Плазменная наплавка выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания порошковыми сплавами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.06, кандидат технических наук Аманов, Сергей Раимжанович

• Аманов, Сергей Раимжанович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Аманов, Сергей Раимжанович

Введение.

Глава 1. Проблемы упрочнения и разрушения фаски выпускных клапанов современных форсированных двигателей.

1.1 Конструкция выпускного клапана. Материалы и технологии, применяемые при его изготовлении.

1.2. Характерные виды разрушения выпускных клапанов двигателей ВАЗ.

Глава 2. Исследование влияния материала и технологии наплавки на свойства выпускного клапана, с учетом специфики разрушения.

2.1. Исследование динамики разрушения выпускных клапанов двигателей ВАЗ. Определение причин разрушения.

2.2. Разработка установки для исследования свойств клапанов с плазменно-порошковой наплавкой.

2.3. Исследование свойств жаропрочных материалов, применяемых для наплавки фаски выпускных клапанов.

2.4. Зависимость структуры и свойств наплавленного слоя от наплавляемого материала, режимов и способа наплавки.

Глава 3. Разработка технологии плазменно-порошковой наплавки выпускных клапанов

3.1. Расчет режимов плазменной наплавки.

3.2.Определение требований к заготовке под наплавку.

Глава 4. Разработка опытного образца автоматизированной установки для плазменно-порошковой наплавки выпускных клапанов.

4.1.Состав, схема расположения элементов и краткие технические характеристики установки.

4.2. Система управления установкой.

4.3.Программное обеспечение.

Глава 5. Сравнительные испытания выпускных клапанов с индукционной и плазменно-порошковой наплавкой на двигателе. Внедрение технологии плазменно-порошковой наплавки в ОАО АВТОВАЗ.

5.1 Разработка методики и критериев оценки разрушения выпускных клапанов.

5.2 Результаты измерений геометрии наплавленного слоя в процессе испытаний.

5.3 Результаты металлографических исследований изменения структуры наплавленного слоя и зоны термического влияния после испытаний.

5.4 Внедрение технологии плазменно-порошковой наплавки в ОАО АВТОВАЗ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Плазменная наплавка выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания порошковыми сплавами»

Стремление двигателестроителей к увеличению мощности, снижению расхода топлива и выполнению современных и перспективных норм по токсичности выхлопных газов, требует новых подходов к конструкции двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Для таких двигателей характерно существенное увеличение термических и механических нагрузок, что ведет к снижению ресурса работы, как отдельных деталей, так и всего двигателя в целом.

Одной из наиболее нагруженных деталей ДВС является выпускной клапан, подвергающийся в процессе эксплуатации совместному воздействию высоких температур/ударных нагрузок и агрессивной газовой среды. В итоге, клапаны, изготавливаемые из лучших марок сталей, не выдерживают установленный моторесурс современного форсированного двигателя и выходят из строя, главным образом, из-за преждевременного разрушения контактной поверхности фаски.

Существуют различные способы увеличения ресурса работы фаски выпускных клапанов. Целесообразной представляется наплавка материалами с заданными свойствами.

В ОАО АВТОВАЗ с 1972 г. применяется технология индукционной наплавки выпускных клапанов методом "намораживания". В качестве наплавляемого материала используют хромоникелевый сплав ЭП 616А.

Разработка двигателя ВАЗ 2112, отличающегося более жесткими условиями эксплуатации и повышенными требованиями к ресурсу, поставила ряд проблем. Испытания показали, что выпускные клапаны, 5 изготовленные по традиционной технологии, выходят из строя преждевременно, лимитируя работоспособность двигателя.

Актуальность выполнения современных требований, предъявляемых к надежности двигателей внутреннего сгорания и отсутствие систематизированных данных по причинам разрушения и способам увеличения ресурса работы выпускных клапанов, позволила сформулировать цель работы.

Цель работы: Повышение ресурса малогабаритных выпускных клапанов тяжелонагруженных двигателей внутреннего сгорания современных автомобилей.

Объектом исследования являются заготовки выпускных клапанов, наплавленные хромоникелевым сплавом ЭП616А и сплавами на основе кобальта ВЗК, Stellite 6, Steinte F способами индукционной наплавки литыми кольцами и плазменной наплавки порошковыми сплавами.

Предметом исследования - влияние наплавочных материалов, режимов и способа наплавки на структуру, состав и свойства наплавленной фаски, позволяющие прогнозировать ресурс работы клапана при эксплуатационных нагрузках.

Работа выполнена в исследовательском центре дирекции по техническому развитию ОАО «АВТОВАЗ» и включает в себя комплекс теоретических и экспериментальных исследований. В работе использованы как стандартные, так и оригинальные методики исследований процесса наплавки и наплавленных слоев, в том числе -осциллографические исследования энергетических параметров сварочной дуги, механические испытания наплавочных материалов и наплавленных образцов при комнатных и высоких температурах, 6 металлографические и микрорентгеноспектральные исследования наплавленного металла и зоны сплавления, ускоренные коррозионные испытания в расплаве оксида свинца, стендовые испытания на двигателе.

Исследование тепловых процессов проводилось с использованием аналитических методов решения дифференциальных уравнений. При обработке результатов экспериментов применяли методы дисперсионного и регрессионного анализа, математической статистики. Все расчёты и обработка экспериментальных данных проводились с использованием современной вычислительной техники. Научная новизна

1. Установлен механизм коррозионного разрушения фаски выпускных клапанов с индукционной наплавкой хромоникелевым сплавом ЭП616А, протекающий в несколько стадий: появление и развитие межкристаллитной коррозии основного металла в зоне термического влияния;

- зарождение трещины, проникающей по границе сплавления под наплавку; образование на границе сплавления пор, увеличивающихся в количестве и размерах;

- распространение трещины по ослабленной порами границе сплавления, с отрывом наплавленного слоя от основного металла.

2. Показано, что основной вклад в разрушение клапана вносит недостаточная коррозионная стойкость и жаропрочность стали 55Х20Г9АН4 в зоне термического влияния. 7

3. Показано, что зависимость твердости при температуре 800°С от содержания железа в наплавленном слое для сплавов ЭП616А (1) и ВЗК (2) удовлетворительно описывается линейными уравнениями: у = '2,81х+201,76, (1) у = -2,93х+242,29 (2) где у - твердость наплавленного слоя, кг/мм2, х - концентрация железа в наплавленном слое, %.

4. Разработан и реализован алгоритм управления тепловложением в процессе наплавки деталей вращения по заданному закону в виде функциональной зависимости от угловой координаты заготовки, обеспечивающий равномерность структуры, состава и свойств по длине наплавленного слоя.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Особенности разрушения фаски выпускных клапанов с индукционной наплавкой хромоникелевым сплавом ЭП 616А.

2. Закономерности влияния термического цикла наплавки на свойства наплавленного слоя и ЗТВ.

3. Аналитический метод расчёта и способ управления термическим циклом наплавки в виде функциональной зависимости тепловых параметров от угловой координаты клапана.

4. Специализированное оборудование для автоматической плазменно-порошковой наплавки выпускных клапанов двигателей автомобилей.

Структура и объём работы Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов по работе, списка использованной литературы и приложения. Работа

Заключение диссертации по теме «Технология и машины сварочного производства», Аманов, Сергей Раимжанович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Комплекс проведенных исследований позволил решить важную научно-техническую задачу - обеспечение нормативного ресурса работы малогабаритных выпускных клапанов тяжелонагруженных двигателей современных легковых автомобилей.

2. Установлено, что в зависимости от величины и соотношения термических и механических нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации клапанов с индукционной наплавкой хромоникелевым сплавом ЭП616А, разрушение фаски клапана может иметь несколько видов:

-разрушение по типу «ножевой коррозии», отрывающее наплавленный слой от металла основы;

-«сползание» наплавки, обусловленное недостаточной жаропрочностью металла ЗТВ и его ползучестью при эксплуатационных нагрузках выпускного клапана;

-абразивный износ контактной поверхности фаски клапана, вызванный недостаточной твердостью при эксплуатационных температурах.

123

3. Разработана комплексная методика оценки свойств наплавленного слоя, позволяющая учитывать различные составляющие механизма разрушения клапана:

-средний износ контактной поверхности; -изменение твердости наплавленного слоя и металла в ЗТВ; -коррозионное разрушение металла ЗТВ и наплавки; -структурные изменения на границе сплавления.

4. В результате аналитического решения системы дифференциальных уравнений, анализа теплового баланса процесса плазменно-порошковой наплавки определен закон изменения тепловой мощности от угловой координаты заготовки в процессе наплавки.

5. Создана автоматическая система управления параметрами процесса, позволяющая реализовать алгоритмы управления в виде функциональной зависимости от угловой координаты заготовки и точно дозировать количество тепла вводимого в заготовку при наплавке.

6. Разработана технология и впервые создано специализированное оборудование для автоматической плазменно-порошковой наплавки выпускных клапанов, внедренные в дирекции по техническому развитию ОАО АВТОВАЗ при изготовлении выпускных клапанов двигателей ВАЗ 2112, 21233, 1119. Эффект от внедрения каждой установки составляет 150 - 200 тыс. дол. США.

124

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Аманов, Сергей Раимжанович, 2000 год

1. Т. Асакура Содзи и др. «Температурное распределение на компоненты двигателя» (по материалам ф. «Toyota») //Jidosha Gijutsu. 1979. - N 9, p. 775-780.

2. Самохоцкий А.И., Кунявский М.Н., Кунявская Т.М., Парфеновская Н.Г., Быстрова Н.А. Металловедение. М.: Металлургия, 1990. - с.334-335.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990. - 527 с.

4. Масино М.А., Алексеев В.Н., Мотовилин Г.В. Автомобильные материалы. Справочник инженера механика. М.: Транспорт, 1971- 295с.

5. McLeish J.A. «Nickel alloy hardfacing of stainless steel // First International Conference on Surface engineering. Brighton, 25-28 June. -1985. p. 111-121.

6. Xiaoxiong M.A. A study on plasma arc spray welding of the exhaust valve sealing face. // Advances in thermal spraying, New York. -1986 p. 701-709.

7. New hardfacing alloys // Surface engineering. 1985. - v. 1, N 3, p. 167-168.

8. Narasihman S.L., Larson J.M. Valve gear materials: an overview // Automotive Engineering. 1986. - V.94, №5, p.40-45.

9. Переплетчиков Е.Ф., Гладкий П.В., Фрумин И.И. Плазменная наплавка хромоникелевых сплавов, легированных кремнием и бором. //Автоматическая сварка.-1968.- N 9, с. 58-62.

10. Шмидт К., Хофен X., Койцлик К., Линке, Й.Никель Г. Анализ структуры металлических материалов. Справочное издание. М.: Металлургия, 1989, с. 134-135.

11. Сидоров А.И. Восстановление деталей машин напылением и наплавкой. М.: Машиностроение, 1987, с. 121-124.

12. Дюко М. Плазменная наплавка вынесенной дугой. // Международный семинар " Газотермическое напыление в промышленности ". Доклады. Санкт-Петербург: ЛДНТП. - 1991. - с. 83-86.

13. Силуянов В.П., Лужнов П.И., Хараборчев Н.П., Петряков Б.И., Мурзаев В.П., Максимов Е.В., Кухтин Т.П. Способ наплавки клапанов. Заявка 1540904 СССР. МКИ В23К 13/00, В23Р 6/00.

14. Максимович Б.И., Дудко Д.А., Чупров С.С. Наплавка клапанов порошковым сплавом. ИЭС им. Патона.,1974. Информационное письмо № 30.

15. Асташкевич Б.М., Зиновьев Г.С. «Упрочнение и восстановление лазерной наплавкой клапанов дизелей» // Сварочное производство. -1995 г. N 11, с.2-4.

16. Есида Ясуюки, Вакамото Икуо и др. Способ наплавки твердым сплавом тарелки клапана. Патент 5069633 Япония. МКИ В23К 9/04.

17. Акулов А.И., Баженов В.В. и др. Справочник по сварке, том 4. -М.: Машиностроение. 1971, с. 415.126

18. Proner Alain, Ducos Maurice et Dacguet J Philippe. Способ плаз-менно-дуговой наплавки. Заявка 2698572 Франция, МКИ В23К 10/02.

19. Такэути Хироко, Нагата Масаси. Клапан двигателя внутреннего сгорания и способ его изготовления. Патент 5055235 Япония. МКИ В23К 10/02.

20. Yukou Takeuchi, Masaru Nagata. Powder surface welding metod. Пат. GB N 2148768, заявл. 26.10.83 г., опубл. 22.10.84 г.

21. Пузярков А.Ф. Новые разработки и перспективы использования плазменных технологий. // Сварочное производство. 1997. - № 12, с.21.

22. Нефедов Б.Б., Лялякин В.П. Развитие плазменной сварки-наплавки за рубежом. // Сварочное производство. 1998. - № 3, с.21-27.

23. Волченко В.Н., Ямпольский В.М., Винокуров В.А, и др. Теория сварочных процессов. М.: Высшая школа, 1988. с. 558.127

24. Малаховский В.А. Плазменная сварка. М.: «Высшая школа», 1987. 79 с.

25. Масаки Мацуно. Способ наплавки твердого сплава. Заявка № 1197066 Япония. МКИ В 23 К 9/04, 26/00, 26/12. Заявл. 08.08.89.

26. Pfeifer Е., Zurn Н., Schweibtechnische Oberflachenbeschichtung -Piasmapulver-auftragschweiben im Vergleich mit anderen Verfahren //10 Internationale Konferenz "Termiches Spritzen". 1983.

27. Lucas W., Arc surfacing and cladding processes to enhance performance in service and to repair worn components // Welding and Metal Fabrication. - 1994. - Vol.62.N 2. p.55-56, 60-62.

28. Cler S., Ducos M. Le plasma a arc transfere. // Souder. Mars 1987 №2, p.10.

29. Dehaudt Ph., Rochette Ph. Parametric study of plasma transfered arc surfacing. // Advances in thermal spraying. Sept. 8-12, 1986, p. 709718.

30. Tsay L.W., Chen C., Cheng S.W. Effect of welding parameters on the working envelopes for plasma arc welding. // Journal of Materials and Product Technology.№ 3, 1991, p.217-226.

31. Вертинский С.В., Винокуров В.А., Земзин В.Н. и др. Проектирование сварных конструкций в машиностроении. М.: Машиностроение, 1975. с.376.

32. Земзин В.Н., Лошкарев В.Е., Рачкова Л.В. Обобщенный параметр термического цикла сварки // Автоматическая сварка. 1988.- № 10, с.1-2.

33. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. М.: Металлургия, 1985 с. 407128

34. Лившиц Л.С. Металловедение для сварщиков. М.: Машиностроение, 1979. с. 252.

35. Талыпов Г.Б. Сварочные напряжения и деформации.: Ленинград. Машиностроение, 1973. с.276.

36. Хренов К.К. Сварка, резка и пайка металлов. М.: Машиностроение, 1970. с.407.

37. Narasihman S.L., Larson J.M. Valve gear wear: a Review // Automotive Engineering. 1986. - V.94, №2, p.92-101.

38. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление. М.: Машиностроение, 1985, с.238.

39. Кащенко Г.А. Основы металловедения. М.: Машгиз, 1959, с.395.

40. Гуляев А.П. Металловедение. М.:Металлургия, 1986, с.541.

41. Сокол И.Я., Ульянин Е.А., Фельдгандлер Э.Г. и др. Структура и коррозия металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1989, с. 50-71.

42. Вновь разработанная установка плазменно-порошковой наплавки (PPW-150-CEV) для массового производства выпускных клапанов. Дайдо Стил Корпорейшн. Япония, с.20.

43. Proposal SNMI. Франция, 26 с.

44. Yukou Takeuchi, Masaru Nagata. Powder surface welding metod. Пат. GB N 2148768, заявл. 26.10.83 г., опубл. 22.10.84 г.

45. Тупиков Н.Г., Подсевалов В.В., Грибков Ю.Г. Системы автоматического управления сварочными преобразователями. // Доклады II всесоюзной конференции «Актуальные проблемы сварки цветных металлов», Киев, Наукова думка, 1985, с.462.

46. Переплетчиков Е.Ф., Гладкий П.В., Фрумин И.И., Карманов В.И., Гордань Г.Н. Особенности окисления наплавочных хромоникелевых сплавов с бором и кремнием в водяном паре высоких параметров. // Автоматическая сварка.-1980.- N6, с. 15-19.

47. Шевченко О.И., Фарбер В.М., Журавлев В.И., Давыдов В.Н. Влияние параметров плазменной наплавки на фазовый состав и структуру покрытия H73X16C3P3. Урал.полит.инст,- Свердловск, 1992 Деп. в Черметинформации 25.11.92. № 5919. 8 с.

48. Нефедов Б.Б. Расчет на персональной ЭВМ плазменно-порошковой наплавки. // Сварочное производство. 1997. - №6, с. 2-6.

49. Столбов В.И., Сайфиев Р.З., Иштыков Ю.В. Особенности формирования температурного поля при сварке круговых швов. // Теплофиз. технол. процессов. 1975. - вып.2, с.106-114.

50. Нефедов Б.Б. Плазменно-порошковая наплавка валов малого диаметра в режиме предельного теплового насыщения. Н Технология металлов. 1999. - №7, с. 35-39.

51. Дилигенский Н.В., Михеев Ю.В., Иштыков Ю.В., Голованов П.А. Оптимизация режимов сварки круговых швов тонкостенных конструкций.130

52. Доклады II всесоюзной конференции «Актуальные проблемы сварки цветных металлов». Киев, Наукова думка, 1985, с.57-59.

53. Нефедов Б.Б., Князев А.Ю. Особенности плазменной наплавки валов. // Материалы конференции " Состояние и перспективы восстановления и упрочнения деталей машин ", сборник 1., М: Центральный Российский дом знаний, 1994, с. 45-50.

54. Нефедов Б.Б., Лялякин В.П. Расчет режима плазменно-порошковой наплавки валов. II Сварочное производство. -1993.- , №6, с. 7-9.

55. Абрамов И.В., Семенюк B.C., Скачков И.О., Черныш В.П. Способ автоматической аргонодуговой сварки кольцевых стыков труб малого диаметра. A.c. СССР №1683924, кл.В23 К9/10, 9/167, опуб. 15.10.91.

56. Рыкалин H.H. Расчет тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951.-296с.

57. Владимиров B.C. Уравнения математической физики. -М.:Наука,1971.-512с.

58. Дилигенский Н.В., Камаев Ю.П. К исследованию периодических процессов в теории теплопроводности.- В кн.: Тепло и массоперенос. Минск, ИТМО АН БССР, 1968. Т. 8.С.252-257.

59. Нефедов Б.Б. Расчет режимов плазменно-порошковой наплавки. М.:ЦНИИТУВИД, 1992, с.30.131

60. Гладкий П.В., Павленко A.B., Зельниченко А.Т. Математическое моделирование нагрева порошка в дуге при плазменной наплавке //Автоматическая сварка. 1989. - №11, с.17-21.

61. Соснин H.A. Исследование характеристик сжатой дуги и оборудования для плазменной сварки. Методические указания. Ленинград, ЛПИ им. М.И. Калинина, 1985, с. 47.

62. Eumery J. Production and Development of Stellite F powder. Hoga-nas, p.16.

63. Аманов С.P., Горин А.Д. Оборудование для плазменной наплавки выпускных клапанов. //Автомобильная промышленность, 1995 г., №12, с.26-27.

64. Аманов С.Р., Скоморохов В.Д. Способ загрузки заготовок. Положительное решение по заявке №99115902, МКИ В23К 37/047 приоритет от 22.07.1999г.

65. Тупиков Н.Г., Подсевалов В.В., Грибков Ю.Г. Системы автоматического управления сварочными преобразователями. // Доклады II всесоюзной конференции «Актуальные проблемы сварки цветных металлов», Киев, Наукова думка, 1985, с.144-145.

66. Соснин H.A., Ермаков С.А., Вичик Б.Л. Технологическое и алгоритмическое обеспечение плазменной сварки и наплавки для гибких производств. // Сварочное производство. 1986.-№7.-с. 1-2.132

67. Соколов Ю.А. Система управления PCNC сварочного автомата.// Сварочное пр-во.-1994.-№ З.-с. 21-22.

68. Аманов С.Р., Горин А.Д., Шишкин А.Р. Автоматическая система управления сваркой деталей вращения. // Материалы семинара «Сварка в машиностроении». Москва, ЦРД3.1995, с.156-160

69. Коротынский А.Е., Мухлыгин Н.С., Заичко В.Н. Выбор информационных параметров при контроле режимов аргоно-дуговой сварки не-плавящимся электродом.//Автоматическая сварка, 1988,№6, с.33-35.

70. Аманов С.Р., Шишкин А.Р. Способ регулирования процесса наплавки деталей вращения. Положительное решение по заявке №2000100733, В23К 10/00 приоритет от 10.01.2000 г.

71. Аманов С.Р., Шишкин А.Р. Способ управления циклом наплавки. Положительное решение по заявке №2000100734, МКИ В23К 9/095, В23К 10/00 приоритет от 10.01.2000 г.

72. Петров Г.Л., Тумарев A.C. Теория сварочных процессов. М.: Высшая школа, 1967 507 с.

73. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М.: Наука, 1972, с.254.

74. Rolf Milbach. Ventilschaden und ihre Ursachen. TRW Thompson GmbH. 1987, p.52.133

75. Shoonweld Gary A., Riley Richard K., Thomas Stephen P. Exhaust valve recession with low-lead gasolines. // Automotive Engenearing, 1987, 95, №11, p. 72-76.

76. Горбач В.Д., Бочкарев В.П,, Назарчук В.К. Изготовление и ремонт гребных валов и тел вращения с применением плазменных технологий. Сварочное производство, 1999 г., N 7, с.32-36.

77. Armitage Jim. Diagnostic common valve failures. // Motor service, 1987, September, p.26-31.

78. Аманов С.Р., Горин А.Д. Изучение механизма разрушения выпускного клапана двигателя ВАЗ 21083. //Межвузовский сборник научных трудов «Наука, техника, образование города Тольятти и Волжского региона», 4.2. Тольятти, ТолПИ, 1999 г., с. 203-207.