Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы упрочнения и разрушения фаски выпускных клапанов современных двигателей 9
1.1. Конструкция выпускного клапана 10
1.2. Технологии, применяемые при упрочнении фаски выпускного клапана... 14
1.3. Работоспособность выпускного клапана. Причины разрушения и способы их устранения 20
1.4. Исследование способов повышения качества наплавки 25
1.5. Возможность повышения качества наплавки за счёт введения модуляции 30
Глава 2. Технология плазменно-порошковой наплавки модулированным током 35
2.1. Методика определения перемещения границы сплавления 35
2.2. Методика расчёта параметров плазменно-порошковой направки 36
2.3. Методика расчёта параметров модуляции 46
2.4. Методика исследований. Используемое оборудование 55
Глава 3. Исследование влияния модуляции на свойства наплавленного слоя 62
3.1. Исследование химического состава наплавленного слоя 63
3.2. Металлографическое исследование наплавленного слоя 67
3.3. Исследование пористости в наплавленном слое и ЗТВ 69
3.4. Исследование микротвёрдости наплавленного слоя и ЗТВ 71
3.5. Исследование влияния модуляции на глубину проплавлення 72
Глава 4. Исследование влияния модуляции на износостойкость пар трения «клапан-седло» 82
4.1. Методика испытаний 82
4.2. Результаты триботехнических испытаний 85
Глава 5. Разработка и внедрение технологии плазменно-порошковои наплавки модулированным током 92
5.1. Разработка оборудования для модуляции сварочного тока 92
5.2. Внедрение модуляции тока при плазменно-порошковои ремонтной наплавке 97
Общие выводы и результаты работы 103
Библиографический список использованной литературы 105
Приложение 1 114
Приложение 2 115
Приложение 3 117
- Конструкция выпускного клапана
- Методика определения перемещения границы сплавления
- Исследование химического состава наплавленного слоя
Введение к работе
Повышение требований к динамическим характеристикам автомобиля, необходимость обеспечения международных норм токсичности выхлопных газов и снижение расхода топлива ведёт к изменению конструкции современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Для таких двигателей характерно существенное повышение рабочих нагрузок одновременно со снижением веса и размеров деталей газораспределительного механизма. Не менее важными факторами являются ресурс безремонтной эксплуатации двигателя и его себестоимость.
Для обеспечения соответствия двигателей современным требованиям необходимо постоянное совершенствование технологий и материалов, используемых при изготовлении наиболее нагруженных деталей ДВС. Газораспределительный механизм (ГРМ) выполняет функции системы управления ДВС и в значительной мере определяет показатели его работы: мощность, экономичность, токсичность и акустические характеристики. Одной из самых напряжённых и ответственных деталей ГРМ является выпускной клапан, работающий в сложных условиях ударных нагрузок и трения, при повышенной температуре, коррозионном воздействии продуктов сгорания, топлива и смазки, горячих газов, твёрдых продуктов коксования [1]. Повышенный износ клапанов приводит к возникновению критических величин зазоров в паре «клапан-седло», ухудшая все без исключения показатели двигателя.
Одним из способов повышения ресурса работы выпускного клапана является упрочнение его рабочей поверхности жаропрочными, жаростойкими материалами на основе никеля или кобальта [2]. С этой целью в ОАО «АВТОВАЗ» применяется технология индукционной наплавки методом «намораживания» и плазменно-порошковая наплавка (ППН).
Необходимо заметить, что в силу особенностей ввода тепла в заготовку при «намораживании», температура плавления применяемых для наплавки материалов, особенно для малогабаритных клапанов, ограничена в связи с сильным перегревом (вплоть до оплавления) металла основы. Это не позволяет наплавлять по технологии «намораживания» сплавы на кобальтовой основе на заготовки диаметром менее 30 мм [3].
Таким образом, наиболее перспективной является технология ППН, имеющая большие возможности управления формой наплавляемого валика и позволяющая наплавлять слои толщиной от 0,1 мм до 3 мм и более (при необходимости).
Согласно проведённым исследованиям [4, 5], одним из факторов, определяющих ресурс работы выпускного клапана, является химический состав наплавленного слоя. Наплавляемый сплав в процессе наплавки перемешивается с расплавленным металлом основы, что приводит к снижению содержания в нём легирующих элементов.
Актуальность выполнения современных требований, предъявляемых к надежности двигателей внутреннего сгорания, позволила сформулировать цель работы.
Цель работы: Повышение качества наплавки выпускных клапанов современных тяжелонагруженных двигателей за счёт регулирования процессов растворения и кристаллизации.
Объектом исследования являются процессы формирования химического состава и структуры наплавленного слоя.
Предметом исследования является технология плазменно-порошковой наплавки.
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, наплавленных образцов, металлографические и микрорентгеноспектральные исследования наплавленного металла и зоны сплавления.
Исследования микроструктуры проводили с использованием оптического микроскопа NEOPHOT 32 и электронного микроскопа LEO 1455vp. Химический состав исследовали с использованием приборов MS - 46 «Cameka» и LEO 1455vp.
Фотографирование основной дуги производилось при помощи цифрового фотоаппарата Sony Cybershot с разрешающей способностью 5 Мпикс.
Триботехнические испытания проводились на универсальной машине трения УМТ-1, оснащённой высокотемпературной камерой. Весовой износ седла определялся с помощью весов ВЛР-200.
Все расчёты и обработка экспериментальных данных проводились с использованием современной вычислительной техники. Научная новизна:
1. Показано, что при фиксированном значении удельного
тепловложения содержание железа в наплавленном слое связано с временем
импульса тока основной дуги полиноминальным уравнением третьей степени.
2. Предложенный расчётно-экспериментальный метод определения
параметров модуляции позволяет:
снизить долю участия основного металла в металле шва;
получить более дисперсную структуру наплавленного слоя с меньшей химической неоднородностью по сравнению с наплавкой немодулированным током;
повысить твёрдость наплавленного слоя и ЗТВ;
снизить пористость в наплавленном слое и ЗТВ;
повысить триботехнические свойства наплавленного слоя.
3. Показано, что наложение модулирующих импульсов тока основной
дуги в процессе ППН приводит к прерывистой кристаллизации, проявляющейся
в образовании «чешуек» на поверхности наплавленного слоя, расстояние между
которыми соответствует шагу кристаллизации, определяемому параметрами
модуляции и скоростью наплавки.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Метод расчёта параметров модуляции, обеспечивающих повышение качества наплавленного слоя.
2. Закономерности формирования химического состава и структуры
наплавленного слоя.
3. Универсальное устройство для импульсной наплавки с
использованием управляемых источников тока, не имеющих возможности
модуляции.
Структура и объём работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 117 страниц, в том числе 58 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 67 наименований.
Конструкция выпускного клапана
Выпускные клапаны автомобильных и тракторных двигателей небольшой мощности изготавливают из хромокремнистых сталей мартенситного класса, называемых сильхромами (например, 40Х9С2, 40X10С2М).
При температурах 20-300 С сильхромы не имеют преимуществ перед среднеуглеродистыми легированными нежаростойкими сталями (например, 40ХН). В интервале температур 300-500 С, прочность нежаростойкой стали интенсивно снижается, в то время как сильхромы сохраняют ее на прежнем уровне. При температурах свыше 600 С жаропрочность сильхромов резко уменьшается [6].
Клапаны двигателей повышенной мощности, имеющие более высокие рабочие температуры, изготавливают из жаропрочных высоколегированных сталей аустенитного класса, способных работать под нагрузкой при температурах до 700-800 С [7].
Для экономии дорогостоящих жаропрочных сталей выпускные клапаны изготавливают сварными [8]: головку из аустенитной стали (табл. 1.1.1), а стержень из менее легированной стали (рис. 1.1.1).
Однако, в ряде случаев, применение и аустенитной стали не обеспечивает необходимый ресурс работы клапана. Это относится в первую очередь к фаске клапана, так как именно она подвержена максимальным термическим и механическим нагрузкам. В этом случае применяют дополнительное упрочнение посадочной фаски. Как правило, это наплавка жаропрочных сплавов на основе никеля или кобальта (табл. 1.1.2) [8, 9, 10, 11, 12].
Хромоникелевые сплавы характеризуются высокими технологическими и эксплуатационными свойствами. Легирование бором и кремнием снижает температуру плавления и придает способность самофлюсования, одновременно увеличивая твердость и коррозионную стойкостью во многих агрессивных средах [4].
Сплавы на основе кобальта обладают высокой жаростойкостью и коррозионной стойкостью [13].
Допускается частичная замена кобальта никелем или железом. Наличие хрома и углерода обеспечивает высокую износостойкость, благодаря образованию карбидов типа Сг7Сз и Сг2зСб- Молибден и вольфрам упрочняют твердый раствор, увеличивают жаростойкость, повышают температуру рекристаллизации ( 900 С) и приводят к образованию карбидов типа (Cr,Mo,W)7C3 и (Cr,Mo,W)23C6 [14].
В целом наблюдается тенденция к использованию материалов с минимальным содержанием кобальта, с целью их удешевления.
Выбор того или иного сплава обусловлен нагруженностью двигателя.
Для бензиновых двигателей в качестве наплавляемого материала используют сплав на основе кобальта Stellite F фирмы Deloro Stellite (США), имеющий наименьшее (для стеллитов) содержание кобальта (30-37%) и соответственно стоимость. Благодаря хорошему сочетанию свойств (табл. 1.1.3) и низкой стоимости Stellite F является на сегодня одним из сплавов, наиболее часто используемых « для наплавки рабочей поверхности клапанов. Для дизельных двигателей, имеющих более жесткие условия эксплуатации, применяют сплавы Stellite 6 (около 60% кобальта), Stellite 12 (около 54% кобальта).
Методика определения перемещения границы сплавления
Совместно с Амановым СР. была разработана представлена методика определения величины смещения границы сплавления в направлении основного металла, обусловленного процессами растворения основного металла в наплавленном (рис. 2.1.1) [22].
Железо выбрано с целью уменьшения погрешности определения изменения концентрации в наплавленном слое, как элемент, имеющий наибольший градиент в направлении основной металл - наплавка.
Суть расчёта заключается в том, что в результате растворения основного металла с концентрацией железа Сосн в наплавленном металле с концентрацией СНач происходит смещение начальной границы контакта из положения Хнач в положение Хк0„ и увеличение концентрации железа в наплавленном слое до значения Скон. В основу методики положено равенство произведений объёма растворённого металла основы на концентрацию железа в нём до наплавки и суммарного объёма наплавленного и растворённого металла на приращение концентрации железа после наплавки. Задача нахождения неизвестной конечной координаты границы сплавления Хкон сводится к решению следующего уравнения:
Данная методика позволяет рассчитать положение границы сплавления после наплавки, зная концентрацию железа в основном и наплавляемом металле до наплавки и конечную концентрацию железа в наплавленном слое, что позволит определить эффективность выбранных режимов наплавки.
Исследование химического состава наплавленного слоя
Для проведения экспериментов по изучению влияния модуляции на свойства наплавленного слоя по методике, описанной в главе 2, были рассчитаны режимы наплавки, характеризующиеся максимально близкими значениями погонной энергии, но различающиеся по времени импульса и паузы, току импульса и паузы (табл. 3.1).
Режимы 1, 2 и 3 имеют время импульса, равное периоду модуляции, т.е. наплавка проводилась без модуляции, режим №2 базовый.
Анализ структуры наплавленного слоя и результаты микрорентгеноспектрального анализа позволяют сделать вывод, что металл наплавки представляет собой твёрдый раствор углерода в матрице из кобальта и никеля с включением карбидных составляющих.
В процессе исследований фотографировалась структура наплавленного металла вблизи границы сплавления и область, расположенная в центральной части наплавки, в которой была выявлена зона (в дальнейшем - переходная) резкого изменения структуры металла (рис. 3.2.1). Изменение структуры произошло в результате вторичного нагрева при втором проходе в процессе наплавки (без подачи порошка, увеличенная скорость и меньший ток основной дуги). Расположение и ширина переходной зоны определяется удельным тепловложением в процессе второго оборота и объёмом наплавленного металла, нагретого до температуры рекристаллизации. Металл наплавки имеет дендритную структуру с различной у всех образцов длиной дендритов (рис. 3.2.2).
Рост дендритных кристаллов определяется особенностями нагрева и отвода тепла. Длина дендритов составляет от «0,48 мм (режим без модуляции) до «0,2 мм (режим с Тимп = ЗОмс). Это свидетельствует о положительном влиянии модуляции на структуру наплавки. модуляции, полученные в экспериментах по наплавке выпускных клапанов, позволяют предположить, что введение модуляции снижает степень разбавления наплавляемого металла основным.
Первоначально критерием оценки степени разбавления была выбрана глубина проплавлення, однако, закономерности её изменения в зависимости от времени импульса обнаружено не было. Это объясняется тем, что на глубину проплавлення влияет множество параметров, не учтённых при расчётах, таких, например, как сила давления дуги (газокинетическая составляющая).
Для получения интегральной оценки тепловложения в изделие было выбрано определение доли участия основного металла в металле шва (\j/0=Fnp/(Fnp+FH)). В случае наплавки выпускного клапана точно измерить это отношение затруднительно из-за сложной формы наплавляемой поверхности, которая имеет два радиуса кривизны в перпендикулярных плоскостях.
Для оценки влияния модуляции на степень разбавления наплавляемого металла основным, была проведена серия опытов по наплавке образцов в форме плоских пластин размером 150x60x3 мм, изготовленных из СтЗ. В качестве наплавочного порошка использовался порошок марки Stellite 6 фирмы Deloro Stellite.
