UA149762U - Спосіб зміцнення робочих поверхонь поршневих кілець двигунів внутрішнього згоряння - Google Patents

Abstract

Спосіб зміцнення робочих поверхонь поршневих кілець двигунів внутрішнього згоряння, що включає попередню абразивно-струменеву обробку поверхонь протягом певного часу карбідом кремнію з розміром частинок 1,3-1,6 мм, з наступним напилюванням порошкової суміші, причому під час нанесення теплозахисного зносостійкого покриття на деталі з чавуну і сталі, що включає повітряно-плазмове напилення шару складу Ni-C-Cr-Si-B-Fe (нікель - основа) при І=280-320 А, U=40-50 В, дистанція напилювання 100-120 мм та постійних параметрах: швидкість обертання зразків - 45 об./хв, лінійна швидкість переміщення зразків щодо плазмового струменя - 18,4 м/хв; діаметр шихтопроводу в соплі анода - 2 мм; відстань від місця введення порошку до зрізу сопла - 4 мм; вісь плазмового струменя перпендикулярна осі обертання зразка, з подальшим газотермічним оплавленням поверхні, перед плазмовим напиленням проводять абразивно-струменеву обробку карбідом кремнію з розміром частинок 1,1-1,3 мм, а напилення здійснюють з самофлюсуючої механічної порошкової суміші, яка додатково містить карбід хрому, при наступному співвідношенні компонентів, ваг. %: вуглецю 0,6-1,4, хрому 12-20, кремнію 2,4-4,8, бору 2,0-4,3, заліза 3-7, нікель - основа, у результаті чого на поверхні деталей утворюють зносостійке покриття товщиною від 180 до 200 мкм залежно від розміру деталі та умов її експлуатації.

Description

Корисна модель належить до галузі машинобудування, а саме - до способів зміцнення робочих поверхонь поршневих кілець двигунів внутрішнього згоряння шляхом повітряно- плазмового напилювання з використанням послідуючого газотермічного опалювання поверхні і може бути застосована для зміцнення робочих поверхонь деталей автотракторних двигунів.

Поршневі кільця є елементами ущільнювачів на поршнях, наприклад двигуна внутрішнього згоряння або поршневого компресора. У двигуні внутрішнього згоряння поршневі кільця ущільнюють зазор між поршневою головкою і стінкою циліндра, відокремлюючи його від порожнини згоряння. У сучасних двигунах на один циліндр використовують в цілому три поршневих кільця, виконання яких залежить від їх розташування. Головне завдання найближчого до порожнини згоряння поршневого кільця, так званого компресійного кільця, полягає в ущільненні та відведення тепла. Саме нижнє кільце, так зване маслоз'ємне кільце, знімає мастило зі стінки циліндра і при цьому дозує масляну плівку, через яку ковзають верхні кільця під час підйому. Середнє кільце грає важливу роль в регулюванні витрати масла і додатково ущільнює від газів згоряння.

При зворотно-поступальному русі поршня поршневе кільце, з одного боку, ковзає своєю зовнішньою окружною поверхнею щодо стінки циліндра з постійним пружинним притиском до неї, з іншого боку, внаслідок зміни напрямку руху поршня, поршневе кільце поперемінно ковзає у своїй канавці для поршневого кільця, причому його торцеві сторони поперемінно прилягають до верхньої або до нижньої сторони канавки. При відповідному відносному русі деталі труться при ковзанні і залежно від матеріалу, з якого вони виконані, відбувається більший або менший знос, який при сухому терті може призводити до так званого задиру поршня, утворення борозен і кінець кінцем до руйнування двигуна.

З метою виготовлення інтенсивно навантажених частин двигунів внутрішнього згоряння, таких як поршневі кільця, в основному використовуються чавуни або чавунні сплави.

Хімічний склад чавунів для виготовлення поршневих кілець наведено у таблиці 1.

У інтенсивно навантажених двигунах внутрішнього згоряння, таких як 4-тактні й 2-тактні двигуни, поршневі кільця, особливо компресійні поршневі кільця, піддаються все більш високому навантаженню. Крім іншого, на поршневі кільця діє високий піковий компресійний тиск, висока температура згоряння і зменшення мастильної плівки, які значно впливають на

Зо функціональні властивості, такі як зносостійкість, стійкість до утворення припалювання, мікрозварювання і корозійну стійкість.

Відомі способи нанесення конденсаційних і дифузійних покриттів, кожен з яких має свої різновиди (Коломьіцев П.Т. Вьісокотемпературнье защитнье покрьїтия для никелевьїх сплавов.

М.: Металлургия, 1991. - 236 с.|.

Теплозахисні покриття характеризуються більш низькою теплопровідністю, але розтріскуються і відшаровуються при теплозмінах під дією термомеханічних навантажень.

Для забезпечення працездатності деталей циліндропоршневої групи ефективно застосовуються електролітичні хромові покриття і теплозахисні покриття, отримані методом електронно-променевого напилення або плазмового осадження на повітрі або у вакуумі

ІПовьишшение износостойкости деталей двигателей внутреннего сгорания. М.М. Хрущев. - М.:

Машиностроение, 1972.|.

Електролітичні хромові покриття в основному задовольняють зазначеним вимогам діючих виробництв. Твердість зазначених покриттів знаходиться на рівні 900-1000 НУ, адгезійна міцність - до 700 кг/сме, порівняно низький коефіцієнт тертя, задовільна припрацьованість і масловбирання, висока теплопровідність.

Однак через неможливість нанесення електролітичних хромових осадів більш як 200 мкм ресурс їх часом нижче ресурсу двигунів до 1-го ремонту. А підвищення твердості покриття знижує припрацьованість кільця в гільзі та вимагає високої точності виготовлення кілець. Через недостатню товщину покриття подальша обробка під геометрію гільзи досить важка і трудомістка.

Електролітичний хром незадовільно працює на тертя і зношування при високих температурах через різке зниження твердості (при 300 "С твердість становить 800 кг/мм-, а при 700 706-200 кг/мм7). Через те, що поліморфного перетворення в хромових опадах немає, то термообробкою твердість покриттів не підвищується. Якщо покриття має недостатню пористість, то при температурі понад 300 "С твердий хром в умовах незадовільного змащування непрацездатний - виникають припалювання, задири. Локальне підвищення температури призводить до інтенсивного розм'якшення, схоплюванню, сколювання покриттів. В процесі напрацювання пористий шар значно втрачає міцність через втомне зношування в умовах підвищених температур. Через те, що температурний коефіцієнт лінійного розширення бо хромових покриттів нижче матеріалу кільця (чавун, сталь), то в покритті можуть виникати напруження розтягу, що сприяють термоциклічному і корозійному розтріскуванню покриттів. У дизельних двигунах, в результаті присутності в паливі сірки, можливе утворення сірчаної кислоти, що може привести до утворення гальванічної пари при контакті з циліндром і сульфідної корозії.

Відомий спосіб нанесення хромового покриття на сталеві деталі (Патент на изобретение РФ 2269608, С23С 4/04, опубл. 10.02.2006 г, бюл. Мо 4|Ї. В даному способі не підвищена зносостійкість покриття, а збільшена адгезія покриття і продуктивність.

Відомий спосіб нанесення комбінованого жаростійкого покриття на лопатки турбін, що включає хромоалітування в порошковій суміші з подальшою термовакуумною обробкою, після чого проводять електронно-променеве напилення шару кераміки 2г02-8У203 на вхідні окрайки лопаток з подальшим відпалом для остаточного формування покриття (Патент на изобретение

РФ Мо 2272089, кл. С23С 28/00, опубл. 20.03.2006 г., бюл. Мо 8), склад якого відповідає умовам роботи зовнішньої поверхні робочих лопаток ГТД і неприйнятний для деталей циліндропоршневої групи автотракторної техніки.

Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним як найближчий аналог, є спосіб нанесення теплозахисного зносостійкого покриття на деталі з чавуну і сталі, що включає плазмове напилення підшару складу Со-Ст-АІ-Х і подальше напилення керметної композиції з механічної порошкової суміші складу 20-50 ваг. 96 ніхрому, 50-20 ваг. 96 діоксиду цирконію зі стабілізуючою добавкою, 20 мас. 95 карбіду хрому, 10 мас. 95 карбіду вольфраму. При цьому як стабілізуючу добавку в порошку діоксиду цирконію, використовують оксид ітрію, зміст якого становить 4-7 мас. 95 (Патент на изобретение РФ Мо 2425906, кл. С23С 4/04 (2006.01), С23С 24/04 (2006.01) опубл. 10.08.2011 г., бюл. Мо 22). Винахід забезпечує підвищення стійкості покриття до зношування при терті, твердості покриття, термостійкості, адгезії покриття до металу основи.

Недоліком аналогічних способів і застосовуваних матеріалів, у тому числі і найближчого аналога, є використання дорогих і дефіцитних для України матеріалів, зокрема ніхрому і ітрію, що ускладнює їх використання. Це не дозволяє використовувати згадані способи й матеріали в промислових об'ємах.

Основними причинами, по яким в аналогах і найближчому аналогу неможливо отримати технічний результат, що досягається, є недостатня твердість, незадовільна припрацьованість, дефіцитність використовуваних матеріалів.

Для підвищення стійкості покриття до зношування при терті необхідно підвищити твердість, зносостійкість, пластичність покриття, забезпечити рівномірність товщини покриття при одночасному її збільшенні.

Технічною задачею корисної моделі є поліпшення, порівняно з покриттями поршневих кілець, виготовленими за допомогою гальванічного способу або термічного напилення, трибологічних властивостей поршневих кілець внаслідок термічного напилення з наступним оплавленням поверхні до цього часу не використовуваної системи матеріалів покриття.

Суть корисної моделі полягає в тому, що в способі нанесення теплозахисного зносостійкого покриття на деталі з чавуну і сталі, що включає попередню абразивно-струменеву обробку поверхонь протягом певного часу карбідом кремнію з розміром частинок 1,3-1,6 мм, з наступним напилюванням порошкової суміші, причому під час нанесення теплозахисного зносостійкого покриття на деталі з чавуну і сталі, що включає повітряно-плазмове напилення шару складу Мі- б-Ст-5і-В-Ее (нікель - основа) при І - 280-320 А, 0О-40-50 В, дистанція напилювання 100-120 мм та постійних параметрах: швидкість обертання зразків - 45 об/хв, лінійна швидкість переміщення зразків щодо плазмового струменя - 18,4 м/хв; діаметр шихто про вода в соплі анода - 2 мм; відстань від місця введення порошку до зрізу сопла - 4 мм; вісь плазмового струменя перпендикулярна осі обертання зразка, з подальшим газотермічним оплавленням поверхні, перед плазмовим напиленням проводять абразивно-струменеву обробку карбідом кремнію з розміром частинок 1,1-1,3 мм, а напилення здійснюють з самофлюсуючої механічної порошкової суміші, яка додатково містить карбід хрому, при наступному співвідношенні компонентів, ваг. У: вуглецю 0,6-1,4, хрому 12-20, кремнію 2,4-4,8, бору 2,0-4,3, заліза 3-7, нікель - основа, у результаті чого на поверхні деталей утворюють зносостійке покриття товщиною від 180 до 200 мкм в залежності від розміру деталі та умов її експлуатації.

За наявними у заявника відомостями, сукупність суттєвих ознак, що характеризують суть корисної моделі, що заявляється, не відома з рівня техніки, що дозволяє зробити висновок про відповідність корисної моделі критерію "новизна".

Корисна модель, що заявляється, може бути неодноразово здійснена в машинобудуванні з використанням відомих засобів, та з одержанням очікуваного технічного результату, що бо дозволяє зробити висновок про її відповідність критерію "промислова придатність". Таким чином, склад покриття та спосіб одержання покриття на поршневі кільця, що заявляється, є технічним рішенням, що відповідає усім умовам патентоспроможності корисної моделі.

Пропонований спосіб нанесення зносостійкого покриття реалізують наступним способом.

Покриття наносять на компресійні та маслоз'ємні поршневі кільця автотракторної техніки.

Матеріал поршневих кілець - чавун марки СЧ (сірий) або ВЧ (високоміцний) з твердістю 96-112

НВ для сірого або 100-112 НВ для високоміцного чавуну.

Для напилення використовують установку повітряно-плазмового напилення типу УМІП-6 в складі джерела живлення ІСН-160/600-Ш, плазмотрона ПП-25, порошковий живильник.

Напилення здійснюють на установці, забезпеченій обертачем і пристроєм переміщення плазмотрона. Перед напиленням покриттів проводиться абразивно-струменева обробка карбідом кремнію з розміром частинок 1,3-1,6 мм. Використовують самофлюсівні механічні порошкові суміші, що додатково містять карбід хрому, при наступному співвідношенні компонентів, ваг. У: вуглецю 0,6-1,4, хрому 12-20, кремнію 2,4-4,8, бору 2,0-4,3, заліза 3-7, нікель - основа. Напилення покриттів за пропонованим способом здійснюють повітряним плазмотроном ПІП-25: при 1-280-320 А, 0-40-50 В, дистанція напилювання 100-120 мм з послідуючим газополум'яним оплавленням самофлюсуючих сплавів. Товщина покриттів 180- 200 мкм.

Плазмове напилювання проводять при наступних постійних параметрах: швидкість обертання зразків 45 об/хв, лінійна швидкість переміщення зразків щодо плазмового струменя - 18,4 м/хв; діаметр шихтопроводу в соплі анода - 2 мм; відстань від місця введення порошку до зрізу сопла - 4 мм; вісь плазмового струменя перпендикулярна осі обертання зразка. Режими газополум'яного оплавлення самофлюсуючих сплавів після плазмового напилювання встановлюють в наступних межах: тиск кисню, МПа - 0,4-0,6; тиск ацетилену, МПа - 0,02-0,04; витрата кисню, л/хв - 15-30; витрата ацетилену, л/хв - 107.

Проведене дослідження структури й твердості покриттів в оплавленому стані, а також після відпалу й після загартування показало, що оплавлені покриття характеризуються, в основному, гарною щільністю, хоча й трохи, меншою, ніж покриття ПГСР без карбідів хрому.

Збільшення пористості пов'язане з тим, що на деяких ділянках на границі шару й основного металу спостерігаються одиничні великі пори або навіть їх скупчення. Очевидно, що це ділянки,

Зо які мають поганий зв'язок з матрицею в напиленому стані. Більші скупчення газів у таких місцях не встигають продифундувати до поверхні й коагулюють на місці.

На кресленні приведена структура оплавленого шару. У всіх покриттях структура шару неоднорідна по глибині й спостерігається дві зони: в одній, пов'язаній з підкладкою, чітко виражена орієнтована стовпчаста дендритна структура литого металу; в іншій - структура більш однорідна, без помітної орієнтованості. Після травлення в шарі визначають три зони з різними по металографічному прояву структурами:

І - зона шару, що виходить на поверхню, відрізняється рівномірним розподілом однорідних виділень;

ІІ - середня зона, яка характеризується неоднорідними по розміру виділеннями;

І - зона шару, що примикає до підложки, має дендритну будову.

Відзначена будова шарів обумовлена особливостями їх оплавлення поверхневим газополум'яним нагріванням.

Використання оплавлення дозволяє істотно підвищити щільність покриття, відмінний зв'язок з підкладкою. Пористість оплавленого покриття складає приблизно 1,3 95.

Проведені випробування на зносостійкість показали значне підвищення зносостійкості поршневих кілець, що працюють в умовах тертя з високими ударними навантаженнями й абразивним зношуванням, результати яких наведені в табл. 2.

З отриманих експериментальних даних випливає, що покриття сплавами Мі-С-51і-В помітно підвищує зносостійкість виробів, зменшуючи при цьому зношування сполучення деталі.

Додавання карбідів хрому більш, ніж у три рази підвищує зносостійкість покриття в порівнянні зі сталлю З38ХО. Загартування покриттів з утворенням карбідів хрому трохи знижує зносостійкість покриття, але все ж таки залишає її на досить високому рівні.

Використання запропонованого складу покриття та способу одержання покриття на поршневі кільця дозволяють забезпечити підвищення, продуктивності і спрощення технологічного процесу, підвищення його екологічності, а також підвищення зносостійкості одержаного покриття внаслідок підвищення його адгезії та збільшення товщини покриття при забезпеченості високої якості. За рахунок цього досягається зниження собівартості, екологічність процесу, підвищення довговічності та строку експлуатації поршневих кілець при високих значеннях експлуатаційних параметрів. По даній корисній моделі були проведені бо випробування щодо здійснення розробленого способу одержання покриття на поршневі кільця,

які підтвердили його працездатність, високу ефективність заявленого способу і одержання очікуваного технічного результату та позитивного ефекту. Розроблений спосіб одержання покриття на поршневі кільця двигунів внутрішнього згорання був впроваджений на ДП "Завод імені Малишева". Запропонований спосіб одержання покриття на поршневі кільця може знайти ефективне застосування у машинобудуванні для одержання зносостійкого покриття на різних деталях.

Таблиця 1

Хімічний склад чавунів для виготовлення поршневих кілець чавун! С | 5 | Мп | Ст | М | Мо | Си | Мо | Р | 5/ сч25 |32-34|141,710609| - | - | - 1 - | - | «03 | «олБі вч42 | 3,4-3,7 | 2,1-2,5 |0,85-1,3 1,2-1,5 | 0,6-0,9 | 0,3-0,4 | 0,03-0,1

Таблиця 2

Результати випробувань на зносостійкість

Сталь З8ХС

ПГОРА 0,247 0,136

ПГСРАчАО 95 СтзС2 0,102 0,089

ПГОРАчнаО 96

Claims (1)

1. - ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб зміцнення робочих поверхонь поршневих кілець двигунів внутрішнього згоряння, що включає попередню абразивно-струменеву обробку поверхонь протягом певного часу карбідом кремнію з розміром частинок 1,3-1,6 мм, з наступним напилюванням порошкової суміші, який відрізняється тим, що під час нанесення теплозахисного зносостійкого покриття на деталі з чавуну і сталі, що включає повітряно-плазмове напилення шару складу Мі-С-Ст-5і-В-Ее (нікель - основа) при І-280-320 А, 0-40-50 В, дистанція напилювання 100-120 мм та постійних параметрах: швидкість обертання зразків - 45 об.хв, лінійна швидкість переміщення зразків щодо плазмового струменя - 18,4 м/хв; діаметр шихтопроводу в соплі анода - 2 мм; відстань від місця введення порошку до зрізу сопла - 4 мм; вісь плазмового струменя перпендикулярна осі обертання зразка, з подальшим газотермічним оплавленням поверхні, перед плазмовим напиленням проводять абразивно-струменеву обробку карбідом кремнію з розміром частинок 1,1-1,3 мм, а напилення здійснюють з самофлюсуючої механічної порошкової суміші, яка додатково містить карбід хрому, при наступному співвідношенні компонентів, ваг. 9: вуглецю 0,6-1,4, хрому 12-20, кремнію 2,4-4,8, бору 2,0-4,3, заліза 3-7, нікель - основа, у результаті чого на поверхні деталей утворюють зносостійке покриття товщиною від 180 до 200 мкм залежно від розміру деталі та умов її експлуатації.

   ОН он нин нон нн В ВК В ОХ ОК нн ЗК В мно КВ НИ а пк о оо я а ч А пе жо КК М Ся що ОВ КО ду Ж ве и щОХ ДК дя МК ЖЖ З НН я ех Кв а ше . саше нн МО ОКО в о не шо кас Б сх ок . п. Й Ол КК ш ВООЗ ОО о НН и я п т ек в Ов и НИ Б а ОО о М НН НН НЯ КУ ОККО и В в и и В ШЕ НЯ по. я. он коку, ЕОМ ОН МО є М . ЖК гц о С ХО ВН а Ву КК М КО т КК Я шо 5 ША ко ен шо м в о о І Ше ше о не ее в с НЕ Я Еш іх шаф Б кон вх, ТАМ г в М Кк я В Б г ще КЕ я Ех Сх Ки ОЕ З СЯ ї ЗОНИ З еВ х жа не» а НЕ З ен з а м НИ шо ше; че КО ож а о о и з а в ех ний пока и не а ОО а а КК се ово ДОВ ях. поко Жолюю пов ем «Ж Й ООН Же км хну ОКО ва лев в и о ИН в ШОК ин и не Й г Мо Ка ОК а В КК оди Ах посох йо ЕН В са ОКО и нн о и ОН щи о о о и и НИ а МНН нг ше ром наш в ОН З ж ее аа в А Й Ж я о і ик о ВКА жюя ву о НИ НН Ко ИН Я ОО ет не В о ан и и НН п я. ОО а ІЙ джен

   З о. ОО. сок о в о НН в п, о в п М КК ЛВ ОВ ВО -