Способ восстановления юбок поршней двигателей внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к области восстановления с одновременным упрочнением изношенных юбок поршней, изготовленных из алюминиевых сплавов, двигателей внутреннего сгорания. Способ включает приращение основы газоплазменным напылением и последующее микродуговое оксидирование (МДО) в щелочном электролите, при этом приращение основы осуществляют порошком марки ПТ65Ю35, затем проводят отделочную обработку до определенных размеров с последующим МДО на всю толщину приращенного слоя, после чего сформированное на юбке поршня покрытие насыщают смесью графита с нитридом бора. Технический результат: повышение долговечности восстановленных юбок поршней двигателей внутреннего сгорания за счет увеличения толщины сформированного на них МДО-покрытия и улучшение таких его свойств, как твердость, относительная износостойкость и антифрикционность, а также увеличение производительности способа за счет сокращения числа операций при приращении и, соответственно, снижения продолжительности последнего. 2 табл.

Изобретение относится к области восстановления с одновременным упрочнением изношенных юбок поршней, изготовленных из алюминиевых сплавов, двигателей внутреннего сгорания.

В ремонтном производстве известен способ восстановления полых цилиндрических деталей, например поршней двигателей внутреннего сгорания. На поршне вдоль образующей делают прорезь в зоне наименьшего износа, после чего прорезь расширяют расклиниванием до получения требуемого наружного диаметра поршня и фиксируют ее в нужном положении, например, путем установки потайных заклепок в предварительно выполненные отверстия в поршне по оси прорези [1].

Недостатком данного способа является то, что при расширении поршня расклиниванием не обеспечивается его наружный диаметр в пределах допуска, заданного рабочим чертежом, кроме этого, прорезь вдоль образующей и сверление отверстий под заклепки существенно ослабляют конструкцию поршня.

Известен способ восстановления изношенных деталей типа тонкостенных тел вращения из пластичных металлов, преимущественно юбок поршней из алюминиевых сплавов. Он включает образование на изношенной поверхности путем пластической деформации рельефа в виде чередующихся гребешков и впадин, причем гребешки выполняют высотой, в 3...6 раз превышающей диаметральный износ, а впадины выполняют по радиусу, в 2...4 раза превышающему высоту гребешков, сглаживание рельефа и финишную механическую обработку [2].

Однако данный способ не позволяет восстанавливать поршни двигателей внутреннего сгорания с большими износами юбок, так как в этом случае затруднительно полное сглаживание гребешков из-за возможного перенаклепа поверхностного слоя поршня и, соответственно, невозможно восстановление размера юбки, заданного рабочим чертежом.

Известен способ восстановления деталей, преимущественно автотракторных поршней из литейных алюминиевых сплавов системы “алюминий-кремний-медь-магний”, включающий нагрев поршня до температуры 550...600°С, выдержку в течение 25...30 мин и закалку в кипящем водном 2% растворе медного купороса с последующей механической обработкой восстанавливаемой поверхности до заданных размеров [3].

Однако юбки поршней двигателей внутреннего сгорания, восстановленные данным способом, обладают низкой износостойкостью.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ формирования износостойких покрытий на поверхности черных и цветных металлов, включающий приращение основы (нанесение подслоя из легкоплавкого сплава, а затем алюминийсодержащей композиции газоплазменным напылением, при этом последняя имеет состав, близкий к алюминиевому сплаву Д16) и ее последующее микродуговое оксидирование (МДО) в щелочном электролите на 2/3 толщины слоя алюминийсодержащей композиции [4].

Недостатком данного способа является то, что в случае ведения МДО на черных металлах оксидирование на всю толщину нанесенного при приращении слоя алюминийсодержащей композиции приводит к тому, что микродуговые разряды начинают разрушать сформированное МДО-покрытие из-за включения в него элементов основы (преимущественно Fe с образованием хрупких окислов Fe₂O₃ и Fe₃O₄), которые ухудшают адгезию покрытия к основе. Поэтому МДО ведется не более чем на 2/3 толщины нанесенного при приращении слоя алюминийсодержащей композиции. При восстановлении с одновременным упрочнением юбок поршней, изготовленных из алюминиевых сплавов, двигателей внутреннего сгорания ведение МДО на 2/3 толщины слоя по алюминийсодержащей композиции, близкой по составу к алюминиевому сплаву Д16, приводит к уменьшению долговечности восстановленных юбок из-за снижения толщины и ухудшения ряда свойств сформированного на них МДО-покрытия. Производительность способа также является низкой, так как при приращении вначале наносится подслой из легкоплавкого сплава, что увеличивает количество операций и является необходимым условием для ведения МДО только на черных металлах.

Задачей изобретения является повышение долговечности восстановленных юбок поршней двигателей внутреннего сгорания за счет увеличения толщины сформированного на них МДО-покрытия и улучшение таких его свойств, как твердость, относительная износостойкость и антифрикционность, а также увеличение производительности способа за счет сокращения числа операций при приращении и, соответственно, снижения продолжительности последнего.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе формирования износостойких покрытий на поверхности черных и цветных металлов, включающем приращение основы газоплазменным напылением и последующее МДО в щелочном электролите, согласно изобретению приращение основы осуществляют порошком марки ПТ65Ю35, затем проводят отделочную обработку до определенных размеров с последующим МДО на всю толщину приращенного слоя, после чего сформированное на юбке поршня покрытие насыщают смесью графита с нитридом бора.

Способ осуществляется следующим образом.

Для восстановления изношенных юбок поршней двигателей внутреннего сгорания вначале производят предварительную подготовку детали и напыляемого порошка. Предварительная подготовка поршня включает его очистку, механическую обработку юбки и создание на ее поверхности определенной шероховатости, которая оказывает существенное влияние на прочность сцепления частиц напыляемого порошка. Очистку поршня от грязи, масла и нагара осуществляют в расплаве солей в трехсекционной моечной машине ОМ-4944. В первой секции (с расплавом 65% по массе едкого натра NaOH, 30% по массе азотнокислого натрия NaNO₃ и 5% по массе хлористого натрия NaCl, нагретого до температуры 350°С) поршень выдерживают в течение 25 мин на расстоянии 250...300 мм от поверхности расплава для его равномерного прогрева, исключающего деформацию. Затем поршень погружают на 12...15 мин в расплав солей, после чего его вынимают и выдерживают еще 4...6 мин над расплавом для стекания последнего. Во второй секции поршень промывают в холодной воде с температурой 10...12°С в течение 4 мин, в третьей секции его нейтрализуют и осветляют (в 15% по массе водном растворе хромового ангидрида СrО₃ и 5% по массе растворе ортофосфорной кислоты Н₃РО₄) в течение 4...5 мин при температуре раствора 85...95°С. Далее поршень вынимают из моечной машины и сушат.

Механическую обработку юбки поршня выполняют на токарном станке модели 16К20. Поршень базируют и фиксируют в предварительно расточенных секторных кулачках, установленных в патроне станка и имеющих выступы по форме маслосъемной канавки шириной 4,5...5,0 мм. Базирование осуществляют по днищу и одной из боковых поверхностей маслосъемной канавки, использование которой в качестве базовой поверхности допустимо из-за незначительного ее износа при эксплуатации. Поршень центрируют сначала по днищу маслосъемной канавки, а затем поджимают вращающимся упором со стороны камеры сгорания, при этом происходит его ориентация по боковой поверхности маслосъемной канавки. После этого поршень окончательно зажимают в патроне станка. Юбку поршня обрабатывают до выведения следов изнашивания с помощью копировального приспособления, закрепленного в резцедержателе станка. Приспособление позволяет соблюдать необходимую разность диаметров в поперечном сечении поршня. В качестве режущего инструмента используют твердосплавные резцы марок ВК. Форму и размеры юбки поршня контролируют на индикаторном приспособлении, настроенном с помощью эталона.

Наиболее рациональный метод создания на поверхности юбки поршня шероховатости - ее дробеструйная обработка чугунной крошкой с размером частиц 2,0...2,5 мм при давлении воздуха 0,45...0,55 МПа и дистанции обработки 120...140 мм. Восстанавливаемую юбку перед обработкой крошкой обезжиривают бензином или уайт-спиритом.

Предварительная подготовка напыляемого порошка заключается в его сушке на противнях при температуре 120...150°С. Для подбора определенной дисперсности гранул порошка его просеивают через сито с размерами ячеек, соответствующими размерам требуемых гранул. В качестве напыляемого используют порошок марки ПТ65Ю35, химический состав которого по массе следующий: Ti - основа; С - 0,07%; Fe - 0,2%; Al - 35...40%. Процентный гранулометрический состав порошка марки ПТ65Ю35, применяемого для напыления юбки поршня, представлен в таблице 1.

После предварительной подготовки поршня и напыляемого порошка производят приращение восстанавливаемой юбки газоплазменным напылением. Плазмообразующим газом является аргоно-азотная смесь, транспортирующим газом - аргон. Для напыления используют универсальную установку УПУ-8М с источником питания ВПН-630. Установка состоит из плазмотрона, двух дозаторов-питателей, систем обеспечения аппаратуры рабочими газами, охлаждающей жидкостью и автоматизированного контроля за процессом. Плазмотрон - разборный, состоит из анодной и катодной частей, разделенных изолятором и составляющих дуговую камеру. Установка может работать в двух режимах: автоматическом и ручном, причем первый обеспечивает напыление согласно циклограмме процесса.

Перед началом работы установки в дуговую камеру плазмотрона подают плазмообразующий газ, а к катодной и анодной частям - напряжение от источника питания. После пробоя промежутка между катодом (электродом) и анодом (соплом) осциллятор плазмотрона возбуждает дугу, которая ионизирует плазмообразующий газ, проходящий через дуговую камеру, превращая его в плазменную струю. В эту же струю из дозатора-питателя транспортирующим газом подается напыляемый порошок. Частицы последнего нагреваются в плазменной струе до оплавления или расплавления и направляются с определенной скоростью на восстанавливаемую юбку поршня, ударяясь о которую деформируются, растекаются и кристаллизуются, образуя покрытие (приращенный слой). Оптимальным режимом работы плазмотрона следует считать такой, при котором наибольшее число напыляемых частиц порошка достигает восстанавливаемой юбки поршня в расплавленном состоянии. Для получения более высокой прочности сцепления напыляемые частицы должны быть нагреты не ниже, чем на 85...95% от температуры их плавления.

Режимы газоплазменного напыления: сила тока - 330...350 А, напряжение - 75 В, расстояние от плазмотрона до восстанавливаемой юбки - 90...100 мм, расход плазмообразующего газа - 15·10^-4 м³/с. Напылять юбку следует сразу после дробеструйной обработки, так как уже через 2,0...2,5 ч ее эффективность существенно снижается из-за увеличения толщины оксидной пленки на обработанной поверхности.

Механическую обработку напыленной юбки поршня выполняют так же, как и механическую обработку юбки при предварительной подготовке поршня. Отделочную обработку выполняют эластичным абразивным инструментом (ЭАИ), представляющим собой круг, состоящий из лепестков шлифовальной шкурки. Обработка ЭАИ обеспечивает шероховатость поверхности Ra=0,16...0,32 мкм. Механическую и отделочную обработки ведут до определенных размеров с учетом их увеличения при МДО.

Далее осуществляют упрочнение восстанавливаемой юбки поршня МДО. Его проводят в щелочном электролите при использовании анодно-катодного режима формирования упрочняющих покрытий. Состав электролита: едкий калий - 1 г/л, жидкое стекло - 8 г/л, дистиллированная вода - остальное (до 1 г/л). Режимы обработки: плотность анодного тока - 10 А/дм², плотность катодного тока - 10...11 А/дм², конечное анодное напряжение - 650...700 В, конечное катодное напряжение - 130...150 В. МДО ведут на всю толщину приращенного слоя. Толщина сформированного МДО-покрытия составляет 320...350 мкм.

После МДО сформированное на юбке поршня упрочняющее покрытие насыщают смесью графита с нитридом бора, которая обеспечивает улучшение антифрикционных свойств юбок. Поршень нагревают до температуры 320°С, а затем погружают в псевдосжиженную смесь графита с нитридом бора на 10...20 с. Частицы смеси, ударяясь о поверхность нагретой юбки поршня с МДО-покрытием, проникают в его поры и заполняют их.

Относительную износостойкость упрочненных юбок поршней двигателей внутреннего сгорания определяли на установке, воспроизводящей схему трения “диск-пальчик” путем трения об абразивный круг диаметром 300 мкм из зеленого карбида кремния (зернистость ≤0,07 мм). За эталон испытаний была принята сталь 45 (HRC44), по отношению к которой и оценивалась износостойкость испытуемых образцов.

При ведении МДО на всю толщину приращенного слоя существенно повышается долговечность восстановленных юбок поршней из-за увеличения толщины сформированного на них МДО-покрытия. Благодаря тому что приращение основы осуществляют порошком марки ПТ65Ю35, существенно увеличиваются твердость и относительная износостойкость восстановленных юбок поршней. После упрочнения МДО поршень со сформированным на юбке покрытием насыщают смесью графита с нитридом бора, что приводит к снижению коэффициента трения упрочняющего покрытия (таблица 2).

Как видно из таблицы 2, предлагаемый способ восстановления юбок поршней двигателей внутреннего сгорания позволяет не менее чем на 7% увеличить толщину сформированного на них упрочняющего покрытия за счет того, что МДО ведется на всю толщину приращенного слоя, значительно повысив тем самым долговечность восстановленных юбок. Твердость и относительная износостойкость юбок поршней также увеличились (на 26% и 11% соответственно). Коэффициент трения упрочняющего покрытия юбок снизился на 27% и, как следствие, повысились их антифрикционные свойства. Продолжительность приращения уменьшилась не менее чем в 2,5 раза за счет удаления операции нанесения легкоплавкого подслоя, тем самым производительность способа существенно возросла.

Источники информации

1. А.С. 706225, В 23 Р 7/02, опубл. в БИ №48, 1979.

2. А.С. 1121117, В 23 Р 6/02, 15/10, B 21 F 3/04, опубл. в БИ №40, 1984.

3. А.С. 1234147, В 23 Р 6/02, C 22 F 1/043, опубл. в БИ №20, 1986.

4. Патент РФ 2026890, C 25 D 11/02, опубл. в БИ №2, 1995 - прототип.

Формула изобретения

Способ восстановления юбок поршней двигателей внутреннего сгорания, включающий приращение основы газоплазменным напылением и последующее микродуговое оксидирование в щелочном электролите, отличающийся тем, что приращение основы осуществляют порошком марки ПТ65Ю35, затем проводят отделочную обработку до определенных размеров с последующим микродуговым оксидированием на всю толщину приращенного слоя, после чего сформированное на юбке поршня покрытие насыщают смесью графита с нитридом бора.