способ изготовления поршневых колец из листовой стальной полосы

Формула изобретения

1. Способ изготовления поршневых колец из стальной листовой полосы, включающий химико-термическую обработку плоской заготовки по толщине со стороны формообразующей поверхности и формообразование, отличающийся тем, что перед химико-термической обработкой проводят окисление плоской заготовки при температуре 300-400°С с последующей очисткой формообразующей поверхности, а химико-термическую обработку и формообразование осуществляют путем электролиза в ионных расплавах металлов с помощью гальванического процесса при температуре 700-1000°С, при этом плоская заготовка служит катодом, а в качестве анода используют расплавленный алюминий с растворенными легирующими элементами, с последующим шлифованием полученного рабочего слоя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве ионного расплава используют эвтектическую смесь хлоридов лития и калия.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплавленный алюминий в качестве легирующего элемента содержит до 3% хрома.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что очистку формообразующей поверхности проводят с помощью механической обработки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области общего машиностроения, в частности к способам формирования поршневых колец из листовой стали.

В настоящее время существуют различные способы формирования деталей машин с криволинейной поверхностью из плоских заготовок, которые могут быть применены для изготовления поршневых колец. Так, например, известны:

- способ изготовления поршневого кольца из легкого сплава, включающий получение заготовки кольца методом штамповки и покрытия его поверхности методом микродугового оксидирования (патент №2120049, Россия);

- способ изготовления порошковых поршневых колец, включающий засыпку порошка в матрицу, холодное прессование, извлечение заготовки, ее спекание, формирование замка в сечении, термофиксирование и механическую обработку (патент №2089347, Россия);

- способ изготовления хромированных поршневых колец, включающий навивку спирали из стальной ленты на оправке заданного диаметра с последующей ее обработкой, включающей следующие операции: термофиксацию, полирование, подготовку под хромирование и разрезку хромированной спирали на отдельные кольца (патент №2182064, Россия).

Однако, несмотря на разнообразие имеющихся методов, их применение требует: наличия нагревательного оборудования; изготовления и своевременной замены из-за наличия износа пуансонов и матриц, в большинстве случаев приспособленных для изготовления одного строго определенного вида деталей и не обладающих универсальностью, что не всегда оправдано в условиях мелкосерийного производства; применения последующей термообработки; невозможность обрабатывать одновременно большое количество деталей также снижает экономичность этих методов.

Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления листовых пружин преимущественно малой кривизны, включающий обработку плоской заготовки пружинного элемента по толщине со стороны формообразующей поверхности и формообразование, отличающийся тем, что обработку плоской заготовки пружинного элемента осуществляют химико-термической обработкой до получения такой глубины диффузионного слоя, при которой в поверхностном слое возникают остаточные напряжения, необходимые и достаточные для получения детали с заданными геометрическими, механическими, физическими и химическими параметрами (патент №2121615, Россия). В качестве примеров авторы приводят технологию ионного азотирования.

Недостатком данного способа является длительность процесса и невозможность вести процесс ионного азотирования при температуре выше 600 градусов, а при этой температуре сталь сохраняет жесткость, при которой образование поршневого кольца невозможно.

Задача изобретения - получение поршневых колец с защитным покрытием и снижение общего времени производства.

Поставленная задача решается способом изготовления поршневых колец из стальной листовой полосы, включающим химико-термическую обработку плоской заготовки по толщине со стороны формообразующей поверхности. При этом перед химико-термической обработкой проводят окисление плоской заготовки при температуре 300-400°С с последующей очисткой формообразующей поверхности. Химико-термическую обработку и формообразование осуществляют путем электролиза в ионных расплавах металлов с помощью гальванического процесса при температуре 700-1000°С, с последующим шлифованием полученного рабочего слоя. В качестве ионного расплава используют эвтектическую смесь хлоридов лития и калия. Расплавленный алюминий в качестве легирующего элемента содержит до 3% хрома. Очистку формообразующей поверхности проводят с помощью механической обработки.

При этом в результате совмещения операций химико-термической обработки (нанесение покрытий) и формообразования происходит сокращение общей длительности процесса и формирование кольца. Одновременно образовавшиеся в результате диффузионного насыщения остаточные сжимающие напряжения обеспечивают самокомпенсацию износа, заключающуюся в том, что в процессе износа диффузионного слоя уменьшаются сжимающие напряжения, что приводит к раскрытию кольца и самокомпенсации износа.

На фиг.1 приведена схема плоской заготовки с обработанной (зачищенной) поверхностью перед диффузионным насыщением легирующим элементом.

На фиг.2 приведена схема устройства для изготовления поршневых колец методом направленной диффузии в ионных расплавах с закрепленной плоской заготовкой.

На фиг.3 приведена схема поршневого кольца с защитным покрытием.

Пример 1.

Установка состоит из стального сосуда 1, покрытого внутри диффузионным слоем 2 вольфрама или молибдена, стальной крышки 3, ионного расплава 4, расплавленного алюминия 5 с растворенным легирующим элементом, электрода (катода) 6, устройства для перемещения электрода 7.

Заготовка представляет собой стальную прямоугольную окисленную полосу 8 с зачищенными поверхностями 9 ( торцевой поверхности).

Поршневое кольцо 10 имеет защитное покрытие 11 и внутреннюю поверхность 12 до шлифования.

Способ осуществляется следующим образом: берем полосовую окисленную (в электрической печи при температуре 400°С в течение 30 минут) металлическую заготовку из стали 40 и торцевых поверхностей очищаем от окислов (механической обработкой) (см. фиг.1). После этого заготовку устанавливаем на электроде 6, соединенном с устройством для перемещения электрода 7, которое смонтировано на стальной крышке 3 и электрически изолировано от нее. Закрываем гальваническую ванну, опуская при этом заготовку 8 и электрод 6 в ионный расплав криолита (криолит широко применяется в металлургии алюминия. Большую часть криолита, используемого в промышленности, получают синтетически при взаимодействии сульфатов Аl и NaF), откачиваем воздух, заполняем ванну аргоном и поднимаем температуру до 700°С (нагреватели электропечи на схеме не показаны). При этом электрод 6 с заготовкой 8 служат катодом, а гальваническая ванна 1 и расплавленный алюминий 5 служат анодом. При этом полосовая заготовка при плотности тока 500 А/м² в течение 5-15 минут постепенно изгибается, превращаясь в поршневое кольцо (см. фиг.3).

Прямоугольная заготовка изогнулась оттого, что осажденный алюминий, интенсивно внедряясь в металл по очищенной поверхности, вступает в химическую реакцию с железом и образует интерметаллическое соединение, в то время как защитная пленка окислов защищает сталь от взаимодействия с алюминием. При взаимодействии Fe с Аl образуется интерметаллическое соединение типа FeAl₂, FeAl₃ и Fe₂ Al₅. Так как образовавшееся интерметаллическое соединение имеет больший удельный объем, чем сталь, то это приводит к возникновению в приповерхностном слое сжимающих напряжений, которые приводят к сворачиванию металлической заготовки в поршневое кольцо 10 с защитным покрытием 11 и внутренней поверхности 12 с последующим шлифованием поршневого кольца.

Пример 2.

Способ по примеру 1, отличающийся тем, что в качестве ионного расплава используется эвтектическая смесь хлоридов лития и калия, а в расплавленном алюминии в качестве легирующего элемента растворяется до 3% хрома. В результате на поверхности кольца образуется интерметаллид сложного состава, значительно повышающего износостойкость. Кроме того, поверхность поршневого кольца получается чистой. Окисление заготовки проводят при температуре 350°С, а химико-термическую обработку осуществляют при температуре 850°С.

Пример 3.

Способ по примеру 2, отличающийся тем, что в расплавленном алюминии в качестве легирующего элемента растворяется до 15% кремния для получения заданных свойств поршневого кольца. Окисление заготовки проводят при температуре 300°С, а химико-термическую обработку осуществляют при температуре 1000°С.

Приведенные примеры доказывают возможность использования методов химико-термической обработки, в частности электролиза в ионных расплавах металлов, для изготовления поршневых колец. Использование предлагаемого способа производства поршневых колец обеспечивает по сравнению с известными способами: снижение общего времени, затрачиваемого на их изготовление за счет совмещения формообразующей и упрочняющей обработок; кольца будут покрыты защитным диффузионным слоем, повышающим износостойкость поршневого кольца, и, кроме того, поршневые кольца, изготавливаемые по предлагаемой технологи, обладают свойством самокомпенсации износа. Смысл этого свойства заключается в том, что сжимающие напряжения, возникающие в поверхностном слое при диффузии алюминия, постепенно уменьшаются по мере износа поверхности кольца. В результате поршневое кольцо постепенно раскрывается, компенсируя износ.