способ обработки сжатой дугой

Формула изобретения

Способ обработки сжатой дугой зоны канавки алюминиевого поршня двигателя внутреннего сгорания, при котором заготовку поршня предварительно подогревают, расплавляют зону канавки и в жидкую ванну расплавленного металла вводят легирующий материал, отличающийся тем, что легирующий материал используют в виде порошка, причем его подают в зону активного катодного пятна сжатой дуги, а в процессе обработки поддерживают постоянным объем ванны расплавленного металла, плавно уменьшая ток сжатой дуги на 10 30%

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и направлено на повышение износостойкости канавки поршня, выполненного из алюминиевого сплава. Способ может быть использован в других областях машиностроения, где необходимо локальное упрочнение, повышение жаропрочности и износостойкости алюминиевых сплавов.

Известен способ наплавки твердого поверхностного слоя, заключающийся в том, что в жидкую металлическую ванну, создаваемую плазменной струей, подают порошковый присадочный материал, содержащий легирующие элементы, причем порошок подают концентрично дуге [1[ и [2]

Недостатком указанных способов является, во-первых, малая глубина проплавления основного металла при формировании поверхностного упрочненного слоя из присадочного материала и, во-вторых, невозможность легирования алюминиевого сплава поршня с температурой плавления 600-700^оС порошковыми материалами с температурой плавления 1500-1600^оС и более.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ, состоящий в проплавлении зоны канавки сжатой дугой с одновременным вводом в сварочную ванну легирующего материала. При этом осуществляют предварительный подогрев заготовки поршня.

К недостаткам известного способа упрочнения канавок относится: невозможность получения химической и структурной однородности, а также равномерности физико-механических параметров сплава при более высоком, чем в прототипе процентном содержании легирующих элементов, например при содержании никеля более 9% что обусловлено низкой скоростью растворения легирующей проволоки и ее более высокой температурой плавления в сравнении с алюминиевым сплавом поршня. Образующиеся при этом крупные включения интерметаллидов в целом снижают износостойкость и твердость сплава и затрудняют последующую механическую обработку. Охлаждение заготовки сжатым воздухом оказывается малоэффективным из-за высоких градиентов температурного поля и наличия встречных тепловых потоков при легировании по замкнутому контуру, тем самым не обеспечивается в полной мере постоянство температуры заготовки, что вызывает неравномерность геометрических и физико-механических параметров по длине зоны легирования.

Целью изобретения является повышение износостойкости и прочности алюминиевого сплава поршня в зоне канавки.

В известном способе упрочнения канавок, включающем подогрев заготовки поршня, переплав зоны канавки сжатой дугой с образованием жидкой ванны, в жидкую ванну вводят порошковый легирующий материал, который подают в область электрически активного катодного пятна плазменной дуги. Процесс подачи порошка в область электрически активного катодного пятна плазменной дуги осуществляют настройкой газодинамической системы подачи порошка так, чтобы газодинамические силы, транспортирующие порошок, превышали электрические силы притяжения частиц порошка к аноду плазмотрона.

Для установки плазменной сварки обратной полярности УПС 501 ввод транспортирующего порошка осуществляют под углом 30^о по отношению к оси основной плазменной струи при расходе газа, приведенного в примере. Легирование ведут при поддержании постоянного объема ванны расплавленный металл и при снижении тока сжатой дуги на 10-30% Порошковый материал вводят в жидкую ванну алюминиевого сплава непосредственно в область электрически активного катодного пятна сжатой дуги на поверхности жидкой ванны. При этом достигают оптимального соотношения температур жидкой алюминиевой ванны и порошкового легирующего материала, например алюминида никеля с температурой плавления 1500^оС. Введение порошка в область максимальной температуры и динамического давления на поверхности ванны (электрически активное катодное пятно дуги) обеспечивает полное его растворение и интенсивное перемешивание в объеме жидкой алюминиевой ванны, за счет чего достигается высокая структурная и химическая однородность полученного сплава при высоком процентном содержании легирующего элемента (например, никеля до 12%). Введение расплавленного порошка концентрированным потоком непосредственно в область катодного пятна дуги и в отличие от известного способа вдувания порошка в столб плазменной дуги устраняет отрицательное влияние катодного распыления (значительно возрастающего эффекта при введении в дугу обратной полярности порошковых материалов) на надежность плазмотрона и снижает турбулентность потока защитного газа, что имеет существенное значение для надежной защиты алюминиевой жидкой ванны от окисления. При этом скорость легирования возрастает за счет увеличения площади взаимодействия легирующего материала с металлом ванны.

Легирование при снижении тока плазменной дуги обеспечивает постоянный объем жидкой алюминиевой ванны в процессе легирования и, следовательно, стабильность геометрических и физико-механических параметров по длине контура зоны легирования при переменной температуре заготовки, а величина снижения тока плазменной дуги на 10-30% от начального его значения в течение цикла легирования зависит от массы и размеров заготовки поршня и определяется экспериментально.

П р и м е р. Предварительно подогретая заготовка поршня вращается вокруг собственной оси. Плазмотрон генерирует сжатую дугу и на поверхность образовавшейся жидкой алюминиевой ванны в область катодного пятна транспортирующим газом подают порошковый легирующий материал. Легирование зоны канавки поршня диаметром 120 мм (состав сплава, мас. кремний 12, магний 1,2, марганец 0,6, медь 3; никель 1,3, цинк 0,5, олово 0,2, железо 0,8, остальное алюминий) проводилось в автоматическом режиме при следующих параметрах: продолжительность цикла 80 с; расход порошка 0,9 кг/ч; расход плазмообразующего газа 0,04 м³/ч; расход транспортирующего газа 0,03 м³/ч, начальный ток дуги 360А, конечный ток дуги 280А, заварка кратера 10 с.

Состав порошкового легирующего материала: алюминий 15% никель остальное. Получена кольцевая зона легирования, имеющая площадь сечения 30-35 мм², с содержанием никеля 11,5-12% и твердостью 175-180 НВ. Металлографическое исследование зоны легирования показало, что полученный сплав имеет ярко выраженное дендритное строение в виде игл алюминида никеля в матрице алюминиевого сплава, мелкодисперсную структуру с содержанием соединений Al₃Ni₂, Al₃Ni, Si₃Ni. Поверхность упрочненной зоны не превышает 0,07 см³/100 г сплава. Максимальные остаточные сварочные напряжения после термической и механической обработке составляют 3-5 МПа.

Результаты сравнительных исследований и испытаний для однотипных поршней сведены в таблицу.

Предложенный способ легирования зоны канавки алюминиевого поршня имеет по сравнению с существующими способами следующие преимущества:

увеличение износостойкости и прочности канавки за счет повышения процентного содержания легирующих элементов и высокой структурной и химической однородности сплава;

увеличение производительности процесса легирования в 1,5-2 раза.

Технологический процесс легко автоматизируется и является наиболее простым и экономичным.