PL198941B1 - Element stopowany powierzchniowo w kształcie cylindra, części cylindra lub pustego cylindra - Google Patents

Abstract

Element stopowany powierzchniowo w kszta lcie cylindra, cz esci cylindra lub pustego cylindra sk lada si e z osnowy w postaci odlewniczego stopu aluminium oraz si egaj acej a z do powierzchni ele- mentu strefy wydzieleniowej z podstawowego stopu aluminium z wydzieleniami faz twardych, przy czym pomi edzy osnow a i stref a wydzieleniow a le zy przesycona pierwotnymi fazami twardymi, strefa eutektyczna (poni zej: strefa przej sciowa), za s wzrost twardo sci od osnowy do powierzchni elementu jest stopniowy. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest element stopowany powierzchniowo w kształcie cylindra, części cylindra lub pustego cylindra, składający się z osnowy w postaci odlewniczego stopu aluminium oraz sięgającej aż do powierzchni elementu strefy wydzieleniowej z podstawowego stopu aluminium z wydzieleniami faz twardych.

Sposób nakładania powłok na wewnętrzne powierzchnie toczne ścianek cylindrów jest znany z niemieckiego opisu patentowego nr DE-OS 198 17 091. Zgodnie z zastrzeżeniem patentowym 1 tego opisu odporność na ścieranie wewnętrznych powierzchni tocznych tłoków w blokach silników z metali lekkich zwiększa się w ten sposób, że do ciągłego doprowadzania proszku krzemowego stosuje się sondę, w której wiązkę energii z wędrującą spiralnie po powierzchni plamką przemieszcza się względem zamocowanego na stałe bloku silnika z metalu lekkiego. Przy mocy wiązki laserowej wynoszącej około 2 kW i średnicy plamki około 0,5 do 2 mm na powierzchnię nanosi się około 10 g proszku na minutę i wprowadza się go w powierzchnię detalu. Przy głębokości wnikania około 1 mm w powierzchnię można wprowadzić od 20 do 50% substancji twardej.

Prowadzone były próby zmierzające do opracowania sposobu wytwarzania bloku cylindrowego z metalu lekkiego, w których wiązkę laserową o szerokości w kierunku poprzecznym do kierunku posuwu wynoszącej co najmniej 2 mm prowadzono nad zamocowaną na stałe powierzchnią osnowy z metalu lekkiego. Proszek nagrzewano przy tym do temperatury topnienia dopiero w punkcie padania wiązki laserowej na powierzchnię osnowy z metalu lekkiego, po czym ulegał on wdyfundowaniu. W strefie stopowania powstaje krzem pierwotny, przy czym za korzystną średnią grubość warstwy w osnowie stopowej uznawana jest grubość od 150 do 650 μ m. Moc wią zki laserowej wynosi korzystnie 3 do 4 kW, przy czym można również stosować liniowe systemy ogniskowe.

Struktura otrzymywana przy użyciu opisanego powyżej sposobu składa się z osnowy w postaci stopu metalu lekkiego z drobnodyspersyjną, zawierającą wydzielenia pierwotnego krzemu, warstwą powierzchniową, w której znajdują się okrągłe ziarna o średniej średnicy pomiędzy 1 i 10 μm. Poza fazą czystego aluminium warstwa powierzchniowa zawiera ponadto 10 do 14% eutektyki AlSi oraz 5 do 20% krzemu pierwotnego, przy czym minimalna twardość wynosi około 160 HV.

Do określonych zastosowań potrzebne są elementy odporne na szok termiczny. W znanych dotychczas sposobach wytwarzania można to osiągnąć jedynie przy użyciu bardzo skomplikowanych środków. Charakterystyczny dla tego typu elementów, nadających się do pracy pod dużym obciążeniem, jest powolny wzrost twardości, począwszy od osnowy aż po warstwę powierzchniową, przy czym całkowity wzrost twardości powinien sięgać powyżej 200% w odniesieniu do wyjściowej twardości stopu osnowy.

Celem wynalazku jest opracowanie optymalnego pod względem trybologicznym, nadającego się do obróbki cieplnej, cylindrycznego półwyrobu o nowych własnościach struktury i zmianach materiałowych w pobliżu powierzchni. Nowe własności struktury i zmiany materiałowe w pobliżu powierzchni powinny zwłaszcza umożliwiać zastosowanie odlewanego półwyrobu na elementy, w których występują obciążenia wywołane drganiami, jak na przykład powierzchnie toczne panewek łożyskowych w maszynach tłokowych, powierzchnie ścierane w częściach hamulców, powierzchnie ślizgowe i cierne wszelkiego typu.

Zadanie to rozwiązano według wynalazku za pomocą cech zawartych w zastrzeżeniach patentowych. W oparciu o strukturę według wynalazku, złożoną z osnowy, strefy wydzieleniowej i przesyconej pierwotnymi fazami twardymi, eutektycznej strefy przejściowej, można wytwarzać różne elementy o powierzchniach ścieranych, na przykład powierzchnie ślizgowe (łożyska wału korbowego), powierzchnie cierne (tarcze hamulcowe) oraz bloki silników i głowice cylindrów łącznie z umieszczonymi w nich pierścieniami gniazd zaworów, uzyskując bardo dobre własności tych elementów. Własności te charakteryzują się powolnym wzrostem twardości, począwszy od osnowy aż po warstwę powierzchniową. Własności te predestynują wykazujące je elementy do takich zastosowań, w których wymagana jest odporność na szok termiczny.

W jednej nakładanej warstwie można zastosować różne typy stopów. Proszek można nanosić na powierzchnię detalu jednostopniowo (jeden strumień proszku) lub wielostopniowo (kilka strumieni proszku) za pomocą specjalnie ukształtowanych dysz szczelinowych. Szerokość ogniska liniowego wynosi co najmniej 4 mm, korzystnie 5 do 15 mm.

Przy jednostopniowym podawaniu proszku na detal nadają się stopy AlSi i AlSiCu oraz AlSiCuNi i zawierające Mg stopy aluminium, przy czym w strumieniu proszku dodawany jest krzem. W przypadPL 198 941 B1 ku dwustopniowego doprowadzania proszku na odlewany półwyrób ze stopu aluminium-krzem można również oprócz krzemu nanosić proszek ołowiu.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony, w dwóch przykładach wykonania przy zastosowaniu krzemu jako proszku substancji twardej, na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia stopowany powierzchniowo element o trzech strefach, w przekroju poprzecznym, zaś fig. 2 - przebieg twardości wzdłuż osi rzędnych Y na fig. 1.

Na fig. 1 ukazany jest fragment wykonanego według wynalazku elementu z osnową aluminiową 1, strefą przejściową 2 i strefą wydzieleniową 3. W strefie wydzieleniowej 3 wiele drobnych cząstek substancji twardej powoduje wyjątkowo twardą powierzchnię o twardości HV > 250. Powierzchnia 4 elementu może przykładowo stanowić powierzchnię toczną dla tłoków, wałów lub części łożysk, którą doprowadza się do stanu używalności w drodze obróbki czysto mechanicznej.

W strefie przejś ciowej 2 wystę puje homogeniczna, przesycona struktura odlewu aluminiowokrzemowego, wykazująca jednorodne szare zabarwienie. Do tego miejsca sięga wpływ ciepła skierowanej na powierzchnię wiązki energetycznej, tworząc front topienia.

Przez osnowę 1 odprowadzane jest ciepło, wprowadzane w element podczas stopowania powierzchniowego. Bilans cieplny można regulować za pomocą prędkości posuwu, sterowania energią i ś rodków chłodzących.

Na fig. 2 przedstawiony jest przebieg twardości wykonanego według wynalazku elementu w obszarze jego powierzchni. Twardość w niniejszym przypadku rozpoczyna się wartością 100 HV w osnowie i rośnie stopniowo do wartości maksymalnej równej 240 HV. Taki przebieg twardości wiąże się z lepszą odpornością na szok termiczny.

Twardszy obszar fazy z krzemu pierwotnego jest unoszony sprężyście na bardziej elastycznym i mię kkim stopie osnowy.

Sposób wytwarzania stopowanego powierzchniowo elementu w kształcie cylindra, części cylindra lub pustego cylindra polega na tym, że na powierzchnię detalu kieruje się najpierw wiązkę energetyczną o liniowej powierzchni promienia (zwanej poniżej ogniskiem liniowym). Następuje przy tym stopienie powierzchni detalu, do której doprowadza się proszek twardej substancji lub proszek stopowy.

W strefie padania wią zki energetycznej powstaje lokalnie ograniczone jeziorko p ł ynnego metalu z frontem nagrzewania i topienia, strefą rozpuszczania wzglę dnie przetopu i frontem krzepnięcia.

Doprowadzony do powierzchni detalu proszek ulega stopieniu na froncie nagrzewania i jest zanurzany w jeziorku płynnego metalu. Próby pokazały, że przy długości fal od 780 do 940 nm wiązka energetyczna jest optymalnie wprowadzana w metaliczną osnowę, w związku z czym proszek ulega szybkiemu nagrzaniu i w kontakcie z upłynnioną osnową stopową wdyfundowuje do płynnego metalu.

W strefie rozpuszczania wystę puje konwekcja, co powoduje przyspieszenie procesu homogenizacji w strefie stopionej. Jest to możliwe dzięki wiązce energetycznej o mocy właściwej równej co najmniej 10⁵ W/cm². Na zdjęciach zgładów widać, że proszek twardej substancji względnie proszek stopowy zostaje równomiernie rozprowadzony w stopionym metalu jedynie wówczas, gdy ognisko liniowe wystarczająco długo oddziałuje na strefę rozpuszczania. Dokładne wartości można wyznaczyć doświadczalnie.

Rozprowadzony równomiernie proszek poddaje się następnie kierunkowemu krzepnięciu w strefie krzepnię cia przy szybkoś ci chł odzenia na froncie krzepnię cia od 200 do 600 K/s, przy czym prędkość posuwu wynosi pomiędzy 500 i 5000 mm/min. W korzystnym wariancie proszek podaje się na powierzchnię elementu w strumieniu gazu, w związku z czym dzięki energii kinetycznej określona ilość proszku może wnikać w strefę topienia.

Dalsze próby pokazały, że wiązka energetyczna jest korzystnie dzielona przed strefą padania na powierzchnię, przy czym pierwszy strumień częściowy jest kierowany do strefy nagrzewania i topienia, drugi zaś za frontem krzepnięcia do cieplnej obróbki struktury. Sposób ten pozwala sterować procesem kształtowania struktury.

Innego typu sterowanie strukturą jest możliwe wówczas, gdy na powierzchnię detalu kieruje się w sposób przerywany wiązkę energetyczną o mocy właściwej < 1 KW/mm². Okazało się przy tym, że czas oddziaływania wiązki energetycznej w stopionym metalu, niezbędny do rozpuszczenia i jednorodnego rozkładu faz substancji twardej lub faz międzymetalicznych wynosi od 0,02 do 1 s.

Wymienione wymagania spełnia laser diodowy o mocy > 3 KW, mający regulowaną szerokość ogniska liniowego. Pozwala on przed rozpoczęciem i na zakończenie procesu nakładania powłoki zredukować szerokość ogniska liniowego wiązki energetycznej w kierunku poprzecznym do kierunku posuwu. Analogicznie można również sterować ilością proszku, w związku z czym przy obróbce po4

PL 198 941 B1 wierzchniowej stwierdzono jedynie nieznaczne nadmiary doprowadzanej ilości proszku względnie dostarczanej energii.

Jeżeli detal ma postać pustego cylindra, wówczas powinien on korzystnie obracać się w położeniu poziomym wokół wiązki energetycznej, wskutek czego wiązka ta, stała w odniesieniu do kierunku obrotów, wykonuje podczas obrotu ciągły ruch posuwowy w kierunku osi obrotów celem wytworzenia powierzchniowej strefy stopowej.

Za pomocą wynalazku można wytwarzać stopowane powierzchniowo elementy w kształcie cylindra, części cylindra lub cylindra pustego. Składają się one z osnowy w postaci odlewniczego stopu aluminium oraz sięgającej aż do powierzchni elementu strefy wydzieleniowej z podstawowego stopu aluminium z wydzieleniami faz twardych. Pomiędzy osnową i strefą wydzieleniową leży przesycona pierwotnymi fazami twardymi, strefa eutektyczna (strefa przesycona), przy czym wzrost twardości od osnowy do powierzchni elementu jest stopniowy. Szczególnie korzystne własności można osiągnąć, gdy stop osnowy typu AlSiCu jest stopem podeutektycznym, zaś w przesyconej, eutektycznej strefie przejściowej występuje stop typu AlSi z drobnymi wydzieleniami pierwotnych faz krzemowych o wielkości poniżej 1 μm, natomiast w strefie wydzieleniowej znajdują się pierwotne fazy krzemowe o wielkości od 2 do 20 μm. Wówczas wzrost twardości w kierunku powierzchni elementu może osiągnąć co najmniej 200%.

Stosunek grubości warstw w elemencie według wynalazku pomiędzy strefą wydzieleniową i strefą przejściową wynosi powyżej 2 : 1, mierzony od powierzchni elementu w kierunku osnowy aluminiowej. Można przy tym osiągnąć wzrosty twardości pomiędzy osnową i powierzchnią elementu w przedziale od 1 : 1,5 : 2 do 1 : 2 : 3.

Claims (6)

1. Element stopowany powierzchniowo w kształcie cylindra, części cylindra lub pustego cylindra, składający się z osnowy w postaci odlewniczego stopu aluminium oraz sięgającej aż do powierzchni elementu strefy wydzieleniowej z podstawowego stopu aluminium z wydzieleniami faz twardych, znamienny tym, że pomiędzy osnową i strefą wydzieleniową leży przesycona pierwotnymi fazami twardymi, strefa eutektyczna (poniżej: strefa przejściowa), zaś wzrost twardości od osnowy do powierzchni elementu jest stopniowy.

2. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że przy wytwarzaniu aluminiowego bloku cylindrowego stop osnowy typu AlSiCu lub AlSiMg jest stopem podeutektycznym, zaś w przesyconej, eutektycznej strefie przejściowej występuje stop typu AlSi z drobnymi wydzieleniami pierwotnych faz krzemowych < 1 μm, natomiast w strefie wydzieleniowej znajdują się pierwotne fazy krzemowe o wielkości od 2 do 20 μm, przy czym wzrost twardości w kierunku powierzchni elementu wynosi co najmniej 200%.

3. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że przy wytwarzaniu części hamulców, mających powierzchnie ślizgowe i cierne, poza fazą czystego aluminium w warstwie powierzchniowej znajduje się ponadto 10 do 14% eutektyki AlSi oraz 5 do 20% krzemu pierwotnego.

4. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że przy wytwarzaniu elementów, w których występują obciążenia wywołane drganiami, na powierzchni osadzone są substancje twarde w postaci krzemu pierwotnego, których twardość wynosi od 160 do 240 HV.

5. Element według jednego z poprzednich zastrz., znamienny tym, że stosunek grubości warstw pomiędzy strefą wydzieleniową i strefą przejściową, mierzony od powierzchni elementu w kierunku osnowy aluminiowej, wynosi powyżej 2 : 1.

6. Element według jednego z poprzednich zastrz., znamienny tym, że wzrost twardości pomiędzy osnową i powierzchnią elementu jest stopniowy, przy czym stosunek wzrostu twardości w osnowie, w strefie przejściowej i w strefie wydzieleniowej wynosi od 1 : 1,5 : 2 do 1 : 2 : 3, zaś końcowa twardość na powierzchni elementu wynosi powyżej 200 HV.