Введение к работе
Актуальность темы. Одним из основных направлений современного материаловедения является создание материалов с качественно новыми свойствами для конкретных условий эксплуатации с помощью эффективных ресурсосберегающих технологий. В частности, актуальной задачей является разработка новых технологий изготовления стальных поршневых колец (ПК) для двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Основным материалом для изготовления ПК служит чугун. По строению своей металлической основы он близок к стали, но структура чугуна весьма существенно отличается от стали. Его металлическая основа пронизана микропорами, заполненными графитом. Наличие микропор в чугуне несколько снижает его механические свойства по сравнению со сталью, но вместе с тем делает более износостойким, так как свободные включения графита служат своеобразной смазкой сопряжённых поверхностей.
Однако это преимущество в ПК не реализуется в эксплуатации двигателей, поскольку рабочие поверхности колец для повышения износостойкости покрываются хромом толщиной в 0,15 - 0,5 мм. Хромовое покрытие обладает рядом достоинств: высокая твердость, низкая склонность к заеданию, малый коэффициент трения хрома по чугуну и стали, высокая коррозионная стойкость. Однако наряду с достоинствами такому покрытию присущи недостатки: пониженная стойкость к ударным нагрузкам, трудно прирабатывается, имеет низкую теплостойкость, из-за чего при высоких температурах (>300 0С) теряет твердость и происходит его растрескивание. Кроме того, электролитическое хромирование длительный процесс (10 - 12 ч.), не стабильно из-за истощения раствора и экологически не безопасно.
В большинстве случаев сохранение упругости колец, определяющее эксплуатационную надёжность двигателя, имеет гораздо большее значение, чем их поведение при износе. Исключения представляют только стальные кольца, которым упругость была придана деформационным упрочнением в холодном состоянии.
Ежедневно в мире изготавливается несколько миллионов ПК. Это литые кольца из чугуна или стальные кольца из проката с последующей механической и термической обработкой для придания упругости.
В то же время изготовление стальных ПК без последующей трудоемкой механической обработки возможно деформационным упрочнением протягиванием проволоки через профильные волочильные ролики. Важно, что упругие элементы после деформации и отпуска имеют существенно большую усталостную прочность, чем после закалки и отпуска. Поэтому установление взаимосвязи между структурой, свойствами, термической обработкой и применением новых методов поверхностного упрочнения стальных ПК является актуальным.
Работа выполнена в рамках гранта Программы «Старт-2006» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по теме: «Создание производства стальных ПК методом холодной пластической деформации с упрочнением рабочих поверхностей и износостойкого слоя», госконтракт № 46376р/6970 от 26.12.06 г.
Цель работы. Выявить структурные особенности деформационного упрочнения, обеспечивающие высокий комплекс прочностных и эксплуатационных свойств стальных поршневых колец с последующей термической и химико-термической обработкой.
Для достижения поставленной цели в настоящей работе были поставлены следующие задачи:
1 На основании анализа применяемых материалов обосновать выбор сталей для изготовления поршневых колец.
2 Исследовать влияние деформационного упрочнения на структуру и твердость стальных поршневых колец.
3 Определить температурные режимы термофиксации и термостабилизации П.К.
4 Разработать способы поверхностного упрочнения поршневых колец.
5 Для повышения эксплуатационной стойкости волочильных роликов разработать режимы термической обработки инструментальных сталей.
6 На основе комплекса экспериментальных исследований разработать технологию формирование структуры стальных поршневых колец с заданным комплексом свойств и внедрить в производство.
Методы исследований:
-
Металлографические исследования проводили на оптическом микроскопе ММР-4 при увеличениях 100, 250, 500, снимки сделаны цифровым фотоаппаратом «Nikon 4300» в режиме микросъемки.
-
Контроль твердости ПК и упрочненного слоя проводили по методу Роквелла (HRC) или Виккерса (HV100) на трех участках поверхности колец по средней линии. (ГОСТ 9450-75). Микротвердость определялась на приборе ПМТ-3 по ГОСТ 9450-76
-
Для исследования износостойкости упрочняемых поверхностей была выбрана схема изнашивания неподвижно-закрепленными частицами на установке МН-1М по ГОСТ 17367-71. Величина весового износа определялась взвешиванием до и после испытаний на лабораторных аналитических весах с точностью 210-4 гр.
-
Ударную вязкость определяли по ГОСТ 9474-78 на стандартных образцах 101055 мм, КС (Дж/см2), испытание проводили на копре МК-30.
-
Прочность инструментальных сталей определялась при сосредоточенном изгибе на образцах 6660 мм по ГОСТ 2055-75.
-
Расчет и построение профиля ПК проводили методом компьютерного моделирования. Спроектирована и изготовлена оснастка волочильного блока для моделирования одно и многопереходного волочения
Научная новизна:
1 Формирование однородной структуры сталей 65Г и 20Х13, необходимое для успешного пластического деформирования, достигается при отжиге ниже Ас1 на 10–20 0С.
2 В результате исследований режимов нагрева установлены температурные интервалы термофиксации и термостабилизации П.К. из сталей 65Г и 20Х13 и их влияние на структуру и твердость:
- термофиксации = 500-570 С;
- термостабилизаций = 550-590 С.
3 На основании исследований способов химико-термической обработки разработана новая технология нанесения комплексного износостойкого слоя (карбонитрация+TiN4+сульфидирование), обеспечивающая повышенные прирабатываемость, износостойкость и эксплуатационную стойкость поршневых колец.
4 Вследствие структурной наследственности сталей при двойной фазовой перекристаллизации разработаны режимы термической обработки инструментальной стали Х6ВФ на вторичную твердость (двойная закалка : с температуры 1100 С, промежуточный отпуск при 650 С 1ч., окончательная закалка от 960 С, отпуск при 520 С и 550 С, позволившие выполнять упрочнения при карбонитрации.
Достоверность результатов исследований и выводов обеспечена использованием современных методов структурного анализа и исследований, воспроизводимостью результатов эксперимента, сравнением с литературными данными, практическим использованием и патентоспособностью разработанных технологий.
Значение полученных результатов для теории и практики
Полученные результаты диссертационной работы позволили установить закономерности формирования структуры стальных поршневых колец при деформационном упрочнении в зависимости от температур рекристаллизации, термофиксации и термостабилизации.
Практическая значимость
-
Приведены обоснования выбора сталей для изготовления стальных поршневых колец.
-
Установленные режимы отжига для снижения твердости и повышения пластичности выбранных сталей.
-
Определены температуры термостабилизации и термофиксации ПК из сталей 65Г и 20Х13, после холодной пластической деформации.
-
Разработанная технология нанесения комплексного износостойкого слоя.
-
Обоснованные режимы термической обработки стали Х6ВФ на вторичную твердость.
-
Технология изготовления цельнонатянутых стальных ПК диаметром от 50 до 200 мм из сталей 65Г и 20Х13 внедрена в производство ООО «Центр развития технологий - Алтай». Достигается повышение работоспособности цилиндропоршневой группы в 1,5 - 2,0 раза по сравнению с чугунными кольцами.
-
Результаты, полученные при выполнении работы, в течение нескольких лет используются в Алтайском государственном университете им. И.И. Ползунова на кафедре «Машиностроительные технологии и оборудование» при подготовке инженеров по направлению «Машиностроение».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международных научно-технических конференциях «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производства» (Барнаул, 2004 - 2009); XV международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых (Томск, - 2009); Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь» (Барнаул, 2005 - 2006); XI Всероссийской конференции студентов и молодых ученых (Рубцовск, 2009); 12-ой Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня (Санкт – Петербург – 2010); 8-й Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» (Новосибирск, 2010); Международной научно-практической конференции «Новые наукоёмкие технологии, оборудование и оснастка для обработки металлов давлением» (Краматорск, 2010); XI miedzynarodowa konferencja naukowa Nowe technologie I osiagniecia w metalurgii i inzynierii materialowej Маtеriаlу Коnfеrеnсуnе nr 2 Czestochowa, 2010 г. (Польша).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 34 печатных работах. В том числе 14 статей, из них 2 статьи опубликовано в издании, рекомендованном ВАК РФ, 13 тезисов докладов, 5 патентов на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, приложений. Работа выполнена на 137 страницах, содержит 60 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 97-ми наименований.
