Совершенствование технологии формирования структуры стальных поршневых колец

Актуальность темы

Одним из основных направлений современного материаловедения является создание материалов с качественно новыми свойствами для конкретных условий эксплуатации с помощью эффективных ресурсосберегающих технологий. В частности, актуальной задачей является разработка новых технологий изготовления стальных поршневых колец (ПК), для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с требуемым уровнем механических свойств.

Основным материалом для изготовления поршневых колец служит чугун. По строению своей металлической основы он близок к стали, но чугун весьма существенно отличается от неё своим строением. Его металлическая основа пронизана микропорами, заполненными графитом. Наличие микропор в чугуне несколько снижает его механические свойства по сравнению со сталью, но вместе с тем делает более износостойким, т.к. свободные включения графита служат своеобразной смазкой сопряжённых поверхностей [1,2,3].

Однако это преимущество в ПК не реализуется в эксплуатации двигателей, поскольку рабочие поверхности колец для повышения износостойкости покрываются хромом толщиной в 0,15 — 0,5 мм. Хромовое покрытие обладает рядом достоинств: высокая твердость, низкая склонность к заеданию, малый коэффициент трения хрома по чугуну и стали, высокая коррозионная стойкость. Однако наряду с достоинствами такому покрытию присущи недостатки: пониженная стойкость к ударным нагрузкам, трудно прирабатывается, имеет низкую теплостойкость, из-за чего при высоких температурах (>300 °С) теряет твердость и происходит его растрескивание. Кроме того, электролитическое хромирование длительный процесс (10−12 ч.), не стабильно из-за истощения раствора и экологически не безопасно [4, 5].

Во всем мире производители двигателей внутреннего сгорания постоянно ведут поиск новых технологий в изготовлении деталей цилиндропоршневой группы. Одно из направлений — это ПК из стального проката вместо традиционных колец из чугуна. Иное применение стали, как материала для ПК, возникло с созданием стальных пластинчатых колец. Исходным материалом служит тянутая или катаная стальная лента или проволока относительно небольшой толщины, из которой изготавливаются имеющие форму ПК пластинки, устанавливаемые одна на другую по несколько штук в одну канавку поршня. Такая конструкция колец выдвигает много новых проблем не только в многочисленности конструктивных форм, но и разнобой в применяемых сталях. В тоже время стальные пластинчатые кольца не могут применяться в качестве уплотнительных колец в верхних канавках поршня. Однако, изготовление цельнонатянутых стальных ПК заданного профиля возможно холодной пластической деформацией при волочении [6,7].

В то же время изготовление стальных ПК без последующей трудоемкой механической обработки возможно деформационным упрочнением протягиванием проволоки через профильные волочильные ролики. Важно, что упругие элементы после деформации и отпуска имеют существенно большую усталостную прочность, чем после закалки и отпуска. Поэтому установление взаимосвязи между структурой, свойствами, термической обработкой и применением других методов поверхностного упрочнения цельнотянутых стальных ПК является актуальным. Актуальность настоящей работы подтверждается ее выполнением в рамках гранта Программы Старт-2006 по теме: «Создание производства стальных ПК методом холодной пластической деформацией с упрочнением рабочих поверхностей и износостойкого слоя», госконтракт № 46 376р/6970 от 26.12.06.

Цель работы. Выявить структурные особенности деформационного упрочнения, обеспечивающие высокий комплекс прочностных и эксплуатационных свойств стальных поршневых колец с последующей термической и химико-термической обработкой.

Для достижения поставленной цели в настоящей работе были поставлены следующие задачи:

1 На основании анализа применяемых материалов обосновать выбор сталей для изготовления поршневых колец.

2 Исследовать влияние деформационного упрочнения на структуру и твердость стальных поршневых колец.

3 Определить температурные режимы термофиксации и термостабилизации П.К.

4 Разработать способы поверхностного упрочнения поршневых колец.

5 Для повышения эксплуатационной стойкости волочильных роликов разработать режимы термической обработки инструментальных сталей.

6 На основе комплекса экспериментальных исследований разработать технологию формирование структуры стальных поршневых колец с заданным комплексом свойств и внедрить в производство.

Научная новизна:

1 Формирование однородной структуры сталей 65 Г и 20X13, необходимое для успешного пластического деформирования, достигается при отжиге ниже Aq на 10−20 °С.

2 В результате исследований режимов нагрева установлены температурные интервалы термофиксации и термостабилизации П.К. из сталей 65 Г и 20X13 и их влияние на структуру и твердость:

— термофиксации = 500−570 °С;

— термостабилизаций = 550−590 °С.

3 На основании исследований способов химико-термической обработки разработана новая технология нанесения комплексного износостойкого слоя (карбонитрация+Т1Ы4+сульфидирование), обеспечивающая повышенные прирабатываемость, износостойкость и эксплуатационную стойкость поршневых колец.

4 Вследствие структурной наследственности сталей при двойной фазовой перекристаллизации разработаны режимы термической обработки инструментальной стали Х6ВФ на вторичную твердость (двойная закалка т с температуры 1100 °C, промежуточный отпуск при 650 °C 1ч., окончательная закалка от 960 °C, отпуск при 520 °C и 550 °C, позволившие выполнять упрочнения при карбонитрации.

Практическая значимость:

1 Приведены обоснования выбора сталей для изготовления стальных поршневых колец.

2 Установленные режимы отжига для снижения твердости и повышения пластичности выбранных сталей.

3 Определены температуры термостабилизации и термофиксации ПК из сталей 65 Г и 20X13, после холодной пластической деформации.

4 Разработанная технология нанесения комплексного износостойкого слоя.

5 Обоснованные режимы термической обработки стали Х6ВФ на вторичную твердость.

6 Технология изготовления цельнонатянутых стальных ПК диаметром от 50 до 200 мм из сталей 65 Г и 20X13 внедрена в производство ООО «Центр развития технологий — Алтай». Достигается повышение работоспособности цилиндропоршневой группы в 1,5 — 2,0 раза по сравнению с чугунными кольцами.

7 Результаты, полученные при выполнении работы, в течение нескольких лет используются в Алтайском государственном университете им. И. И. Ползунова на кафедре «Машиностроительные технологии и оборудование» при подготовке инженеров по направлению «Машиностроение».

Реализация результатов работы:

На основе полученных результатов исследований на уровне 5-ти изобретений разработана технология изготовления цельнонатянутых стальных ПК диаметром от 50 до 200 мм из сталей 65 Г и 20X13, которая освоена в производстве ООО «Центр развития технологий — Алтай».

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Обоснование выбора сталей для изготовления поршневых колец: а) компрессионных — 65Гб) маслосъемных — 20X13.

2 Установленные режимы отжига для формирования однородной структуры выбранных сталей.

3 Установленные, на основе исследований, закономерности температурных интервалов рекристаллизации, термофиксации и термостабилизации поршневых колец из сталей 65 Г и 20×13 после холодной пластической деформации.

4 Разработанная технология нанесения комплексного износостойкого слоя (карбонитрация+Тл^+сульфидирование), обеспечивающая повышение эксплуатационной стойкости поршневых колец в 1,5 — 2,0 раза.

5 Режимы термической обработки стали Х6ВФ на вторичную твердость для увеличения контактно-усталостной долговечности в 1,5−3,0 раза.

6 Технологию изготовления стальных поршневых колец с упрочненной поверхностью.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на: международных научно-технических конференциях «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производства» (Барнаул 2004;2009) — XV международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых (Томск — 2009) — всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь» (Барнаул 2005;2006) — XI Всероссийской конференции студентов и молодых ученых (Рубцовск — 2009) — доклады 12-ой Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано — до макроуровня (Санкт — Петербург — 2010) — «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», материалы 8 ВНПК, (Новосибирск — 2010) — доклады.

Международной научно-практической конференции «Новые наукоёмкие технологии, оборудование и оснастка для обработки металлов давлением», (Краматорск — 2010) — XI miedzynarodowa konferencja naukowa Nowe technologie I osiagniecia w metalurgii i inzynierii materialowej Materialy Konferencyne nr 2 Czestochowa, 2010 г. c. 28−33.

Результаты диссертации докладывались на совместных научных семинарах кафедр: «Машиностроительные технологии и оборудование».

По теме диссертации опубликовано 34 работы, из них 2 статьи в центральном издании, рекомендованным ВАК РФ, 5 патентов РФ на изобретение- 14 статей в журналах и сборниках научных трудов- 13 тезисов и докладов в материалах научных конференций.

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» на кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением» под руководством доктора технических наук, профессора Гурьева Алексея Михайловича.

Приношу искреннюю благодарность кандидату технических наук, профессору кафедры Поксеваткину Михаилу Ивановичу за ценные указания и консультации по отдельным разделам работыкандидату технических наук, профессору кафедры Карпову Сергею Васильевичу за помощь в разработке математической модели пластической деформации при изготовлении стальных маслосъемных поршневых колец.

Автор благодарит Карпова Анатолия Павловича за практическое освоение производства стальных поршневых колец на ООО «ЦРТ-Алтай».