Совершенствование наплавочных материалов и технологии наплавки алюминиевых поршней двигателей внутреннего сгорания с целью повышения их работоспособности Носовская, Оксана Борисовна

Введение к работе

Надежность и экономичность двигателей внутреннего сгорания (д.в.с.) в значительной степени определяются износостойкостью поршней. Они работают в сложных жестких условиях. Выход из строя поршня обычно связан с износом поверхности кольцевых канавок, работающих в паре с компрессионными кольцами при температуре 500 - 573 К. 80% поступающих в ремонт алюминиевых поршней выбраковывают из-за износа первой компрессионной канавки. Изготовление новых поршней процесс очень дорогостоящий, т.к. на Украине, во-первых, нет природных источников алюминия, а во-вторых, удорожание связано с большим объемом механической обработки литых заготовок. Поэтому целесообразно упрочнять как новые, так и отработавшие срок поршни в зоне канавок, что позволяет продлить срок службы дорогостоящей детали.

В настоящее время для упрочнения поршней в зоне канавок используют "нирезистовую" вставку, аргоно-дуговую наплавку сплошными проволоками или порошковой лентой-плющенкой, электроннолучевую наплавку по никелевой фольге и ряд других. Следует отметить, что использование поршней с залитой "нирезисто-вой" вставкой приводит к расходованию 30т никеля и Ют меди на 1 млн. поршней. Кроме того, такая вставка значительно усложняет конструкцию поршня, его механическую обработку, увеличивает вес, стоимость и требует использования импортного оборудования. Использование для восстановления поршней аргоно-дуговой наплавки порошковой лентой-плющенкой затруднено склонностью алюминиевых сплавов к газовой пористости, которая возрастает с увеличением площади поверхности присадочного материала и пре-

пятствует получению наплавленного металла высокого качества и, как следствие, не обеспечивает требуемый ресурс работы поршня.

В связи со всем вышеизложенным совершенствование наплавочных материалов и технологии их наплавки является актуальной задачей.

Цель работы заключается в совершенствовании наплавочного материала и технологии наплавки алюминиевых поршней д.в.с, обеспечивающих получение наплавленного слоя с высокими эксплуатационными характеристиками при восстановлении изношенных поверхностей. В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать влияние состава и структуры алюминиевых сплавов на износостойкость с целью выбора оптимального состава для наплавки.

2. Разработать наплавочные материалы с высокими технологическими и технико-экономическими характеристиками в процессе упрочнения и эксплуатации.

3. На основании исследований и теоретических изысканий разработать технологические рекомендации по наплавке поршней из алюминиевых сплавов.

4. Провести промышленное опробование и внедрение результатов исследований.

НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ. НАУЧНАЯ НОВИЗНА Попытки упрочнения поршня в области канавки под первое компрессионное кольцо предпринимались рядом исследователей и заключались в изменении как структуры металла обработкой лазером, электронным лучем, так и состава металла в этой зоне за

счет дополнительного легирования при .наплавке проволокой с повышенным содержанием таких элементов, как медь, никель, железо, хром и др., либо в сочетании обоих способов.

Однако, несмотря на положительные результаты, полученные рядом исследователей, широкого промышленного внедрения технология упрочнения поршней не нашла. Причина в том, что эффект, достигаемый при упрочнении, оказывался нестабильным, при наплавке и последующей обработке выявлялся брак, связанный с выкрашиванием грубых включений, пористостью, что в итоге делало эту технологию нерентабельной.

Научная новизна

5. Установлено, что введение стронция до 0,05Я мас. в состав сварочной проволоки типа Al-Si-M для наплавки поршней приводит к повышению износостойкости наплавки за счет измельчения и сфероидизации интерметаллидных фаз, образованных железом и никелем.

6. Установлено, что при совместном введении в состав проволоки титана и циркония в шве образуется фаза Al_nSi_mTi>, Zr_;, упрочняющая матрицу и способствующая повышению износостойкости.

7. Показано, что повысить содержание легирующих элементов и сохранить пластичность можно путем разделения базового состава на две части: высоколегированную труднодеформируемую составляющую и низколегированную пластичную. Благоприятная структура и свойства высоколегированной составляющей обеспечиваются гранулированием с высокими скоростями охлаждения. Смешивание твердой и пластичной составляющих с последующим прессованием позволяет повысить пластичность состава, обеспечивающую получение проволоки волочением и ее применение для автоматической наплавки.

4. Показано, что высокотемпературная вакуумная дегазация гранул перед прессованием позволяет более чем в 2 раза снизить содержание водорода по сравнению с его пределом растворимости, что гарантирует получение беспористого наплавленного металла.

5. Установлено, что сохранение степени легирования твердой износостойкой составляющей тугоплавкими элементами за счет уменьшения перехода легирующих в пластичную составляющую возможно при повышении скорости наплавки увеличивающей скорость охлаждения и уменьшающей время процессов выравнивания составов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ Материалы диссертационной работы.докладывались на IV Всесоюзной конференции по сварке цветных металлов (Мариуполь, сентябрь 1990 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Прогрессивные процессы сварки в машиностроении" (Красноярск, май 1991 г.); Региональной научно-технической конференции (Мариуполь, май 1992 г.); II региональной научно-технической конференции (Мариуполь, май 1993 г.); на научных семинарах кафедр "Оборудование и технология сварочного производства" и "Металлургия и технология сварочного производства" Приазовского государственного технического университета (Мариуполь, 1994г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 работ, получено положительное решение по заявке на патент N 94020611/08 гос. регистрации приоритет от 2.06.94 г. На защиту выносятся следующие положения работы:

1. Результаты исследования влияния легирующих элементов и модифицирующих добавок сварочных проволок на фазовый состав, структуру, механические и эксплуатационные свойства наплавлен-

ного слоя и технологичность проволоки.

2. Результаты исследования влияния режимов наплавки на твердость наплавленного слоя.

3. Принцип изготовления и составы среднелегированной проволоки Св 01397, пересыщенной эвтектической композиционной сварочной проволоки Св 01399.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав и общих выводов; изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц, 45 рисунков, список литературы, включающий 114 наименований, и 3 приложений.

Методы исследований. При проведении исследований использованы оптическая и электронная металлография, фрактографичес-кий анализ; химический, спектральный и микрорентгеноспектраль-ный анализы; оценка износостойкости и термостойкости металла с использованием стандартных и специально разработанных методик. Использованы математический аппарат планирования эксперимента и вычислительная техника.