порошковый присадочный материал, содержащий легирующие элементы, причем порошок подают концентрично дуге [1[ и [2]
Недостатком указанных способов является, во-первых, малая глубина проплавления основного металла при формировании поверхностного упрочненного слоя из присадочного материала и, во-вторых, невозможность легирования алюминиевого сплава поршня с температурой плавления 600-700^оС порошковыми материалами с температурой плавления 1500-1600^оС и более.A known method of surfacing a solid surface layer, which consists in the fact that in a liquid metal bath created by a plasma jet, a powder filler material containing alloying elements is fed, the powder being fed concentrically to the arc [1 [and [2]
The disadvantage of these methods is, firstly, the small penetration depth of the base metal during the formation of the surface hardened layer of filler material and, secondly, the impossibility of alloying an aluminum alloy of the piston with a melting point of 600-700 ^o With powder materials with a melting point of 1500-1600 ^o C and more.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ, состоящий в проплавлении зоны канавки сжатой дугой с одновременным вводом в сварочную ванну легирующего материала. При этом осуществляют предварительный подогрев заготовки поршня. Closest to the invention in technical essence and the achieved result is a method consisting in melting the groove zone with a compressed arc while simultaneously introducing alloying material into the weld pool. In this case, the piston billet is preheated.

К недостаткам известного способа упрочнения канавок относится: невозможность получения химической и структурной однородности, а также равномерности физико-механических параметров сплава при более высоком, чем в прототипе процентном содержании легирующих элементов, например при содержании никеля более 9% что обусловлено низкой скоростью растворения легирующей проволоки и ее более высокой температурой плавления в сравнении с алюминиевым сплавом поршня. Образующиеся при этом крупные включения интерметаллидов в целом снижают износостойкость и твердость сплава и затрудняют последующую механическую обработку. Охлаждение заготовки сжатым воздухом оказывается малоэффективным из-за высоких градиентов температурного поля и наличия встречных тепловых потоков при легировании по замкнутому контуру, тем самым не обеспечивается в полной мере постоянство температуры заготовки, что вызывает неравномерность геометрических и физико-механических параметров по длине зоны легирования. The disadvantages of the known method of hardening grooves include: the inability to obtain chemical and structural homogeneity, as well as the uniformity of the physicomechanical parameters of the alloy at a higher percentage of alloying elements than in the prototype, for example, with a nickel content of more than 9% due to the low dissolution rate of the alloying wire and its higher melting point compared to aluminum alloy piston. The large intermetallic inclusions formed in this case as a whole reduce the wear resistance and hardness of the alloy and complicate subsequent machining. Cooling the workpiece with compressed air is ineffective due to high temperature field gradients and the presence of oncoming heat fluxes during alloying along a closed loop, thereby not ensuring the constant temperature of the workpiece, which causes uneven geometric and physico-mechanical parameters along the length of the alloying zone.

Целью изобретения является повышение износостойкости и прочности алюминиевого сплава поршня в зоне канавки. The aim of the invention is to increase the wear resistance and strength of the aluminum alloy of the piston in the groove zone.

В известном способе упрочнения канавок, включающем подогрев заготовки поршня, переплав зоны канавки сжатой дугой с образованием жидкой ванны, в жидкую ванну вводят порошковый легирующий материал, который подают в область электрически активного катодного пятна плазменной дуги. Процесс подачи порошка в область электрически активного катодного пятна плазменной дуги осуществляют настройкой газодинамической системы подачи порошка так, чтобы газодинамические силы, транспортирующие порошок, превышали электрические силы притяжения частиц порошка к аноду плазмотрона. In the known method of strengthening the grooves, which includes heating the billet of the piston, remelting the groove zone with a compressed arc to form a liquid bath, powder alloying material is introduced into the liquid bath, which is fed into the region of the electrically active cathode spot of the plasma arc. The process of supplying the powder to the region of the electrically active cathode spot of the plasma arc is carried out by adjusting the gas-dynamic powder supply system so that the gas-dynamic forces transporting the powder exceed the electric forces of attraction of the powder particles to the plasma torch anode.

Для установки плазменной сварки обратной полярности УПС 501 ввод транспортирующего порошка осуществляют под углом 30^о по отношению к оси основной плазменной струи при расходе газа, приведенного в примере. Легирование ведут при поддержании постоянного объема ванны расплавленный металл и при снижении тока сжатой дуги на 10-30% Порошковый материал вводят в жидкую ванну алюминиевого сплава непосредственно в область электрически активного катодного пятна сжатой дуги на поверхности жидкой ванны. При этом достигают оптимального соотношения температур жидкой алюминиевой ванны и порошкового легирующего материала, например алюминида никеля с температурой плавления 1500^оС. Введение порошка в область максимальной температуры и динамического давления на поверхности ванны (электрически активное катодное пятно дуги) обеспечивает полное его растворение и интенсивное перемешивание в объеме жидкой алюминиевой ванны, за счет чего достигается высокая структурная и химическая однородность полученного сплава при высоком процентном содержании легирующего элемента (например, никеля до 12%). Введение расплавленного порошка концентрированным потоком непосредственно в область катодного пятна дуги и в отличие от известного способа вдувания порошка в столб плазменной дуги устраняет отрицательное влияние катодного распыления (значительно возрастающего эффекта при введении в дугу обратной полярности порошковых материалов) на надежность плазмотрона и снижает турбулентность потока защитного газа, что имеет существенное значение для надежной защиты алюминиевой жидкой ванны от окисления. При этом скорость легирования возрастает за счет увеличения площади взаимодействия легирующего материала с металлом ванны.For installation of plasma welding of reverse polarity UPS 501, the input of the transporting powder is carried out at an angle of 30 ^about the axis of the main plasma jet with the gas flow rate shown in the example. The alloying is carried out while maintaining a constant bath volume, the molten metal and while reducing the current of the compressed arc by 10-30%. The powder material is introduced into the aluminum alloy liquid bath directly into the region of the electrically active cathode spot of the compressed arc on the surface of the liquid bath. When this temperature reaches the optimum ratio of liquid and powdered aluminum bath alloying material, such as nickel aluminide having a melting point ^of 1500 C. The introduction of the powder to the maximum temperature and the dynamic pressure on the bath surface (electrically active cathodic arc spot) allows its complete dissolution and intensive mixing in the volume of a liquid aluminum bath, due to which a high structural and chemical uniformity of the obtained alloy is achieved at a high percentage of alloying element (for example, nickel up to 12%). The introduction of the molten powder in a concentrated stream directly into the region of the cathode spot of the arc and, in contrast to the known method of injecting powder into the column of the plasma arc, eliminates the negative effect of cathode sputtering (a significantly increasing effect when powder materials are reversed into the arc) on the reliability of the plasma torch and reduces the turbulence of the protective gas flow , which is essential for the reliable protection of the aluminum liquid bath from oxidation. In this case, the alloying rate increases due to an increase in the area of interaction of the alloying material with the bath metal.

Легирование при снижении тока плазменной дуги обеспечивает постоянный объем жидкой алюминиевой ванны в процессе легирования и, следовательно, стабильность геометрических и физико-механических параметров по длине контура зоны легирования при переменной температуре заготовки, а величина снижения тока плазменной дуги на 10-30% от начального его значения в течение цикла легирования зависит от массы и размеров заготовки поршня и определяется экспериментально. Alloying with a decrease in the plasma arc current provides a constant volume of the liquid aluminum bath during the alloying process and, therefore, the stability of geometric and physico-mechanical parameters along the length of the contour of the alloying zone at a variable workpiece temperature, and the magnitude of the decrease in the plasma arc current by 10-30% of its initial values during the doping cycle depends on the mass and size of the piston billet and is determined experimentally.

П р и м е р. Предварительно подогретая заготовка поршня вращается вокруг собственной оси. Плазмотрон генерирует сжатую дугу и на поверхность образовавшейся жидкой алюминиевой ванны в область катодного пятна транспортирующим газом подают порошковый легирующий материал. Легирование зоны канавки поршня диаметром 120 мм (состав сплава, мас. кремний 12, магний 1,2, марганец 0,6, медь 3; никель 1,3, цинк 0,5, олово 0,2, железо 0,8, остальное алюминий) проводилось в автоматическом режиме при следующих параметрах: продолжительность цикла 80 с; расход порошка 0,9 кг/ч; расход плазмообразующего газа 0,04 м³/ч; расход транспортирующего газа 0,03 м³/ч, начальный ток дуги 360А, конечный ток дуги 280А, заварка кратера 10 с.PRI me R. The preheated billet of the piston rotates around its own axis. The plasma torch generates a compressed arc, and powder alloying material is fed into the cathode spot region onto the surface of the liquid aluminum bath formed. Doping of the piston groove zone with a diameter of 120 mm (alloy composition, wt. Silicon 12, magnesium 1.2, manganese 0.6, copper 3; nickel 1.3, zinc 0.5, tin 0.2, iron 0.8, rest aluminum) was carried out automatically with the following parameters: cycle time 80 s; powder consumption 0.9 kg / h; the plasma gas flow rate of 0.04 m ³ / h; flowing gas flow rate 0.03 m ³ / h, initial arc current 360A, final arc current 280A, crater welding 10 s.

Состав порошкового легирующего материала: алюминий 15% никель остальное. Получена кольцевая зона легирования, имеющая площадь сечения 30-35 мм², с содержанием никеля 11,5-12% и твердостью 175-180 НВ. Металлографическое исследование зоны легирования показало, что полученный сплав имеет ярко выраженное дендритное строение в виде игл алюминида никеля в матрице алюминиевого сплава, мелкодисперсную структуру с содержанием соединений Al₃Ni₂, Al₃Ni, Si₃Ni. Поверхность упрочненной зоны не превышает 0,07 см³/100 г сплава. Максимальные остаточные сварочные напряжения после термической и механической обработке составляют 3-5 МПа.The composition of the powder alloying material: aluminum 15% nickel else. An annular alloying zone is obtained having a cross-sectional area of 30-35 mm ² , with a nickel content of 11.5-12% and a hardness of 175-180 HB. A metallographic study of the doping zone showed that the alloy obtained has a pronounced dendritic structure in the form of nickel aluminide needles in an aluminum alloy matrix, a finely dispersed structure containing Al ₃ Ni ₂ , Al ₃ Ni, Si ₃ Ni compounds. The surface hardened zone does not exceed 0.07 cm ^3/100 g of alloy. The maximum residual welding stresses after heat and machining are 3-5 MPa.

Результаты сравнительных исследований и испытаний для однотипных поршней сведены в таблицу. The results of comparative studies and tests for the same type of pistons are summarized in the table.

Предложенный способ легирования зоны канавки алюминиевого поршня имеет по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
увеличение износостойкости и прочности канавки за счет повышения процентного содержания легирующих элементов и высокой структурной и химической однородности сплава;
увеличение производительности процесса легирования в 1,5-2 раза.The proposed method of alloying the groove zone of an aluminum piston has the following advantages compared to existing methods:
increase in wear resistance and groove strength by increasing the percentage of alloying elements and high structural and chemical uniformity of the alloy;
1.5-2 times increase in productivity of the alloying process.

Технологический процесс легко автоматизируется и является наиболее простым и экономичным. The technological process is easily automated and is the most simple and economical.

Claims

A method of processing a compressed arc of a groove zone of an aluminum piston of an internal combustion engine, in which the piston billet is preheated, the groove zone is molten, and alloying material is introduced into the molten metal bath, characterized in that the alloying material is used in powder form, and it is fed into the active cathode zone spots of the compressed arc, and during processing they maintain a constant volume of the bath of molten metal, smoothly reducing the current of the compressed arc by 10 30%