Износостойкий слой для поршневых колец



Износостойкий слой для поршневых колец
Износостойкий слой для поршневых колец
Износостойкий слой для поршневых колец
Износостойкий слой для поршневых колец
Износостойкий слой для поршневых колец
Износостойкий слой для поршневых колец

 


Владельцы патента RU 2601358:

ФЕДЕРАЛЬ-МОГУЛЬ БУРШЕЙД ГМБХ (DE)

Изобретение относится к износостойким покрытиям, которые могут быть использованы в поршневых кольцах двигателей внутреннего сгорания. Износостойкое покрытие для поршневых колец содержит, мас.%: Fe от 15 до 25, WC от 10 до 25 , Cr от 30 до 40, Ni от 10 до 25, Mo от 10 до 25, C от 1 до 10 , Si от 0,1 до 2, причем Cr присутствует в покрытии в элементарной форме и в форме карбида Cr2C3, при этом общая доля карбидов составляет от 15 до 50 мас. % при следующем их соотношении в общей доле карбидов, мас.%: WC от 10 до 25, Cr2C3 от 5 до 30. Способ получения износостойкого покрытия включает приготовление ингредиентов в порошкообразной форме и высокоскоростное напыление (HVOF) приготовленной смеси на поршневое кольцо. Изобретение направлено на повышение качества износостойкого слоя за счет увеличения его износостойкости, стойкости к прижогу и коррозионной стойкости. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.

 

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.

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 Cr2C3-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),

причем Cr присутствует в элементарной форме и/или в форме карбида Cr2C3.

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

от 5 до 30 масс. % Cr2C3.

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).

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 MoS2, который вследствие своей кристаллической структуры является прекрасным твердым смазочным материалом. За счет этой реакции снижается тенденция трибосистемы к прижогу или задиру. MoS2 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:

V1: Композиция из Мо и Cr2C3-NiCr (Марка МКР200, серийный продукт фирмы Federal-Mogul) в качестве сравнительного образца; и

V2: 2-фазная смесь (фаза 1: Mo + Cr2C3-NiCr; фаза 2: основа FeCr+WC/Cr2C3-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.

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 Cr2C3 в никель-хромовой матрице вместе с молибденом. Исследования пористости показали максимальную пористость варианта 1, равную 10%.

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 Cr2C3 в матрице Ni-Cr. Нерасплавленных частиц не наблюдается. Исследования пористости показали пористость в вариантах V2a и V2b, примерно равную 1%.

На фиг. 1-3 зернистые светлые области соответствуют карбиду вольфрама, очень ровные, также светлые области соответствуют молибдену, светло-серые области - никелю и темно-серые - Cr2C3 или содержащим Cr2C3 фазам.

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/Cr2C3-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.

1. Износостойкое покрытие для поршневых колец, содержащее, мас.%:

железо (Fe) от 15 до 25
карбид вольфрама (WC) от 10 до 25
хром (Cr) от 30 до 40
никель (Ni) от 10 до 25
молибден (Mo) от 10 до 25
углерод (C) от 1 до 10
кремний (Si) от 0,1 до 2,

причем Cr присутствует в покрытии в элементарной форме и в форме карбида Cr2C3, при этом общая доля карбидов составляет от 15 до 50 мас. % при следующем их соотношении в общей доле, мас.%:
от 10 до 25 WC
от 5 до 30 Cr2C3.

2. Способ получения износостойкого покрытия по п. 1 на поршневом кольце, включающий следующие этапы:
(i) приготовление смеси ингредиентов в порошкообразной форме, и
(ii) высокоскоростное газопламенное напыление (HVOF) приготовленной смеси ингредиентов на поршневое кольцо.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что размеры частиц порошка ингредиентов в элементарной форме составляют от 1 до 80 мкм, а размеры частиц карбидов составляют от 0,1 до 5 мкм.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что карбиды присутствуют в смеси в виде агломерированных и спекшихся частиц или в виде первично осажденных карбидов.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что карбиды заключены в матрице NiCr.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что поршневое кольцо выполнено из чугуна или стали.

7. Поршневое кольцо, отличающееся тем, что оно содержит слой износостойкого покрытия по п. 1.

8. Поршневое кольцо по п. 7, отличающееся тем, что толщина слоя покрытия составляет от 20 до 1000 мкм.

9. Поршневое кольцо по п. 7, отличающееся тем, что покрытие имеет твердость по Виккерсу от 550 HV 1 до 950 HV 1.

10. Поршневое кольцо по п. 7, отличающееся тем, что покрытие нанесено способом высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF).

11. Поршневое кольцо по п. 7, отличающееся тем, что покрытие получено способом по п. 2.

12. Поршневое кольцо по п. 7, отличающееся тем, что оно выполнено из чугуна или стали.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу эпитаксиального нанесения ремонтного материала на поверхность (38) подложки, полученной направленной кристаллизацией, и может быть использовано для ремонта деталей газотурбинного двигателя.

Группа изобретений относится к изготовлению поликристаллического материала и изделий, содержащих этот материал для защиты от повреждений. Способ изготовления поликристаллического материала включает получение гранулированной структуры-предшественника, включающей железо, кремний и источник углерода или азота, нагрев структуры-предшественника, нанесение на основу слоя нагретой структуры-предшественника и охлажение слоя структуры-предшественника.

Изобретение относится к способу получения функциональных покрытий (варианты) и может быть использовано в машиностроении, в химической и электронной промышленности, в атомной энергетике.

Изобретение относится к области газотермических покрытий, более конкретно к плазменному напылению на детали, эксплуатируемые в экстремальных условиях. Способ нанесения износостойкого покрытия на стальные детали, включающий ввод дисперсного порошка самофлюсующегося сплава на основе никеля через кольцевую щель в воздушно-плазменную струю с последующей газодинамической фокусировкой и напыление его на предварительно обработанную поверхность стальной детали, отличающийся тем, что используют порошок самофлюсующегося сплава на основе никеля состава Ni-Cr-B-Si-C или Ni-Al, частицы которого плакированы твердорастворным сплавом Ni-Cr с толщиной слоя 2-6 мкм, при этом в качестве фокусирующего газа используют смесь воздуха и природного газа, взятых в соотношении природный газ : воздух =(1,86÷4,88):1, а напыление осуществляют при среднемассовой температуре струи плазмы 5750÷6500 К и ее среднемассовой скорости 2170÷2500 м/с.

Изобретение относится к способу изготовления конструктивной детали, содержащей один или несколько функциональных элементов, таких как опорно-уплотнительные элементы прокладок для блока цилиндров или камер сгорания.

Изобретение относится к способу газодинамического напыления антикоррозионного покрытия из коррозионно-стойкой композиции на поверхности контейнера для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива, выполненного из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и может быть использовано, например, для покрытия полости контейнера, служащей для приема отработавшего ядерного топлива.

Изобретение относится к способам получения наноматериалов модификацией поверхности металлсодержащих каркасных соединений, которые могут быть использованы в качестве высокопористых эффективных гетерогенных катализаторов гидрирования непредельных соединений, фотокатализаторов в солнечных батареях.

Изобретение относится к устройству для плазменного нанесения цветного рисунка на поверхность полотна и может быть применено для создания живописи как на металле, так и на не металлических поверхностях любой формы, расположенных как на близких, так и на значительных расстояниях от красителя.
Изобретение относится к области материаловедения, в частности к способам напыления теплозащитных покрытий, и может найти применение в авиастроении и других областях машиностроения при производстве деталей турбинных двигателей и установок.
Изобретение относится к области материаловедения, в частности к способам напыления теплозащитных покрытий, и может найти применение в авиастроении и других областях машиностроения при производстве деталей турбинных двигателей и установок.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам для защитных покрытий для защиты конструктивного элемента от коррозии и/или окисления. Сплав на основе никеля для защиты конструктивного элемента газовой турбины от коррозии и/или окисления при высоких температурах содержит, в вес.%: от более 22 до менее 24 кобальта (Со), от 14 до менее 16 хрома (Cr), 10,5-11,5 алюминия (Al), 0,2-0,4, по меньшей мере одного элемента из группы, включающей в себя скандий (Sc) и редкоземельные элементы, в частности иттрий (Y), при необходимости от 0,3 до 0,9 тантала (Та), никель (Ni) - остальное.

Изобретение относится к способу формирования токоведущей шины на низкоэмиссионной поверхности стекла методом холодного газодинамического напыления с помощью сопла устройства для газодинамического напыления.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при подготовке слябов из низколегированных сталей перед нагревом под прокатку. Способ защиты поверхности сляба из низколегированной стали при прокатке включает напыление алюминиевого газотермического покрытия на широкие грани сляба перед его нагревом в методической печи под прокатку толщиной 0,60±0,02 мм, нагрев его до температуры кипения воды и нанесение поверх него покрытия в виде шамотной суспензии толщиной 1,0±0,02 мм.

Изобретение относится к области нанесения газотермических покрытий, а именно к способам нанесения плазменных покрытий на детали, работающие в экстремальных условиях.
Изобретение относится к области судостроения, в частности к способу защиты металлических элементов судовых движителей. Способ включает нанесение на поверхность металлических элементов методом газотермического напыления защитного слоя из алюминия или цинка и сплавов на их основе, крацевание его внешней поверхности и нанесение на защитный слой полимеризирующего пропитывающего состава с последующей его сушкой.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к защитным покрытиям конструкционных деталей. Сплав на основе никеля для защитного покрытия конструкционной детали, в частности детали газовой турбины, предназначенного для защиты от коррозии и/или окисления детали при высоких температурах, содержит следующие элементы, вес.%: от 22 до менее 24 кобальта, 15-16 хрома, 10,5-12 алюминия, 0,2-0,6, по меньшей мере одного элемента из группы, включающей скандий (Sc) и/или редкоземельные элементы, кроме иттрия, при необходимости, от 0,3 до 1,5 тантала (Та), никель (Ni) - остальное.

Изобретение относится к области получения покрытий со специальными свойствами, в частности к покрытиям с высокой стойкостью к коррозионным повреждениям и износу.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к поршневому кольцу для двигателя внутреннего сгорания с покрытием, нанесенным термическим напылением порошка.

Изобретение относится к слоистой системе со слоем MCrX и слоем, обогащенным хромом. Слоистая система (1) содержит подложку (4) и многослойное покрытие, при этом многослойное покрытие содержит один слой MCrX (7, 7′) в качестве самого нижнего слоя (7, 7′) на подложке (4), в котором Х является, по меньшей мере, иттрием (Y) и/или кремнием (Si), и/или алюминием (Al), и/или бором (B), в котором М является никелем (Ni) и/или кобальтом (Co), обогащенный хромом слой (10) на или в по меньшей мере одном слое MCrX (7, 16) и первый внешний MCrX″ слой (13), который находится на обогащенном хромом слое (10), где X″ является, по меньшей мере, Y, Si и/или B, причем указанный нижний слой MCrX (7) присутствует на подложке (4) и под обогащенным хромом слоем (10).

Изобретение относится к элементу конструкции нефтехимического оборудования, работающему при температуре 230-990оС и способу обработки поверхности этого элемента. Указанный элемент содержит исходную подложку из черного или цветного металла, или стали, диффузионный слой и слой аморфного металла.

Изобретение относится к скользящему элементу, в частности к поршневому кольцу с покрытием из алмазоподобного углерода на подложке. Скользящий элемент содержит более мягкий материал по сравнению с алмазоподобным углеродом, который включен в поверхность покрытия из алмазоподобного углерода, которым скользящий элемент должен входить в контакт с соединенной с ним деталью, по которой скользящий элемент должен скользить.
Наверх