способ получения защитного покрытия на поверхности выполненных из чугуна деталей, а также двигатель, по меньшей мере, с одной выполненной из чугуна деталью, снабженной на своей поверхности защитным покрытием

Формула изобретения

1. Способ получения защитного покрытия из алюминиевой бронзы, включающий нанесение на деталь из чугуна покрытия, содержащего мягкий удаленный от чугуна слой и более твердый и износостойкий несущий слой, отличающийся тем, что покрытие на деталь наносят путем наплавки с получением слоя из алюминиевой бронзы, содержащего удаленный от чугуна мягкий слой и близкий к чугуну более твердый несущий слой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед наплавкой осуществляют нагрев детали.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что нагрев осуществляют до температуры 400С.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что наплавляют алюминиевую бронзу, содержащую 8-25% алюминия, по меньшей мере один из компонентов, выбранный из группы, включающей сурьму, кобальт, бериллий, хром, олово, марганец, кремний, кадмий, цинк, железо, никель, свинец и углерод в количестве 0,2-10% и остальное медь.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что для образования сравнительно мягкого удаленного от чугуна слоя наплавляют алюминиевую бронзу, содержащую компоненты в следующем соотношении, %:

Алюминий 8-11

Никель 4-6

Железо 3-5

Марганец 1-2

Медь Остальное

6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что для образования сравнительно твердого удаленного от чугуна слоя наплавляют алюминиевую бронзу, содержащую компоненты в следующем соотношении, %:

Алюминий 13-16

Железо 4-5

Кремний 0,2-0,8

Марганец 1-2

Углерод менее 0,2

Медь Остальное

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что для получения двухслойного покрытия наплавляют алюминиевую бронзу с получением слоя толщиной 2-3 мм, преимущественно 2,5 мм.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что алюминиевую бронзу наплавляют на чугун, содержащий графит.

9. Способ получения защитного покрытия из алюминиевой бронзы, включающий нанесение на деталь из чугуна покрытия, содержащего мягкий удаленный от чугуна слой и более твердый и износостойкий несущий слой, отличающийся тем, что покрытие на деталь наносят путем наплавки, при этом на слой алюминиевой бронзы, наплавленной непосредственно на чугун, наплавляют по меньшей мере один дополнительный слой из алюминиевой бронзы, причем каждый из слоев содержит удаленный от чугуна мягкий слой и близкий к чугуну более твердый несущий слой.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что перед наплавкой осуществляют нагрев детали.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что нагрев осуществляют до температуры 400С.

12. Способ по любому из пп.9-11, отличающийся тем, что по меньшей мере один слой наплавляют из алюминиевой бронзы, содержащей 8-25% алюминия, по меньшей мере один из компонентов, выбранный из группы, включающей сурьму, кобальт, бериллий, хром, олово, марганец, кремний, кадмий, цинк, железо, никель, свинец и углерод в количестве 0,2-10% и остальное медь.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что по меньшей мере один слой наплавляют из алюминиевой бронзы, содержащей компоненты в следующем соотношении, %:

Алюминий 8-11

Никель 4-6

Железо 3-5

Марганец 1-2

Медь Остальное

14. Способ по любому из пп.9-11, отличающийся тем, что по меньшей мере один слой наплавляют из алюминиевой бронзы, содержащей компоненты в следующем соотношении, %:

Алюминий 13-16

Железо 4-5

Кремний 0,2-0,8

Марганец 1-2

Углерод Менее 0,2

Медь Остальное

15. Способ по любому из пп.9-14, отличающийся тем, что для получения двухслойного покрытия наплавляют алюминиевую бронзу с получением слоя толщиной 2-3 мм, преимущественно 2,5 мм.

16. Способ по п.9, отличающийся тем, что алюминиевую бронзу наплавляют на чугун, содержащий графит.

17. Двигатель, в частности поршневой двигатель, содержащий по меньшей мере одну деталь, выполненную из чугуна, отличающийся тем, что деталь выполнена из чугуна, содержащего преимущественно поверхностный, вермикулярный или шаровидный графит, при этом на деталь нанесено защитное покрытие из алюминиевой бронзы, представляющее собой слой, содержащий удаленный от чугуна слой и несущий слой, причем твердость несущего слоя в четыре раза превышает твердость удаленного от чугуна слоя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу получения состоящего из алюминиевой бронзы защитного покрытия со сравнительно мягким удаленным от чугуна слоем и находящимся под ним, существенно более твердым и более износостойким несущим слоем на поверхности деталей, состоящих из чугуна в качестве материала-основы, а также к двигателю, по меньшей мере, с одной выполненной из чугуна деталью, снабженной на своей поверхности защитным покрытием описанного выше рода.

Из WO-A-98/25017 известен способ получения состоящего из алюминиевой бронзы защитного покрытия на поверхности деталей, состоящих из стали, литой стали или чугуна. Защитное покрытие напыляют при этом в виде нескольких закрывающих друг друга слоев способом термонапыления, причем один комплексный слой образует покрывающий слой, а, по меньшей мере, один дополнительный комплексный слой - несущий слой. Несущий и покрывающий слои напыляют в соответствии с этим последовательно, и они находятся в двух разных, последовательно напыленных слоях. Для достижения качества несущего и покрывающего слоев применяют специальные меры, такие как разные виды напыления. Известный способ оказывается поэтому сравнительно сложным.

Исходя из этого, задачей настоящего изобретения является создание способа описанного выше рода, который у деталей, состоящих из чугуна в качестве материала-основы, простым образом обеспечивал бы получение сравнительно мягкого удаленного от чугуна и сравнительно твердого несущего слоев.

Эта задача решается посредством способа получения защитного покрытия из алюминиевой бронзы, включающего нанесение на деталь из чугуна покрытия, содержащего мягкий удаленный от чугуна слой и более твердый и износостойкий несущий слой, в котором согласно изобретению покрытие на деталь наносят путем наплавки с получением слоя из алюминиевой бронзы, содержащего удаленный от чугуна мягкий слой и близкий к чугуну более твердый несущий слой.

Целесообразным является то, что перед наплавкой осуществляют нагрев детали.

Нагрев осуществляют до температуры 400С.

Предпочтительным является то, что наплавляют алюминиевую бронзу, содержащую 8-25% алюминия, по меньшей мере один из компонентов, выбранный из группы, включающей сурьму, кобальт, бериллий, хром, олово, марганец, кремний, кадмий, цинк, железо, никель, свинец и углерод в количестве 0,2-10% и остальное медь.

Для образования сравнительно мягкого удаленного от чугуна слоя наплавляют алюминиевую бронзу, содержащую компоненты в следующем соотношении, %:

Алюминий 8-11

Никель 4-6

Железо 3-5

Марганец 1-2

Медь Остальное

Для образования сравнительно твердого удаленного от чугуна слоя наплавляют алюминиевую бронзу, содержащую компоненты в следующем соотношении, %:

Алюминий 13-16

Железо 4-5

Кремний 0,2-0,8

Марганец 1-2

Углерод Менее 0,2

Медь Остальное

Целесообразным является то, что для получения двухслойного покрытия наплавляют алюминиевую бронзу с получением слоя толщиной 2-3 мм, преимущественно 2,5 мм.

Предпочтительным является то, что алюминиевую бронзу наплавляют на чугун, содержащий графит.

Наплавленная непосредственно на чугун алюминиевая бронза оказывается неожиданным образом в своей близкой к чугуну зоне существенно более твердой, чем в своей удаленной от чугуна зоне. Поэтому в пределах одного и того же слоя автоматически образуются близкий к материалу-основе, сравнительно твердый несущий слой и удаленный от материала-основы, сравнительно мягкий удаленный от чугуна слой, который может служить приработочным слоем, самопроизвольно исчезающим на этапе приработки, так что затем вступает в действие несущий слой. Во время опытов с наплавленным непосредственно на чугун слоем алюминиевой бронзы в зоне внешнего удаленного от чугуна слоя были обнаружены ожидаемые твердость и цвет алюминиевой бронзы. В нижележащей, близкой к чугуну зоне удалось установить, однако, четырехкратную твердость по сравнению с внешним слоем. Поскольку посредством покрытия можно получить одновременно мягкий удаленный от чугуна и твердый несущий слои, это предпочтительным образом обеспечивает высокую экономичность.

Поставленная задача решается также посредством способа получения защитного покрытия из алюминиевой бронзы, включающего нанесение на деталь из чугуна покрытия, содержащего мягкий удаленный от чугуна слой и более твердый и износостойкий несущий слой, в котором согласно изобретению покрытие на деталь наносят путем наплавки, при этом на слой алюминиевой бронзы, наплавленной непосредственно на чугун, наплавляют по меньшей мере один дополнительный слой из алюминиевой бронзы, причем каждый из слоев содержит удаленный от чугуна мягкий слой и близкий к чугуну более твердый несущий слой.

При наплавлении двух слоев алюминиевой бронзы, причем первый слой наплавляют непосредственно на образующий материал-основу чугун, а второй -непосредственно на первый, в каждом слое образуются два слоя в виде сравнительно мягкого, удаленного от чугуна и более твердого по сравнению с ним, близкого к чугуну слоев, причем степень твердости слоев внешнего слоя выше степени твердости соответствующих слоев находящегося ниже слоя. Это решение следует, в частности, предпочесть тогда, когда желательной является особенно высокая степень твердости.

Целесообразным является то, что перед наплавкой осуществляют нагрев детали. Нагрев осуществляют до температуры 400С. За счет этого можно увеличить толщину твердого несущего слоя. Целесообразным является то, что алюминиевую бронзу наплавляют на соответствующую основу посредством сварки. Это оказывается простым и экономичным.

Применяемая алюминиевая бронза может быть приведена в отношении своего состава в соответствие с потребностями каждого отдельного случая.

Целесообразным является то, что по меньшей мере один слой наплавляют из алюминиевой бронзы, содержащей 8-25% алюминия, по меньшей мере один из компонентов, выбранный из группы, включающей сурьму, кобальт, бериллий, хром, олово, марганец, кремний, кадмий, цинк, железо, никель, свинец и углерод в количестве 0,2-10% и остальное медь.

Предпочтительным является то, что по меньшей мере один слой наплавляют из алюминиевой бронзы, содержащей компоненты в следующем соотношении, %:

Алюминий 8-11

Никель 4-6

Железо 3-5

Марганец 1-2

Медь Остальное

Также предпочтительным является то, что по меньшей мере один слой наплавляют из алюминиевой бронзы, содержащей компоненты в следующем соотношении, %:

Алюминий 13-16

Железо 4-5

Кремний 0,2-0,8

Марганец 1-2

Углерод Менее 0,2

Медь Остальное

Для получения двухслойного покрытия наплавляют алюминиевую бронзу с получением слоя толщиной 2-3 мм, преимущественно 2,5 мм.

Целесообразным является то, что алюминиевую бронзу наплавляют на чугун, содержащий графит.

В двигателе, в частности поршневом двигателе, содержащем по меньшей мере одну деталь, выполненную из чугуна, согласно изобретению деталь выполнена из чугуна, содержащего преимущественно поверхностный, вермикулярный или шаровидный графит, при этом на деталь нанесено защитное покрытие из алюминиевой бронзы, представляющее собой слой, содержащий удаленный от чугуна слой и несущий слой, причем твердость несущего слоя в четыре раза превышает твердость удаленного от чугуна слоя.

У двигателей, по меньшей мере, с одной выполненной из чугуна деталью, снабженной на своей поверхности защитным покрытием со сравнительно мягким, изнашивающимся на этапе приработки удаленного от чугуна и находящимся под ним, существенно более твердым и более износостойким несущим слоями, можно за счет применения способа, согласно изобретению, достичь простым образом длительного срока службы. При этом защитное покрытие, имеющее состоящий из алюминиевой бронзы слой, содержит две зоны в виде удаленного от чугуна слоя (9) и несущего слоя (8), причем твердость и цвет образующей удаленный от чугуна слой (9) зоны соответствуют нормальным твердости и цвету применяемой алюминиевой бронзы, а образующая лежащий под ней несущий слой (8) зона имеет четырехкратную твердость по сравнению с внешней зоной.

Другие целесообразные меры приведены в нижеследующем описании примера выполнения посредством чертежей, на которых представлено:

- фиг.1 - частичный вид цилиндра двухтактного дизельного двигателя большого рабочего объема в разрезе;

- фиг.2 - увеличенный фрагмент устройства по фиг.1, снабженного защитным покрытием.

Представленное изобретение может найти применение везде там, где деталь, выполненная из чугуна, преимущественно из серого чугуна с поверхностным, вермикулярным или шаровидным графитом, требует на поверхности защитное покрытие, содержащее внешний, сравнительно мягкий удаленный от чугуна и находящийся под ним, существенно более твердый несущий слои. Это могут быть, например, различные детали двигателей, такие как поршни, поршневые кольца, канавки для поршневых колец, юбки поршней, рабочие поверхности цилиндров и т.д., поскольку эти детали требуют внешнего мягкого удаленного от чугуна слоя, исчезающего на этапе приработки, и внутреннего, более твердого несущего слоя, который действует вслед за этапом приработки и должен обладать длительным сроком службы.

Изображенный на фиг.1 цилиндр двухтактного дизельного двигателя большого рабочего объема содержит гильзу 1, снабженную впускными окнами (не показаны), на которую надета головка (не показана), снабженная выпускным устройством. Внутренняя сторона гильзы 1 цилиндра выполнена в качестве рабочей поверхности, с которой взаимодействует поршень 4, снабженный расположенными в соответствующих канавках 2 поршневыми кольцами 3. Гильза 1 цилиндра, поршень 4 и поршневые кольца 3 выполнены из чугуна, как правило, серого чугуна, содержащего поверхностный, вермикулярный или шаровидный графит. В зоне рабочей поверхности гильзы 1 цилиндра, периферийной поверхности поршневых колец 3 и боковых стенок канавок 2 на изображенном примере показано соответствующее защитное покрытие 5, которое обладает лучшими несущими свойствами, чем состоящий из чугуна материал-основа, и в соответствии с этим повышает срок службы.

Подобное защитное покрытие 5 может быть само собой нанесено также на другие детали двухтактного дизельного двигателя большого рабочего объема, подверженные аналогичным условиям нагрузки, например крейцкопфные подшипники или крейцкопфные направляющие.

Защитное покрытие 5, как лучше всего видно из фиг.2, образовано слоем 7 подходящей алюминиевой бронзы, наплавленным на материал-основу 6 целесообразно посредством сварки. При этом, как оказалось совершенно неожиданным образом, образуются два слоя 8, 9, обозначенных на фиг.2 прерывистой разделительной линией. При этом внешний удаленный от материала-основы слой 9 имеет ожидаемые от применяемой алюминиевой бронзы цвет и твердость. Этот внешний удаленный от чугуна слой является в соответствии с этим сравнительно мягким и потому пригоден в качестве приработочного слоя, который на этапе приработки исчезает сам по себе. Нижележащий, близкий к материалу-основе слой 8 обладает по сравнению с ним существенно большей твердостью и может поэтому служить в качестве износостойкого несущего слоя, действующего в случае исчезновения удаленного от чугуна слоя.

Во время опытов с алюминиевой бронзой, которая дает обычно твердость 200 HV, во внешнем слое была установлена ожидаемая твердость 200 HV, а во внутреннем слое - в четыре раза более высокая твердость 800 HV. Толщина слоя 7, содержащего оба слоя 8, 9, составляла около 2,5 мм, причем толщина внутреннего твердого несущего слоя составляла около 1,5 мм, а внешнего мягкого удаленного от чугуна слоя - около 1 мм. За счет подогрева материала-основы 6 примерно до 400С удалось увеличить ширину твердого несущего слоя 8.

В качестве материала для образования слоя 7 может найти применение алюминиевая бронза, содержащая 8-25% А1, по меньшей мере, один из компонентов Sb, Co, Be, Cr, Sn, Mn, Si, Cd, Zn, Fe, Ni, Pb и С в количестве соответственно 0,2-10% и остальное Си. Если должен быть получен сравнительно мягкий удаленный от чугуна слой, то может найти применение алюминиевая бронза, содержащая 8-11% А1, 4-6% Ni, 3-5% Fe, 1-2% Мn и остальное Сu. При применении подобной алюминиевой бронзы твердость в зоне внешнего удаленного от чугуна слоя 9 составила около 200 HV. Подобная алюминиевая бронза была положена в основу описанного выше примера. В некоторых случаях внешний удаленный от чугуна слой 9 должен иметь немного большую твердость. Здесь целесообразным оказывается применение алюминиевой бронзы с 13-16% А1, 4-5% Fe, 0,2-0,8% Si, 1-2% Мn, самое большее 0,2% С и остальное Си. При применении подобной алюминиевой бронзы удалось достичь твердости удаленного от чугуна слоя 9 около 350 HV. Твердость внутреннего несущего слоя 8 была в любом случае существенно выше твердости внешнего удаленного от чугуна слоя 9. Здесь удалось достичь твердости около 900 HV.

Состоящий из алюминиевой бронзы слой 7, как уже упомянуто выше, может быть наплавлен на материал-основу 6 в процессе сварки. При этом могут найти применение электрическая световая дуга, или пламя, или лазерные лучи.

Другие опыты показали, что друг на друге можно размещать также несколько слоев, преимущественно два слоя, причем степень твердости слоев возрастает по мере удаления от материала-основы 6, т.е. степень твердости внешнего слоя выше степени твердости находящегося под ним слоя. Так, например, во время опытов с двумя слоями из одной и той же алюминиевой бронзы с 13-16% А1, 4-5% Fе, 0,2-0,8% Si, 1-2% Mn, менее 0,2% С и остальное Сu в зоне верхнего слоя была установлена твердость примерно до 400 HV, а в зоне наружного слоя второго слоя - твердость примерно до 600 HV.