Способ изготовления направляющей клапана двигателя внутреннего сгорания и материал для направляющей клапана двигателя внутреннего сгорания Советский патент 1993 года по МПК B22F3/26 

со

с

Описываются направляющая клапана и способ ее изготовления. Направляющая клапана является трубчатым изделием, имеющим отношение длины к наружному диаметру больше 1,5. и выполнена из материала на основе железа способом порошковой металлургии. Спрессованная направляющая пропитывается путем приготовления листа из пропитывающего сплава, прокатки этого листа в цилиндрическую форму и вставления его в отверстие направляющей, после чего производится предпочтительно одновременно спекание и пропитывание. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение касается материала для направляющих клапана двигателей внутреннего сгорания и способа изготовления направляющей клапана.

Предложен способ пропитывания трубчатого компонента, имеющего относительно высокое пропорциональное отношение сторон, и где масса пропитывающего материала легко контролируется.

: Согласно первому отличительному признаку изобретения, предусматривается способ пропитывания трубчатого компонента, имеющего отверстие и относительно высокое пропорциональное отношение сторон, который включает в себя стадии образования трубчатого компонента в железистом материале способом порошковой металлургий, причем компонент имеет плотность в диапазоне требуемых плотностей и также

имеет сообщающуюся пористость, приготовление листа требуемого веса из меди или медного сплава, преобразование этого листа практически в цилиндрическую форму и общего диаметра для монтажа внутри отверстия трубчатого компонента, и под- вергание трубчатого компонента и смонтированного цилиндрического листа тепловой обработке при такой температуре, что медь или медный сплав плавится и пропитывает, по крайней мере, часть трубчатого компо- нента смежную с отверстием.

Операция термической обработки может быть одновременной операцией спекания и пропитывания или трубчатый компонент может быть подвергнут предварительному спеканию.

Для более крупных размеров трубчатого компонента экономично использовать труб00

ы о

ю

СА

ку из меди или медного сплава в качестве пропитывающего материала в отверстии.

Прокатанный лист может при необходимости быть преобразован в трубку посредством, например, точечной сварки, роликовой сварки, пайки или блок штамповки прокатанной полосы. Это может иметь преимущество, например, при манипулировании прокатанной полосой и легкости монтажа в.трубчатом компоненте.

Преимущество способа согласно изобретению в том, что масса пропитывающего материала может легко контролироваться. Медную полосу нужно только разрезать на определенные отрезки, исходя при этом из данной толщины и ширины материала, масса пропитывающего материала может контролироваться таким образом, что при необходимости только зона, смежная с отверстием направляющей клапана, будет пропитываться. Природная упругость медного пропитывающего материала может служить для удержания пропитывающего материала на месте до пропитывания, упрощая тем самым манипулирование.

Обычная свободно доступная медь может использоваться для пропитывания, так как небольшая величина эрозии отверстия железистого компонента РМ не имеет значения, поскольку это неизбежно устраняется при механической обработке.

Олово, содержащееся в пропитывающем материале, препятствует образованию карбидов между железистой матрицей и свободным несмешанным графитом. Это создает микроструктуру в спеченной направляющей, в которой свободный графит существует не только в матрице, но и в пропитывающем материале, содержащемся в порах, выгодные эффекты в отношении трения и тем самым свойств износа. Так как образование карбидов предотвращается, способность механической обработки направляющей клапана также значительно повышается.

Когда используется прокатанная полоса для образования пропитывающего тела, состав может при необходимости регулироваться для снижения эрозии отверстия и/или улучшения скольжения и износостойкости пропитанной поверхности. Практически диапазон сплавов, из которых может быть изготовлена полоса, превышает диапазон, из какого могут экономически изготавливаться трубки.

В. частности, выгодным материалом для изготовления пропитывающего компонента является олово - бронзовый сплав, имеющий состав: мас.% Sn, 0.02 - 0,5 мае. Р, остальное медь.

Содержание менее 2% олова ведет к слишком высокой температуре солидуса, чтобы противостоять эрозии отверстия направляющей во время пропитывания, так

как растворимость в твердом состоянии меди в железе в значительной мере зависит от температуры в этом диапазоне состава. Растворимость железа и меди при точке плавления меди составляет .4$,, тогда как

0 растворимость при 1000°С составляет 2,6%. Когда отверстие направляющей разворачивается до 0,25 мм, то возможно, что поверхность не будет вся чистой, если степень эрозии во время пропитывания слиш5 ком большая. Подшипниковые свойства оловянных бронз ухудшаются при низких содержаниях олова.

При содержьнии олова свыше .11 % температура солидуса слишком низкая, что мо0 жет привести к малоэффективному спеканию железистой матрицы, происходящему до плавления пропитывающего материала. Текучесть пропитывающего материала также становится слишком боль5 шой, чтобы можно полностью было удерживать в матрице направляющей, приводя к кусковым блокам пропитывающего материала, образующихся на наружном диаметре. Содержание олова в пропитывающем

0 материале также содействует предотвращению образования карбида во время спекания.

Уровни фосфора являются обычными для оловянных бронз для целей раскисле5 ния.

Еще одно преимущество использования меди или медного сплава в качестве пропитывающего материала в том, что рабочая температура направляющей клапана

0 значительно снижается благодаря повышенной теплопроводности матрицы. Использование пропитывающего материала может обеспечить теплопроводность пропитанной направляющей клапана, близ5 кую к теплопроводности направляющей клапана из обычного чугуна, которая может быть выше 50 В/м/ К. Теплопроводность известных непропитанных железистых РМ материалов для нэправля0 ющей клапана значительно ниже, около 20- ЗОВ/м/К.

Согласно второму отличительному признаку изобретения предусматривается пропитанная направляющая клапана, когда она

5 изготовлена в соответствии с первым отличительным признаком настоящего изобретения.

На чертеже показана схематично направляющей клапана, имеющая в своем отверстии перед спеканием пропитывающий

(Материал в виде прокатанной фольги из ме- |ди или сплава на основе меди. Направляющая 1 клапана имеет внутрен- j нее продольное отверстие 2. В отверстии расположен кусок листового материала из медного сплава, прокатанного в трубку t3, с перекрывающими концами {кромки) 4 и 5, Природная упругость материала дает возможность катанной трубке 3 удерживаться в отверстии во время транспортирования (манипулирования) перед спеканием и пропитыванием.

П р и м е р 1. Порошковая смесь, состоящая из железа, 0,9 мае.% графита, 4 мае. % меди с зернистостью - 300 меш. 0,5 мас.% твердой смазки и 0,5 мас.% фугитивной смазки, спрессована в цилиндрические трубки длиной 43,5 мм, внутренним диаметром 6.25 мм, наружным диаметром 12,85 мм, при давлении прессования около |600МПа.;

Полоса из красной меди толщиной 0,55 I мм, нарезанная по ширине 17,7 мм, скру- чена в трубку с номинальным диаметром 6,25 мм. Трубка разрезана на отрезки длиной 43,5 мм, которые вставляются в необработанные трубчатые заготовки.

Для сравнения, выпускаемые промышленностью порошки на основе меди в качестве пропитывающего материала использовались для пропитывания других необ- j работанных трубчатых заготовок, уплотняя | трамбовкой массу, порошка на основе меди в отверстии для удержания на месте.

Трубчатые заготовки затем спекают в, атмосфере водорода и азота при 1100° С в течение 30 мин.

i Проверка спеченных заготовок показэ- |ла, что пропитывание заготовок, которые j содержали прокатанную медную полосу, {было полным, микрошлифы показали мак- |симальную объемную фракцию медной фазы в отверстии с небольшим обеднением в направлении наружного диаметра. Не было остатка на отверстии, и максимальная глубина эрозии стальной матрицы у отверстия составила 0,3 мм.

Заготовки, набитые пропитывающим порошком, выплеснули избыточный поро- | шок, остатки больших глобулярных медных частиц и пористого пропитывающего мате- I риала оставались адгезированными к отвер- |стию спеченной заготовки, препятствуя непосредственному развертыванию поверхности отверстия.

Развертывание спеченных заготовок, i которые содержали прокатанные медные iполосы, производилось с использованием |шестизубной развертки без предварительной чистки отверстия. Развернутое отверстие показало пренебрегаемую продольную релаксацию длины,

П р и м е р 2. Трубчатые компоненты, имеющие номинальную длину 51 мм, внут- 5 ренний диаметр 6,2 мм и наружный диаметр 11 мм, спрессованы из порошка на основе железа, имеющего состав: 1,5-2,5 мас.% С; З-бмас.% Си;0,3-07мас.%5п;0,2-0,5мас.% Р; 0,1-0,5 мас.% Мп; 0,05-0,025 мас.% S;

0 остальное-железо, до плотности 6,9 мг/м3. Фольгу из сплава фосфористой бронзы, имеющей номинальный состав Cu-5 Sn - 0,3 Р и толщину 0,3 мм, скручивали в цилиндрическую форму для монтажа с плот5 ной посадкой в отверстии необработанных заготовок, разрезали на отрезки и вставляли в отверстия необработанных заготовок направляющей клапана,

Узлы заготовки направляющей клапана

0 / пропитывающей фольги одновременно спекались и пропитывались в атмосферу водорода/азота с управляемым содержанием углерода для предотвращения декарбюри- зации основного сплава в течение периодов

5 времени и при температурах, обеспечивающих эффективные спекание и пропитывание заготовок направляющей клапана.

Спеченные и пропитанные заготовки имели плотности больше 7,2 мг/м3 и величи0 ны твердости свыше 90 НРБ. Микроструктуры показали хорошо пропитанную структуру с эвтектикой крупнозернистых карбидов и мелкозернистых фосфидов и повышенным уровнем свободного графита по

5 сравнению с непропитанным сплавом. Свободный графит был и в структуре матрицы, ив районах медного сплава как пропитывающего материала.

Образцы этих направляющих были раз0 вернуты до внутреннего диаметра 8,0 мм механическом разверткой с двойным зубом, которая давала чистоту обработки поверхности 1,6 мк На.

Развернутая направляющая была под5 вергнута испытанию на износ на стенде, предназначенном имитировать абразивный износ (истирание) движущихся штока клапана направляющей клапана. При испытании внутренний диаметр направляющей клапа0 на периодически терся о шток клапана с частотой 1600 ходов/мин при 150°С с приложенной нагрузкой поперек оси направляющая/шток 8,0 кг. Испытание проводилось при трении направляющей клапана о шток

5 из нелегированной без покрытия стали Силхром. Направляющая клапана выдержала максимальную деятельность испытания 1800 мин без свидетельства разрушения или износа, но этот результат не достигался в случае любого другого материала порошковой металлургии для направляющей клапана или обычно используемого материала чугуна, Это испытание показывает повышенные свойства износостойкости пропитанной направляющей.

В дальнейших испытаниях такие развернутые направляющие испытывались при той же длительности, частоте 750 циклов/мин, при окружающей температуре, с приложенной поперечной нагрузкой 8,0 кг; использовались штоки из углеродистой без покрытия стали 21:4. Эти направляющие также не показали разрушения или истирания. Для сравнения обычно используемые направляющие из высокопрочной латуни показали при таком же испытании прогрессивное истирание после 500-600 мин.

При испытаниях единственной использованной смазкой было начальное покрытие машинного масла на материале штока перед испытанием толщиной, которая могла поддерживаться по ходу свободного стека- ния по штоку, смонтированному вертикально, в течение 1ч.

Ф о р м у л а и з о б р ет е н и я

Олово2-11

Фосфор0;02-0,5

МедьОстальное

Олово5

Фосфор0,3

МедьОстальное

8 Материал по п.7, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что матрица на основе железа дополнительно содержит марганец и серу при следующем соотношении компонентов, мас.%: Графит1,5-2,5

Медь3-6

Олово.0,3-0.7

Фосфор0,2-0.5

Марганец0.1-0.5

Сера0.05-0,25

ЖелезоОстальное

Олово2-11

Фосфор0,02-0.5

МедьОстальное

Олово5

Фосфор0,3

МедьОстальное

грубозернистых карбидов, тонкозернистых фосфидов, свободный графит и взаимосвязанную систему из меди или медного спла