Введение к работе
Актуальность темы.
Одной из наиболее нагруженных деталей ДВС является выпускной клапан, подвергающийся в процессе эксплуатации совместному воздействию высоких температур, ударных нагрузок, агрессивной среды камеры сгорания. В итоге, клапаны, изготавливаемые из лучших марок сталей, не выдерживают установленный моторесурс современного форсированного двигателя и выходят из строя, главным образом, из-за прогара посадочной поверхности рабочей фаски.
Существует большое количество способов увеличения ресурса работы контактной поверхности фаски выпускных клапанов. Целесообразной представляется наплавка рабочей фаски материалами с заданными свойствами.
В ОАО АВТОВАЗ с 1972 г. применяется технология индукционной наплавки выпускных клапанов, разработанная сотрудниками ИЭС им. Е.О.Патона. В качестве наплавляемого материала используют литые кольца из хромоникелевого сплава ЭП616А.
Разработка двигателя ВАЗ 2112, отличающегося более жесткими условиями эксплуатации и повышенными требованиями к ресурсу, поставила ряд проблем. Испытания показали, что выпускные клапаны, изготовленные по традиционной технологии, выходят из строя преждевременно, лимитируя работоспособность двигателя.
Цель работы; Повышение ресурса малогабаритных выпускных клапанов тяжелонагруженных двигателей внутреннего сгорания современных автомобилей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Установить закономерности разрушения наплавленной фаски выпускных клапанов двигателей ВАЗ.
-
Разработать методику исследования свойств наплавленных слоев, позволяющих прогнозировать работоспособность клапана с учетом механизма разрушения.
-
Исследовать влияние материала и способа наплавки на свойства наплавленных слоев.
-4-4. Разработать технологию, создать и внедрить автоматическое оборудование для наплавки малогабаритных выпускных клапанов.
Методы исследований.
В работе использованы как стандартные, так и оригинальные методики экспериментальных исследований процесса наплавки и наплавленных слоев, в том числе - осциллографические исследования энергетических параметров сварочной дуги, механические испытания наплавочных материалов и наплавленных образцов при комнатных и высоких температурах, металлографические и микрорентгеноспектральные исследования наплавленного металла и зоны сплавления, ускоренные коррозионные испытания в расплаве оксида свинца, стендовые испытания на двигателе.
Исследование тепловых процессов проводилось с
использованием аналитических методов решения
дифференциальных уравнений. При обработке результатов экспериментов применяли методы дисперсионного и регрессионного анализа, математической статистики. Все расчёты и обработка экспериментальных данных проводились с использованием современной вычислительной техники.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Особенности разрушения фаски выпускных клапанов с индукционной наплавкой хромоникелевым сплавом ЭП 616А.
-
Закономерности влияния термического цикла различных способов наплавки на свойства наплавленного слоя и ЗТВ.
-
Аналитический метод расчёта и способ управления термическим циклом наплавки в виде функциональной зависимости тепловых параметров от угловой координаты заготовки клапана.
-
Специализированное оборудование для автоматической плазменно-порошковой наплавки выпускных клапанов двигателей автомобилей.
Научная новизна : 1. Установлен механизм коррозионного разрушения фаски выпускных клапанов с индукционной наплавкой хромоникелевым сплавом ЭП616А, протекающий в несколько стадий: - появление и развитие межкристаллитной коррозии основного металла в зоне термического влияния;
- зарождение трещины, проникающей по границе
сплавления под наплавку;
- образование на границе сплавления пор,
увеличивающихся в количестве и размерах;
- распространение трещины по ослабленной порами
границе сплавления, с отрывом наплавленного слоя от основного металла.
-
Показано, что основной вклад в разрушение клапана вносит недостаточная коррозионная стойкость и жаропрочность сплава 55Х20Г9АН4 в зоне термического влияния.
-
Показано, что зависимость твердости при температуре 800С от содержания железа в наплавленном слое для сплавов ЭП616А (1) и ВЗК (2) удовлетворительно описывается линейными уравнениями:
у = -2,81х+201,76, (1)
у = -2,93х+242,29 (2)
где у - твердость наплавленного слоя, кг/мм?, д: -
концентрация железа в наплавленном слое, %.
4. Разработан и реализован алгоритм управления
тепловложением в процессе наплавки деталей вращения по
заданному закону в виде функциональной зависимости от
угловой координаты заготовки, обеспечивающий
равномерность структуры, состава и свойств по длине
наплавленного слоя.
Практическая ценность
Решена проблема обеспечения нормативного ресурса работы выпускных клапанов современных тяжелонагруженных двигателей внутреннего сгорания.
Разработаны технические требования на сложно-легированный порошок для плазменной наплавки выпускных клапанов на основе кобальта.
Определены требования к заготовке клапана под плазмешг/га наплавку, разработана методика автоматизированного проектирования заготовок.
Разработана технологическая инструкция, регламентирующая методы контроля и критерии оценки качества наплавленного слоя.
Создано специализированное автоматическое оборудование для плазменно-порошковой наплавки выпускных клапанов.
Технология и оборудование для плазменно-порошковой наплавки внедрены в дирекции по техническому развитию
ОАО АВТОВАЗ при изготовлении выпускных клапанов двигателей ВАЗ 2112, 21233, 21203, 1119, 3411. Эффект от внедрения каждой установки составляет 150 — 200 тыс. дол. США. Апробация работы
Основные положения данной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Международная научно-техническая конференция «Металлургия сварки и сварочные материалы» (г. Санкт-Петербург, 1993 г.).
Конференция «Состояние и перспективы восстановления и упрочнения деталей машин» (г. Москва, 1994 г.).
Международный научно-практический семинар
«Современный автомобиль: управление и материалы» (г.
Тольятти, 1995 г.).
Семинар «Сварка в машиностроении» (г. Москва, 1995 г.).
Международная научно-практическая конференция
«Проблемы развития автомобилестроения в России» (г.
Тольятти, 1997 г.).
Автоматическая установка и образцы наплавленных клапанов демонстрировались на всероссийских и международных выставках, в городах: Москве (1997-1999 г.), С-Петербурге (1995-1999 г.), Будапеште (Венгрия, 1997, 1999 г.), Познани (Польша, 1998 г.), Стокгольме (Швеция, 1997 г.), Ганновере (Германия, 1999г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 13 научных статей, получено 4 положительных решения на выдачу патента России.
Структура н объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит I&Q страниц, в том числе ?$" рисунков, /О таблиц, список литературы из #7 наименований. В приложениях приведены: технические требования на порошок для наплавки, технологическая инструкция ОАО АВТОВАЗ, акт испытаний разработанного оборудования, акт внедрения технологии и оборудования в ГенДР ОАО АВТОВАЗ.