Легко поддающийся механической обработке спеченный сплав на основе железа для вставных седел клапанов. Современные проблемы науки и образования Марка чугуна для седел клапанов

Изобретение может быть использовано при восстановлении или изготовлении клапанов двигателей внутреннего сгорания (ДВС). После очистки поверхности под седло и дефектоскопии осуществляют механическую обработку. Седло изготавливают путем электродуговой наплавки поверхности клапана под седло. Наплавляют подслой никеля короткой дугой током прямой полярности в среде сварочного газа с проковкой наплавленного валика со скоростью, не позволяющей металлу остыть. Проводят механическую обработку наплавленной никелем поверхности. Наплавляют рабочий слой жаропрочной аустенитной стали плавящимся электродом током обратной полярности с проковкой каждого валика со скоростью, не позволяющей металлу остыть. Осуществляют окончательную механическую обработку рабочей поверхности седла. Способ позволяет полностью исключить вероятность выпадения седел из головок цилиндров в процессе эксплуатации ДВС, повысить термоусталостную прочность головок цилиндров, увеличить прочность и износостойкость наплавленных седел клапанов. 4 ил.

Рисунки к патенту РФ 2448825

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), а именно к седлам клапанов головок цилиндров ДВС.

Современные транспортные ДВС характеризуются высокой литровой мощностью. Повышение литровой мощности достигается, главным образом, за счет повышения среднего эффективного давления путем увеличения цикловой подачи топлива. При этом неизбежно возрастают тепловые нагрузки на детали, формирующие камеру сгорания, особенно поршни, головки цилиндров и клапаны, причем именно их работоспособность ограничивает дальнейшее увеличение мощности.

Головка цилиндров является самой сложной по конструкции и наиболее нагруженной в тепловом отношении деталью двигателя. Сложность конструкции приводит к большой неравномерности тепловых нагрузок на ее отдельные элементы. Неблагоприятными являются и условия работы, т.к. головка цилиндров не имеет возможности свободного теплового расширения.

Наиболее часто встречающиеся эксплуатационные дефекты головок цилиндров - это неисправности седел клапанов: трещины на внутренней поверхности, катастрофический износ рабочей поверхности, разрушение и выпадение.

В современных отечественных и зарубежных двигателях седла клапанов выполняют вставными [стр.249-250. Орлин, А.С. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. / А.С.Орлин, М.Г.Круглов, Д.Н.Вырубов и др. - М.: Машиностроение, 1984. - 384 с.]. В гнезда головок цилиндров седла или запрессовывают с относительным натягом, или вставляют охлажденными. Метод запрессовки седел клапанов с натягом в головку цилиндров наиболее распространен. В этом случае следует отметить один существенный недостаток - возможность выпадения седла из гнезда головки.

При выпадении седла клапана и последующей его замене при ремонте необходимо устанавливать седла большего диаметра для обеспечения требуемой величины натяга, а для этого нужно расточить диаметры впускных и выпускных каналов головки цилиндров под больший диаметр, что приведет к уменьшению размера межклапанной перемычки, являющейся наиболее нагруженной зоной головки цилиндров.

Следует также отметить, что напрессовка в связи со значительными напряжениями предполагает изготовление массивного седла.

На судовых, тепловозных и стационарных дизелях большой размерности применяются чугунные головки цилиндров, у которых отверстия для клапанов не оснащаются вставными седлами [Возницкий, И.В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. / И.В.Возницкий, Н.Г.Чернявская, Е.Г.Михеев. - М.: Транспорт, 1979. - 413 с.], [Ржепецкий, К.Л. Судовые двигатели внутреннего сгорания. / К.Л.Ржепецкий, Е.А.Сударева. - Л.: Судостроение, 1984. - 168 с.]. Поэтому при достижении предельного износа отверстий необходимо либо отправлять головку в металлолом, либо растачивать отверстия и запрессовывать в них вставные седла. Оба эти варианта не являются оптимальными.

В первом случае теряется еще вполне работоспособная головка цилиндра и появляется необходимость в приобретении новой дорогостоящей детали.

Во втором случае расточка в головке цилиндра отверстий под установку седел приводит к уменьшению ее поперечных сечений в самых термически и механически нагруженных участках на днище и тем самым провоцирует образование трещин термической усталости по межклапанным перемычкам и между отверстиями для клапанов и форсунки. Кроме того, нельзя исключить и вероятность выпадения вставленных седел в процессе эксплуатации дизеля.

Таким образом, задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения седла клапанов чугунных головок цилиндров ДВС при их изготовлении или восстановлении методом электродуговой наплавки. Предлагаемый способ изготовления или восстановления позволит устранить вышеперечисленные недостатки, возникающие при запрессовке седел клапанов в головку цилиндров, и позволит оптимально решить проблему восстановления работоспособности головки цилиндров. Кроме этого при использовании предлагаемого способа полностью исключается возможность выпадения седла, происходит повышение термоусталостной прочности головки цилиндров.

Поставленная задача достигается тем, что при изготовлении или восстановлении седел клапанов чугунных головок цилиндров ДВС используется способ электродуговой наплавки, который обеспечит получение новых свойств рабочей поверхности седла за счет выбора различной стали для наплавки. Также головка цилиндров становится в дальнейшем более ремонтопригодна.

Способ получения седла клапанов чугунных головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания при их изготовлении или восстановлении, включающий очистку поверхностей под седло, дефектоскопии, ее механической обработки и изготовления седла, производится методом электродуговой наплавки упомянутой поверхности короткой дугой током прямой полярности с наплавкой подслоя никеля, в среде сварочного газа, с проковкой наплавленного валика-шва со скоростью, не позволяющей металлу остыть, механической обработки наплавленной никелем поверхности, а затем наплавки рабочего слоя жаропрочной аустенитной сталью плавящимся электродом током обратной полярности с проковкой каждого валика-шва со скоростью, не позволяющей металлу остыть, и окончательной механической обработки рабочей поверхности седла.

На фиг.1, 2, 3, 4 представлены схемы для проведения работ по получению седла клапанов чугунных головок цилиндров ДВС при их изготовлении или восстановлении.

Способ получения седла клапанов чугунных головок цилиндров ДВС при их изготовлении или восстановлении состоит из подготовки головки цилиндра 1 к наплавке путем выпрессовки седел 2 (фиг.1), очистки, расточки посадочных поверхностей 3 седел клапанов для наплавки подслоя никеля в соответствии с фиг.2 и зачистки прилегающих к седлам клапанов поверхностей металлической щеткой до металлического блеска.

Плохая технологическая свариваемость серого чугуна приводит к появлению следующего дефекта: отбеливание, т.е. появление участков с выделениями цементита в той или иной форме. Высокая твердость отбеленных участков практически лишает возможности обрабатывать чугуны режущим инструментом. Наплавка подслоя никеля устраняет образование данных участков.

Наплавка подслоя производится короткой дугой на токе прямой полярности в среде сварочного газа с проковкой каждого валика-шва со скоростью, не позволяющей металлу остыть, легкими ударами металлического молотка. Расходные материалы - проволока сварочная ПАНЧ, в состав которой входят: Cu - 2,3-3%, Mn - 5-6%, Fe - до 2%, Ni - остальное. Примеси не более: Si - 0,3%, C - 0,3%, газ сварочный (Ar 80%, CO 2 20%).

После наплавки расточить посадочные поверхности 4 седел клапанов в соответствии с фиг.3.

Далее осуществляется наплавка рабочей поверхности седла клапана жаропрочной аустенитной сталью, плавящимся электродом (выбор наплавочного материала обусловлен уникальным сочетанием свойств: высокой пластичности, прочности, коррозионной стойкости и способности наклепываться в процессе эксплуатации под действием ударов клапана при посадке в седло). Перед наплавкой необходимо прокалить электроды при температуре 330-350°C в течение одного часа. Наплавка рабочего слоя производится на токе обратной полярности с проковкой каждого валика-шва со скоростью, не позволяющей металлу остыть. После этого можно производить окончательную механическую обработку посадочных поверхностей 5 седел клапанов в соответствии с фиг.4.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ получения седла клапанов чугунных головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания при их изготовлении или восстановлении, включающий очистку поверхности под седло, дефектоскопию, механическую обработку и изготовление седла, отличающийся тем, что седло изготавливают путем электродуговой наплавки поверхности клапана под седло, при этом наплавляют подслой никеля короткой дугой током прямой полярности в среде сварочного газа с проковкой наплавленного валика со скоростью, не позволяющей металлу остыть, проводят механическую обработку наплавленной никелем поверхности, затем наплавляют рабочий слой жаропрочной аустенитной стали плавящимся электродом током обратной полярности с проковкой каждого валика со скоростью, не позволяющей металлу остыть, и осуществляют окончательную механическую обработку рабочей поверхности седла.

Устанавливается в отверстия головки блока цилиндров, предназначенные для установки клапанов и перегонки через них топливовоздушной смеси и отработавших газов. Деталь запрессовывается в ГБЦ на заводе.

Выполняет следующие функции:

• герметичность отверстия;
• передает излишки тепла к ГБЦ;
• обеспечивает необходимый приток воздуха, когда механизм открыт.

Замена седла клапана требуется в том случае, когда восстановить его герметичность способом механической обработки не удается (многочисленные обработки в прошлом, прогар, сильный износ). Сделать это можно своими руками.

Ремонт детали выполняют при:

• прогаре тарелки;
• после замены направляющих втулок;
• при умеренной степени естественного износа;
• при нарушении герметичности соединения кольца с тарелкой.

Правка изношенных и поврежденных седел в домашних условиях выполняется с использованием шарошек. Помимо этого, может потребоваться сварочный аппарат или мощная газовая горелка, стандартный набор гаечных ключей, необходимых для демонтажа и разборки ГБЦ, притирочная паста, дрель.

Замена седел

Процедура замены состоит из двух ответственных процедур: удаления старых деталей и монтажа новых.

Удаление старых посадочных элементов

Замена седел клапанов выполняется на демонтированной ГБЦ с разобранным газораспределительным механизмом . Удалить старое кольцо можно с использованием сварочного аппарата, если материал, из которого оно изготовлено, позволяет это сделать.

Для выполнения процедуры изготавливается съемник седел клапанов — берется старый ненужный клапан, тарелку которого необходимо проточить до размеров внутреннего диаметра седла.

После этого полученный инструмент утапливают в посадочное место, не доходя до края 2-3 мм и «прихватывают» сваркой в 2-3 местах. После клапан вместе с металлическим кольцом выбивают с обратной стороны молотком.

Важно! Процедура с использованием сварки может привести к некоторой деформации посадочного места. При этом стандартные седла будут иметь слабое закрепление, что может привести к их самопроизвольному демонтажу в процессе работы мотора. Требуются кольца увеличенного диаметра, которые не продаются в магазинах, а изготавливаются на заказ.

Седло клапана, изготовленное из металлов, не подлежащих сварке, можно удалить путем вкручивания в него отрезка трубы, используемого как съемник седел клапанов. Для этого на внутренней поверхности кольца нарезается резьба. Аналогичную резьбу наносят на внешнюю поверхность подходящей по диаметру металлической трубы.

Берется старый клапан, который предварительно приваривают к торцу трубы в обратной положении. При этом ножка клапана проводится в предназначенное для нее отверстие, труба вкручивается в резьбу, после чего элемент удаляют постукиваниями по ножке.

Монтаж новых седел

Перед началом процедуры монтажа новых седел, посадочные места под них очищают от загрязнений. После ГБЦ следует равномерно нагреть до температуры, превышающей 100˚С. При этом металл расширяется, позволяя запрессовать кольцо.

Монтируемую деталь охлаждают с помощью жидкого азота. При его отсутствии можно использовать сочетание льда и ацетона, что позволяет снизить температуру металла до -70˚С. Размеры деталей подбирают таким образом, чтобы разница между диаметром посадочного места и кольца составляла не более 0.05-0.09 мм на холодных деталях.

Седло клапана запрессовывается с помощью специальной оправки или отрезка трубы подходящего диаметра. Деталь должна входить на посадочное место с небольшим усилием. При этом важно, чтобы кольцо встало без перекоса.

После запрессовки и остывания ГБЦ следует проверить, не болтается ли элемент на посадочном месте. Если зазор отсутствует, а замененный элемент плотно держится на своем месте, процедуру его замены можно считать оконченной. Далее требуется прирезка седел клапанов с использованием шарошек.

Важно! При стандартной процедуре замены тарелки всех клапанов оказываются посажены достаточно высоко. Однако некоторые специалисты рекомендуют обрабатывать фаски таким образом, чтобы выпускные клапаны сидели несколько глубже нормального положения. Седло впускного клапана при этом оставляют в штатном положении.

Ремонт седел

Ремонт седел клапанов выполняется при их естественном износе и неплотном прилегании тарелки к своему посадочному месту.

С целью восстановления геометрии колец применяются шарошки для седел клапанов - набор фрезерующих головок, позволяющих делать необходимые углы.

Шарошки могут использоваться в сочетании со специальным оборудованием. Однако оно является дорогостоящим. Поэтому в домашних условиях применяют ключ-трещотку с удлинителем. Правильно обработанные места имеют углы 30˚, 60˚ и 45˚. Обработка седел клапанов для создания каждого из них производится соответствующей фрезой.

Шлифовка седел клапанов не требует их нагрева или другой обработки. Проточку производят «насухую». В дальнейшем, в момент притирки, необходимо использовать специальную притирочную пасту. Для достижения лучшего результата притирку на новые седла рекомендуется производить вручную, а не с помощью дрели.

Еще одной разновидностью ремонта является проточка посадочных мест под ремонтные вставки. Для этого по вышеописанному алгоритму удаляют седла, после чего, специальным режущим инструментом протачивают места под них. Размер ремонтного места должен быть на 0.01-0.02 см меньше вставки. Монтаж производят после нагрева ГБЦ и охлаждение монтируемых элементов.

Правильно произвести расточку самостоятельно можно попытаться на свой страх и риск. Однако, с учетом сложности процедуры и необходимой высокой точности работ, подобные манипуляции лучше производить в условиях квалифицированной автомастерской или авторемонтного завода.

Тарелки клапанов с наплавленными фасками. Технологический процесс восстановления тарелки клапана.

Клапаны. Ресурс клапанов автотракторных двигателей лимитируется главным образом износом его фаски, в результате чего в соединении седло - фаска клапана увеличивается глубина погружения его тарелки относительно поверхности головки блока цилиндров, что ведет к ухудшению экономических показателей двигателя: снижению мощности, повышению расхода топлива, масла и др. Фаску, как правило, восстанавливают шлифованием. При износе до размера менее номинального клапан приходится заменять новым или восстанавливать.

Быстрый износ фасок клапанов объясняется тем, что в процессе работы они подвергаются химическому и тепловому воздействию, и через фаску в 3-5 раз отводится больше теплоты, чем через стержень. Практически все клапаны поступающих в ремонт двигателей имеют износ по фаске тарелки.

В повышении прочности фасок вновь изготовляемых клапанов хорошо себя зарекомендовал способ наплавки сжатой дугой прямого действия на установке У-151, разработанной ИЭС им. Е. О. Патона. На заготовку клапаны укладывают литое кольцо, которое затем сплавляют сжатой дугой. Попытка перенести опыт этого способа для наплавки изношенных клапанов не дала положительных результатов. Это объясняется тем, что высота цилиндрического пояска тарелки клапана в результате износа уменьшается до 0,4-0,1 мм, и наплавка тонкой кромки фаски вследствие неравномерного прогрева головки клапана и наложенного присадочного кольца затруднена: происходит подгорание.

Эффективным способом восстановления клапанов является способ плазменной наплавки с подачей жаропрочных порошковых твердых сплавов на изношенную фаску. Для этого Малоярославецким филиалом ГОСНИТИ, ЦОКТБ и ВСХИЗО на базе станка У-151 по конструкции ИЭС им. Е. О. Патона была разработана установка ОКС-1192. Установка состоит из наплавочного полуавтомата в комплекте с балластным реостатом РБ-300, плазмотрона конструкции ВСХИЗО.

Техническая характеристика установки ОКС-1192

Типоразмеры наплавляемых клапанов (диаметр тарелки), мм 30-70

Производительность, шт/ч < 100

Расход газа, л/мин:

плазмообразующего <3

защитно-транспортирующего <12

Расход охлаждающей воды, л/мин >4

Вместимость порошкового питателя, м 3 0,005

Мощность, кВт 6

Габаритные размеры, мм:

установки 610X660X1980

шкафа управления 780X450X770

В случае отсутствия промышленной установки при необходимости восстановления клапанов ремонтные предприятия в состоянии собрать плазменную установку из отдельных готовых узлов на базе токарного станка по схеме, представленной на рис. 42. Клапан устанавливают на медную водоохлаждаемую форму, соответствующую размеру его тарелки, которая через подпятник и пару конических шестерен приводится во вращение от шпинделя токарного станка.

Рис. 42. Схема установки для плазменной наплавки клапанов:

1 - источник питания; 2 - дроссель; 3- вольфрамовый электрод; 4 - внутреннее сопло; 5 - защитное сопло; 6 - клапан; 7 - медная форма; 8, 16 -подшипники; 9 - корпус установки; 10 - водоподводящая трубка; 11, 12 - штуцеры; 13 - основание; 14 -стойка; 15, 17 - сальники; 18 - стопорный винт; 19, 20 - конические шестерни; 21 - цилиндр

Принцип действия установки ОКС-1192 и установки, собранной в условиях ремонтного предприятия, примерно одинаков и состоит в следующем. После подачи к плазмотрону охлаждающей воды (из водопроводной сети), плазмообразующего газа аргона (из баллона), электрической энергии (от источника питания) между вольфрамовым электродом и внутренним соплом плазмотрона с помощью осциллятора возбуждается косвенная сжатая дуга (плазменная струя). Затем из порошкового питателя транспортирующим газом - аргоном через защитное сопло горелки на фаску вращающегося клапана подается порошок и одновременно через балластный реостат подводится ток к клапану. Между электропроводимой плазменной струей и фаской клапана возникает сжатая дуга, которая расплавляет одновременно фаску клапана и наплавочный порошок, образуя плотные слои высокого качества (рис. 43).

Рис. 43. Тарелки клапанов с наплавленными фасками

Для наплавки фасок клапанов тракторных двигателей, имеющих большую массу, кроме рекомендованных, можно применять также порошковые твердые сплавы на железной основе ПГ-С1, ПГ-УС25 с добавлением к последним 6% Аl.

При выборе материала для наплавки клапанов следует руководствоваться тем, что хромоникелевые сплавы имеют более высокую жаростойкость и износостойкость, но они в 8-10 раз дороже твердых сплавов на железной основе и хуже обрабатываются.

Режимы плазменной наплавки фасок клапанов

Сила тока, А 100-140

Напряжение, В 20-30

Расход газа (аргона), л/мин:

плазмообразующего 1,5-2

транспортирующего (защитного) 5-7

Скорость наплавки, см/с 0,65-0,70

Расстояние от плазмотрона до фаски клапана, мм 8-12

Ширина слоя, мм 6-7

Высота слоя, мм 2-2,2

Глубина проплавления, мм 0,08-0,34

Твердость HRC наплавленного слоя сплавом:

ПГ-СР2, ПГ-СР3 34-46

ПГ-С1, ПГ-УС25 46-54

Технологический процесс восстановления тарелки клапана содержит следующие основные операции: мойка, дефектация, очистка торца и фаски от нагара, плазменная наплавка, механическая обработка, контроль. Механическую обработку клапанов выполняют в такой последовательности: зачистить торец тарелки клапана; обточить тарелку клапана по наружному диаметру в номинальный размер, обработать предварительно тарелку фаски; обработать фаску шлифованием под номинальный размер. Первые три операции выполняют на токарном станке резцами с твердосплавными пластинами. Применение плазменного способа наплавки позволило повысить износостойкость рабочей поверхности тарелки автомобильных клапанов в 1,7-2,0 раза по сравнению с износостойкостью новых.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным сплавам на основе железа. Может использоваться для изготовления вставных седел клапанов для двигателей внутреннего сгорания. Упрочняемый при спекании порошковый материал для вставного седла клапана двигателя внутреннего сгорания получен из смеси, содержащей 75-90 мас.% упрочняемого при спекании порошка на основе железа, предварительно легированного 2-5 мас.% хрома, до 3 мас.% молибдена и до 2 мас.% никеля, порошок инструментальной стали и твердую смазку. При этом путем пропитки при спекании в него введена медь. Техническим результатом является повышение температурной износостойкости, улучшение механической обрабатываемости. 4 н. и 24 з.п. ф-лы, 2 табл.

Уровень техники

Данное изобретение в основном относится к композициям спеченных сплавов на основе железа, используемым для изготовления вставных седел клапанов для двигателей внутреннего сгорания. Вставные седла клапанов (valve seat inserts, VSI) работают в чрезвычайно агрессивной среде. Для сплавов, используемых при изготовлении вставных седел клапанов, требуется стойкость к истиранию и/или адгезии, вызываемых поверхностью сопряженных с седлом клапана деталей, стойкость к размягчению и разрушению из-за высоких рабочих температур, а также стойкость к вызываемому коррозией разрушению, причиной которого являются продукты сгорания.

Вставные седла клапанов обрабатывают после их вставки в головку цилиндра. Стоимость механической обработки вставных седел клапанов составляет основную часть всех затрат на механическую обработку головок цилиндров. Это определяет основную проблему при разработке сплавов, из которых изготавливают вставные седла клапанов, поскольку фазы твердого материала, придающие сплаву износостойкость, также вызывают значительный износ режущих инструментов в процессе механической обработки.

Спеченные сплавы вытеснили литейные сплавы при изготовлении вставных седел клапанов в большинстве применяемых двигателей легковых автомобилей. Порошковая металлургия (прессование и спекание) представляет собой весьма привлекательный способ изготовления VSI благодаря гибкости этого метода при составлении сплавов, что делает возможным совместное существование сильно разнородных фаз, таких как карбиды, фазы мягкого феррита или перлита, твердый мартенсит, Cu-обогащенная фаза и т.д., а также возможности получения близкой к заданной формы изделия, что снижает затраты на механическую обработку.

Спеченные сплавы для вставных седел клапанов появились в результате потребности в более высокой удельной мощности двигателей внутреннего сгорания, что предполагает более высокие температурные и механические нагрузки, альтернативные виды топлива для уменьшения эмиссии и продления срока службы двигателя. Такие спеченные сплавы в основном относятся к четырем типам:

1) 100% инструментальная сталь,

2) матрица из чистого железа или низколегированного железа с добавлением частиц твердой фазы для повышения износостойкости,

3) высокоуглеродистая сталь с высоким содержанием хрома (>10 мас.%), и

4) сплавы на основе Со и Ni.

Эти материалы отвечают большинству требований долговечности (стойкости). Однако все они трудно поддаются механической обработке, несмотря на использование большого количества добавок, облегчающих механическую обработку.

Типы 1, 2 и 3 представляют собой материалы с высоким содержанием карбида. Патенты США №№6139599, 5859376, 6082317, 5895517 и другие описывают спеченные сплавы на основе железа, содержащие крупные твердые частицы, диспергированные в основной фазе перлита (5-100% перлита), плюс изолированные мелкие частицы карбидов и самосмазывающие соединения, применяемые для седел выхлопных клапанов.

Повышение количества и размеров частиц карбида в сплаве, хотя и повышает долговечность (стойкость), но наносит вред обработке (прессуемость и прочность сырой формовочной смеси) и механической обрабатываемости готовых вставных седел клапанов. Кроме того, прочность спеченного продукта существенно снижается, когда присутствуют частицы карбида или крупные твердые частицы.

Патент США №6139598 описывает материал для вставных седел клапанов с хорошим сочетанием прессуемости, высокотемпературной износостойкости и механической обрабатываемости. Смесь, используемая для получения такого материала, представляет собой комплексную смесь стального порошка, содержащего Cr и Ni (>20% Cr и <10% Ni), порошка Ni, Cu, порошка ферросплава, порошка инструментальной стали и порошка твердой смазки. Несмотря на то что такой материал может обеспечить значительное улучшение прессуемости и износостойкости, большое количество легирующих элементов определяет высокую стоимость материала (Ni, инструментальная сталь, обогащеннный Cr стальной порошок, ферросплавы).

Патент США №6082317 описывает материал для вставных седел клапанов, в котором твердые частицы на основе кобальта диспергированы в матрице сплава на основе железа. В сравнении с традиционными твердыми частицами (карбидами), твердые частицы на основе кобальта заявлены как менее абразивные, что обеспечивает меньший износ сопряженного клапана. Указано, что такой материал пригоден для тех применений, где требуется непосредственный контакт между металлическими поверхностями клапана и седла клапана, как при использовании в двигателях внутреннего сгорания. Несмотря на то что кобальтовые сплавы показывают хороший баланс свойств, цена Со делает такие сплавы чрезвычайно дорогостоящими для применения в автомобильной промышленности.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на преодоление недостатков, указанных выше, путем предоставления спрессованного и спеченного сплава с прекрасной механической обрабатываемостью и высокой температурной и износостойкостью.

Настоящее изобретение решает проблему механической обработки, предоставляя уникальную комбинацию высокопрочной низкоуглеродистой мартенситной матрицы, тонкодиспергированных карбидов, способствующих механической обработке добавок, и "сети" из Cu-обогащенной фазы, заполняющей поры. Количество твердых частиц, диспергированных в твердой мартенситной матрице, относительно небольшое, что снижает стоимость сплава.

В соответствии с настоящим изобретением упрочняющийся при спекании сплав имеет матрицу, содержащую: 2-5 мас.% Cr; 0-3 мас.% Мо; 0-2 мас.% Ni, остальное составляет Fe, которое предпочтительно полностью предварительно легировано этими элементами. Для улучшения износостойкости и температуростойкости добавляют 5-25 мас.% инструментальной стали и по меньшей мере одну из способствующих механической обработке добавок, выбранных из группы MnS, CaF 2 или MoS 2 , в количестве 1-5 мас.%. Для существенного улучшения теплопроводности поры заполняют сплавом Cu в количестве 10-25 мас.%, добавляемой путем пропитки прессовки в процессе спекания. Пропитка медью также улучшает механическую обрабатываемость сплава.

Для лучшего понимания настоящего изобретения далее представлены основные свойства в сравнении со свойствами типичного материала вставных седел клапанов согласно предшествующему уровню техники. Состав порошковой смеси (композиции) для приведенных в качестве примера материалов представлен в Таблице 1, а свойства представлены в Таблице 2.

В Таблице 1 Fe представляет собой порошок основы, который используют в смеси и который является либо чисто железным порошком, либо порошком легированной стали. Порошок инструментальной стали представляет собой второй компонент смеси и его вводили в смесь в виде порошка инструментальной стали типа М2 или М3/2. Cu добавляют посредством пропитки прессовки в процессе спекания; графит и твердую смазку добавляют в смесь как порошкообразные элементы.

Все порошки смешивают с испаряемой смазкой, прессуют до 6,8 г/см 3 и спекают при 1120°С (2050°F). Термообработку осуществляют после спекания путем отпуска на воздухе или в атмосфере азота при 550°С.

После обработки определяли критические свойства на типичных образцах каждого сплава. Механическую обрабатываемость определяли путем выполнения надрезов на лицевой стороне и врезания (plunge cutting) для 2000 вставных седел клапанов, изготовленных из приведенных в качестве примера материалов. Износ инструмента измеряли после каждых пятидесяти надрезов. Строили график износа в зависимости от количества надрезов и осуществляли анализ линейной регрессии. Угол наклона линии регрессии показывает скорость износа, и ее использовали в качестве критерия механической обрабатываемости. Кроме того, в конце каждого испытания способности к механической обработке измеряли глубину надреза на вставном седле по боковым кромкам надреза. Глубину надрезов также использовали в качестве показателя механической обрабатываемости испытываемых материалов.

Измерение износостойкости в условиях высоких температур осуществляли в устройстве для испытания износа в условиях высокотемпературного скольжения. Отшлифованные прямоугольные стержни из испытываемых материалов закрепляли и обеспечивали скольжение шара из оксида алюминия в обоих направлениях по отшлифованной ровной поверхности образцов. Испытываемые образцы поддерживали в ходе испытания при температуре 450°С. Глубина царапин была показателем износостойкости образца в этих условиях.

Высокотемпературную твердость измеряли при разных температурах образца, регистрируя по меньшей мере пять показаний при одной и той же температуре с усреднением результатов.

Значения теплопроводности рассчитывали путем умножения измеренных величин удельной теплоемкости, температуропроводности и плотности при заданной температуре.

В Таблице 2 представлены все свойства нового материала в сравнении с существующими материалами вставных седел клапанов, в состав которых входят в пять раз больше инструментальной стали. Материал по настоящему изобретению ("новый сплав") обрабатывается в 2,5-3,7 раза лучше, чем приведенные в качестве примера материалы, обладающие такой же износостойкостью при высоких температурах и с сопоставимой высокотемпературной твердостью.

С учетом того, что максимально ожидаемая рабочая температура для вставных седел выпускных клапанов составляет примерно 350°С, результаты, представленные в таблице 2, ясно показывают, что новый материал будет работать лучше, чем материал В седел клапанов, и почти так же хорошо, как материал А седел клапанов, при этом он демонстрирует значительно лучшую механическую обрабатываемость, чем материал А. Объединенный эффект механической обрабатываемости, стоимости, теплопроводности и износостойкости делает этот материал идеальной заменой дорогостоящих материалов, применяемых в двигателях, таких как материал вставных седел клапанов.

Очевидно, что возможны различные модификации и варианты настоящего изобретения с учетом приведенных выше указаний. Поэтому должно быть понятно, что в рамках объема прилагаемой формулы изобретения данное изобретение может быть осуществлено на практике иначе, чем это конкретно описано. Изобретение определяется формулой изобретения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Упрочняемый при спекании порошковый материал для вставного седла клапана двигателя внутреннего сгорания, полученный из смеси, содержащей порошок на основе железа, порошок инструментальной стали, твердую смазку и медь, отличающийся тем, что он получен из смеси, содержащей 75-90 мас.% упрочняемого при спекании порошка на основе железа, предварительно легированного 2-5 мас.% хрома, до 3 мас.% молибдена и до 2 мас.% никеля, а медь введена путем пропитки при спекании.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что смесь содержит от 5 до 25 мас.% порошка инструментальной стали.

3. Материал по п.1, отличающийся тем, что инструментальная сталь выбрана из группы, включающей инструментальную сталь М2 и М3/2.

4. Материал по п.3, отличающийся тем, что инструментальная сталь представляет собой сталь М2.

5. Материал по п.1, отличающийся тем, что в него введена медь в количестве 10-25 мас.% от массы смеси.

6. Материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит 89 мас.% порошка на основе железа.

7. Материал по п.2, отличающийся тем, что он содержит 8 мас.% порошка инструментальной стали М2.

8. Материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит 3 мас.% твердой смазки.

9. Материал по п.5, отличающийся тем, что в него введена медь в количестве 20 мас.% от массы смеси.

10. Материал по п.1, отличающийся тем, что он получен из смеси, содержащей, мас.%:

а медь введена в количестве 20 мас.% от массы смеси.

11. Спеченный порошковый материал для вставного седла клапана двигателя внутреннего сгорания с улучшенной механической обрабатываемостью, износостойкостью и высокой теплопроводностью, полученный из смеси, содержащей легированный хромом порошок на основе железа, порошок инструментальной стали, твердую смазку и медь, отличающийся тем, что он получен из смеси, содержащей упрочняемый при спекании порошок на основе железа, предварительно легированный 2-5 мас.% хрома, до 3 мас.% молибдена и до 2 мас.% никеля, а медь введена путем пропитки при спекании.

12. Спеченный материал по п.11, отличающийся тем, что после спекания в печи без ускоренного охлаждения он имеет мартенситную микроструктуру.

13. Спеченный материал по п.11, отличающийся тем, что он содержит 5-25 мас.% порошка инструментальной стали.

14. Спеченный материал по п.11, отличающийся тем, что в него введена медь в количестве 10-25 мас.% от массы смеси.

15. Спеченное вставное седло клапана для двигателя внутреннего сгорания с улучшенной механической обрабатываемостью, износостойкостью и высокой теплопроводностью имеющее матрицу, полученную спеканием смеси, включающей хромсодержащий порошок на основе железа, порошок инструментальной стали, твердую смазку и содержащее медь, отличающееся тем, что матрица получена спеканием смеси, содержащей упрочняемый при спекании порошок на основе железа, предварительно смешанный с или легированный 2-5 мас.% хрома, до 3 мас.% молибдена и до 2 мас.% никеля, а медь введена путем пропитки при спекании.

16. Спеченное вставное седло клапана по п.15, отличающееся тем, что после спекания без ускоренного охлаждения оно имеет полностью мартенситную микроструктуру.

17. Спеченное вставное седло клапана по п.15, отличающееся тем, что оно содержит матрицу, полученную из смеси, содержащей 5-25 мас.% порошка инструментальной стали.

18. Спеченное вставное седло клапана по п.17, отличающееся тем, что в качестве порошка инструментальной стали смесь содержит порошок инструментальной стали М2.

19. Спеченное вставное седло клапана по п.17, отличающееся тем, что оно содержит матрицу, полученную из смеси, содержащей 8 мас.% порошка инструментальной стали.

20. Спеченное вставное седло клапана по п.17, отличающееся тем, что оно содержит матрицу, полученную из смеси, содержащей 1-5 мас.% твердой смазки, представляющей собой по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы MnS, CaF 2 , MoS 2 .

21. Спеченное вставное седло клапана по п.20, отличающийся тем, что матрица получена из смеси, содержащей 3 мас.% твердой смазки.

22. Спеченное вставное седло клапана по п.15, отличающийся тем, что матрица пропитана медью в количестве 10-25 мас.% от массы смеси.

23. Спеченное вставное седло клапана по п.22, отличающийся тем, что матрица пропитана медью в количестве 20 мас.% от массы смеси.

24. Способ изготовления вставного седла клапана для двигателей внутреннего сгорания с улучшенной механической обрабатываемостью, износостойкостью и высокой теплопроводностью, включающий приготовление смеси, содержащей упрочняемый при спекании и легированный хромом порошок на основе железа, порошок инструментальной стали и твердую смазку, прессование, спекание и пропитку медью, отличающийся тем, что при приготовлении смеси используют упрочняемый при спекании порошок на основе железа, предварительно легированный 2-5 мас.% хрома, до 3 мас.% молибдена и до 2 мас.% никеля, а пропитку медью осуществляют одновременно со спеканием.

25. Способ по п.24, отличающийся тем, что после спекания заготовку охлаждают без закалки, при этом получают полностью мартенситную структуру.

26. Способ по п.24, отличающийся тем, что готовят смесь, содержащую 5-25 мас.% порошка инструментальной стали.

27. Способ по п.24, отличающийся тем, что при спекании прессовку пропитывают медью в количестве 10-25 мас.% от массы смеси.

28. Способ по п.24, отличающийся тем, что готовят смесь, содержащую, мас.%:

а при спекании прессовку пропитывают медью в количестве 20 мас.% от массы смеси.

В статье рассматривается вопрос о необходимости и целесообразности применения аустенитного мар-ганцовистого чугуна для седел клапанов ДВС, эксплуатирующихся на газомоторном топливе. Приводят-ся сведения о серийно выпускаемых седлах клапанов ДВС автомобилей, описываются наиболее распро-страненные сплавы для изготовления деталей седел, их недостатки, несовершенство сплавов, применяе-мых при эксплуатации, и причины низкого ресурса деталей такого типа. В качестве решения данной проблемы предлагается использовать аустенитный марганцовистый чугун. На основе многолетних ис-следований свойств марганцовистого чугуна было предложено использовать данный сплав для изготов-ления седел клапанов автомобильных двигателей с газомоторным топливом. Рассматриваются основные свойства, которыми обладает предлагаемый сплав. Результаты исследований положительные, а ресурс новых седел по сравнению с серийными в 2,5 … 3,3 раза больше.

головка блока цилиндров

система питания

изнашивание

ресурс деталей

газомоторное топливо

ДВС автомобиля

1. Виноградов В.Н. Износостойкие стали с нестабильным аустенитом для деталей газо-промыслового оборудования / В.Н. Виноградов, Л.С. Лившиц, С.Н. Платонова // Вестник машиностроения. - 1982. - № 1. - С. 26-29.

2. Литвинов В.С. Физическая природа упрочнения марганцевого аустенита / В.С. Литви-нов, С.Д. Каракишев // Термическая обработка и физика металлов: межвузовский сб. - Свердловск, УПИ. - 1979. - № 5. - С. 81-88.

3. Масленков С.Б. Стали и сплавы для высоких температур. Справочник: в 2 т. / С.Б. Масленков, Е.А. Масленкова. – М. : Металлургия, 1991. - Т. 1. - 328 с.

4. Станчев Д.И. Перспективы применения специального аустенитного марганцовистого чугуна для деталей фрикционных узлов лесных машин / Д.И. Станчев, Д.А. Попов // Акту-альные проблемы развития лесного комплекса: материалы международной научно-техни-ческой конференции ВГТУ. – Вологда, 2007. – С. 109-111.

5. Технология машиностроения. Восстановление качества и сборка деталей машин / В.П. Смоленцев, Г.А. Сухочев, А.И. Болдырев, Е.В. Смоленцев, А.В. Бондарь, В.Ю. Склокин. – Воронеж: Изд-во Воронежского гос. тех. ун-та, 2008. - 303 с.

Введение. Использование газомоторного топлива в качестве горючего для ДВС сопряжено с рядом технических вопросов, без решения которых эффективная эксплуатация автомобилей на двухтопливных системах питания невозможна. Одним из наиболее острых вопросов технической эксплуатации автомобилей на газомоторном топливе является низкий ресурс сопряжения «седло-клапан».

Анализ повреждений седла позволил установить причины их возникновения, а именно: пластическая деформация и газовая эрозия, вызванная ухудшением прилегания пары трения в процессе эксплуатации . На рисунках 1 и 2 представлены основные характерные повреждения седел и клапанов при работе на газовом топливе.

Традиционно для бензиновых двигателей седла клапанов изготавливают из серого чугуна марок СЧ25, СЧ15 по ГОСТ 1412-85 либо углеродистых и легированных сталей 30 ХГС по ГОСТ 4543-71, которые обеспечивают удовлетворительную эксплуатационную надежность и долговечность сопряжения на протяжении гарантированного ресурса двигателя. Однако при переходе на двухтопливную систему питания ДВС ресурс сопряжения резко сокращается, по разным оценкам, ремонт головки блока требуется уже через 20000-50000 тыс. км пробега. Причина снижения ресурса сопряжения - низкая скорость сгорания газовоздушной смеси на режимах работы с высокой частотой вращения коленчатого вала и, как следствие, значительный разогрев металла седла, потеря его прочности и далее деформация от взаимодействия с клапаном.

Таким образом, для обеспечения гарантированного ресурса сопряжения седло-клапан, при использовании газомоторного топлива, от материалов требуются не только высокие антифрикционные свойства, но и повышенная жаропрочность.

Цель исследования. Результаты исследования. Целью исследований является обоснование целесообразности использования для изготовления седел клапанов марганцовистого аустенитного чугуна. Известно, что стали и чугуны феррито-перлитного и перлитного класса не отличаются жаропрочностью и не применяются для деталей, работающих при температурах свыше 700 ºС. Для работы в экстремальных условиях, при рабочих температурах порядка 900 ºС, в частности, используют жаропрочные чугуны аустенитного класса с минимальным количеством свободного графита в структуре. К числу таких сплавов можно отнести аустенитный марганцовистый чугун, связующую основу которого составляет аустенит, содержащий карбидные включения и мелкодисперсный пластинчатый графит. Традиционно такой чугун используется как антифрикционный под маркой АЧС-5 и применяется для подшипников скольжения.

Многолетние исследования марганцовистого чугуна позволили выявить ценные качества данного материала, достигаемые путем улучшения свойств сплава за счет его модифицирования и совершенствования технологии получения. В ходе выполненных работ было изучено влияние концентрации марганца в сплаве на фазовый состав и эксплуатационные свойства аустенитного чугуна. Для этого была произведена серия плавок, при которых варьировалось только содержание марганца на четырех уровнях, состав остальных компонентов, условия и режим проведения выплавки были постоянными. Микроструктура, фазовый состав и свойства полученных чугунов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Влияние концентрации марганца на структурный состав и механические свойства марганцовистого чугуна в литом состоянии

В результате исследования микроструктуры было отмечено, что с ростом содержания марганца в чугуне изменяется соотношение фазовых составляющих (рис. 3): увеличивается отношение гамма-фазы к альфа-фазе железа, возрастает количество карбидной фазы (Fe3C, Mn3C, Cr3C2) и уменьшается количество графита.

Как показали результаты рентгенографических исследований, с повышением содержания марганца отношение площадей интегральных интенсивностей, занимаемых соответственно гамма-фазой аустенита и альфа-фазой мартенсита (I111/I110) на рентгенограмме поверхности шлифа, увеличивается. При содержании марганца 4,5% I111/I110 = 0,7; при 8,2% I111/I110 = 8,5; при 10,5% I111/I110 = 17,5; при 12,3% I111/I110 = 21.

Для установления влияния марганца на физико-механические свойства чугуна были проведены испытания, в частности на износостойкость в условиях сухого трения и неконтролируемого фрикционного разогрева. Сравнительные испытания на износ чугунов с различным содержанием марганца проводились на машине СМЦ-2 по схеме трения «колодка-ролик» при удельном давлении 1,0 МПа и скорости скольжения 0,4 м/с. Результаты испытаний представлены на рисунке 4.

При увеличении содержания марганца от 4,5 до 10,5% в чугуне возрастает количество аустенита, содержащегося в структуре. Увеличение доли аустенита в металлической матрице чугуна обеспечивает надежное удерживание карбидной фазы в основе. Повышение содержания марганца свыше 12% не приводило к существенному росту износостойкости чугуна. Это обстоятельство объясняется тем, что приращение карбидной фазы (наблюдаются отдельные поля ледебурита) не оказывает существенного влияния на износостойкость материала при данных режимах трения.

На основании результатов, полученных при испытании экспериментального чугуна с различным содержанием марганца, наибольшей износостойкостью обладает чугун, содержащий 10,5% Mn. Такое содержание марганца обеспечивает создание оптимального с точки зрения фрикционного контакта структуры, образованной относительно пластичной аустенитной матрицей, равномерно армированной карбидными включениями.

При этом наиболее оптимальным соотношением фазовых составляющих, а также их формой и расположением отличался сплав, содержащий 10,5% Mn. Его структуру составлял преимущественно аустенит, армированный средними и мелкими по величине разнородными карбидами и мелкодисперсными графитными включениями (рис. 5). Относительные испытания на износ при сухом трении, проведенные с образцами из чугунов с различной концентрацией марганца, показали, что марганцовистый чугун, содержащий 10,5% Мn, в 2,2 раза превосходил по износостойкости чугун с 4,5% Mn.

Увеличение содержания марганца свыше 10,5% приводило к дальнейшему повышению количества аустенитной и карбидной фаз, но при этом карбиды наблюдались в виде отдельных полей, износостойкость чугуна не возрастала. На основании этого для дальнейших исследований и испытаний был выбран химический состав чугуна, %: 3,7 С; 2,8 Si; 10,5 Mn; 0,8 Cr; 0,35 Cu; 0,75 Mo; 0,05 B; 0,03 S; 0,65 P; 0,1 Ca.

С целью изучения влияния термической обработки на структурный состав и свойства аустенитного марганцовистого чугуна предложенного химического состава образцы (колодки) подвергали закалке. Объемную закалку образцов проводили в проточной воде с температуры нагрева 1030-1050 °С и продолжительностью выдержки при нагреве: 0,5, 1, 2, 3, 4 ч.

Исследования структуры образцов после объемной закалки показали, что температура нагрева, продолжительность выдержки при нагреве и скорость охлаждения играют значительную роль в формировании структуры марганцовистого чугуна. Закалка в общем случае приводила к практически полной аустенизации, получению зерен среднего и мелкого размера. Нагрев обеспечивает растворение карбидов в аустените. Полнота этих превращений возрастает с увеличением продолжительности выдержки образцов в печи. Мартенсит, присутствующий в структуре отливки, при нагреве полностью растворялся в аустените и при закалке не выделялся. Карбиды, в зависимости от продолжительности выдержки при нагреве, растворившись частично или полностью в аустените, снова выделяются при охлаждении. После закалки количество графита в структуре чугуна становится значительно меньше по сравнению с литым состоянием. В закаленном чугуне пластинки графитных включений тоньше и короче. Твердость по Бринеллю закаленного марганцовистого чугуна снижается, вязкость повышается и улучшается обрабатываемость резанием.

С целью определения режима закалки, обеспечивающего максимальную износостойкость экспериментального марганцовистого чугуна, образцы с различным временем выдержки при закалке подвергались изнашиванию. Изучение износостойкости проводилось на машине трения СМЦ-2 при удельном давлении на образец 1,0 МПа и скорости скольжения 0,4 м/с.

В результате испытаний было установлено, что повышение времени выдержки до 2∙3,6∙103 с при температуре закалки вызывает повышение относительной износостойкости марганцовистого чугуна, после чего его износостойкость не изменяется. Эти испытания подтверждают предположение о том, что структурный состав марганцовистого чугуна, полученного закалкой после выдержки 2∙3,6∙103 с, является наиболее совершенным и способен обеспечить высокую работоспособность при сухом трении.

Кроме того, снижение твердости до 160-170 HB аустенитного марганцовистого чугуна при закалке, по всей вероятности, должно иметь положительное влияние на повреждение и износ контртела (ролика), имитирующего колесо локомотива. В этой связи для последующих лабораторных и эксплуатационных испытаний использовался аустенитный марганцовистый чугун в литом (ИАЧл) и закаленном состоянии, полученный после 2-часовой выдержки при температуре закалки (ИАЧз).

На основе проведенных исследований и испытаний удалось разработать специальный состав аустенитного чугуна, полученного модифицированием марганца, отличающегося высокой износостойкостью в условиях сухого трения (тормоза, фрикционные муфты), отличающихся высоким фрикционным разогревом до 900 ºС («Износостойкий чугун», патент РФ № 2471882) . Результаты испытаний данного состава чугуна в условиях и режимах нагружения сопряжения «седло-клапан» ГРМ показали высокую работоспособность материала, превышающую ресурс седел из серого чугуна СЧ 25 по ГОСТ 1412-85 и 30 ХГС по ГОСТ 4543-71 в 2,5-3,3 раза. Это позволяет считать такой чугун перспективным для использования в условиях сухого трения и высоких температур, в частности для седел клапанов, нажимных дисков сцепления, тормозных барабанов подъемно-транспортных машин и др.

Выводы. Таким образом, можно заключить, что использование аустенитного марганцовистого чугуна для изготовления седел клапанов позволит значительно увеличить ресурс работы ГБЦ двигателей, переведенных на газомоторное топливо, и использующих комбинированную систему питания (бензин-газ).

Рецензенты:

Астанин В.К., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технического сервиса и технологий машиностроения, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», г. Воронеж.

Сухочев Г.А., д.т.н., профессор кафедры технологий машиностроения, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», г. Воронеж.

Библиографическая ссылка