ИЗНОСОСТОЙКИЙ СЛОЙ ДЛЯ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ
WEAR PROTECTION LAYER FOR PISTON RINGS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к износостойкому слою, который предпочтительно используется в поршневых кольцах двигателей внутреннего сгорания. В частности, описан износостойкий слой в виде покрытия для такого поршневого кольца и способ нанесения износостойкого слоя или способ изготовления поршневого кольца с таким износостойким слоем.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Поршневые кольца являются уплотнительными элементами на поршнях, например, двигателя внутреннего сгорания или поршневого компрессора. В двигателе внутреннего сгорания поршневые кольца герметизируют зазор между поршневой головкой и стенкой цилиндра от полости сгорания. При возвратно-поступательном движении поршня поршневое кольцо, с одной стороны, скользит своей наружной окружной поверхностью относительно стенки цилиндра с постоянным пружинным прижимом к ней, с другой стороны, вследствие изменения направления движения поршня поршневое кольцо попеременно скользит в своей канавке для поршневого кольца, причем его торцевые стороны попеременно прилегают к верхней или к нижней стороне канавки. При соответствующем относительном движении трущихся деталей при скольжении в зависимости от материалов происходит больший или меньший износ, который в случае, если детали не имеют смазки, может приводить к так называемому задиру поршня, образованию борозд и в конечном счете к разрушению двигателя.
Для изготовления интенсивно нагруженных частей двигателей внутреннего сгорания, таких как поршневые кольца, в основном используются чугуны или чугунные сплавы. В интенсивно нагруженных двигателях внутреннего сгорания, таких как 4-тактные и 2-тактные двигатели, поршневые кольца, особенно компрессионные поршневые кольца, подвергаются возрастающей нагрузке. Помимо прочего на поршневое кольцо действуют высокое пиковое компрессионное давление, высокая температура сгорания и уменьшение смазочной пленки, которые значительно влияют на функциональные свойства, такие как износостойкость, стойкость к образованию прижога, микросварки и коррозионная стойкость.
Высокие максимальные давления циклов, низкий уровень выбросов и прямой впрыск топлива означают дальнейшую нагрузку для поршневых колец. Следствием этого является повреждение и уплощение материала, прежде всего на нижней торцевой стороне поршневого кольца.
Из-за высоких механических и динамических нагрузок на поршневых кольцах все больше производителей двигателей требуют изготовления поршневых колец из высококачественной стали (улучшенной и высоколегированной, такой как материал 1.4112). При этом в качестве стали обозначают железо с содержанием углерода меньше 2,08 масс. %. Если содержание углерода выше 2,08 масс. %, материал называют чугуном. По сравнению с чугуном стальные материалы обладают более высокой прочностью и вязкостью, поскольку в их основной структуре нет негативных явлений от свободного графита. В основном для изготовления стальных поршневых колец используют высоколегированные хромистые мартеновские стали.
2
3
Для дополнительного улучшения характеристик скольжения поршневых колец относительно стенки цилиндра и износостойкости они снабжаются на своей окружной поверхности покрытиями из различных материалов. Такие покрытия содержат, например, молибден, хром, никель, бор, кремний, алюминий, медь и/или углерод. Имеющееся на рынке покрытие для поршневых колец известно под маркой МКР200 и содержит композицию из молибдена и CrC-NiCr.
Однако для будущих поколений двигателей поршневые кольца с такими покрытиями обладают слишком низкой износостойкостью, стойкостью к прижогу и коррозионной стойкостью. Причиной является высокая пористость защитного слоя порядка 10-15%, а также ограничение содержания износостойких долей в слое вследствие используемого способа напыления.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Соответственно, задачей настоящего изобретения является создание улучшенного износостойкого слоя и способа нанесения покрытия, а также покрытого таким износостойким слоем поршневого кольца, при этом используется базовый сплав железа вместе с молибденом и карбидом вольфрама.
В соответствии с изобретением поставленная задача решается за счет износостойкого слоя, который содержит следующие элементы в указанном соотношении:
от 15 до 25 масс. % железа (Fe),
от 10 до 25 масс. % карбида вольфрама (WC),
от 30 до 40 масс. % хрома (Cr),
от 10 до 25 масс. % никеля (Ni),
от 10 до 25 масс. % молибдена (Mo),
от 1 до 10 масс. % углерода (C),
от 0,1 до 2 масс. % кремния (Si),
2
3
причем Cr присутствует в элементарной форме и/или в форме карбида CrC.
Ингредиенты содержатся в таких количествах, что сумма всех указанных или не указанных специально исходных материалов, составляющих, ингредиентов, элементов и добавок в каждом случае составляет 100%. Доля исходных материалов, составляющих, ингредиентов, элементов и добавок может быть установлена способом, известным специалисту в данной области.
В примере осуществления настоящего изобретения в общей доле от 15 до 50 масс. % карбидов содержатся следующие концентрации карбидов:
от 10 до 25 масс. % WC и
2
3
от 5 до 30 масс. % CrC.
За счет использования карбидов в износостойком слое по изобретению достигается дальнейшее повышение стойкости к прижогу и износостойкости.
Для нанесения износостойкого слоя предпочтительно используется термический процесс напыления, особенно предпочтителен способ высокоскоростного газопламенного напыления (от англ. HVOF - High-Velocity Oxygen Fuel). При этом используемые для изготовления износостойкого слоя ингредиенты используются в порошкообразной форме. Использование способа высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF) дает особенно плотное термическое покрытие на покрываемой основе.
Размеры частиц используемого порошка предпочтительно составляют от 1 до 80 мкм. Отдельные карбиды предпочтительно имеют размеры частиц от 0,1 до 5 мкм и могут быть заключены в матрице NiCr. При этом карбиды могут присутствовать либо в виде агломерированных и спекшихся частиц, либо в качестве первично осажденных карбидов. Предпочтительно они заключены в матрице NiCr.
В отношении физических свойств износостойкого слоя (таких как теплопроводность, коэффициент теплового расширения) за счет минимального содержания железосодержащей основной системы в 15 масс. % создается квазиоднородная система между основой и ее покрытием. Благодаря этому во время полусухого трения, в особенности в области верхней мертвой точки и нижней мертвой точки в поршневом двигателе, лучше отводится тепловая энергия и обеспечивается равномерный процесс тепловой релаксации, например, при колебаниях температуры, имеющих место в двигателе.
Использование в соответствии с изобретением базового сплава железа в качестве основного материала покрытия поршневого кольца вместе с молибденом и карбидом вольфрама в качестве износостойкого слоя приводит к получению нового типа поршневого кольца с улучшенными свойствами в отношении износостойкости, стойкости к прижогу и коррозионной стойкости.
Поэтому настоящее изобретение предусматривает также покрытое износостойким слоем поршневое кольцо. При этом подлежащее покрытию поршневое кольцо может принадлежать к любому типу, например, может быть чугунным или стальным поршневым кольцом. Предпочтительно поршневое кольцо покрывают посредством термического процесса напыления, предпочтительно способом высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF) и особенно предпочтительно посредством способа покрытия износостойким слоем в соответствии с изобретением.
Такое снабженное покрытием поршневое кольцо предпочтительно имеет толщину покрытия от 20 до 1000 мкм.
Согласно примеру осуществления изобретения твердость покрытия поршневого кольца, покрытого износостойким слоем по изобретению, составляет от 550 до 950 HV 1 (испытание на твердость по Виккерсу).
2
2
Такие снабженные покрытием поршневые кольца используются прежде всего в двигателях внутреннего сгорания. При этом применяемые при таком использовании серосодержащие масла вызывают реакцию молибдена в износостойком слое поршневого кольца с серой с получением MoS, который вследствие своей кристаллической структуры является прекрасным твердым смазочным материалом. За счет этой реакции снижается тенденция трибосистемы к прижогу или задиру. MoS имеет характерную слоистую решетку, которая состоит из системы плоскостей сера-металл-сера, параллельных базовой плоскости (001). Внутри этих плоскостей существуют сильные ковалентные связи. Однако плоскости связаны друг с другом только посредством слабых ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Эта подобная графиту анизотропная структура слоя определяет низкую твердость материала и прекрасную расслаиваемость вдоль плоскостей (001) с получением в результате прекрасной антизадирной способности.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
I. Износостойкие слои
Следующие износостойкие слои сравнивались друг с другом:
2
3
V1: Композиция из Мо и CrC-NiCr (Марка МКР200, серийный продукт фирмы Federal-Mogul) в качестве сравнительного образца; и
2
3
2
3
V2: 2-фазная смесь (фаза 1: Mo + CrC-NiCr; фаза 2: основа FeCr+WC/CrC-NiCr), причем
V2a: отношение в смеси фазы 1 к фазе 2=40/60
V2b: отношение в смеси фазы 1 к фазе 2=25/75.
Вариант 1 был нанесен способом плазменного напыления, варианты 2а и 2b - способом высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF).
В таблице 1 показан химический состав использованных в испытаниях износостойких слоев.
II. Эксперименты
Для различных вариантов были проверены микроструктура, пористость и твердость, а также характеристики износа и прижога.
В ходе первого опыта с помощью световой и растровой электронной микроскопии была исследована микроструктура и распределение фаз.
2
3
Из фиг. 1, которая изображает микроструктуру варианта V1 под световым микроскопом (поперечное сечение протравлено по Мураками), можно видеть, что вариант 1 имеет небольшое количество нерасплавленных частиц, а также равномерно распределенные области CrC в никель-хромовой матрице вместе с молибденом. Исследования пористости показали максимальную пористость варианта 1, равную 10%.
2
3
Из фиг. 2 и 3, которые изображают варианты V2a или V2b с помощью растровой электронной микроскопии, видно, что в вариантах V2a и V2b карбиды и молибден распределены равномерно. Имеются также области WC и CrC в матрице Ni-Cr. Нерасплавленных частиц не наблюдается. Исследования пористости показали пористость в вариантах V2a и V2b, примерно равную 1%.
2
3
2
3
На фиг. 1-3 зернистые светлые области соответствуют карбиду вольфрама, очень ровные, также светлые области соответствуют молибдену, светло-серые области - никелю и темно-серые - CrC или содержащим CrC фазам.
2
3
На фиг. 3 на основе более обширных зернистых и светлых областей (соответствуют карбиду вольфрама) ясно, что увеличение фазы 2, то есть содержания основы FeCr+WC/CrC-NiCr, приводит к повышению концентрации карбидов в износостойком слое.
В таблице 2 представлены сводные данные пористости и механических свойств.
На основании таблицы 2 можно сделать следующие заключения. Во-первых, пористость может быть снижена уже за счет использования способа высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF) (в варианте V1 слой был нанесен способом плазменного напыления), и, во-вторых, повышение концентрации карбидов приводит к повышению твердости износостойкого слоя.
Дополнительно к указанным исследованиям были проведены тесты на износ и прижог вне двигателя. Для этого участок элемента скольжения с покрытием фиксировали в держателе и с постоянными усилием и скоростью возвратно-поступательно перемещали по ответному телу в масляной ванне. Результаты представлены на фиг. 4 и 5, причем фиг. 4 представляет износ рабочей поверхности кольца и цилиндра в соответствии с тестом в системе кольцо/цилиндр со смазкой, а фиг. 5 представляет стойкость к прижогу в системе кольцо/цилиндр без смазки.
За счет использования износостойкого слоя по изобретению с измененным составом по сравнению с износостойким слоем, известным из уровня техники, может достигаться значительное улучшение износостойкости (см. фиг. 4), что приводит к снижению износа рабочих поверхностей кольца и цилиндра.
В следующем эксперименте была исследована характеристика прижога. Для этого была использована в принципе такая же испытательная установка, как и при испытаниях на износ. Однако было создано состояние отсутствия смазки, а нагрузку повышали через постоянные промежутки времени. Измерения прекращали, как только коэффициент трения скольжения становился >0,3. Варианты V2a и V2b показали заметно улучшенную характеристику прижога, чем вариант V1 (см. фиг. 5). Меньшее содержание карбидов и меньшая степень расплавления в варианте V2b приводит к сниженной стойкости к прижогу по сравнению с вариантом V2a.
Из указанных выше результатов исследований вытекает, что износостойкий слой в соответствии с изобретением имеет значительно улучшенные свойства, а покрытое износостойким слоем поршневое кольцо показывает лучшую стойкость к износу и прижогу.