Способ изготовления направляющей клапана двигателя внутреннего сгорания и материал для направляющей клапана двигателя внутреннего сгорания

 

Описываются направляющая клапана и способ ее изготовления. Направляющая клапана является трубчатым изделием, имеющим отношение длины к наружному диаметру больше 1,5. и выполнена из материала на основе железа способом порошковой металлургии. Спрессованная направляющая пропитывается путем приготовления листа из пропитывающего сплава, прокатки этого листа в цилиндрическую форму и вставления его в отверстие направляющей, после чего производится предпочтительно одновременно спекание и пропитывание. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э В 22 F 3/26

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР ! (ГОСПАТЕНТ СССР) 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕН.ТУ

2 (21) 4831246/02 (22) 26.09.90 (46) 23.08.93. Бюл. М 31 (71) Брайко Инжиниринг лимитед (G B) (72} Чарльз Грант Пернелл и Эндрю Роберт

Бейкер (6В) (56) Поздняк Н.3. и др. Исследование температурной зависимости теплофиэических свойств материалов направляющих спечен.ных втулок клапанов двигателей внутреннего сгорания. — Порошковая металлургия, 1975,1в 3, с.93-95.

Патент США М 4344795, кл. В 22 F 3/00, 1982. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАПРАВЛЯЮЩЕЙ КЛАПАНА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕНИзобретение касается. материала для направляющих клапана двигателей внутреннего сгорания и способа изготовления направляющей клапана.

Предложен. способ пропитывания трубчатого компонента, имеющего относительно высокое пропорциональное отношение сторон, и где масса пропитывающего материала легко контролируется.

Согласно первому отличительному признаку изобретения, предусматривается способ пропитывания трубчатого компонента, имеющего отверстие и относительно высокое пропорциональное отношение сторон, который включает в себя стадии образования трубчатого компонента в железистом материале способом порошковой металлурги*, причем компонент имеет плотность в диапазоне требуемых плотностей и также,,5U„„1836191 А3

НЕГО СГОРАНИЯ И МАТЕРИАЛ ДЛЯ НАПРАВЛЯЮЩЕЙ КЛАПАНА ДВИГАТЕЛЯ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (57) Описываются направляющая клапана и способ ее изготовления. Направляющая клапана является трубчатым иэделием, имеющим отношение длины к наружному диаметру больше 1,5, и выполнена из материала на основе железа способом порошковой металлургии. Спрессованная направляющая пропитывается путем приготовления листа из пропитывэющего сплава, прокатки этого листа в цилиндрическую форму и вставления его в отверстие направляющей, после чего производится предпочтительно одновременно спекание и пропитывание. 2 с. и 10 з,п. ф-лы, 1 ил. имеет сообщающуюся пористость, приготовление листа требуемого веса из меди или медного сплава, преобразование этого листа практически в цилиндрическую форму и общего диаметра для монтажа внутри отверстия трубчатого компонента, и подвергание трубчатого компонента и смонтированного цилиндрического листа тепловой обработке при такой температуре, что медь или медный сплав плавится и пропитывает, по крайней мере. часть трубчатого компонента смежную с отверстием.

Операция термической обработки может быть одновременной операцией спекания и пропитывания или трубчатый компонент может быть подвергнут предварительному спеканию.

Для более крупных размеров трубчатого компонента экономично испольэовать труб1836191 ку из меди или медного сплава в качестве пропитывающего материала в отверстии.

Прокатанный лист может при необходимости быть преобразован в трубку посредством, например, точечной сварки, роликовой сварки, пайки или блок штамповки прокатанной полосы. Это может иметь преимущество, например, при манипулировании прокатанной полосой и легкости монтажа в,трубчатом компоненте.

Преимущество способа согласно изобретению в том, что масса пропитывающего материала может легко контролироваться.

Медную полосу нужно только разрезать на определенные отрезки, исходя при этом из данной толщины и ширины материала, масса пропитывающего материала может контролироваться таким образом, что при необходимости только зона, смежная с отверстием направляющей клапана, будет пропитываться. Природная упругость медного пропитывающего материала может служить для удержания пропитывающего материала на месте до пропитывания, упрощая тем самым манипулирование.

Обычная свободно доступная медь может использоваться для пропитывания, так как небольшая величина эрозии отверстия железистого компонента PM не имеет значения, поскольку это неизбежно устраняется при механической обработке.

Олово, содержащееся в пропитывающем материале, препятствует образованию карбидов между железистой матрицей и свободным несмешанным графитом. Это создает микроструктуру в спеченной направляющей, в которой свободный графит существует не только в матрице, но и в пропитывающем материале, содержащемся в порах, выгодные эффекты в отношении трения и тем самым свойств износа. Так как образование карбидов предотвращается, способность механической обработки направляющей клапана также значительно повышается.

Когда используется прокатанная полоса для образования пропитывающего тела. состав может при необходимости регулироваться для снижения эрозии отверстия и/или улучшения скольжения и износостойкости пропитанной поверхности. Практически диапазон сплавов. из которых может быть изготовлена полоса, превышает диапазон, из какого могут экономически изготавливаться трубки.

B частности, выгодным материалом для изготовления пропитывающего компонента является олово — бронзовый сплав, имеющий состав: 2 — 11 мас.% Sn,0,02-0,5 мас. Р, остальное медь.

55 ющей клапана значительно ниже, около 20Зо В/м/К, Согласно второму отличительному признаку изобретения предусматривается пропитанная направляющая клапана, когда она изготовлена в соответствии с первым отличительным признаком настоящего изобретения.

На чертеже показана схематично направляющей клапана, имеющая в своем отверстии перед спеканием пропитывающий

Содержание менее 2 олова ведет к слишком высокой температуре солидуса, чтобы противостоять эрозии отверстия направляющей во время пропитывания, так как растворимость s твердом состоянии меди в железе в значительной мере зависит от температуры вэтом диапазоне состава. Растворимость железа и меди при точке плавления меди составляет 4@, тогда как

"0 растворимость при 1000 С составляет

2,6%. Когда отверстие направляющей разворачивается до 0,25 мм, то возможно, что поверхность не будет вся чистой. если степень эрозии во время пропитывания слиш15 ком большая, Подшипниковые свойства оловянных брона ухудшаются при низких содержаниях олова.

При содержании олова свыше .11% температура солидуса слишком низкая, что мо20 жет привести к малоэффективному спеканию железистой матрицы, происходящему до плавления пропитывающего материала. Текучесть пропитывающего материала также становится слишком боль25 шой, чтобы можно полностью было удерживать в матрице направляющей, приводя к кусковым блокам пропитывающего материала, образующихся яа наружном диаметре.

Содержание олова в пропитывающем 0 материале также содействует предотвращению образования карбида во время спекания.

Уровни фосфора являются обычными для оловянных брона для целей раскислеЗ5 ния.

Еще одно преимущество использования меди или медного сплава в качестве пропитывающего материала в том, что рабочая температура направляющей клапана

40 значительно снижается благодаря повышенной теплопроводности матрицы, Использование пропитывающего материала может обеспечить теплопроводность пропитанной направляющей клапана, близ45 кую к теплопроводности направляющей клапана из обычного чугуна, которая может быть выше 50 Вlм/ К. Теплопроводность известных непропитанных железистых PM материалов для направля1836191 материал в виде прокатанной фольги иэ ме ди или сплава на основе меди.

Направляющая 1 клапана имеет внутреннее продольное отверстие 2. 8 отверстии рас; положен кусок листового материала иэ

,медного сплава, прокатанного в трубку t3, с перекрывающими концами (кромки) 4 и 5,, Природная упругость материала дает возможность катанной трубке 3 удерживаться в .отверстии во время транспортирования (манипулирования) перед спеканием и пропитыванием.

Пример 1. Порошковая смесь, состоящая из железа, 0,9 мас. графита, 4 мас. меди с зернистостью — 300 меш, 0,5 мас. твердой смазки и 0 5 мас. фугитивной смазки, спрессована в цилиндрические трубки длиной 43,5 мм, внутренним диаметром 6,25 мм, наружным диаметром

15

12,85 мм, при давлении прессования около. 20

, 600 МПа, Полоса из красной меди толщиной 0,55 ! мм, нарезанная по ширине 17.7 мм, скру чена в трубку с номинальным диаметром

6,25 мм. Трубка разрезана на отрезки дли- 25 ; ной 43,5 мм, которые вставляются в необработанные трубчатые заготовки.

Для сравнения, выпускаемые промышленностью порошки на основе меди

; в качестве пропитывающего материала ис- 30 ! пользовались для пропитывэния других необ, работанных трубчатых заготовок, уплотняя

1 трамбовкой массу, порошка на основе меди в отверстии для удержания на месте.

Трубчатые заготовки затем спекают в, 35 атмосфере водорода и азота при 1100 C s ! течение 30 мин.

Проверка спеченных заготовок показа,ла, что пропитывание заготовок, которые, содержали прокатанную медную полосу, 40 было полным, микрошлифы показали мэкi симальную объемную фракцию медной фа зы в отверстии с небольшим обеднением в . направлении наружного диаметра. Не было остатка на отверстии, и максимальная глу- 45 бина эрозии стальной матрицы у отверстия

|составила 0,3 мм.

Заготовки, набитые пропитывающим . порошком, выплеснули избыточный порошок, остатки больших глобулярных медных 50

:частиц и пористого пропитывающего мате: риала оставались эдгезированными к отвер, стию спеченной заготовки, препятствуя, непосредственному развертыванию поверхности отверстия. 55

Развертывание спеченных заготовок, которые содержали прокатанные медные . полосы, производилось с использованием

:шестизубной развертки без предварительной чистки отверстия. Развернутое отверстие показало пренебрегаемую продольную релаксацию длины.

Пример 2. Трубчатые компоненты, имеющие номинальную длину 51 мм, внутренний диаметр 6,2 мм и наружный диаметр

11 мм, спрессованы из порошка на основе железа, имеющего состав: 1,5-2,5 мас, С;

3 — 6Mac, Си;0,3-07мас. Sn.0,2-0,5мэс,g

Р; 0,1-0,5 мас. Мп; 0,05-0,025 мас.% $; остальное- железо, до плотности 6,9 мг/мэ.

Фольгу из сплава фосфористой бронзы, имеющей номинальный состав Си-5 $п — 0,3 P и толщину 0,3 мм, скручивали в цилиндрическую форму для монтажа с плотной посадкой в отверстии необработанных заготовок, разрезали на отрезки и вставляли в отверстия необработанных заготовок направляющей клапана.

Узлы заготовки направляющей клапана

/ пропитывающей фольги одновременно спекались и пропитывались в атмосферу водорода/аэота с управляемым содержанием углерода для предотвращения декарбюриээции основного сплава в течение периодов времени и при температурах, обеспечиваю- . щих эффективные спекание и пропитывание заготовок направляющей клапана.

Спеченные и пропитанные заготОвки имели плотности больше 7,2 мг/м и величины твердости свыше 90 НР8. Микроструктуры показали хорошо пропитанную структуру с эвтектикой крупнозернистых карбидов и мелкозернистых фосфидов и повышенным уровнем свободного графита по сравнению с непропитанным сплавом. Свободный графит был и в структуре матрицы, и в районах медного сплава как пропитывающего материала, Образцы этих направляющих были развернуты до внутреннего диаметра 8,0 мм механической разверткой с двойным зубом, которая давала чистоту обработки поверхности 1,6 мк Ra.

Развернутая направляющая была подвергнута испытанию на износ на стенде, предназначенном имитировать абразивный износ (истирание) движущихся штока клапана направляющей клапана, При испытании внутренний диаметр направляющей клапана периодически терся о шток клапана с частотой 1600 ходов/мин при 150 С с приложенной нагрузкой поперек оси направляющая/шток 8,0 кг. Испытание проводилось при трении направляющей клапана о шток из нелегированной без покрытия стали

"Силхром", Направляющая клапана выдержала максимальную деятельность испытания 1800 мин без свидетельства разрушения или износа, но этот результат не достигался в случае любого другого мате-.

1836191

7 риала порошковой металлургии для направляющей клапана или обычно используемого материала чугуна. Это испытание показывает повышенные свойства износостойкости пропитанной направляющей.

В дальнейших испытаниях такие развернутые направляющие испытывались при той же длительности, частоте 750 циклов/мин, при окружающей температуре. с приложенной поперечной нагрузкой 8,0 кг; использовались штоки из углеродистой без покрытия стали 21:4. Эти направляющие . также не показали разрушения или истирания. Для сравнения обычно используемые направляющие из высокопрочной латуни показали при таком же испытании прогрессивное истирание после 500-600 мин.

При испытаниях единственной использованной смазкой было начальное покрытие машинного масла на материале штока передмспытанием толщиной, которая могла поддерживаться по ходу свободного стекакия по атаку, смонтированному вертикально, в течение 1 ч.

Формула изобретения

1. Способ изготовления направляющей клапана двигателя внутреннего сгорания, включающий прессование пористого трубчатого элемента иэ порошка на основе же. леза и спекание, отл ич а ю щийс я тем, что перед спеканием в отверстии трубчатого элемента размещают лист, свернутый в трубку иэ меди или медного сплава, и проводят пропитку в йроцессе спекания при температуре- выше температуры плавления меди или медного сплава.

2. Способпоп1, отл ичающийся тем, что лист свертывают в трубку и соединяют сваркой; пайкой или штамповкой;

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что трубчатый элемент предварительно спек ают, 4. Способ по п.1. о т и и.ч а ю шийся тем, что используют лист иэ сплава фосфо.ристой бронзы следующего состава, мас. $:

Олово 2-11

Фосфор 0,02-0,5

Медь Остал ь но е

5. Способ по п,4, отличающийся тем, что используют лист из сплава следующего состава, мас.,4:

Олово 5

5 Фосфор . 0 3

Медь Остальное

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что прессуют трубчатый элемент:до плотности 6,9 мгlм .

10 7. Материал для направляющей клапана двигателя внутреннего сгорания, содержащий матрицу на основе железа с добавками графита; меди, олова, фосфора, о т л и ч а ющ и.й с sl тем, что матрица пропитана медью

15 или медным сплавом.

8. Материал по п.7, отличающийся тем, что матрица на основе железа дополнительно содержит марганец и серу при следующем соотношении компонентов, мас,$:

20 Графит 1,5 — 2,5

Медь 3 — 6

Олово . 0,3-0,7

Фосфор 0.2-0.5

Марганец 0;1-0,5

25 Сера 0.05-0,25

Железо Остальное

9. Материал по п.7, о т л и ч а ю щ и и с: и тем, что пропитывающий медный сплав содержит компоненты в следующем соотно30 шении, мас. (: Олово . 2-11

Фосфор 0,02-0,5

Медь Остальное

10, Материал поп7, отлича ющийся

35 тем, что пропитывающий медный сплав содержит компоненты в следующем соотношении, м.ас. $:

Олово 5

Фосфор 0,3

40 Медь Остальное

11. Материалпоп.7,отличающийся тем, что он имеет плотность 7,2 мг/м .

12. Материал. по п.7, отличающийся тем, что его микроструктура имеет эвтектику

45 грубозернистых карбидов, тонкоэернистых фосфидов, свободный графит и взаимосвязанную систему из меди или медного спла1836191

Корректор А. Мотыль

Составитель С. Багрова

Техред M.Moðãåèòàë

Редактор Е, Полионова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2996 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 .