СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ЗОН КОЛЬЦЕВЫХ КАНАВОК ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F16J1/02 B23K15/00 B23P6/02 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно, к технологии упрочнения зон кольцевых канавок поршня путем электронно-лучевой наплавки в вакууме, и может быть использовано для упрочнения зон кольцевых канавок силуминовых поршней форсированных дизельных двигателей внутреннего сгорания.

Известен способ упрочнения зон кольцевых канавок поршней, изготовленных из силуминов эвтектического состава, заключающийся в том, что в месте будущей кольцевой канавки заготовки поршня производят наплавку путем расплавления электронным лучом в вакууме материала поршня с одновременным добавлением в расплавленный металл присадочного материала. Затем в наплавленном металле протачивают канавку заданных геометрических размеров. Наплавку проводят сканирующим электронным лучом, поэтому наплавленный металл в поперечном сечении имеет W-образуню форму [1].

Известен способ электронно-лучевого упрочнения зон кольцевых канавок поршней, изготовленных из эвтектических силуминов, при котором проводят электронно-лучевую наплавку в вакууме присадочным материалом на боковые поверхности предварительно проточенных с припусками на последующую механическую обработку канавок. В качестве присадочного материала используют сплав, содержащий до 25% никеля или кобальта [2].

Вышеописанные способы упрочнения зон кольцевых канавок поршней обладают общим недостатком - узкой областью применения - только для поршней, изготовленных из сплавов эвтектического состава, т.к. эти сплавы непригодны для изготовления поршней, предназначенных для работы на форсированных дизельных двигателях. Для таких двигателей необходимо в качестве материала поршней использовать силумины заэвтектического состава, которые обладают более высокой жаропрочностью и имеют самый низкий коэффициент термического расширения.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ упрочнения зон кольцевых канавок двигателя внутреннего сгорания, при котором на упрочняемой зоне кольцевой канавки заготовки поршня производят расплавление электронным лучом в вакууме материала поршня с одновременным добавлением в расплавленный материал поршня присадочного материала. В качестве материала поршня используют до- и эвтектические силумины марки АК4 и АЛ25, а в качестве присадочного материала используют алюминиевую проволоку доэвтектического состава, содержащую медь, никель, магний, марганец [3] . Наплавленный материал имеет повышенные характеристики твердости, которая определяет ресурс работы кольцевой канавки, а следовательно, и всего поршня (см. таблицу).

Недостатками способа, выбранного в качестве прототипа, являются низкие моторесурс и эксплуатационная надежность упрочненных предложенным образом поршней, предназначенных для работы на форсированных дизельных двигателях внутреннего сгорания, т. к. , во-первых, в качестве материала поршней используют до- или эвтектические силумины, обладающие пониженной жаропрочностью и повышенным коэффициентом линейного расширения, которые непригодны для изготовления поршней, работающих на мощных дизельных двигателях, во-вторых, в качестве используемого для наплавки присадочного материала применяют проволоку доэвтектического состава, наличие легирующих добавок в которой позволяет получить повышенные значения твердости наплавленного материала кольцевых канавок, но эти значения твердости наплавленного материала, особенно при высоких температурах, недостаточны для обеспечения износостойкости поршней в условиях работы на мощных дизельных двигателях. Кроме того, использование сложного в изготовлении многокомпонентного присадочного материала приводит к повышенной трудоемкости осуществления этого способа.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе упрочнения зон кольцевых канавок поршня двигателя внутреннего сгорания, при котором на упрочняемой зоне кольцевой канавки заготовки поршня производят расплавление электронным лучом в вакууме материала поршня с одновременным добавлением в расплавленный материал поршня присадочного материала, в качестве присадочного материала используют медь в количестве 1,5-2,0% от объема расплавленного материала поршня, необходимого для выполнения кольцевой канавки в упрочненной зоне, или нихром в количестве 3,5-4,0% от объема расплавленного материала поршня, необходимого для выполнения кольцевой канавки в упрочненной зоне. В качестве материала поршня используют заэвтектический силумин.

Техническим результатом является повышение моторесурса и эксплуатационной надежности поршней, предназначенных для работы на форсированных дизельных двигателях, при упрочнении зон кольцевых канавок этих поршней предложенным образом, а также снижение трудоемкости осуществления способа.

Повышение моторесурса и эксплуатационной надежности поршней, предназначенных для работы на форсированных дизельных двигателях, достигается за счет увеличения твердости материала в зонах стенок кольцевых канавок в результате электронно-лучевой наплавки, т.е. процесса расплавления электронным лучом в вакууме материала поршня в месте будущей кольцевой канавки с одновременным добавлением в расплавленный материал присадочного материала - меди в количестве 1,5-2,0% от объема расплавленного материала поршня, необходимого для выполнения кольцевой канавки в упрочненной зоне поршня, или нихрома в количестве 3,5-4,0% от объема расплавленного материала поршня, необходимого для выполнения кольцевой канавки в упрочненной зоне поршня (см. таблицу), при использовании в качестве материала поршня заэвтектического силумина, обладающего повышенной жаропрочностью и пониженным коэффициентом термического расширения.

Снижение трудоемкости осуществления способа упрочнения зон кольцевых канавок поршня двигателя внутреннего сгорания обеспечивается путем уменьшения трудозатрат на упрочнение зон кольцевых канавок вследствие доступности используемых одно- или двухкомпонентных присадочных материалов - меди и нихрома.

Использование в качестве присадочного материала меди в количестве 1,5-2,0% от объема расплавленного материала поршня, необходимого для выполнения кольцевой канавки в упрочненной зоне, является оптимальным, поскольку при содержании меди менее 1,5% от указанного объема расплавленного материала поршня твердость наплавленного материала снижается до 1600 МПа, а при содержании меди большем, чем 2,0% от объема расплавленного материала поршня, необходимого для выполнения кольцевой канавки в упрочненной зоне, первоначальная твердость наплавленного материала является достаточно высокой, но в процессе выдержки этого наплавленного материала при температуре 250^oC происходит значительное снижение его твердости. Следовательно, при работе поршня произойдет разупрочнение наплавленного материала в зонах кольцевых канавок поршня, так как температура в зонах кольцевых канавок, особенно в зоне первой канавки под компрессионное кольцо, находится в пределах 230 - 250^oC. Снижение твердости материала, наплавленного с добавлением меди в количестве более 2,0% от объема расплавленного материала поршня, происходит за счет структурных изменений, аналогичных процессу перестаривания, что ухудшает эффект дисперсионного твердения.

Использование в качестве присадочного материала нихрома в количестве 3,5-4,0% от объема расплавленного материала поршня, необходимого для выполнения кольцевой канавки в упрочненной зоне, является оптимальным, поскольку при содержании нихрома менее 3,5% от указанного объема расплавленного материала поршня степень пересыщения твердого раствора алюминия, т.к. силумин является сплавом на основе алюминия, интерметаллидными фазами еще недостаточна, чтобы обеспечить стабильность свойств направленного материала, а именно, минимизировать снижение твердости при последующем перестаривании сплава, а при содержании нихрома большем, чем 4,0% от объема расплавленного материала поршня, необходимого для выполнения кольцевой канавки в упрочненной зоне, снижается пластичность наплавленного материала, что приводит к его растрескиванию.

Кроме того, при использовании в качестве присадочного материала меди в количестве 1,5-2,0% от объема расплавленного материала поршня, наплавленный материал в упрочненной зоне кольцевой канавки поршня обладает более высокой твердостью, чем наплавленный материал с таким же содержанием нихрома (1,5-2,0%). Следовательно, для получения твердости зон кольцевых канавок поршня в пределах 1800 МПа целесообразно использовать в качестве присадочного материала медь, а для получения твердости зон кольцевых канавок поршня более 2200 МПа - нихром.

Предлагаемое изобретение поясняется таблицей, на которой представлены показатели твердости основного и наплавленного электронным лучом материалов поршня двигателя внутреннего сгорания при различных температурах с применением предложенного способа упрочнения зон кольцевых канавок поршня двигателя внутреннего сгорания и способа упрочнения зон кольцевых канавок поршня двигателя внутреннего сгорания, выбранного в качестве прототипа.

Способ упрочнения зон кольцевых канавок поршня двигателя внутреннего сгорания осуществляется следующим образом. На упрочняемой зоне кольцевой канавки заготовки поршня производят расплавление электронным лучом в вакууме материала поршня с одновременным добавлением в расплавленный материал поршня присадочного материала. В качестве присадочного материала используют медь в количестве 1,5-2,0% от объема расправленного поршня, необходимого для выполнения кольцевой канавки в упрочненной зоне, или нихром в количестве 3,5-4,0% от объема расплавленного материала поршня, необходимого для выполнения кольцевой канавки в упрочненной зоне. В качестве материала поршня используют заэвтектический силумин. После кристаллизации расплавленного материала на заготовке поршня образуется упрочненная зона, объем которой, т.е. форма и глубина проплавления, достаточен для выполнения в этой зоне кольцевой канавки.

Пример конкретного выполнения способа.

Упрочнение зон кольцевых канавок проводят на заготовке поршня диаметром 150 мм, в качестве материала которого используют заэвтектический силумин марки АК21М2, 5Н2,5 следующего химического состава,%: Si 20,0 - 22,0; Cu 2,2 - 3,0; Mg 0,20 - 0,50; Mn 0,2 - 0,4; Ni 2,2 - 2,8; Ti 0,1 - 0,3; Cr 0,2 - 0,4. В качестве присадочного материала используют проволоку из меди марки М1 или из нихрома марки Х20Н80.

Предлагаемый способ упрочнения зон кольцевых канавок поршня двигателя внутреннего сгорания реализуется с использованием электронно-лучевой аппаратуры на основе электронно-лучевой пушки с плазменным эмиттером. Электронно-лучевая пушка устанавливается на фланце вакуумной камеры, внутри которой размещаются вращатель с патроном, предназначенным для закрепления заготовки поршня, и механизм подачи присадочного материала.

Для осуществления процесса наплавки применяют следующие технологические параметры:
ускоряющее напряжение - 28 кВ;
ток луча - 140 мA;
скорость наплавки - 8 мм/с;
амплитуда сканирования луча - 7 мм;
частота сканирования луча - 50 Гц;
закон сканирования луча - окружность;
рабочее расстояние от среза электронно-лучевой пушки до изделия (поршня) - 170 мм;
остаточное давление в вакуумной камере - 10^-2 Па;
диаметр присадочной проволоки - 1 мм;
скорость подачи присадочной проволоки:
медной - 1,8 - 2,2 м/ч;
нихромовой - 4 - 4,5 м/ч.

Сначала определяют необходимый объем расплавленного материала поршня, необходимый для последующего выполнения в нем кольцевой канавки, т.е. глубину и форму проплавления, которые зависят от технологических параметров режима электронно-лучевой наплавки, и в свою очередь определяются требуемыми геометрическими размерами кольцевой канавки. Количественное содержание присадочного материала в наплавленном материале зависит, кроме объема расплавленного материала, также от скорости наплавки, диаметра присадочной проволоки и скорости ее подачи в зону действия электронного луча, которые заданы технологическими параметрами режима. При дальнейшем определении количества присадочного материала - меди или нихрома - объем расплавленного материала поршня, необходимого для выполнения кольцевой канавки в упрочненной зоне, принимают за 100%.

Перед упрочнением зон кольцевых канавок заготовку поршня очищают от грязи, пыли, масла. Затем закрепляют заготовку поршня внутри вакуумной камеры в патроне вращателя и выверяют правильность установки механизма подачи присадочного материала, например присадочной проволоки; в качестве присадочного материала используют медь в количестве 1,5 - 2,0% от объема расплавленного материала поршня, необходимого для выполнения кольцевой канавки в упрочненной зоне, или нихром в количестве 3,5 - 4,0% от объема расплавленного материала поршня, необходимого для выполнения кольцевой канавки в упрочненной зоне. После этого проводят откачку вакуумной камеры до высокого вакуума - 10^-2 Па, и на упрочняемой зоне кольцевой канавки заготовки поршня производят расплавление электронным лучом основного материала поршня с одновременным добавлением в расплавленный материал посредством механизма подачи присадочного материала легирующего элемента - меди или нихрома - в вышеназванном количестве. Зону кольцевой канавки поршня наплавляют с перекрытием начала наплавленного валика на 10-15 мм. Исходя из известных геометрических размеров расплавленного основного материала заготовки поршня можно изменять скорость подачи присадочной проволоки, в результате чего получать упрочненные зоны с различным содержанием легирующих элементов в оптимальных диапазонах, при постоянстве скорости наплавки и диаметра присадочной проволоки в соответствии с вышеприведенными технологическими параметрами.

Использование вышеприведенных технологических параметров способа обеспечивает получение глубины проплавления основного материала поршня 7-8 мм, ширину в верхней части наплавки 8-9 мм и форму проплавления - V-образную. При этом площадь поперечного сечения наплавленного материала зоны кольцевой канавки поршня составляет 37-43 мм².

После упрочнения зоны кольцевой канавки поршня образуется зона упрочненного материала в теле поршня, геометрических размеров которой достаточно для того, чтобы после протачивания канавки в упрочненной зоне остался слой упрочненного материала от каждой боковой плоскости кольцевой канавки до основного неупрочненного материала поршня толщиной 1,5 - 2.5 мм.

Упрочненный наплавкой материал поршня имеет высокую твердость, значения которой при различных температурах для способа-прототипа и предложенного способа приведены в таблице. В таблице после значений твердости для наплавленных материалов по способу-прототипу и предложенному способу указаны коэффициенты упрочнения при разных температурах. Коэффициент упрочнения представляет собой отношение твердости наплавленного материала к твердости основного материала поршня. Как видно из данных таблицы, материал поршня, наплавленный с добавлением присадочных материалов в предложенном количестве, обеспечивает высокие значения твердости. При этом с повышением температуры коэффициент упрочнения увеличивается, следовательно, наплавленный материал в зонах кольцевых канавок обеспечивает меньшее разупрочнение по сравнению с основным материалом поршня. Для способа-прототипа коэффициент упрочнения при температуре 200^oC превосходит коэффициент упрочнения предложенного способа, однако абсолютные значения твердости наплавленного материала в способе-прототипе низкие. С повышением температуры коэффициент упрочнения для способа-прототипа резко падает (рабочая температура в зоне наиболее напряженной первой кольцевой канавки поршня под компрессионное кольцо - около 250^oC), а материал поршня, упрочненный по предложенной технологии, обеспечивает постоянное повышение коэффициента упрочнения с повышением температуры.

Затем после разгерметизации вакуумной камеры поршень с упрочненными зонами кольцевых канавок вынимают из патрона вращателя и передают на дальнейшую механическую обработку, включающую протачивание кольцевых канавок в упрочненных зонах поршня.

Геометрические размеры канавок для поршневых колец зависят от диаметра поршня и типа двигателя, на котором этот поршень будет работать. Поэтому приведенные технологические параметры процесса наплавки могут быть использованы для группы поршней, геометрические размеры кольцевых канавок которых позволяют выполнить операцию протачивания канавок в упрочненной зоне с сохранением слоя упрочненного материала между стенками кольцевой канавки поршня и основным материалом поршня не менее 1,5-2 мм на каждую сторону кольцевой канавки.

Предлагаемый способ упрочнения зон кольцевых канавок поршня может быть реализован с использованием серийно выпускаемой низковольтной электронно-лучевой аппаратуры, технические характеристики которой обеспечивают вышеприведенные технологические параметры режима упрочнения. Вакуумная система установки должна обеспечивать поддержание остаточного давления в вакуумной камере на уровне не ниже 10^-2 Па, поскольку в процессе обработки газонасыщенного алюминиевого сплава происходит обильное выделение газов из расплавленного материала поршня.

Преимущества предлагаемого способа упрочнения зон кольцевых канавок поршня заключаются в повышении его моторесурса и эксплуатационной надежности в условиях работы на форсированных дизельных двигателях, что достигается повышением твердости материала в зонах стенок кольцевых канавок в результате электронно-лучевой наплавки с присадочным материалом, в качестве которого используют медь или нихром. Кроме этого, снижается трудоемкость осуществления предлагаемого способа и повышается его экономичность вследствие использования в качестве присадочного материала одно- или двухкомпонентных составов.

Источники информации
1. Schiller S. // Metal Progress. 1986. V. 129. N 5. P. 39-40.

2. Заявка 2201484 Великобритания, кл. F 02 F 3/10, F 16 J 9/22, 1988.

3. Электронно-лучевая сварка / Назаренко О.К., Кайдалов А.А., Ковбасенко С. Н. и др. ; Под ред. Б.Е. Патона. - Киев: Наук. думка, 1987. - с. 75-76. (прототип).

Способ может быть использован в двигателестроении при упрочнении зон кольцевых канавок поршня путем электронно-лучевой наплавки в вакууме. На упрочняемой зоне кольцевой канавки заготовки поршня производят расплавление электронным лучом в вакууме материала поршня с одновременным добавлением в расплавленный материал поршня присадочного материала. В качестве присадочного материала используют медь в количестве 1,5 - 2,0% от объема расплавленного материала поршня, необходимого для выполнения кольцевой канавки в упрочненной зоне, или нихром в количестве 3,5 - 4,0% от указанного объема. Поршень при этом выполнен из заэвтектического силумина. Увеличение твердости материала в зонах стенок кольцевых канавок в результате электронно-лучевой наплавки с предлагаемым присадочным материалом позволяет повысить моторесурс и эксплуатационную надежность поршней. Использование в качестве присадочного материала одно- или двухкомпонентных составов снижает трудоемкость способа. 1 табл.

Способ упрочнения зон кольцевых канавок поршня двигателя внутреннего сгорания, при котором на упрочняемой зоне кольцевой канавки заготовки поршня производят расплавление электронным лучом в вакууме металла поршня с одновременным добавлением в расплавленный металл поршня присадочного материала, отличающийся тем, что при упрочнении поршня из заэвтектического силумина в качестве присадочного материала используют медь в количестве 1,5 - 2,0% от объема расплавленного металла поршня, необходимого для выполнения кольцевой канавки в упрочненной зоне, или нихром в количестве 3,5 - 4,0% от указанного объема.