автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Поршневое кольцо из алюминиевого сплава для двигателей внутреннего сгорания

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПОРШНЕВЫЕ КОЛЬЦА ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. ЦИЛИНДРОПОРШНЕВАЯ ГРУППА ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.

1.2. Функции компрессионных поршневых колец.

1.3. Условия работы компрессионных поршневых колец.

1.4. Требования, предъявляемые к компрессионным поршневым кольцам.

1.5. Материалы поршневых компрессионных колец.

ГЛАВА 2. УПРОЧНЕНИЕ ТРУЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОМПРЕССИОННЫХ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ.

2.1. Введение.

2.2. Способы упрочнения трущихся поверхностей чугунных и .стальных компрессионных поршневых колец.;.

2.3. Способы упрочнения деталей из алюминиевых сплавов.

2.4. Требования к покрытию компрессионных поршневых колец.

ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ НА ПОВЕРХНОСТИ КОМПРЕССИОННОГО ПОРШНЕВОГО КОЛЬЦА.

3.1. Введение.

3.2. Существующие гипотезы формирования упрочненного оксидного слоя.

3.3. Новая гипотеза механизма формирования упрочненного оксидного слоя на поверхности деталей из алюминиевых сплавов.

3.4. Физическая модель формирования упрочненного поверхностного слоя методом искрового оксидирования.

3.5 Влияние предварительной пластической деформации материала на глубину упрочненного оксидного слоя.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

4.1. Введение. Цель и задачи экспериментов.

4.2. Проверка гипотезы формирования упрочненного оксидного слоя

4.2.1. Установление возможности формирования упрочненного оксидного слоя на деталях из алюминиевых сплавов искровым способом.

4.2.2. Определение влияния степени предварительной пластической деформации материала заготовки на глубину и микротвердость упрочненного слоя.

4.3. Формирование упрочненного оксидного слоя искровым способом на компрессионном поршневом кольце.

4.4 Упругость и модуль упругости алюминиевого компрессионного поршневого кольца, упрочненного искровым оксидированием.

4.5. Испытания компрессионного поршневого кольца из алюминиевого сплава в условиях ДВС.

ВЫВОДЫ.

Компрессионные поршневые кольца являются одними из самых ответственных деталей двигателя внутреннего сгорания, которые в большой мере определяют его работоспособность и характеристики. Поршневые компрессионные кольца должны обеспечивать надежное уплотнение камеры сгорания, через них отводится значительная часть тепла поршня и осуществляется формирование смазочного слоя в паре поршневое кольцо -гильза цилиндра. Потери на трение при работе поршневых колец составляют существенную часть всех механических потерь в ДВС. Кроме того, в процессе работы компрессионные поршневые кольца испытывают воздействие газовых сил, инерционных сил, сил трения и работают в условиях вибраций и высоких температур. Поэтому, естественно, что поршневые кольца подвержены интенсивному износу и нередко выходят из строя. Конструкция и качество поршневых колец во многом предопределяют моторесурс и надежность работы двигателя, его экономичность по расходу моторного масла и топлива.

В связи с указанными обстоятельствами особенно высокие требования предъявляются к материалам поршневых колец, которые должны быть износостойки, теплостойки, коррозионностойки, а также обладать достаточной прочностью, стойкостью к вибрациям, высокой теплопроводностью и обеспечивать малый коэффициент трения.

В данной работе на основе анализа требований к материалам поршневых колец и их конструкций сделаны следующие выводы: во-первых, что не существует такого материала, который бы полностью отвечал всем требованиям, предъявляемым к поршневым кольцам, во-вторых, что алюминиевые сплавы по многим позициям не уступают серому чугуну, а по некоторым и превосходят его характеристики. Поэтому в данной работе предложено для изготовления компрессионных поршневых колец использовать алюминиевые сплавы, поршневые кольца из которых будут более теплопроводными, коррозионностойкими и менее склонными к вибрациям, чем кольца из стали и чугуна. Такие поршневые кольца смогут работать в условиях, при которых работают поршни из алюминиевых сплавов. Но, как известно, алюминий обладает низкой износостойкостью, и поэтому в работе произведен анализ существующих способов упрочнения трущихся поверхностей и подбор наиболее подходящего для алюминиевого поршневого кольца. Был выбран способ поверхностного упрочнения деталей из алюминиевых сплавов - микродуговое оксидирование, который позволяет получать на поверхности детали модифицированные' слои с высокой твердостью и износостойкостью.

Однако неудачи, возникшие при обработке поршневых колец небольших диаметров, привели к необходимости теоретического анализа механизма формирования упрочненного слоя.

В данной работе рассмотрены существующие теоретические обоснования процесса формирования упрочненного оксидного слоя и предложена оригинальная гипотеза, объясняющая формы кристаллов оксида алюминия в алюминиевой заготовке и влияние предварительной пластической деформации материала на глубину модифицированного слоя.

На основании проведенных исследований, в работе предложен новый способ получения упрочненного оксидного слоя, которым и были обработаны алюминиевые поршневые кольца.

Для доказательства работоспособности поршневого кольца из алюминиевого сплава с поверхностью, упрочненной методом искрового оксидирования, проведены испытания этого кольца на двигателе ЭМ-42 в течение более 100 часов, которые показали, что компрессионное поршневое кольцо из алюминиевого сплава хорошо работает в условиях ДВС, при этом интенсивность его изнашивания и разбивка поршневой канавки меньше, чем у чугунных поршневых колец.

Актуальность проблемы. Обеспечение надежной и долговечной работы двигателей внутреннего сгорания всегда являлось первостепенной задачей двигателестроителей. Основной узел ДВС - цилиндропоршневая группа (ЦПГ). Лишь обеспечив долговечную и надежную работу деталей этой группы, можно рассчитывать на высокие эффективные показатели двигателя в целом.

Основная особенность, отличающая детали ЦПГ от других деталей двигателя - это сложные условия работы. В процессе функционирования эти детали испытывают воздействие высоких температур, динамических нагрузок, сил трения, различных видов изнашивания, вибраций и коррозии.

Наиболее нагруженной и напряженной деталью ЦПГ являются компрессионные поршневые кольца, обеспечивающие газоуплотнение камеры сгорания. Их конструкция и качество во многом определяют моторесурс и надежность работы двигателя, его экономичность. Но из-за сложных и тяжелых условий работы, поршневые компрессионные кольца часто выходят из строя, а это нередко приводит и к поломке всего двигателя. Поэтому один из основных способов обеспечить безотказную и долговечную работу ДВС - это повысить надежность компрессионных поршневых колец (КПК).

Надежность КПК зависит в основном от материалов, из которых их изготавливают, и методов поверхностного упрочнения. В данной работе предлагается использовать алюминиевые сплавы для изготовления КПК.

Цель работы: исследовать возможность использования в цилиндропоршневой группе двигателей внутреннего сгорания компрессионных поршневых колец из алюминиевого сплава с упрочненными оксидом алюминия рабочими поверхностями.

Задачи исследования:

1. Обосновать метод упрочнения трущихся поверхностей деталей из алюминиевых сплавов, удовлетворяющий условиям работы компрессионных поршневых колец.

2. Установить практическую возможность формирования упрочненного слоя на поверхности компрессионных поршневых колец.

3. Установить возможность работы компрессионного поршневого кольца из алюминиевого сплава с упрочненными оксидом алюминия рабочими поверхностями в условиях ДВС в течение 100 часов.

Методы и объекты исследования. Объектом исследования является двигатель внутреннего сгорания с компрессионным поршневым кольцом из алюминиевого сплава. В работе использовались экспериментальные методы исследования.

Научная новизна.

1. Впервые опытным путем доказана возможность использования компрессионных поршневых колец из алюминиевого сплава, обработанных методом искрового оксидирования, в ДВС.

2. Впервые установлено, что модуль упругости поршневых колец из алюминиевого сплава с поверхностным слоем, упрочненным искровым оксидированием глубиной до 180 мкм, при различных температурах превосходит модуль упругости поршневых колец из алюминиевого сплава без упрочнения в ~ 1,25 раз.

3. Впервые доказана возможность получения искровым способом в кислородосодержащей газовой среде на детали из алюминиевого сплава поверхностного слоя, насыщенного оксидом алюминия, при этом обнаружены следующие особенности:

• микротвердость упрочненного слоя зависит от материала противоэлектрода, при алюминиевом катоде превышает -5000 МПа;

• обработке подвергаются оба электрода.

4. Впервые показано, что формирование упрочненного слоя происходит в основном внутри межкристаллитных зон и на внешней поверхности зерен. Этот механизм упрочнения объясняет: 8

• наличие экстремума в зависимостях скорости роста и микротвердости слоя от предварительной пластической деформации заготовки;

• схожесть конфигурации и размеров кристаллов оксида алюминия в упрочненном оксидном слое с распределением дефектов кристаллического строения в материале заготовки.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. В ДВС в качестве компрессионного поршневого кольца, по крайней мере, в тех условиях, где работают поршневые кольца из серого чугуна, возможно использование поршневого кольца из алюминиевого сплава с упрочненными оксидом алюминия рабочими поверхностями.

2. Способом искрового оксидирования в кислородосодержащей газовой среде возможно осуществить упрочнение рабочих поверхностей поршневых колец из алюминиевых сплавов.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что отсутствуют материалы, которые бы полностью удовлетворяли всем требования к компрессионным поршневым кольцам.

2. С точки зрения требований к компрессионным поршневым кольцам по механическим свойствам (модуль упругости и усталостная прочность) алюминиевые сплавы не уступают серому чугуну, а по таким характеристикам, как плотность, теплопроводность, коррозионная стойкость, превосходят серый чугун.

3. Из возможных способов упрочнения алюминиевых сплавов наиболее естественным является использование метода упрочненного оксидирования, который позволяет формировать поверхностные слои с большим содержанием фазы а-А12Оз.

4. Установлено, что формирование оксида алюминия происходит внутри межкристаллитных зон и на внешней поверхности зерен. Этот механизм упрочнения объясняет:

• наличие экстремума в зависимостях скорости роста и микротвердости слоя от предварительной пластической деформации заготовки;

• схожесть конфигурации и размеров кристаллов оксида алюминия в упрочненном оксидном слое с распределением дефектов кристаллического строения в материале заготовки.

5. Поверхностное упрочнение заготовки из алюминиевого сплава оксидом алюминия может осуществляться искровой обработкой поверхности в кислородосодержащей газовой среде (воздух, воздух насыщенный кислородом).

6. Установлено, что противоэлектрод обрабатываемой детали должен быть изготовлен из алюминиевого сплава.

7. Установлено, что во время искровой обработки заготовки из алюминиевого сплава при использовании алюминиевого противоэлектрода, упрочненный слой образуется на обоих электродах.

8. Модуль упругости поршневого кольца из алюминиевого сплава с поверхностью, упрочненной способом искрового оксидирования, превосходит модуль упругости поршневого кольца из алюминиевого сплава без упрочнения в ~ 1,25 раз.

9. Установлено, что компрессионное поршневое кольцо из алюминиевого сплава Д16Т с поверхностью, упрочненной методом искрового оксидирования, может работать в условиях ДВС, по крайней мере, малоразмерных, с ресурсом не менее 100 часов. При этом интенсивность изнашивания в 3 раза меньше интенсивности изнашивания чугунных поршневых колец.

1. Масла и составы против износа автомобилей / В.М. Школьников, Ю.Н. Шихтер, A.A. Фуфаев и др. М.: Химия, 1988. - 96 с.

2. Ягудин М. JI. Технология производства двигателей внутреннего сгорания. -М.: Машиностроение, 1967.-250 с.

3. Гинцбург Б. JI. Теория поршневого кольца. М.: Машиностроение, 1979. -271 с.

4. Производство поршневых колец двигателей внутреннего сгорания /

5. B.П.Молдаванов, А.Р.Пикман, В.Х.Авербух. М.: Машиностроение, 1980. -199 с.

6. Васильева Е.В., Маркова С.А., Юстус O.A. Карбонитрация поршневых колец из серого чугуна // Автомобильная промышленность. 1986. - № 101. C.33-34

7. Иссинский Ю.Г. О вибрации уплотнительных колец // Вестник машиностроения. 1972. - № 4 — С.37-40

8. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2-ух кн. Кн. 1 / Под ред. И.В. Крагельского и В.В. Алисина. М.: Машиностроение, 1979. - 356 с.

9. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2-ух кн. Кн. 2 / Под ред. И.В. Крагельского и В.В. Алисина. М.: Машиностроение, 1979. - 358 с.

10. Справочник металлиста. В 5-и т. Т.2 / Под ред. А. Г.Рахштадта и В. А. Бростема. М.: Машиностроение, 1976. - 717 с.

11. П.Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. Т.1. 7-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992. - 816 с.

12. Асташкевич Б.М. Износостойкость деталей цилиндропоршневой группы транспортных двигателей // Вестник машиностроения. 1997. - № 10. -С.8-12

13. З.Волков А.Н., Соловьев В.Ю. Эксплуатационные свойства чугунных поршневых колец // Автомобильная промышленность. 1986. - № 6. -С.11-12

14. Автомобильные материалы: Справочник. 3-е изд., перераб. и доп./ Г.В.Мотовилин. -М.: Транспорт, 1989. - 464 с.

15. Энглиш К. Поршневые кольца. Т.1 и 2. М.: Машиностроение, 1963. - 951с.

16. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин: Справочник. М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.

17. Троицкий И.А., Железнов В.А. Металлургия алюминия. Учебное пособие, перераб. и доп. М.: Металлургия, 1984. - 400 с.

18. Сыркин П.Э., Лучинин Б.Н. Алюминиевые двигатели зарубежных автомобилей. М.: ЦНИИТЭИавтопром, 1987. - 59 с.

19. П1урков В.Е., Воробьев С.С. Теплонапряженность поршней автомобильных ДВС // Автомобильная промышленность. 1986. - №11. -С.10-12

20. Долговечность трущихся деталей машин: Сб. статей. Вып.2 / Под ред. Д.Н.Гаркунова. М.: Машиностроение, 1987. - 304 с. (Соколов А.Д. Повышение долговечности сопряжения поршневое кольцо - гильза цилиндра. С. 244-259)

21. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

22. Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник. В 2-х томах. Т.1 / Под ред. М.А. Шлугера. М.: Машиностроение, 1985. - 240 с.

23. Прикладная электрохимия. Учеб. для вузов / Под ред. докт. техн. наук проф. А.П. Томилова. 3-е изд., перераб. - М.: Химия, 1984. - 52 с.

24. Грилихес С. Я. Оксидные и фосфатные покрытия металлов / Под ред. П.М.Вячеславова. 5-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. - 96 с.

25. Электрохимическая обработка металлов / И.И. Мороз и др. М.: Машиностроение, 1969. -208 с.

26. Кинетика изнашивания покрытий, нанесенных методом микродугового оксидирования / А.А.Петросянц, В.П.Малышев, В.А.Федоров, Г.А.Марков // Трение и износ. -1984. №2. - Т.5. - С.350-354

27. Нанесение корундовых покрытий на алюминиевую подложку методом микродугового оксидирования / В.Ф.Бердиков, В.А.Федоров, О.И.Пушкарев, В.М.Рукин, Г.П.Финогенов // Вестник машиностроения. -1991. №4. - С.64-65

28. Состав и структура упрочненного поверхностного слоя на сплавах алюминия, получаемого при микродуговом оксидировании / В.А.Федоров, В.В.Белозеров, Н.Д.Великосельская, С.И.Булычев // Физика и химия обработки материалов. 1988. - №4. - С.92-97

29. Формирование упрочненных поверхностных слоев методом микродугового оксидирования в различных электролитах и при изменении токовых режимов / В.А.Федоров, В.В.Белозеров, Н.Д.Великосельская // Физика и химия обработки материалов. 1991. - №1. - С.87-93

30. Влияние микродугового оксидирования на износостойкость алюминиевых сплавов / В.А. Федоров, Н.Д. Великосельская // Трение и износ. 1989. -№3. -Т.10. - С. 521-524

31. Особенности строения и свойства покрытий, наносимых методом микродугового оксидирования / В.Н.Малышев, Г.А.Марков, В.А.Федоров,

32. A.А.Петросянц, О.П.Терлеева // Химическое и нефтяное машиностроение. -1984. -№1. С.26-27

33. Износостойкость покрытий, нанесенных анодно-катодным микродуговым методом / Г.А.Марков, В.И.Белеванцев, О.П.Терлеева, Е.К.Шулепко,

34. B.И.Кириллов // Трение и износ. 1988. - N2. - Т.9. - С.286-290

35. Взаимосвязь фазового состава и свойств упрочненного слоя, получаемого при микродуговом оксидировании алюминиевых сплавов / В.А.Федоров, Н.Д.Великосельская // Химическое и нефтяное машиностроение. 1991. -№3. - С.29 -30

36. Влияние режимов микродуговой обработки на размеры пар трения из алюминиевых сплавов / В.А.Федоров, Н.Д.Великосельская // Химическое и нефтяное машиностроение. 1991. - №5. - С.24-26

37. Федоров В. А. Модифицирование микродуговым оксидированием поверхностного слоя деталей // Сварочное производство. 1992. - №8.1. C.29-30

38. Физико-механические характеристики упрочненного поверхностного слоя на сплавах алюминия, получаемого при микродуговом оксидировании /

39. B.А.Федоров, Н.Д. Великосельская // Физика и химия обработки материалов.-1990. №.4. - С.57-62

40. Особенности микроструктуры упрочненных поверхностных слоев, получаемых микродуговым оксидированием / В.П. Алехин, В.А. Федоров,

41. C.И. Булычев, O.A. Тюрпенко // Физика и химия обработки материалов. -1991. -№5. С.121-126

42. Абразивная износостойкость поверхностей трения деталей пресс-форм / В.Ф. Бердиков, О.И. Пушкарева, В.А. Федоров, С.И. Сухонос, Е.А. Лавренова // Порошковая металлургия. 1988. - № 12. - С.76-79

43. Мухин B.C., Шустер JI. Ш. Износ инструмента, качество и долговечность деталей из авиационных материалов: Учебное пособие. Уфа: УАИ, 1987. -217 с.

44. Получение покрытий анодно-искровым электролизом / В.И.Черненко, Л.А.Снежко, И.И. Папанова. Л.: Химия, 1991. - 128 с.

45. Баковец В.В., Поляков О.В., Долговесова И.П. Плазменно-электролитическая анодная обработка металлов. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991. - 168 с.

46. Герций О. Ю. Технологическое обеспечение качества обработки деталей машин методом микродугового оксидирования на основе раскрытия наследственных связей между заготовкой и деталью: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1996. - 24 с.

47. Угай Я.А. Неорганическая химия: Учеб. для хим. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1989.-463 с.

48. Разумовский С.Д. Кислород элементарные формы и свойства. - М.: Химия, 1979.-304 с.

49. Капцов H.A. Электрические явления в газах и вакууме. М-Л.: Гостехтеоретиздат, 1950. - 835 с.

50. Капцов H.A. Электроника: Учеб. пособие. М.: Гостехтеоретиздат, 1953. -467 с.

51. Физика взрыва, монография / Под ред. К. П. Станюковича. 2-е изд., перераб. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1975. - 704 с.

52. Физический энциклопедический словарь. Т.5. М.: Советская энциклопедия, 1966.- 576 с.

53. Ударные трубы: Сб. статей./ Под ред. Х.А. Рахматуллина и С.С. Семенова. М.: Издательство иностранной литературы, 1962, - 700 с. ( Блоксом Д. Ударная труба с электрическим возбуждением. С. 241-244)

54. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Физматгиз, 1963. - 632 с.

55. Альтман М.Б., Стромская Н.П. Повышение свойств стандартных литейных алюминиевых сплавов. -М.: Металлургия, 1984. 128 с.

56. Рудой Б. П. Прикладная нестационарная гидрогазодинамика: Учебное пособие. Уфа: УАИ, 1988. - 184 с.

57. Будилов В. В. Физические основы вакуумно-плазменной технологии нанесения покрытий: Учеб. пособие. Уфа: УГАТУ, 1993. - 74 с.

58. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов.: Учебное пособие для вузов. М.: Металлургия, 1983. - 232 с.

59. Краткий справочник физико-химических величин. Изд. 8-е, перераб. / Под ред. А. А. Равделя и А. М. Пономаревой. Л.: Химия, 1983. - 232 с.

60. Физические основы пластической деформации. Учебное пособие для вузов / Полухин П. И., Горелик С. С., Воронцов В. К. М.: Металлургия, 1982. -584 с.

61. Грабский М.В. Структура границ зерен в металлах. Перев. с польского. М.: Металлургия, 1972. - 160 с.

62. Бернштейн М. Л. Структура деформированных металлов. М.: Металлургия, 1977. - 430 с.

63. Кайбышев O.A., Валиев Р.З. Границы зерен и свойства металлов. М.: Металлургия, 1987. - 214 с.

64. Глинка Н.Л. Общая химия: учебное пособие для вузов 27-е изд., стереотипное / Под ред. В.А. Рабиновича. - Л.: Химия, 1988. - 704 с.

65. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.1. Механика. Молекулярная физика: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. - 432 с.о