Композиционный гранулируемый материал для упрочняющей наплавки поршней

УДК 621.762

КОМПОЗИЦИОННЫЙ ГРАНУЛИРУЕМЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ УПРОЧНЯЮЩЕЙ НАПЛАВКИ ПОРШНЕЙ

М.Л. Первов, канд. техн. наук

Показано, что проблема деформирования высоколегированных труднодеформи-руемых сплавов на основе алюминия может быть решена путем применения технологии гранулирования и использования смеси неоднородных по химическому составу гранул, суммарное содержание компонентов в которых соответствует требуемому. Применение композиционной гранулируемой проволоки для упрочняющей наплавки поршней в зоне первого кольца позволило повысить ресурс поршней в 1,5-2 раза.

Ключевые слова: гранулы, смесь, алюминий, деформирование, проволока, наплавка, поршни.

Composite Granular Material for Strengthening Facing of Piston Surfaces. M.L. Pervov, V.Yu. Konkevich.

It is shown that problem of deformation of high difficult-to-deform aluminium-based alloys can be solved due to the use of the granulation technique and mixture of granules heterogeneous in terms of chemical composition, but with total alloying component content of the granules being in agreement with the desired one. The use of composite granular wire for strengthening facing of piston surfaces in the first ring area allowed an improvement in piston service life 1.5-2 times to be obtained.

Key words: granules, mixture, aluminium, deformation, wire, facing, pistons.

Использование проволоки для наплавки поверхностей находит широкое применение в машиностроении, в частности для восстановления изношенных деталей, а также для придания поверхностям определенных эксплуатационных свойств. Проблема упрочнения особенно актуальна для поршней дизельных двигателей в зоне канавки первого кольца [1]. Поскольку эта зона работает в условиях высоких температур (250-300 °С), сплавы, из которых делают поршни - АЛ-4, АЛ-30, АЛ-25 и даже АК4-1, не могут обеспечить требуемого эксплуатационного ресурса. Необходимо локальное упрочнение поршня в зоне канавки, которое может быть осуществлено методом наплавки. При этом наплавленный металл должен обладать высокой прочностью при комнатной и повышенной (до 300 °С) температурах, высокой твердостью и износостойкостью, удовлетворительной усталостной прочностью.

Проведенные исследования (совместно с сотрудниками ИЭС им.Е.О. Патона В.Р Рябо-

вым, А.Д. Стретовичем и др. [2,3] , а также с сотрудниками Приазовского государственного технического университета В.Я. Зусиным и О.Б. Носовской [4]) позволили сформулировать принципы легирования проволоки для упрочняющей наплавки поршней. Основное требование высокой износостойкости любых металлов и сплавов в подобных условиях эксплуатации - наличие в них твердых частиц упрочняющей фазы, заключенных в прочную, хорошо удерживающую эти частицы матрицу. Причем, как матрица, так и упрочняющие частицы должны быть стабильными при температуре эксплуатации длительное время. Для алюминиевых сплавов наиболее приемлемыми в таких условиях являются интерме-таллиды, образованные элементами УШД группы (железо, никель). Такие частицы наилучшим образом противодействуют вдавливанию контртела (поверхности компрессионного кольца). Повышение сопротивления поверхности канавки этим воздействиям будет происходить также при увеличении твердости

матрицы (а-твердого раствора алюминия) за счет пересыщения растворимыми переходными металлами в условиях повышенной скорости кристаллизации [5-7].

Таким образом, проволока для упрочняющей наплавки должна быть высоколегированной (прочная матрица и интерметаллид-ные фазы кристаллизационного происхождения). В то же время она должна быть достаточно пластичной, чтобы обеспечить ее намотку на катушку сварочного автомата и подачу в зону дуги. Проведенными экспериментами установлено, что использование обычных технологических схем для изготовления проволоки не позволяет решить эту задачу, поскольку проволока разрушается при намотке на барабан. Кроме того, грубые включения интерметаллидов Д!3Ре, образовавшиеся при литье слитка, не успевают раствориться в сварочной ванне даже при ручной наплавке и выкрашиваются при эксплуатации поршня.

Повысить технологичность и пластические свойства высоколегированной проволоки удалось с использованием технологии деформирования неоднородной по химическому составу смеси гранул. Разработан композиционный материал, полученный смешиванием отличающихся по химическому составу следующих гранул:

- из малопластичного высоколегированного сплава - основы проволоки;

- из пластичного малолегированного сплава-наполнителя [8].

При этом суммарное содержание легирующих компонентов в сплавах высоколегированной и малолегированной составляющих должно соответствовать требуемому химическому составу наплавочной проволоки.

Технологический процесс изготовления композиционной проволоки включает в себя операции: литье гранул основы и наполнителя, смешивание гранул в необходимом количестве, засыпку смеси в капсулу, вакуумную дегазацию, брикетирование (рис. 1), прессование брикета на пруток.

Затем возможны разные технологические варианты, например:

- прокатка прутка на стане поперечно-винтовой прокатки и последующее волочение;

Рис. 1. Макроструктура брикета композиционного гранулируемого материала, х1

- резка прутка на промзаготовки и прессование проволоки окончательного диаметра.

Различные по своему химическому составу и степени легированности гранулированные сплавы имеют, естественно, различную технологическую пластичность. При прессовании смеси гранул с различными значениями сопротивления деформации соответственно наблюдается значительная неравномерность деформации в объеме гранул. Гранулы с меньшим значением сопротивления деформации (пластичный наполнитель) деформируются в большей степени, чем гранулы с большим значением сопротивления деформации (основа), обеспечивая образование каркасной структуры композиционной проволоки: наполнитель обволакивает гранулы основы (рис. 2). Образовавшийся каркас изменяет напряженное состояние основы. Напряженное состояние гранул основы приближается к всестороннему неравномерному сжатию. Показатель напряженного состояния К [9] для гранул основы сдвигается в минусовую сторону, что свидетельствует о большом влиянии гидростатического давления на их пластические свойства. С увеличением разницы сопротивлений деформации между материалами основы и наполнителя влияние гидростатического давления на пластические свойства материала основы увеличивается, обеспечивая достаточную пластичность и при комнатной температуре.

Проблема деформирования смеси гранул и создания пластичной проволоки состоит в

а

Рис. 2. Микроструктура прессованного прутка 0 90 мм (а) и прессованной проволоки 0 3 мм (б), х50

том, что наполнитель должен сформировать каркас вокруг гранул основы. Нами были проведены эксперименты по определению оптимальных соотношений между высоколегированной и малолегированной составляющими смеси. В качестве высоколегированной основы использовали сплав на основе алюминия, легированный 30 % мас. Б1 и 8 % мас. Ы1, в качестве пластичного наполнителя - технический алюминий (АД1). Состав смесей представлен в таблице.

При изготовлении прессованной проволоки из гранул диаметром 1,0-2,5 мм, полученных методом центробежного литья с охлаждением в воде, выявлено, что в ходе прессования происходит резкое снижение необходимого усилия прессования, обеспечивается возможность получения тонких прутков диаметром 2,0-2,5 мм. Интересным представляется факт, что резкому снижению усилий прессования способствует даже относительно небольшое содержание пластической составляющей (~15 % мас.). Пластичная составляющая смеси обеспечивает при этом не только повышение технологичности, но и повышение пластичности готовой проволоки. Для обеспечения пластичности, необходимой при намотке проволоки на катушку, содержание малолегированной (пластичной) составляющей смеси должно быть не менее 25 %.

На основе экспериментальных результатов было установлено оптимальное соотношение между количеством гранул пластичного наполнителя и высоколегированной труд-нодеформируемой основой в смеси. Средний состав проволоки для наплавки был разработан на основе установленных принципов легирования.

Исследованием микроструктуры слоя, наплавленного автоматической наплавкой методом аргонодуговой сварки на поршне из сплава АЛ25 с использованием полученной проволоки 0 3 мм, установлено, что в результате воздействия дуги и перемешивания основного металла и металла проволоки в наплавленном слое происходит формирование сплава равномерного состава. Однако при исследовании структуры выявлены отдельные локальные зоны, обогащенные алюминием, свидетельствующие о том, что в процессе формирования наплавленного слоя не весь металл пластичной составляющей смеси успевал раствориться (рис. 3, а.). Вероятно, это можно объяснить относительно большой разницей в температурах плавления сплавов, входящих в состав смеси.

Наличие таких локальных малолегированных микрообластей повышенной пластичности может иметь положительное влияние, так как в них должна происходить аннигиляция напряжений, однако вопросы: каков должен

Соотношение гранул наполнителя и основы

и средний состав экспериментальных

сплавов

Доля гранул сплава Средний состав

Сплав в смеси, % мас. сплава, % мас.

наполнитель основа Д1 Б1

1 15 85 Основа 25,5 6,8

2 25 75 То же 22,5 6,0

3 35 65 « 19,5 5,2

4 50 50 « 15,0 4,0

5 70 30 « 9,0 2,4

Рис. 3. Микроструктура слоя, наплавленного автоматической АДС композиционной гранулируемой проволокой св. 01399 на сплав АЛ25, х100:

а - пластичный компонент смеси гранул, сплав АДО; б - пластичный компонент смеси гранул, сплав Д!-2,5 Б1-0,7 Мп

быть размер этих зон, каково должно быть их количество, требуют глубокого изучения. Поэтому в окончательном варианте для композиционной гранулируемой проволоки, получившей марку Св. 01399 [10] , в качестве пластичного компонента смеси взят не алюминий, а пластичный малолегированный сплав, содержащий до 3 % Б1. Изменение состава пластичной составляющей позволило повысить структурную и химическую однородность наплавленного слоя (рис. 3, б.).

Исследование технологических режимов наплавки разработанными композиционными проволоками проводили на поршнях диаметром 100 мм из сплава АЛ25. В процессе работы установлено, что при обеспечении максимальной твердости НВ=1300-1500 МПа удается в 1,5-2,5 раза снизить износ канавки поршня.

Заключение

Впервые разработана принципиально новая технология изготовления высоколегированной композиционной гранулированной проволоки, основанная на получении ее в виде смеси гранул различного химического состава. При этом, по крайней мере, один из компонентов отличается высокой технологической пластичностью, а суммарное содержание легирующих компонентов в смеси гранул соответствует требуемому составу проволоки. Разработанная технология позволяет расширить возможности легирования проволоки, повысить ее пластичность (угол гиба), улучшить технологичность при прессовании. На основе этой технологии и разработанных принципов легирования разработана высоколегированная проволока для наплавки св. 01399.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зайковский Г.С., Злобин В.Ф., Шалай А.Н. Выбор методов упрочнения канавки под верхнее компрессионное кольцо поршней тракторных двигателей//Трактора и сельхозмашины. 1985. № 1. С. 12-17.

2. Луговик В.Г., Муравейник А.Н., Конкевич В.Ю. Упрочнение наплавкой головок цилиндров из литейного алюминиевого сплава АЛ-4//В сб.: Наплавка износостойких и жаропрочных сталей и сплавов. Наплавочные материалы. - Киев: ИЭС им. Е.О. Патона,1983. С. 5-9.

3. Рябов В.Р., Стретович А.Д., Конкевич В.Ю.

Наплавка алюминиевых поршней проволокой, изготовленной из гранул//Автоматическая сварка. 1987. С. 67-69.

4. Носовская О.Б., Конкевич В.Ю. Сварочная проволока для упрочняющей наплавки порш-ней//Технология легких сплавов. 1995. № 45. С. 49-55.

5. Рябов В.С., Лариков Л.Н., Шматко О.А. и др.

Исследование распада твердого раствора в наплавленном металле поршней из сплава АЛ25 //В сб.: Актуальные проблемы сварки цветных металлов. - Киев: Наукова думка, 1985. С. 48-52.

6. Рябов В.Р., Рабкин Д.М., Муравейник А.Н. и

др. Структура алюминиевого сплава АК 4-1, наплавленного составной проволокой//Автома-тическая сварка. 1982. № 8. С. 20-23.

7. Строганов Г.Б., Ротенберг В.А., Гершман Г.Б. Сплавы алюминия с кремнием. - М.: Металлургия, 1977. - 271 с.

8. Первов М.Л., Конкевич В.Ю. Пути повышения

пластичности эвтектических сплавов алюми-ния//Кузнечно-штамповочное производство. 2006. № 8. С. 31-33.

9. Колмогоров В.Л. Напряжения, деформации, разрушение. - М.: Металлургия, 1970. - 230 с.

10. Патент № 2067041. Алюминиевый сплав для упрочняющей наплавки/Конкевич В.Ю., Тара-рышкин В.И., Зусин В.Я. и др//Бюл. 1996. № 27.