ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

На правах рукопису

СЄРЄНКО

Валерій Олександрович

РОЗРОБКА ЕЛЕКТРОДНИХ МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОМИСЛОВОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ЗМІЦНЕННЯ АЛЮМІНІЄВИХ ПОРШНІВ

Спеціальність: 05.03.06 - Зварювання та споріднені технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Маріуполь 2001

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Приазовському державному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Зусін Володимир Якович,

Приазовський державний технічний університет

(м. Маріуполь), професор кафедри “Металургія і

технологія зварювального виробництва”.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Размишляєв Олександр Денисович, Приазовський державний технічний університет (м. Маріуполь), професор кафедри “Устаткування і технологія зварювального виробництва”;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Довбіщенко Ігор Володимирович,

ІЕЗ ім. Е.О. Патона (м. Київ).

Провідна установа:

Національний технічний університет “

Київський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України (м. Київ).

Захист відбудеться “ 11 ” січня 2002 р. о 14-й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К.12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500,

м. Маріуполь, вул. Університетська, 7.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Приазовського державного технічного університету за адресою: 87500, м. Маріуполь, вул. Апатова, 115.

Автореферат розісланий “_10__” _грудня_______2001 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор В.О. Маслов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Надійність і економічність сучасних двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) значною мірою визначається працездатністю поршнів. Це обумовлено високим рівнем діючих на них навантажень, особливістю взаємодії ущільнювальних кілець з канавками поршня, підвищеною температурою й агресивністю середовища.

Одним із шляхів підвищення працездатності поршневої групи ДВЗ є розробка технологічних варіантів формування зносостійких поверхонь найбільш навантажених зон поршня і вибір відповідних зміцнювальних матеріалів.

Актуальність теми.

У сучасних двигунах внутрішнього згоряння, особливо тих, що працюють в умовах форсованих режимів, найчастіше, причиною виходу з ладу алюмінієвих поршнів є формозміна кільцевих канавок, взаємодіючих з компресійними кільцями.

Техніко-економічний аналіз різних варіантів збільшення терміну служби алюмінієвих поршнів ДВЗ показує, що одним з найефективніших способів є зміцнення їх у зоні кільцевих канавок шляхом використання спеціальних вставок чи шляхом наплавлення.

Труднощі впровадження зміцнювальних технологій у масове виробництво пов'язані, в основному, з нестабільністю одержуваних результатів: розкинення твердості наплавленого металу, викришування металу з наступною мехобробкою, пористість тощо.

Очевидно, що ще на стадії розробки зміцнювальних матеріалів і технології нанесення іх на поршень необхідна комплексна методика оцінки одержуваних характеристик з метою вибору найкращих результатів.

Враховуючи на необхідність широкого впровадження зміцнювальних технологій, як в умовах великого промислового виробництва, так і малого підприємництва, розробка відповідних матеріалів, способів нанесення на поршень є в даний час актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота відповідає напрямку досліджень, що проводяться кафедрою “Металургія і технологія зварювального виробництва” Приазовського державного технічного університету за темою “Розробка економно легованих матеріалів та дослідження впливу попередніх обробок на підвищення механічних властивостей” (категорія 040201 Державний. реєстр. № 0100U002578).

Мета і завдання досліджень.

Мета роботи полягала в створенні електродного матеріалу і розробці технології механізованого наплавлення, що забезпечують підвищення якості наплавленого металу і працездатність алюмінієвих поршнів двигунів внутрішнього згоряння.

Для досягнення цієї мети в роботі поставлені такі наукові і прикладні завдання:–

Розробити оптимальні складові наплавкових матеріалів і технологію наплавлення;

- Розробити методику і виконати комплексні дослідження властивостей наплавленого металу в умовах імітующих реальну роботу сполучення кільце-канавка;–

Проаналізувати джерела утворення пористості наплавленого металу і визначити шляхи підвищення його щільності;–

Розробити оптимальні складові наплавочних матеріалів і технологію наплавлення;–

Розробити і впровадити у виробництво спеціалізоване устаткування і технологічні процеси наплавлення алюмінієвих поршнів двигунів внутрішнього згоряння.

Об'єкт дослідження – процеси, що обумовлюють зміцнення кільцевих канавок алюмінієвих поршнів двигунів внутрішнього згоряння дуговим наплавленням.

Предмет дослідження – електродний матеріал і технологія його нанесення на зміцнювану область алюмінієвих поршнів, що дозволяють одержати щільний наплавлений метал з підвищеним опором ударно-абразивному спрацюванню і деформаційній формозміні канавок алюмінієвих поршнів.

Методи дослідження. Технологічні дослідження проводилися на спеціальній зварювальній установці в лабораторії кафедри МіТЗВ ПДТУ.

Дослідження макро і мікроструктури наплавленого металу проводилися з використанням оптичного мікроскопа МІМ-8, твердості - на приладі ТК-2М, оснащеного приставкою для підігріву зразків, визначення щільності металу (пористості) - гідростатичним методом, оцінка зносостійкості металу з використанням розробленого автором методу і спеціальної установки. Розрахунки виконувалися на основі розробленої математичної моделі поротворення з використанням сучасних програмних продуктів для персональних комп'ютерів.

Наукова новизна отриманих результатів.–

Розроблені нові склади порошкових електродів з алюмінієвою оболонкою для наплавлення жароміцних алюмінієвих сплавів (А.с. №1624841 і №1769478) з використанням комплексної лігатури, що включає Ni, Cu, W, Mo, V як легуючі компоненти, які дають можливість одержати наплавлений метал з підвищеним опором ударно-абразивному спрацюванню і деформаційній формозміні канавок алюмінієвих поршнів._

Встановлено, що пористість наплавленого металу залежить від розміру часток шихти і коефіцієнта заповнення порошкової стрічки. Із збільшенням розміру часток від d = 0,01 см до d = 0,06 см та зі зменшенням Кз від 0,4 до 0,25 вміст водню в наплавленому металі зменшується від 1,3 до 0,6 см3/100 г, причому відбувається його перерозподіл за перетином наплавлюваного валика: у нижній частині шва зменшується, а у верхній – зростає. І це сприяє одержанню щільного металу в зоні розташування кільцевої канавки._

Розроблена математична модель поротворення при наплавленні алюмінієвих сплавів, яка враховує гідродинаміку рідкого металу в зварювальній ванні, рух пухирців газу в умовах існування великих градієнтів температури розплаву. Установлено, що пори в наплавленому металі виникають у тому випадку, коли траєкторія руху газового пухирця перетинає поверхню рухливого фронту кристалізації металу зварювальної ванни.–

Розроблені принципова схема, конструкція і методика випробування на ударно-абразивне спрацювання, які імітують реальну роботу сполучення кільце-канавка поршнів ДВЗ. Методика дає можливість розділити складові формозміни сполучення кільце-канавка зміцненого поршня від абразивного спрацювання і пластичної деформації.

Практична значимість отриманих результатів.–

На підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень розроблені і захищені авторськими свідоцтвами порошкові електроди для одержання необхідного складу металу при наплавленні алюмінієвих поршнів ДВЗ; розроблено технологічний процес наплавлення і спеціалізоване устаткування.–

Розроблена нова методика й установка для прискорених випробувань на ударно-абразивне спрацювання в умовах, наближених до реальної роботи сполучення кільце-канавка поршнів ДВЗ._

Встановлено оптимальні технологічні режими відновлювального і виготовлюваного наплавлення алюмінієвих поршнів для промислових умов, які забезпечують заданий комплекс фізико-механічних властивостей наплавленого металу і підвищення його зносостійкості в 1,7 – 2 рази.

Застосування розробок на Маріупольському ремонтному підприємстві, та НВО “Автрамат інжиніринг” (м. Харків) ( колишнє ВО "Харківтрактородеталь") забезпечило підвищення продуктивності праці, економію енергетичних, сировинних і трудових ресурсів, що дало можливість одержати економічний ефект у сумі 11700 грн.

Особистий внесок здобувача.

Автором, на основі аналізу реальних умов роботи сполучення кільце-канавка алюмінієвих поршнів двигунів внутрішнього згоряння, розроблені принципова схема і конструкція установки для оцінки ударно-абразивного спрацювання пари тертя. Досліджено вплив складу наплавленого металу на стійкість ударно-абразивному спрацюванню і визначені оптимальні складові порошкових електродів.

Також розроблена математична модель поротворення при наплавленні, що дає можливість більш обґрунтовано призначати технологічні параметри наплавлення поршнів.

Розроблені алгоритм і програма (у середовищі Mathcad – 2000) розрахунку руху газових пухирців у зварювальній ванні, які враховують її гідродинаміку і нерівномірність розподілу температури в рідкому металі, що дозволяє оцінити імовірність утворення пор в наплавленому металі.

За особистою участю здобувача на ряді підприємств України впроваджено розроблені матеріали, устаткування і технологію для наплавлення алюмінієвих поршнів двигунів внутрішнього згоряння.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення роботи доповідалися й обговорювалися на IV Всесоюзній конференції з питань зварювання кольорових металів (м. Київ, 1990 р.), на II регіональній науково-технічної конференції (м. Маріуполь, 1993 р.), на I Українській науково-технічной конфереції "Сучасні технології та обладнання в газотермічних процесах відновлення та утилізації деталей машин і конструкцій" (м. Киів, 1999 р.), на науковому семінарі “Сучасні досягнення в галузі зварювання, наплавлення і споріднених технологій”, (м. Маріуполь, 2000 р.), на VII регіональній науково-технічній конференції, (м. Маріуполь, 2000 р.), на міжнародній науково-методичній конференції “Сучасні проблеми зварювання і споріднених технологій, удосконалення підготовки кадрів” (м. Маріуполь, 2001 р.).

Публікації.

Результати дисертаційної роботи відображені в 15 публікаціях, до яких належать статті в центральних журналах і збірниках наукових праць (6 статей), авторські свідоцтва (2 авт.с.), тези доповідей на науково-технічних конференціях (7 тез.).

Структура й обсяг дисертації.

Дисертація викладена на 194 сторінках, складається з вступу, 4-х розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел із 146 найменувань. Робота містить 59 рисунків, 14 таблиць, 2 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, розглянуто стан проблеми, сформульовані мета і завдання роботи, обґрунтовані методи дослідження, показані наукова новизна і практична значимість роботи.

У першому розділі дається характеристика умов роботи алюмінієвих поршнів двигунів внутрішнього згоряння й аналіз шляхів підвищення їхньої працездатності. Поршень виходить з ладу, в основному, через формозміну сполучення кільце-канавка (СКК), що працює в умовах великих циклічних тисків і високих температур. З аналізу взаємодії кільця з канавкою поршня випливає, що збільшення розміру канавки і її руйнування відбувається як від ударної дії кільця на стінки канавки з порівняно невеликою енергією удару, так і в результаті спрацювання при терті в умовах зворотно-поступального руху кільця, дії циклічних тисків процесу згоряння і високих температур.

Існує кілька напрямків зміцнення алюмінієвих поршневих сплавів у зоні розташування канавок: введення спеціальних вставок, нанесення різних покриттів, локальне поверхневе зміцнення імпульсною дугою, плазмовим струменем, лазерним променем та ін. способами.

На сьогодні найбільш розповсюдженою технологією зміцнення деталей з алюмінієвих сплавів є аргонодугове наплавлення. Легуючі елементи можуть бути введені в розплавлений метал у вигляді присадного дроту чи порошку. Вибір оптимального складу сплаву ускладнений неясністю взаємодії компонентів у потрійних і більш складних системах.

Значні перспективи, як плавкого електрода має використання порошкових дротів і стрічок, які дають можливість у широких межах змінювати хімічний склад і створювати композиційний наплавлений метал з високими експлуатаційними характеристиками.

З усіх проблем, властивих процесу дугового наплавлення алюмінієвих поршнів, найбільш серйозною і слабовивченою є проблема утворення несуцільностей (пор) у наплавленому металі, що часто є бракувальною ознакою зміцнюваних поршнів і причиною погіршення його експлуатаційних властивостей, особливо міцнісних.

Аналіз літератури з проблеми підвищення працездатності сполучення кільце-канавка алюмінієвих поршнів показує, що, незважаючи на великий обсяг виконаних досліджень, усе ще залишаються невирішеними багато питань наукового, технологічного і методологічного напрямку. Є значні резерви збільшення довговічності зміцнюваних поршнів за рахунок оптимізації складу металу, який наплавляється, удосконалення способів і технології зміцнення, що забезпечують одержання щільних швів.

В другому розділі наведено обґрунтування вибору системи легування електродів (у тому числі і порошкових) для зміцнення наплавленням локальних зон поршнів і методів оцінки властивостей наплавленого металу. При цьому враховувався багаторічний позитивний досвід моторобудування в галузі синтезування поршневих сплавів з наявністю жароміцності, твердості і зносостійкості на протязі тривалого терміну експлуатації двигуна.

Експериментальні дані показують, що порівняно жароміцними можуть бути лише ті сплави, які за складом відповідають стійким первинним твердим розчинам, комплексно легованим елементами з низьким коефіцієнтом дифузії. До таких елементів відносяться метали перехідної групи. Однак підвищеною жароміцністю володіють також сплави евтектичного складу – АЛ-25, АЛ-26, АЛ-30.

Усі викладені тут принципи регулювання міцнісних властивостей алюмінієвих сплавів можуть бути реалізовані при зміцненні поршнів у зоні канавки за допомогою наплавлення. Необхідно підкреслити, що можливість достатньо широкого регулювання структурно-фазовим складом наплавленого металу мають лише способи наплавлення порошковим електродом. За допомогою порошкового електрода (плющенки) можна створювати наплавлений метал не тільки равноміцний поршневому, але й із значно поліпшеними експлуатаційними характеристиками.

Крім забезпечення необхідного складу наплавленого металу порошкові електроди повинні мати гарні зварювально- технологічні властивості, тобто, процес наплавлення повинен проходити стало, з мінімальним розбризкуванням; наплавлений метал повинен бути щільним, однорідним тощо. Таким чином, при проектуванні порошкових електродів необхідно враховувати багато параметрів, що породжує необхідність у виконанні системних досліджень.

У даній роботі використовувалися як загальноприйняті, так і оригінальні методи дослідження. Експериментально технологічні дослідження виконувалися на спеціальній лабораторній зварювальній установці, що дає можливість регулювати в широкому діапазоні режими наплавлення (Iзв, Uд, Vзв і ін.).

Інтегральним методом дослідження властивостей наплавленого металу є експериментальна оцінка характеристик зносостійкості його в умовах близьких до реальної роботи сполучення кільце-канавка поршня.

З цією метою запропоновано спосіб, що дозволяє виконувати випробування матеріалів на ударно-абразивне спрацювання, використовуючи комплекс змінюваних режимів і навантажень без складного переналагодження і зміни конструкції устаткування. При розробці методу й установки для випробувань була зроблена спроба відтворити реальні умови роботи СКК двигунів внутрішнього згоряння.

Принцип роботи установки такий. На масивній основі встановлено електродвигун постійного чи змінного струму, який обертає вал з эксцентриковым кулачком, що має східчастий перехід. Кулачок взаємодіє з провідною ланкою, на якій встановлюється бойок (контртіло), що періодично взаємодіє з випробуваним зразком, нерухомо закріпленим у спеціальному затиску, який охоплений нагрівальним пристроєм.

З кожним обертом кулачка відбувається подовжнє (уздовж осі Х) зворотно-поступальне переміщення контртіла випробуваним зразком з амплітудою А, яка імітує взаємне переміщення кільця і поршня в СКК. Сила тертя буде залежати від сили нормального тиску N контртіла на зразок. Останнє задається відповідною величиною сили P за допомогою стиснення пружини.

Зміна швидкості відносного подовжнього переміщення контртіла здійснюється зміною частоти обертання вала кулачка за рахунок регулювання числа оборотів приводного двигуна.

Імітація ударної взаємодії кільце-канавки в поршні здійснюється при періодичному підйомі контртіла над зразком на задану висоту h0 з наступним їхнім співударянням при зриві верхньої пластини обойми зі сходинки ексцентрика. Сила удару (точніше - ударний імпульс) задається величинами P і h0.

У процесі роботи в зону тертя через осьовий отвір контртіла може подаватися необхідне змащення чи суміш змащення з абразивом.

Для підтримки температурного режиму при випробуванні пари тертя використовується нагрівач, що працює в автоматичному режимі. Максимальна температура нагрівання 700 К. Технічні можливості установки перекривають усі реально існуючі параметри спрацювання в СКК поршнів двигунів.

Як ілюстрацію можливостей розробленої методики на рисунку 1 приводяться результати випробувань зразків з поршневого алюмінієвого сплаву марки АЛ-25.

Зразки виготовлялися у вигляді пластинок прямокутного перетину розміром 102 мм; контртіло – циліндр з діаметром 16 мм із чавуна, що йде на виготовлення компресійних кілець поршня; початковий зазор h0 = 0.5мм; сила стиснення в парі тертя N = 300 Н.

Як видно з рисунка, розроблена методика оцінки зносостійкості металу при терті-ковзанні з ударом дозволяє розділити основні фактори, які визначають працездатність СКК (температура, удар, тертя, змащення й ін.), що є необхідним при розробці матеріалів для зміцнення канавок і технології їх нанесення. Важливо також відзначити, що методика дає можливість виділити із загальної величини формозміни досліджуваного зразка h ту її частину, яка відбувається лише в результаті необоротної (пластичної) деформації металу від ударних навантажень. Так, відповідно до результатів випробувань, приведених на рисунку 1, можна визначити, що частка формозміни зразка внаслідок пластичної деформації від її загальної величини при N = 5104 циклів складає 48% при Т = 293 К и 75% при Т = 523 К. Збільшення частки необоротної пластичної деформації при підвищенні температури випробування пояснюється інтенсифікацією процесу повзучості і зниження твердості сплаву.

Для одержання наплавленого металу з характеристиками, що не уступають поршневим сплавам, були проведені експерименти з виявлення впливу різних легуючих елементів на хімсклад і властивості в умовах реального наплавлення. Це було пов'язано з необхідністю уточнення ступеня переходу елементів із шихти в наплавлений метал і впливу змін того чи іншого легуючого елемента на зміну механічних властивостей наплавленого металу. З цією метою були виготовлені порошкові електроди з різним вмістом основних легуючих елементів: Si, Mn, Cu, Ni.

Для дослідження комплексних властивостей металу, наплавленого порошковими електродами різного складу, були виготовлено 6 партій дроту на спеціально розробленому стані в лабораторії наплавлення ПДТУ. Стан дозволяє виготовляти порошковий електрод з алюмінієвою оболонкою, формованою (після засипання шихти) у вигляді стрічки-плющенки перетином 0,6х15 мм за допомогою спеціальних роликів. Наплавлення здійснювали на трубчасті зразки з алюмінієвого сплаву.

До комплексу досліджень властивостей наплавленого металу належать: визначення “гарячої” і “холодної” твердості, міцність, відносна зносостійкість і пластична формозміна, оброблюваність різанням і оцінка коефіцієнта лінійного розширення.

Крім цього, оцінювалися зварювально-технологічні характеристики порошкових електродів за двома критеріями: за коефіцієнтом розбризкування і за пористістю наплавленого металу в цілому.

Випробування на ударно-абразивне спрацювання проводилися при Т = 523 К на розробленій установці в режимах, що відповідають раніше описаним (рис. 1) випробуванням. (рис. 1)

Розроблено склади порошкових електродів на алюмінієвій основі (яким були присвоєні марки ПЛ-МА-6 і ПЛ-МА-7) з використанням дробленої лігатури, в якій як основний легуючий компонент використано кремній, мідь, нікель, хром, залізо з добавками модифікаторів у вигляді солей титана і цирконію (Авторські свід. №1624841 і №1769478).

У третьому розділі досліджена проблема пороутворення при наплавленні порошковим електродом і шляхи підвищення щільності наплавленого металу.

При наплавленні алюмінієвих поршнів порошковим дротом можуть утворюватися різні дефекти. Однак, одним з найпоширеніших є пористість наплавленого металу, що виявляється у вигляді несуцільностей різної конфігурації і розпушення металу.

Найбільш небезпечним, з точки зору майбутньої працездатності наплавленого поршня, є таке розташування пор у наплавленому металі, яке приводить до їхнього розкриття при нарізуванні канавки під кільце, особливо з її зовнішнього краю, оскільки саме ця зона поршня зазнає найбільших температурних і механічних впливів.

Пористість наплавленого металу в даній роботі здійснювалася за методикою МАТІ, що грунтується на визначенні втрати ваги металу, викликаної наявністю пор. Втрата ваги оцінюється зважуванням на аналітичних вагах досліджуваних зразків на повітрі й у воді.

У літературі відсутні систематичні дані про вплив пористості на механічні характеристики наплавленого металу, що не дає можливості робити висновок про міру відповідальності цього дефекту за експлуатаційну надійність наплавлених поршнів. Можна лише припустити, що із збільшенням розміру несуцільностей (тобто пористості) деформаційна податливість, а, отже, і формозміна канавки буде збільшуватися, а міцнісні характеристики знижуватися.

Щоб оцінити ступінь впливу пористості металу на його міцнісні властивості, було проведено спеціальні дослідження. З огляду на те, що зміцнена зона поршня піддається значному нагріванню, це викликає інтерес вивчити поводження пористого металу при підвищених температурах.

Наплавлення виконувалися на пластинах розміром 250х120х14 мм із поршневого алюмінієвого сплаву марки АЛ-25. Пластини наплавлялися порошковою стрічкою марки ПЛ-МА-6 різного гранулометричного складу, що дозволяє регулювати пористість у металі наплавлення.

Зразки для випробувань на статичне розтягання й ударне навантаження виконувалися відповідно до ГОСТу 6996-66. Іспити проводилися при двох температурах- 293 К (20 оС) і 523 К (250 оС).

На рисунку 2 приведені результати статичного розтягання. Видно, що відносна міцність шва зменшується зі збільшенням показника пористості. Шви з мінімальною пористістю ( П < 0,4 см3/100г) мають межу міцності близьку до основного металу ( в=235 МПа при Т=293 К і 128 МПа при Т=523 К).

Цікаво відзначити, що відносне зниження міцності зварених зразків при випробуваннях підвищеною температурою трохи менше, ніж при нормальній температурі. Це можна пояснити вищою пластичністю металу при Т=523 К і меншою його чутливістю до концентраторів напруг (пор).

Аналіз зразків після механічних випробувань на статичне розтягання показав , що їхнє руйнування відбувалося вздовж шва в місці найбільшого скупчення пор, як правило ближче до лінії сплавлення.

Випробуваннями на ударний вигин установлено, що відносна величина ударної в'язкості і збільшення пористості знижується, хоча темп зниження з ростом пористості при різній температурі випробувань носить досить суперечливий характер. Так, при малій пористості (П < 0,4 см3/100 г) із зростанням температури, ударна в'язкість підвищилася, що пояснюється підвищенням пластичності металу шва і слабким впливом дрібних пор на втрату пластичності. При вищій пористості (П = 1,4 см3/100 г) ударна в'язкість зменшилася до 78% при Т = 293 К і до 59% при 523 К. Отже, працездатність наплавленого металу при підвищеній температурі, наявності пористості й ударному впливові значно нижча основного металу.

Оскільки наплавлений метал поршня в зоні першого компресійного кільця зазнає циклічного втомного впливу, то були проведені втомлюючі випробування зразків при знакозмінному плоскому вигині на установці, схема якої показана на рисунку 3.

Зразки вирізували з таких же пластин, як і попередні. Однак, розміри перетину зразків були більшими (14 х 50 мм). Щоб уникнути зародження тріщини в місці переходу наплавленого металу до шва через геометричний концентратор напруг, посилення шва знімалося врівень за допомогою фрезерування. Через складність підтримки підвищеної температури зразків, випробування проводилися тільки при Т=293 К.

Як видно з рисунка 3, пористість впливає також і на обмежену витривалість (фізична границя витривалості не досягалась) при максимальній кількості циклів навантаження, що дорівнює 4105. При великій пористості крива втоми розташована нижче, що вказує на ініціацію порами зародження й інтенсивний розвиток утомних тріщин. Таким чином, приведені результати випробувань свідчать про помітний вплив пористості наплавленого металу на його механічні характеристики при усіх видах навантаження.

Є підстава прогнозувати негативний вплив пор на працездатність і при складніших впливах на метал (циклічна зміна температури і навантаження, корозійне середовище тощо), що спостерігається в сполученні кільце – канавка поршнів ДВЗ. З цього випливає необхідність дослідження механізму утворення пор при наплавленні і пошуки шляхів їх зменшення.

При сталому процесі наплавлення в рідкому металі ванни з'являється велика кількість дрібних (зародкових) газових пухирців. Вважається, що джерелом їхньої появи можуть бути або поверхневі мікропорожнини поверхонь, що розплавляються, (наприклад, крайок), і містять адсорбовану вологу, жирові і пилові забруднення, оксиди тощо, або мікродефекти твердого металу – мікротріщини, вакансії, скупчення дислокацій тощо, що є своєрідними мікропастками протонів і молекул газу (найчастіше водню).

Слід зазначити, що крім двох згаданих вище джерел надходження газових пухирців у зварювальну ванну, існує ще одне, виявлене нами при наплавленні алюмінію порошковим електродом.

Установлено, що при розплавленні порошкового електрода в краплю, яка утворюється на кінці електрода, разом із шихтою надходять газові зародки, що виникають при термічному розкладі гідратованных оксидів, жирових плівок, адсорбованих молекул води, газів та інших речовин, які знаходяться на шорсткуватій поверхні часток шихти. Наявність поверхневих дефектів на часточках шихти у вигляді заглиблень, відколів, мікротріщин, уступів тощо, є стимулюючим чинником на виникнення зародків газової фази в краплі.

Після зародження пухирців газу в розплаві або попадання їх у ванну з краплями електрода, що плавиться, кінетика їхнього росту, напрямок і швидкість переміщення в рідкому металі зварювальної ванни, імовірність спливання чи застрявання в частині ванни, що кристалізується, пов’язані, в кінцевому результаті, з фізико-механічними процесами, що відбуваються у ванні. Останні визначаються властивостями основного й електродного металів, режимом зварювання, ступенем перенасищення рідкого металу газами тощо.

Припустимо, що стінка кратера передньої частини ванни є частиною кульового сегмента з радіусом R0, шириною провару В і глибиною провару h (рисунок 4.), а ізотермічна поверхня фронту кристалізації (задня частина ванни) може бути описана узагальненим рівнянням, що включає параметри , У/2, Н. Універсальні рівняння поверхні фронту кристалізації дають можливість описати широкий клас зварювальних ванн у формі параболоїдів чи еліпсоїдів:

Кx+Кy2+Кz2=1; (1)

Кx2+Кy2+Кz2=1, (2)

де Кx= Ку= Кz= безрозмірні координати простору зварювальної ванни

Скориставшись рівнянням (1) стосовно до системи координат XOZ, початок якої лежить на осі шва (рисунок 4), можна одержати рівняння для фронту кристалізації і дзеркала зварювальної ванни (у діаметральній площині). Параметри зварювальної ванни залежать від режимів наплавлення, виду електрода, технологічних особливостей наплавлення та інших факторів.

Якщо припустити, що одиночний газовий пухирець з радіусом r0 знаходиться в рідкому металі ванни з початковими координатами x0, z0 (у діаметральній площині ванни), то подальше його поводження буде визначатися дією виштовхуючої (архімедової) сили і рівнодіючої сили поверхневого натягу в неоднородно нагрітій рідині. Крім того, пухирець буде переміщатися разом з рухом металу зварювальної ванни, характер якого залежить від форми і розмірів ванни, місця розташування пухирця та інших факторів.

Абсолютна швидкість переміщення пухирця у ванні (Vр) буде дорівнювати геометричній сумі переносної швидкості , швидкості спливання Vc і градієнтній швидкості у бік збільшення температури.

В міру руху газового пухирця в розплаві зварювальної ванни його положення щодо поверхонь фронту кристалізації і дзеркала ванни змінюється.

Вираз для проекцій результуючої швидкості Vр на осі координат x, z можна представити в такому вигляді:

(3)

Так як проекції швидкості на осі координат дорівнюють першим похідним від відповідних координат за часом, то замінюючи Vрх, Vрz на , одержимо рівняння:

(4)

До правої частини рівнянь (4) входять коефіцієнти і функції, що враховують залежність фізико-механічних властивостей рідкого металу від його температури (щільність, поверхневий натяг, динамічну в'язкість тощо) і утримують координати пухирця x, z та час t. Розв’язання системи (4) дозволяє знайти закон руху пухирця, тобто одержати залежності x і z пухирця, що рухається, у функції часу t. Шляхом вилучення з рівнянь x = f(t), z = f(t) часу t можна одержати рівняння його траєкторії z = f(x), яке дозволить оцінити імовірність перетину траєкторії пухирця рухливого фронту кристалізації зварювальної ванни і, отже, імовірність утворення пористості шва або наплавлюваного металу. Якщо пухирець буде рухатися траєкторією, що перетинає рухомий фронт кристалізації, то можливий його захват зростаючими кристалами, який приведе до утворення пори в цій зоні шва. Якщо за час t пухирець досягне вільної поверхні рідкої ванни, то він залишить її, і пори утворюватися не будуть

Враховуючи, що загальне розв’язання системи диференціальних рівнянь (4), які містять змінні коефіцієнти, ще не знайдене, й одержання його занадто утруднене, автором розроблено алгоритм і складена Mathcad-програма, яка дозволяє виконати розв’язання чисельним способом на ПЕОМ IBM PC в діалоговому режимі. Як програмний продукт використовувався пакет Mathcad – 2000 професійної орієнтації.

Ілюстрацією одержуваних результатів розрахунку в середовищі Mathcad за розробленою математичною моделлю приведено рисунку 5, з якого видно, що траєкторія газового пухирця виходить на вільну поверхню ванни і пори утворюватися не будуть.

Одним з найперспективніших способів боротьби з пористістю є інтенсифікація процесу об'єднання (коалесценції) дрібних газових пухирців у більші порожнини, що різко (стрибкоподібно) підвищує швидкість їхнього спливання.

Теоретично обґрунтовано і підтверджено експериментально, що найбільш ефективним способом зменшення пористості наплавленого металу є застосування імпульсно-дугового процесу, який викликає прискорену коалесценцію газових пухирців і їхню евакуацію із зварювальної ванни.

У четвертому розділі на підставі виконаних у дисертаційній роботі досліджень розроблено науково обґрунтовані рекомендації щодо створення промислової технології відновного (ремонтного) і виготовлюваного наплавлення алюмінієвих поршнів двигунів різного класу і призначення. При розробці промислової технології наплавлення необхідно було врахувати численні вимоги до технологічного процесу, устаткування, охорони природного середовища тощо.

Враховуючи, що апріорно не можна з достатнім ступенем вірності оцінити вплив того чи іншого фактора на кінцевий результат, було застосовано експериментально-статистичне моделювання. Для оптимізації технології наплавлення використовувалася математична теорія планування експерименту.

Визначено параметри профілю канавки під наплавлення нових поршнів порошковим електродом за формою, близькою до обрису лінії сплавлення. Визначено оптимальні розміри канавки і параметри імпульсно-дугового наплавлення поршнів (Iзв=300 А, Uд=24 В, Vзв=30 м/г, імп=1,9·10-3 сек).

З огляду на велику потребу в зміцненні алюмінієвих поршнів методом наплавлення як при їх виготовленні, так і при відновленні, а також з метою одержання якісних і стабільних результатів зміцнення, доцільне використання поточно-механізованої лінії (ПМЛ).

Проектування і створення поточно-механізованої лінії виконано на основі базової технології зміцнення, розробленої в лабораторії наплавлення ПДТУ, у тому числі й з використанням досліджень, виконаних автором. Технологічний процес і комплекс устаткування для промислового відновлення і зміцнення поршнів з алюмінієвих сплавів забезпечує високу продуктивність і дотримання норм санітарно-гігієнічних умов наплавлення.

ВИСНОВКИ

1. В дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-технічної задачі щодо підвищення працездатності алюмінієвих поршнів двигунів внутрішнього згоряння шляхом механізованого дугового наплавлення порошковим електродом з алюмінієвою оболонкою, що дає можливість одержати метал зони зміцнення з необхідним структурно-фазовим складом і фізико-механічними властивостями.

2. Розроблена методика й установка для прискорених випробувань основного і наплавленого металу, яка забезпечує роздільне регулювання інтенсивності тертя ковзання і величини циклічного ударного навантаження на зразок, зберігаючи при цьому синхронність їхньої дії, що дозволяє робити диференційовану оцінку впливу різних факторів (температура, удар, тертя тощо) на формозміну зразка. Показано, що складова величина формозміни зразка за рахунок пластичної деформації від її загальної (інтегральної) величини зростає при підвищенні температури випробування, що можна пояснити інтенсифікацією процесу повзучості і зниження твердості поршневого сплаву АЛ-25.

3. Розроблено склад порошкових електродів на алюмінієвій основі марок ПЛ-МА-6 і ПЛ-МА-7 з використанням подрібненої лігатури, у якій основними легуючими компонентами використані кремній, мідь, нікель, хром, залізо, вольфрам, ванадій з добавками модифікаторів у вигляді солей титану і цирконію (авторські свідоцтва № 1624841 і №1769478).

Найефективнішими легуючими елементами, що вводяться в наплавлений метал через порошковий електрод, є кремній, мідь і нікель.

4. Відносна зносостійкість металу, наплавленого на поршневий сплав типу АЛ-25, як при нормальній, так і при підвищеній температурі збільшується в 3 – 4 рази при наявності в ньому Si до13%, Cu до 1,6 %, Ni до 5%. Введення цирконію в наплавлений метал до 0,16%, дає можливість значно підвищити “холодну” і “гарячу” твердість (з 85 HB до 100 HB і з 48 HB до 65 HB відповідно), а також відносну зносостійкість (з 15% до 65%) за рахунок подрібнення і стабілізації структури.

5. Установлено, що розповсюдженим дефектом наплавленого металу при зміцненні поршнів є макропористість, яка істотно знижує його міцнісні характеристики при статичних, ударних і циклічних різновидах навантаження, як при нормальнвй, так і при підвищеній температурах. При високих значеннях пористості (П 1,2 см3/100 г) зниження відносної міцності наплавленого металу досягає 10-15 %, ударної в'язкості 40 % (при Т = 523 К) і обмеженої витривалості (при N = 4105 ц.) у 1,7 рази. Вибір оптимального складу порошкового електрода і технологічних параметрів режиму наплавлення дає можливість значно зменшити пористість наплавленого металу і підвищіти його міцнісні властивості.

6. Показано, що при розплавленні порошкового електрода в утворену на кінці електрода краплю, разом із шихтою надходять газові зародки, які виникають при термічному розкладі гідратованих оксидів, жирових плівок, адсорбованих молекул води, газів та інших речовин, розміщених на шорсткуватій поверхні часток шихти. Краплі, що надходять у зварювальну ванну, є основним джерелом газових зародків у ній. За допомогою зміни розмірів часток шихти і коефіцієнта заповнення порошкового електрода можна регулювати в значимих межах як загальну пористість металу наплавлення (0.6-1,5 см3/100 г.), так і характер її розподілу за висотою валика.

7. Розроблена математична модель пороутворення при зварюванні і наплавленні алюмінію і його сплавів, основана на визначенні руху газового пухирця в зварювальній ванні з урахуванням гідродинаміки рідкого металу, нерівномірності розподілу температури і динаміки переміщення фронту кристалізації. Розв’язання диференціальних рівнянь, що описують траєкторію руху газового пухирця в зварювальній ванні, виконане чисельним способом у середовищі Mathcad-2000, дає можливість диференційовано оцінити вплив різних параметрів процесу наплавлення на імовірність утворення пор у наплавленому металі. Показано вплив різних параметрів процесу наплавлення на імовірність утворення пор у наплавленому металі. Найбільшою мірою на пористість впливають швидкість наплавлення і напруга на дузі.

8. Теоретично обґрунтовано і підтверджено експериментально, що найефективнішим способом зменшення пористості наплавленого металу є застосування імпульсно-дугового процесу, який викликає прискорену коалесценцію газових пухирців і їхню евакуацію із зварювальної ванни.

9. На основі експериментально-статистичного моделювання визначені параметри профілю канавки під наплавлення нових поршнів порошковим електродом у формі, близькій до обрису лінії сплавлення. Оптимальними розмірами канавки є: глибина-4 мм, ширина у верхній частині-6 мм, кут розкриття-15 град., радіус дна канавки-2,5 мм. Визначено оптимальні параметри імпульсно-дугового наплавлення поршнів (Iзв=300 А, Uд=24 В, Vзв=30 м/г, імп=1,9·10-3 сек).

Методом ранжирування, заснованого на обробці якісної суб'єктивної інформації обрані оптимальні технологічні параметри відновлюваного наплавлення поршнів, що забезпечують заданий комплекс фізико-механічних властивостей наплавленого металу та підвищення опорності формозміні канавки поршня в процесі його роботи в 1,7-2 рази.

10. Розроблено технологічний процес і комплекс устаткування для промислового відновлення і зміцнення поршнів з алюмінієвих сплавів, що забезпечують високу продуктивність і дотримання норм санітарно-гігієнічних умов наплавлення при використанні місцевої витяжної вентиляції. Економічний ефект від впровадження складає 11700 грн.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Серенко В.А., Зусин В.Я. Анализ процесса порообразования в сварном шве. Часть 2. // Вісник Приазовського держ. тех. ун-ту: Зб. наук. праць – Маріуполь, - 2000. - вип. №9. – С.171-176.

2. Серенко В.А., Зусин В.Я. Анализ процесса порообразования в сварном шве. Часть 1. // Вестник Приазовского гос. тех. ун-та: Сб. научн. тр. – Мариуполь, - 1999. – вып. №8. – С.155-159.

3. Серенко В.А., Зусин В.Я. Работоспособность цилиндро-поршневой группы двигателей и совершенствование методики ее оценки // Вестник Приазовского гос. тех. ун-та: Сб.науч.тр. – Мариуполь, -1998.- вып. №6. – С.175-179.

4. Зусин В.Я., Глозман Л.А., Серенко В.А. Пути повышения плотности металла при наплавке алюминиевых сплавов порошковыми проволоками и

лентами // Автоматическая сварка. – 1996. - № 8.-С.39-41.

5. Зусин В.Я., Серенко В.А. Особенности дегазации сварочной ванны при наплавке алюминиевых сплавов порошковой проволокой // Вестник Приазовского гос. тех. ун-та: Сб.научн. тр. – Мариуполь, 1995. – вып. №1. – С.189-191.

6. Зусин В.Я., Глозман Л.А., Серенко В.А. Перенос электродного металла при наплавке алюминиевых поршней порошковой проволокой ПП-МА-5

// Автоматическая сварка – 1991, №9. – С.36-38.

7. Серенко В.А., Зусин В.Я. Влияние дефектов алюминиевого наплавленного металла на его прочностные характеристики // Тезисы докладов Международной научно-методической конференции “Современные проблемы сварки и родственных технологий”, -Мариуполь, 2001. С.29-33.

8. Серенко В.А. Особенности порообразования при наплавке алюминиевых сплавов // Тезисы докладов VII региональной научно-технической конференции. Т2. - Мариуполь, 2000. – С.120.

9. Серенко В.А., Зусин В.А. Некоторые закономерности порообразования при сварке и наплавке // Тезисы докладов Научного семинара “Современные достижения в области сварки, наплавки и родственных технологий”. -Мариуполь, 2000. С.55-57.

10. Серенко В.А., Зусин В.Я. Механизм порообразования при упрочнении алюминиевых поршней наплавкой. // Тези докладів 1 Українськой науково-технічної конференції “Сучасні технології та обладнання в газотермічних процессах відновлення та утилізації деталей машин і конструкцій”, - Киів:, 1999. С.39-40.

11. Зусин В.Я., Серенко В.А. Пути снижения пористости металла при наплавке алюминиевых сплавов порошковой проволокой // Тез.докл. 2-ой региональной научно-технической конференции. Т.2.- Машиностроение, Мариуполь, - 1993. – С.60.

12. Зусин В.Я., Глозман Л.А., Серенко В.А. Исследование переноса электродного металла при наплавке порошковой проволокой ПП-МА-5 // Тезисы. докладов 4-ой Всесоюзной конференции по сварке цветных металлов. – Киев: ИЭС им. Е.О.Патона. 1990. – С.47-48.

13. Серенко В.А., Темирбек О.Д., Глозман Л.А. Оптимизация технологических параметров наплавки поршней // Тезисы докладов 4-ой Всесоюзной конференции по сварке цветных металлов. – Киев: ИЭС им. Е.О.Патона, 1990. – С.46-47.

14. А.с. 1624841 СССР. МКИ В 23 К 35/36. Состав для наплавки алюминиевых сплавов / В.Я. Зусин, А.Н. Кабанец, В.А. Серенко и др. (СССР). - № 4687046/27; Заявлено 10.05.89; Опубл.1992, Бюл № 38.

15. А.с. 1769478 СССР, МКИ В 23 К 35/28. Состав для наплавки алюминиевых сплавов / В.Я. Зусин, В.А. Серенко, Л.А. Глозман и др. (СССР). - № 4855339/08; Заявлено 26.07.90. Опубл. 1991, Бюл. № 4.

АНОТАЦІЯ

Сєрєнко Валерій Олександрович. Розробка електродних матеріалів для удосконалення промислової технології зміцнення алюмінієвих поршнів.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за

фахом: 05.03.06 - Зварювання і споріднені технології - Приазовський державний технічний університет, м. Маріуполь, 2001. Рукопис.

Дисертація присвячена розробці і дослідженню нових складів порошкових електродів з алюмінієвою оболонкою і використанням комплексної лігатури, що включає Ni, Cu, W, Mo, V як легуючі компоненти, які дають можливість одержати наплавлений метал з підвищеним опором ударно-абразивному спрацюванню і деформаційній формозміні канавок алюмінієвих поршнів.

Розроблено принципову схему, конструкцію і методику випробувань на ударно-абразивне спрацювання, що імітують реальну роботу сполучення кільце-канавка поршнів ДВЗ. Методика дозволяє розділити складові формозміни сполучення кільце-канавка зміцненого поршня від абразивного спрацювання і