PL192366B1

PL192366B1 - Sposób wytwarzania powłoki ochronnej na powierzchni części konstrukcyjnych maszyny wykonanych z żeliwa oraz maszyna, zwłaszcza maszyna tłokowa, z co najmniej jedną częścią konstrukcyjną wykonaną z żeliwa, która na swej powierzchni ma powłokę ochronną wykonaną tym sposobem

Info

Publication number: PL192366B1
Application number: PL350447A
Authority: PL
Inventors: Lech Moczulski; Erling Bredal Andersen
Original assignee: Man B & W Diesel As
Priority date: 1999-01-13
Filing date: 2000-01-07
Publication date: 2006-10-31
Also published as: DE19900942C2; PL350447A1; DE50000216D1; KR20010093259A; CN1336969A; NO332017B1; DE19900942A1; RU2235805C2; EP1151148B1; ATE219167T1; NO20013427D0; WO2000042238A1; EP1151148A1; ES2178630T3; CN1153846C; JP3877528B2; NO20013427L; KR100537764B1; AU2435400A; JP2002535484A

Abstract

1. Sposób wytwarzania powloki ochronnej na powierzchni czesci konstrukcyjnych maszyny wyko- nanych z zeliwa jako materialu podstawowego, przy czym powloka ochronna jest z brazu aluminiowego ze stosunkowo miekka warstwa wierzchnia i usytu- owana pod nia znacznie twardsza i odporniejsza na scieranie warstwa nosna, znamienny tym, ze braz aluminiowy napawa sie bezposrednio na podstawo- wy material (6) z zeliwa, przy czym tworzy sie war- stwe (7) z brazu aluminiowego, która zawiera dwie warstwy w postaci stosunkowo miekkiej warstwy wierzchniej (9) oddalonej od zeliwa oraz bliskiej zeliwa warstwy nosnej (8). 17. Maszyna, zwlaszcza maszyna tlokowa, z co najmniej jedna czescia konstrukcyjna wykonana z zeliwa, korzystnie z zeliwa zawierajacego grafit platkowy, wermikularny lub kulkowy, na której po- wierzchni usytuowana jest powloka ochronna z brazu aluminiowego ze stosunkowo miekka warstwa sciera- na w trakcie docierania i usytuowana pod nia znacznie twardsza i odporniejsza na scieranie warstwa nosna, znamienna tym, ze powloka ochronna z brazu alu- miniowego posiada warstwe (7), która zawiera dwie strefy w postaci warstwy wierzchniej (9) docierania.... PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania powłoki ochronnej na powierzchni części konstrukcyjnych maszyny wykonanych z żeliwa oraz maszyny, zwłaszcza maszyny tłokowej, zco najmniej jedną częścią konstrukcyjną wykonaną z żeliwa, która na swej powierzchni ma powłokę ochronną wykonaną tym sposobem. W szczególności wynalazek dotyczy wytwarzania powłoki ochronnej z brązu aluminiowego ze stosunkowo miękką warstwą wierzchnią i usytuowaną pod nią znacznie twardszą i odporniejszą na ścieranie warstwą nośną na powierzchni części konstrukcyjnej wykonanej z żeliwa jako materiału podstawowego oraz maszyny, w której zastosowano ten sposób.

Z opisu patentowego WO A 98/25 017 znany jest sposób wytwarzania powłoki ochronnej z brązu aluminiowego na powierzchni części konstrukcyjnej wykonanej ze stali, staliwa lub żeliwa. Powłoka ochronna jest przy tym napylana termicznie w postaci wielu nałożonych na siebie warstw, przy czym kompletną warstwę tworzy warstwa wierzchnia, a co najmniej jedna dalsza kompletna warstwa tworzy warstwę nośną.

Inaczej mówiąc warstwa nośna i warstwa wierzchnia są kolejno napylane i są usytuowane w dwóch różnych kolejno napylanych warstwach. W celu uzyskania dobrej jakości warstwy nośnej lub warstwy wierzchniej stosuje się specjalne środki, na przykład różne rodzaje napylania. Jest to stosunkowo drogie.

Dlatego zadaniem niniejszego wynalazku jest opracowanie takiego sposobu wytwarzania powłoki ochronnej na powierzchni wykonanej z żeliwa, który umożliwia łatwe wytwarzanie stosunkowo miękkiej warstwy wierzchniej i stosunkowo twardej warstwy nośnej.

Zadanie to zostało według wynalazku rozwiązane za pomocą sposobu wytwarzania powłoki ochronnej na powierzchni części konstrukcyjnych maszyny wykonanych z żeliwa jako materiału podstawowego, przy czym powłoka ochronna jest z brązu aluminiowego ze stosunkowo miękką warstwą wierzchnią i usytuowaną pod nią znacznie twardszą i odporniejszą na ścieranie warstwą nośną charakteryzującego się tym, że albo brąz aluminiowy napawa się bezpośrednio na podstawowy materiał z żeliwa, przy czym tworzy się warstwę z brązu aluminiowego, która zawiera dwie warstwy w postaci stosunkowo miękkiej warstwy wierzchniej oddalonej od żeliwa oraz bliskiej żeliwa warstwy nośnej, albo brąz aluminiowy napawa się bezpośrednio na przyporządkowane podłoże, przy czym na pierwszą warstwę z brązu aluminiowego, natopioną na materiał podstawowy z żeliwa, napawa się bezpośrednio ją przykrywającą, co najmniej jedną dalszą warstwę z brązu aluminiowego, a każda z tych warstw zawiera w sobie dwie warstwy w postaci stosunkowo miękkiej warstwy wierzchniej oddalonej od żeliwa oraz bliskiej żeliwa warstwy nośnej.

Korzystnie, materiał podstawowy przed napawaniem warstwy podgrzewa się, korzystniej podgrzewa się go do temperatury do około 400°C.

Korzystnie, brąz aluminiowy, stosowany w celu utworzenia co najmniej jednej warstwy powłoki ochronnej, zawiera 8-25% Al, co najmniej jeden ze składników Sb, Co, Be, Cr, Sn, Mn. Si, Cci, Zn, Fe, Ni, Pb, C i Fe, każdy w ilości 0,2-10%, a resztę stanowi Cu.

Stosowany do utworzenia co najmniej jednej warstwy powłoki ochronnej brąz aluminiowy, w celu utworzenia stosunkowo miękkiej warstwy wierzchniej, korzystniej zawiera 8-11% Al, 4-6% Ni, 3-5% Fe, 1-2% Mn, a resztę stanowi Cu.

Stosowany do utworzenia co najmniej jednej warstwy powłoki ochronnej brąz aluminiowy, w celu utworzenia stosunkowo twardej warstwy wierzchniej, korzystniej zawiera, 13-16% Al, 4-5% Fe, 0,2-0,8% Si, 1-2% Mn, mniej niż 0,2% C, a resztę stanowi Cu.

Warstwa nałożona w celu utworzenia dwuwarstwowej powłoki ochronnej ma korzystnie grubość 2-3 mm, a korzystniej 2,5 mm.

Materiał podstawowy, na który nałożona jest co najmniej jedna, tworząca dwuwarstwową powłokę ochronną warstwa z brązu aluminiowego, złożony jest korzystnie z żeliwa zawierającego grafit.

Maszyna, zwłaszcza maszyna tłokowa, z co najmniej jedną częścią konstrukcyjną wykonaną z żeliwa, korzystnie z żeliwa zawierającego grafit płatkowy, wermikularny lub kulkowy, na której powierzchni usytuowana jest powłoka ochronna z brązu aluminiowego ze stosunkowo miękką warstwą ścieraną w trakcie docierania i usytuowaną pod nią znacznie twardszą i odporniejszą na ścieranie warstwą nośną, charakteryzuje się tym, że powłoka ochronna z brązu aluminiowego posiada warstwę, która zawiera dwie strefy w postaci warstwy wierzchniej docierania i warstwy nośnej, przy czym twardość i barwa strefy tworzącej warstwę wierzchnią docierania odpowiadają normalnej twardości i barPL 192 366 B1 wie stosowanego brązu aluminiowego, a usytuowana pod spodem strefa tworząca warstwę nośną ma twardość czterokrotnie większą niż zewnętrzna warstwa wierzchnia.

Podczas pracy nad wynalazkiem okazało się, że brąz aluminiowy napawany bezpośrednio na żeliwo jest nieoczekiwanie w obszarze sąsiadującym z żeliwem znacznie twardszy niż w zewnętrznym obszarze oddalonym od żeliwa. Tworzy się zatem automatycznie, blisko materiału podstawowego, stosunkowo twarda warstwa nośna i oddalona od materiału podstawowego, stosunkowo miękka warstwa wierzchnia, która może służyć jako warstwa docierania, która w trakcie docierania sama znika, tak że może potem pracować już warstwa nośna. Przy badaniu w obszarze zewnętrznej warstwy wierzchniej stwierdzono oczekiwaną twardość i barwę brązu aluminiowego. W usytuowanej pod spodem warstwie nośnej bliskiej żeliwa można było jednak stwierdzić twardość czterokrotnie większą niż w warstwie zewnętrznej. Dzięki temu, że za pomocą jednego nałożenia można wytworzyć równocześnie warstwę wierzchnią i warstwę nośną, uzyskuje się znaczną oszczędność.

Okazało się również, że kiedy napawa się dwie warstwy z brązu aluminiowego, przy czym pierwszą warstwę napawa się bezpośrednio na żeliwo stanowiące materiał podstawowy, a drugą warstwę napawa się bezpośrednio na pierwszą warstwę, otrzymuje się w każdej warstwie dwie warstwy w postaci stosunkowo miękkiej warstwy oddalonej od żeliwa oraz twardszej warstwy zbliżonej do żeliwa, przy czym poziom twardości warstw warstwy zewnętrznej jest większy niż poziom twardości odpowiednich warstw warstwy usytuowanej poniżej. Rozwiązanie takie jest zatem korzystne zwłaszcza wtedy, gdy potrzebny jest szczególnie wysoki poziom twardości.

Jak wspomniano wyżej szczególnie korzystne jest, kiedy materiał podstawowy przed napawaniem warstwy tworzącej dwuwarstwową powłokę ochronną podgrzewa się. Dzięki temu można zwiększyć grubość twardej warstwy nośnej.

Stosowany brąz aluminiowy pod względem swego składu można dostosować do potrzeb zastosowania. Jak było podane wyżej jeżeli ma być osiągnięta bardzo miękka warstwa wierzchnia, szczególnie korzystnym jest brąz aluminiowy o zawartości 8-11% Al, 4-6% Ni, 3% Fe, 1-2% Mn, a resztę stanowi Cu. Jeżeli ma być uzyskana twardsza warstwa wierzchnia, można korzystnie zastosować brąz aluminiowy o zawartości 13-16% Al, 4-5% Fe, 0,20,8% Si, 1-2% Mn, najwyżej 0,2% C, a resztę stanowi Cu.

W przypadku maszyn z co najmniej jedną częścią konstrukcyjną wykonaną z żeliwa, która na swej powierzchni ma powłokę ochronną ze stosunkowo miękką warstwą docierania, ścieraną w trakcie docierania i z usytuowaną pod nią znacznie twardszą i odporniejszą na ścieranie warstwą nośną, przez zastosowanie sposobu według wynalazku uzyskuje się długą żywotność.

Przedmiotowy wynalazek może być stosowany wszędzie tam, gdzie część konstrukcyjna wykonana z żeliwa, zwłaszcza z żeliwa szarego z grafitem płatkowym, wermikularnym i/lub kulkowym potrzebuje na powierzchni powłoki ochronnej, która ma zewnętrzną, stosunkowo miękką warstwę przykrywającą i usytuowaną pod spodem, znacznie twardszą warstwę nośną. Jest tak na przykład przy różnych częściach silników, takich jak tłoki, pierścienie tłokowe, rowki na pierścienie tłokowe, płaszcze tłokowe, powierzchnie bieżne cylindrów itd., ponieważ części te wymagają zewnętrznej, miękkiej warstwy docierania, która znika podczas docierania oraz wewnętrznej, twardszej warstwy nośnej, która zaczyna pracować przy końcu docierania i powinna mieć długą żywotność.

Wynalazek przedstawiono w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia częściowy widok cylindra dwusuwowego dużego silnika wysokoprężnego w przekroju, a fig. 2 przedstawia powiększenie wycinka konstrukcji z fig. 1 posiadającego powłokę ochronną.

Przedstawiony na fig. 1 cylinder dużego dwusuwowego silnika wysokoprężnego zawiera tuleję cylindra wyposażoną w szczeliny docierania (nie pokazane), na którą nasadzona jest nie przedstawiona bliżej głowica cylindra wyposażona w układ wydechowy. Wewnętrzna strona tulei 1 cylindra jest wykonana jako powierzchnia bieżna, z którą współpracuje tłok 4 wyposażony w tłokowe pierścienie 3 umieszczone w przyporządkowanych rowkach 2. Tuleja 1 cylindra, tłok 4 i pierścienie tłokowe 3 są wykonane z żeliwa, z reguły z żeliwa szarego, które zawiera grafit płatkowy, wermikularny lub kulkowy. W obszarze powierzchni bieżnej tulei 1 cylindra, powierzchni obwodowej tłokowych pierścieni 3 i boków rowków w przedstawionym przykładzie pokazana jest powłoka ochronna 5, która ma lepsze właściwości nośne niż materiał podstawowy z żeliwa, a więc zwiększa żywotność.

Tego rodzaju powłoka ochronna 5 może być oczywiście również zastosowana do innych części konstrukcyjnych, narażonych na podobne warunki obciążenia, na przykład w przypadku dużego dwusuwowego silnika wysokoprężnego do łożysk wodzikowych i prowadnic wodzikowych.

PL 192 366 B1

Powłoka ochronna 5, jak to najlepiej widać na fig. 2, utworzona jest przez napawaną na podstawowym materiale 6 warstwę 7 z odpowiedniego brązu aluminiowego. Jak to się niespodziewanie okazało, powstają przy tym dwie warstwy - warstwa nośna 8 i warstwa wierzchnia 9 zaznaczone na fig. 2 przerywaną linią podziału. Zewnętrzna, oddalona od materiału podstawowego warstwa wierzchnia 9 ma barwę i twardość oczekiwane od stosowanego brązu aluminiowego. Ta zewnętrzna, warstwa wierzchnia 9 jest zatem stosunkowo miękka i dlatego nadaje się jako warstwa docierania, która sama znika w trakcie docierania. Usytuowana pod spodem, bliżej materiału podstawowego warstwa nośna 8 ma natomiast znacznie większą twardość i dlatego może funkcjonować jako odporna na ścieranie warstwa nośna, która zaczyna pracować, gdy zniknie wierzchnia warstwa docierania.

Przy badaniach z brązem aluminiowym, który ma zwykle twardość 200 HV, w warstwie zewnętrznej stwierdzono oczekiwaną twardość 200 HV, a w warstwie wewnętrznej 4-krotnie większą twardość 800 HV. Grubość warstwy 7 zawierającej obie te warstwy nośną 8 i wierzchnią 9 wynosiła około 2,5 mm, przy czym dla wewnętrznej warstwy nośnej 8 otrzymano grubość około 1,5 mm, a dla zewnętrznej, warstwy wierzchniej 9 otrzymano grubość około 1 mm. Przez podgrzanie materiału podstawowego 6 do około 400°C można zwiększyć szerokość warstwy nośnej 8.

Jak wspomniano wyżej jako materiał na warstwę 7 można stosować brąz aluminiowy, który zawiera 8-25% Al, co najmniej jeden ze składników Sb, Co, Be, Cr, Sn, Mn, Si, Cd, Zn, Fe, Ni, Pb, C i Fe, każdy w ilości 0,2-10%, a resztę stanowi Cu. Jeżeli chcemy uzyskać stosunkowo miękką warstwę wierzchnią 9, można stosować brąz aluminiowy, który zawiera 8-11% Al, 4-6% Ni, 3-5% Fe, 1-2% Mn i resztę stanowi Cu. Przy zastosowaniu takiego brązu aluminiowego w obszarze zewnętrznej warstwy wierzchniej 9 uzyskuje się twardość około 200 HV. Wspomniany wyżej przykład jest oparty na takim brązie aluminiowym. W wielu przypadkach zewnętrzna warstwa wierzchnia 9 powinna mieć nieco większą twardość. Korzystny okazuje się tu brąz aluminiowy o zawartości 13-16% Al, 4-5% Fe, 0,2-0,8% Si, 1-2% Mn, najwyżej 0,2% Ce, przy czym resztę stanowi Cu. Przy zastosowaniu takiego brązu aluminiowego można było uzyskać twardość warstwy wierzchniej 9 około 350 HV. Twardość wewnętrznej warstwy nośnej 8 była w każdym przypadku znacznie większa niż twardość zewnętrznej warstwy wierzchniej 9. Można było tu uzyskać twardość do około 900 HV.

Warstwa 7 wykonana z brązu aluminiowego może być, jak już wspomniano powyżej, napawana na podstawowy materiał 6. Można przy tym stosować napawanie łukiem elektrycznym lub płomieniem, albo wiązką laserową.

Dalsze próby wykazały, że można umieszczać również jedna na drugiej więcej warstw, korzystnie dwie warstwy, przy czym poziom twardości tych warstw rośnie z odległością od podstawowego materiału 6, to znaczy poziom twardości warstwy zewnętrznej jest większy niż poziom twardości warstwy usytuowanej pod nią. Przykładowo przy próbach z dwiema warstwami z takiego samego brązu aluminiowego o zawartości 13-16% Al, 4-6% Fe, 0,2-0,8% Si, 1-2% Mn, mniej niż 0,2% C, przy czym resztę stanowi Cu, w obszarze górnej powierzchni pierwszej warstwy stwierdzono twardość do około 400 HV, a w obszarze zewnętrznej powierzchni drugiej warstwy stwierdzono twardość do około 600 HV.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania powłoki ochronnej na powierzchni części konstrukcyjnych maszyny wykonanych z żeliwa jako materiału podstawowego, przy czym powłoka ochronna jest z brązu aluminiowego ze stosunkowo miękką warstwą wierzchnią i usytuowaną pod nią znacznie twardszą i odporniejszą na ścieranie warstwą nośną, znamienny tym, że brąz aluminiowy napawa się bezpośrednio na podstawowy materiał (6) z żeliwa, przy czym tworzy się warstwę (7) z brązu aluminiowego, która zawiera dwie warstwy w postaci stosunkowo miękkiej warstwy wierzchniej (9) oddalonej od żeliwa oraz bliskiej żeliwa warstwy nośnej (8).
2. Sposób wytwarzania powłoki ochronnej na powierzchni części konstrukcyjnych maszyny wykonanych z żeliwa jako materiału podstawowego, przy czym powłoka ochronna jest z brązu aluminiowego ze stosunkowo miękką warstwą wierzchnią i usytuowaną pod nią znacznie twardszą i odporniejszą na ścieranie warstwą nośną, znamienny tym, że brąz aluminiowy napawa się bezpośrednio na przyporządkowane podłoże, przy czym na pierwszą warstwę (7) z brązu aluminiowego, natopioną na materiał podstawowy z żeliwa, napawa się bezpośrednio ją przykrywającą co najmniej jedną dalszą warstwę (7) z brązu aluminiowego, a każda z tych warstw (7) zawiera w sobie

PL 192 366 B1 dwie warstwy w postaci stosunkowo miękkiej warstwy wierzchniej (9) oddalonej od żeliwa oraz bliskiej żeliwa warstwy nośnej (8).
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał podstawowy (3) przed napawaniem warstwy (7) podgrzewa się.
4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że materiał podstawowy (3) przed napawaniem warstwy (7) podgrzewa się.
5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że materiał podstawowy (6) podgrzewa się do temperatury do około 400°C.
6. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że materiał podstawowy (6) podgrzewa się do temperatury do około 400°C.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że brąz aluminiowy, stosowany w celu utworzenia warstwy (7), zawiera 8-25% Al, co najmniej jeden ze składników Sb, Co, Be, Cr, Sn, Mn, Si, Cci, Zn, Fe, Ni, Pb, C i Fe, każdy w ilości 0,2-10%, a resztę stanowi Cu.
8. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że brąz aluminiowy stosowany w celu utworzenia co najmniej jednej warstwy (7) zawiera 8-25% Al, co najmniej jeden ze składników Sb, Co, Be, Cr, Sn, Mn, Si, Ccl, Zn, Fe, Ni, Pb, C i Fe, każdy w ilości 0,2-10%, a resztę stanowi Cu.
9. Sposób według zastrz. 1 albo 7, znamienny tym, że stosowany do utworzenia warstwy (7) brąz aluminiowy zawiera, w celu uzyskania stosunkowo miękkiej warstwy wierzchniej (9), 8-11% Al, 4-6% Ni, 3-5% Fe, 1-2% Mn, a resztę stanowi Cu.
10. Sposób według zastrz. 2 albo 8, znamienny tym, że stosowany do utworzenia co najmniej jednej warstwy (7) brąz aluminiowy zawiera, w celu uzyskania stosunkowo miękkiej warstwy wierzchniej (9), 8-11% Al, 4-6% Ni, 3 -5% Fe, 1-2% Mn, a resztę stanowi Cu.
11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosowany do utworzenia warstwy (7) brąz aluminiowy zawiera, w celu uzyskania stosunkowo twardej warstwy wierzchniej (9), 13-16% Al, 4-5% Fe, 0,2-0,8% Si, 1-2% Mn, mniej niż 0,2% C, a resztę stanowi Cu.
12. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stosowany do utworzenia co najmniej jednej warstwy (7) brąz aluminiowy zawiera, w celu uzyskania stosunkowo twardej warstwy wierzchniej (9), 13-16% Al, 4-5% Fe, 0,2-0,8% Si, 1-2% Mn, mniej niż 0,2% C, a resztę stanowi Cu.
13. Sposób według zastrz. 1 albo 3, albo 5, znamienny tym, że warstwa (7) nałożona w celu utworzenia dwuwarstwowej powłoki ochronnej ma grubość 2-3 mm, korzystnie 2,5 mm.
14. Sposób według zastrz. 2 albo 4, albo 6, znamienny tym, że warstwa (7) nałożona w celu utworzenia dwuwarstwowej powłoki ochronnej ma grubość 2-3 mm, korzystnie 2,5 mm.
15. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał podstawowy (6), na który nałożona jest tworząca dwuwarstwową powłokę ochronną warstwa (7) z brązu aluminiowego, złożony jest z żeliwa zawierającego grafit.
16. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że materiał podstawowy (6), na który nałożona jest co najmniej jedna tworząca dwuwarstwową powłokę ochronną warstwa (7) z brązu aluminiowego, złożony jest z żeliwa zawierającego grafit.
17. Maszyna, zwłaszcza maszyna tłokowa, z co najmniej jedną częścią konstrukcyjną wykonaną z żeliwa, korzystnie z żeliwa zawierającego grafit płatkowy, wermikularny lub kulkowy, na której powierzchni usytuowana jest powłoka ochronna z brązu aluminiowego ze stosunkowo miękką warstwą ścieraną w trakcie docierania i usytuowaną pod nią znacznie twardszą i odporniejszą na ścieranie warstwą nośną, znamienna tym, że powłoka ochronna z brązu aluminiowego posiada warstwę (7), która zawiera dwie strefy w postaci warstwy wierzchniej (9) docierania i warstwy nośnej (8), przy czym twardość i barwa strefy tworzącej warstwę wierzchnią (9) docierania odpowiadają normalnej twardości i barwie stosowanego brązu aluminiowego, a usytuowana pod spodem strefa tworząca warstwę nośną (8) ma twardość czterokrotnie większą niż zewnętrzna warstwa wierzchnia (9).