ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения технологической разработки.

Поршневые кольца являются ответственными деталями. От их исправной работы во многом зависит надежная работа двигателя или компрессора. Материал поршневых колец должен иметь следующие свойства:

1 .Высокую износостойкость и прирабатываемость рабочей поверхности.

2. Высокие прочностные свойства (предел прочности, упругости, выносливости), высокую теплостойкость, определенную твёрдость, малую остаточную деформацию.

3.Коррозионную стойкость при повышенных температурах. При длительной эксплуатации структура и свойства материала не должны претерпевать значительных изменений.

В настоящее время на Клинцовском заводе поршневых колец (КЗПК) используют серый и высокопрочный чугуны марок СЧМ-1 и А-ВПЧ-ХНММ (табл. 1).

Таблица 1

Химический состав и механические свойства чугунов для поршневых колец

Поршневые кольца предназначены для уплотнения и создания совместно с поршнем изолированных пространств, находящихся по обе стороны поршня в цилиндре поршневой машины. Рабочая поверхность поршневого кольца прилегает к сопряжённой поверхности втулки цилиндра под действием радиального давления, вызванного силами собственной упругости. Упругие свойства кольца определяются химическим составом чугуна, видом термической обработки и размером замка s₂ (рис. 1).

Рис. 1. Эскиз поршневого кольца: сплошными линиями показано поршневое кольцо после термофиксации, пунктирными – до термофиксации:

d – номинальный диаметр поршневого кольца; t – тепловой зазор;

s₂ – размер замка кольца

Размер замка кольца зависит от внутреннего диаметра втулки цилиндра площади поперечного сечения поршневого кольца и радиального давления, которое возникает при взаимодействии рабочей поверхности поршневого кольца с внутренней поверхностью втулки цилиндра. Учитывая многообразие профилей колец и особенности процесса термофиксации, довольно сложно определить необходимый предварительный размер замка s₁ (рис. 2) расчётными методами, поэтому результаты расчётов корректируются экспериментально.

В технологический процесс производства поршневых колец на КЗПК входит только один вид термообработки - термофиксация. Процесс термической обработки собранных в оснастку поршневых колец заключается в нагреве до температуры 610 ± 10°С и последующей выдержке в течение 1-5 часов (время выдержки подбирается индивидуально для каждого вида колец). Термофиксация служит для устранения внутренних напряжений, возникших вследствие установки предварительного размера замка 81 при помощи оснастки (рис. 3). Термообработка производится в нагревательных электрических печах. После снятия колец с оснастки остаточные внутренние напряжения сжимают кольцо, в результате чего получается требуемый по чертежу размер замка s₂.

Как правило, для установки необходимого размера замка проводят две термофиксации последовательно, между которыми производится дополнительная механическая обработка. Такое разделение операций применяется по причине сложности получения требуемого предварительного размера замка s₁ для большинства колец, без учета конечной пластической деформации (рис. 2).

В ходе механических операций между термофиксациями профиль кольца изменяется, что приводит к уменьшению упругих свойств, и, как следствие, к браку по заниженной упругости после установки требуемого размера замка s₂.

Для устранения нежелательных последствий необходимо поставить операцию термофиксации непосредственно после всех формообразующих операций. При термической обработке необходимо использовать нагревательные печи с защитной атмосферой, что позволит снизить обезуглероживание поверхности, образование пригара и припуск на механическую обработку.

Существует ряд факторов в эксплуатации поршневых колец, которые влияют на рекомендуемые режимы термической обработки. Одним из важнейших обстоятельств является температура эксплуатации поршневых колец, пределы которой составляют 450-550°С. В этих условиях поршневые кольца, отпущенные при температуре 610±10°С, работают без заметных потерь размера замка в течение всего срока эксплуатации.

В ходе экспериментов были проведены несколько видов термической обработки на серийно выпускаемых КЗПК поршневых кольцах диаметром 180 мм из чугунов СЧМ?1 и А-ВПЧ-ХНММ. Режимы термической обработ­ки, полученные механические свойства и микроструктура представлены в табл. 2 и 3.

Из приведенных данных видно, что механические свойства после термической обработки значительно повысились, а применяемая температура отпуска дает возможность стабильной эксплуатации поршневых колец без значительного изменения размера замка s₂.

Таблица 2

Термическая обработка поршневых колец из чугуна СЧМ-1

* температура нагрева 850°С;

** изотермическая выдержка 40 мин при 320 °С;

*** в структуре металлической матрицы СЧМ-1 присутствует фосфидная эвтектика.

Использование на предприятии термической обработки позволит решить целый ряд проблем. Во-первых, можно повысить эксплуатационные и механические свойства колец за счет получения наиболее рациональных структур чугуна. Во-вторых, термообработка позволит снизить уровень брака по структурному несоответствию (в частности, по количеству феррита и цементита в металлической матрице чугунов).
В-третьих, можно уменьшить расход легирующих элементов.

Таблица 3

Термическая обработка поршневых колец из чугуна А-ВПЧ-ХНММ

* температура нагрева 850 С;

** изотермическая выдержка 40 мин производилась в ванне с расплавленным оловом при температуре 320 °С.