СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРШНЕВОГО КОЛЬЦА С ВНЕДРЕННЫМИ ЧАСТИЦАМИ Российский патент 2015 года по МПК B22D13/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к способу изготовления поршневого кольца с внедренными в него частицами для предотвращения износа торцевых сторон. Изобретение относится также к поршневому кольцу, изготовленному способом по изобретению.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В двигателе внутреннего сгорания поршневые кольца уплотняют зазор, имеющийся между головкой поршня и стенкой цилиндра, для герметизации его от полости сгорания. При возвратно-поступательном движении поршня поршневое кольцо, с одной стороны, скользит своей наружной окружной поверхностью по стенке цилиндра с постоянным пружинным прижимом к ней. С другой стороны, вследствие изменений направления движения поршня поршневое кольцо совершает колебательное скольжение в своей канавке поршневого кольца, так что его стороны поочередно прижимаются к верхней или нижней стороне канавки. Каждый раз при таком относительном движении пары скольжения в зависимости от материала происходит больший или меньший износ, который при сухом трении может приводить к так называемым задирам, образованию царапин и в конце концов к повреждению двигателя. Для улучшения характеристик скольжения поршневых колец по стенке цилиндра и износа их окружные поверхности снабжаются покрытиями из различных материалов.

При динамическом режиме работы двигателя поршневые кольца подвергаются осевому перемещению в поршневой канавке под действием газов, трения и масс. За счет непрерывного скольжения по поверхности цилиндра они подвергаются постоянному износу. Он проявляется как в абразивном истирании наружной поверхности поршневого кольца или его покрытия, так и в частичном переносе материала от поверхности скольжения цилиндра на поверхность скольжения поршневого кольца и наоборот. При этом происходит абразивный износ торцевых поверхностей поршневого кольца, который оказывает большое влияние на функциональные характеристики поршневого кольца. Этот износ торцевых поверхностей оказывает непосредственное влияние на характеристику эмиссии двигателя.

Для изготовления поршневых колец в основном используется чугун или сплавы чугуна. В двигателях с высокой нагрузкой поршневые кольца, особенно компрессионные поршневые кольца, подвергаются повышенной нагрузке, в том числе воздействию пиковых компрессионных давлений, температуры сгорания, рециркуляции отработавших газов и уменьшения смазочной пленки, что в значительной степени влияет на их функциональные характеристики, такие как износ, жаропрочность, микросварка и коррозионная стойкость. При этом чугуны уровня техники имеют высокую степень риска разрушения, так что при использовании известных материалов часто происходит разрушение поршневых колец. Возрастающие механико-динамические нагрузки приводят к сокращению срока службы поршневых колец. Происходит также интенсивный износ и коррозия поверхностей скольжения и торцевых сторон. Из-за повышенных механических и динамических требований к поршневым кольцам все больше производителей двигателей вынуждены изготавливать поршневые кольца и контактные втулки цилиндров из высококачественной стали. При этом сталью считаются железные материалы с содержанием углерода меньше 2,08 мас.%. Если содержание углерода выше, материал называется чугуном. По сравнению с чугуном стали обладают лучшими свойствами по прочности и вязкости, так как в их основной структуре отсутствует отрицательное влияние свободного графита.

Современные материалы поршневых колец на основе чугуна или стали представляют собой однородные материалы, которые сами по себе не обладают достаточной стойкостью к износу торцевых сторон. Для снижения износа торцевых сторон поршневого кольца в двигателе на торцевые стороны поршневых колец наносят защитные износостойкие покрытия. Так например, поршневые кольца с усиленными частицами покрытиями твердого хромирования показывают значительно лучшую стойкость к истиранию, чем кольца без покрытий или нитрированные кольца, а также чем поршневые кольца с обычными слоями твердого хромирования и покрытиями плазменного напыления на основе молибдена. Однако вследствие роста параметров давления и температуры в современных двигателях внутреннего сгорания и эти покрытия также находятся в пограничной области своей работоспособности. Поэтому потребовались новые покрытия, обеспечивающие еще меньшее истирание и более высокую адгезионную прочность по сравнению с существующими покрытиями. Для удовлетворения этого требования с помощью термического напыления на поверхности поршневых колец наносились адгезионные порошковые материалы, содержащие керамическую фазу в металлической матрице. При этом стало возможным сочетать хорошие трибологические свойства керамики с хорошими механическими свойствами металлов. В металлической матрице обеспечивается вязкая и прочная связь твердых и относительно хрупких керамических частиц. Керамические частицы при их соответствующем открытом положении на поверхности поршневого кольца могут принимать на себя трибологические функции, а металлическая матрица воспринимает механические нагрузки и в определенных условиях снижает напряжения деформации.

Однако изготовление таких известных снабженных покрытием поршневых колец имеет высокую стоимость, так как в процесс должен включаться этап нанесения покрытия.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Соответственно задачей изобретения является создание поршневого кольца, которое снабжено на своих торцевых сторонах керамическими частицами без необходимости включения в процесс этапа нанесения покрытия для внедрения этих керамических частиц.

В соответствии с изобретением поставленная задача решается в способе изготовления поршневого кольца, включающем следующие этапы:

a) получение расплава исходных материалов металлического материала;

b) добавление в расплав керамических частиц, причем керамические частицы имеют плотность меньше 4,0 г/см³;

c) заливку расплава в предварительно подготовленную форму, причем форма допускает отливку только одного кольца;

d) охлаждение расплава, причем скорость охлаждения поддерживают таким образом, что промежуток времени до достижения температуры ликвидуса больше или равен 120 с, при этом форма расположена горизонтально, чтобы обеспечить возможность разделения под действием силы тяжести, так что во время охлаждения керамические частицы собираются, по меньшей мере, на одной из торцевых сторон поршневого кольца.

Керамические частицы могут вводиться в металлический расплав, например, при перемешивании.

Для обеспечения сбора керамических частиц на желаемой торцевой стороне используется тот факт, что керамические частицы и металлический расплав имеют различную плотность. При этом имеет значение то, чтобы плотность керамических частиц была меньше плотности металлического расплава. Так, плотность керамических частиц должна составлять меньше 4,0 г/см³. Предпочтительно плотность керамических частиц находится в диапазоне от 1,0 до величины меньше 4,0 г/см³, более предпочтительно плотность керамических частиц находится в диапазоне от 1,8 до величины меньше 3,0 г/см³, еще более предпочтительно плотность керамических частиц находится в диапазоне от 2,1 до величины меньше 2,8 г/см³. Наилучшей является плотность керамических частиц в диапазоне от 2,1 до величины меньше 2,6 г/см³. Плотность керамических частиц может быть обеспечена или отрегулирована способом, известным специалисту в данной области.

Далее, форма должна допускать отливку только одного кольца. В способе отдельной отливки при охлаждении кольца затвердевание материала происходит снаружи внутрь.

Для сбора керамических частиц на желаемой торцевой стороне форма должна быть расположена горизонтально, чтобы обеспечивать возможность разделения под действием силы тяжести. Альтернативно частичное отделение металлического материала от керамических частиц может быть ускорено при использовании центрифуги, причем нормаль к плоскости литейной формы лежит в плоскости центрифуги. Другими словами, форма расположена параллельно оси вращения центрифуги, так что керамические частицы собираются в направлении к оси вращения. Было обнаружено, что предпочтительное распределение керамических частиц в металлическом материале может достигаться прежде всего посредством разделения под действием силы тяжести.

Для обеспечения достаточного сбора керамических частиц под действием силы тяжести промежуток времени до достижения температуры ликвидуса должен быть больше или равен 120 с. Предпочтительно промежуток времени до достижения температуры ликвидуса больше или равен 180 с, более предпочтительно он составляет от 180 до 300 с. Наиболее предпочтительным является промежуток времени от 180 до 210 с.

Для поддержания желаемой скорости охлаждения может, например, подводиться тепло извне. При этом форма может быть нагреваемой. Альтернативно в расплав могут вводиться экзотермические добавки. Другая возможность заключается в выборе определенного отношения объема к наружной поверхности поршневого кольца V/O≥0,5 см.

Предпочтительно керамические частицы выбирают из группы, содержащей частицы Al₂O₃, Cr₂O₃, Fe₃O₄, TiO₂, ZrO₂ и их смеси.

Для того, чтобы, с одной стороны, облегчить сбор керамических частиц на желаемой торцевой стороне поршневого кольца и, с другой стороны, обеспечить хорошие трибологические свойства поршневого кольца, средний диаметр керамических частиц выбирают в зависимости от поперечного сечения поршневого кольца. Керамические частицы могут иметь средний диаметр в диапазоне от 0,1 до 100 мкм. Предпочтительно керамические частицы имеют средний диаметр в диапазоне от 0,5 до 80 мкм, более предпочтительно средний диаметр лежит в диапазоне от 0,5 до 40 мкм, более предпочтительно средний диаметр лежит в диапазоне от 1,0 до 25 мкм, еще более предпочтительно он лежит в диапазоне от 5,0 до 25 мкм. Наиболее предпочтительно средний диаметр лежит в диапазоне от 5,0 до 15 мкм.

Предпочтительно металлическим литейным материалом является литейный чугун или литейная сталь, такая как сталь V4. Специалисту в данной области известны подходящие материалы для поршневых колец, а также способы изготовления колец, такие как штамповка из стали.

Когда литейным материалом является чугун, предпочтительно он содержит следующие элементы в указанной доле по отношению к 100 мас.% состава чугуна в целом: C от 2,0 до 3,8 мас.%; Si и/или Al от 1,0 до 4,0 мас.%; Mn от 0,05 до 1,5 мас.%; P от 0 до 0,7 мас.%; S от 0 до 0,1 мас.%; Cr от 0,05 до 1,5 мас.%; Cu от 0,05 до 2,5 мас.%; Sn от 0 до 2,5 мас.%; N от 0 до 0,08 мас.%; остальное - Fe.

Когда литейным материалом является сталь, предпочтительно она содержит следующие элементы в указанной доле по отношению к 100 мас.% состава стали в целом: C от 2,0 до 4,0 мас.%; Si до 0,1 мас.%; P до 0,1 мас.%; S до 0,2 мас.%; Mn до 1,3 мас.%; Cu до 0,5 мас.%; Cr от 1,7 до 5,0 мас.%; Ni и лантаниды от 0,1 до 2,0 мас.%; Mo от 0,1 до 2,0 мас.%; Co до 0,2 мас.% и, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, содержащей Ti, V, и Nb, в сумме до 1,5 мас.%, остальное - Fe.

При необходимости далее может быть проведено улучшение качества поршневого кольца. Это выполняют с помощью следующих этапов:

e) аустенизация поршневого кольца при температуре выше его температуры Ac3;

f) резкое охлаждение поршневого кольца в соответствующей охлаждающей среде и

g) выдерживание поршневого кольца при температуре от 400 до 700°C в печи с регулируемой атмосферой.

В качестве среды резкого охлаждения предпочтительно используют масло.

Далее, на поверхности скольжения и/или на торцевой поверхности поршневого кольца может быть предусмотрено износостойкое покрытие из материала, известного специалисту в данной области. Нанесение такого слоя может производиться с помощью целого ряда способов, известных из уровня техники. Так, слой может быть нанесен термическим способом нанесения, таким как плазменное напыление, электродуговое проволочное напыление, холодное газовое напыление, газопламенное проволочное напыление и высокоскоростное сверхзвуковое газопламенное напыление (HVOF). Альтернативно слой может быть осажден посредством гальванизации, физического осаждения из газовой фазы, химического осаждения из газовой фазы, окраски и азотирования. Могут также использоваться комбинации способов.

Изобретение относится к литейному производству. Получают расплав чугуна или стали, добавляют в расплав керамические частицы, плотность которых меньше плотности расплава, заливают расплав в предварительно подготовленную форму и охлаждают расплав. Во время охлаждения форму располагают горизонтально так, что керамические частицы собираются на одной торцевой стороне поршневого кольца. Керамические частицы выбирают из группы, содержащей частицы Al₂O_3, Cr₂O₃, Fe₂O₄, TiO_2, ZrO₂ и их смеси. Поршневое кольцо, имеющее на торцевой стороне износостойкие частицы, обладает хорошими механическими свойствами. 2 н. и 4 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления поршневого кольца, включающий следующие этапы:
a) получение расплава исходных материалов чугунной или стальной отливки;
b) добавление в расплав керамических частиц, которые имеют меньшую плотность, чем расплав;
c) заливку расплава в предварительно подготовленную форму, причем форма допускает отливку только одного кольца; и
d) охлаждение расплава со скоростью, которую поддерживают таким образом, что промежуток времени до достижения температуры ликвидуса больше или равен 120 с, при этом форму располагают горизонтально с возможностью обеспечения отделения керамических частиц от металла под действием силы тяжести и сбора их на одной из торцевых сторон поршневого кольца.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что керамические частицы имеют плотность меньше 4,0 г/см³.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что керамические частицы выбирают из группы, содержащей частицы Al₂O₃, Cr₂O₃, Fe₃O₄, TiO₂, ZrO₂ и их смеси.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что керамические частицы имеют средний диаметр от 0,1 до 100 мкм.

5. Способ по п. 1 или 2, дополнительно включающий следующие этапы:
e) аустенизация поршневого кольца при температуре выше его температуры Ac3;
f) резкое охлаждение поршневого кольца в соответствующей охлаждающей среде и
g) выдерживание поршневого кольца при температуре от 400 до 700°C в печи с регулируемой атмосферой.

6. Поршневое кольцо, которое изготовлено способом по любому из пп. 1-5.