Спосіб виготовлення поршневих композиційних кілець

Реферат: Cпосіб виготовлення поршневого композиційного кільця включає намотування армуючої карбонізованої вуглецевої тканини на графітовий стержень, просочення її піролітичним вуглецем шляхом газофазного осадження з вуглецевмісного газу при температурі 920-1250 °C. Піролітичний вуглець сполучної матриці гомогенізують і частково графітизують шляхом відпалювання при температурі 1800-2000 °C. UA 84150 U (54) СПОСІБ ВИГОТОВЛЕННЯ ПОРШНЕВИХ КОМПОЗИЦІЙНИХ КІЛЕЦЬ UA 84150 U UA 84150 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі машинобудування, зокрема до способу одержання поршневих композиційних кілець для двигунів внутрішнього згоряння і компресорів. Відомі поршневі композиційні кільця, що складаються із армуючого рубаного вуглецевого волокна і сполучної матриці на основі епоксидіанових олігомерів [Рубин М.Б., Подшипники в судовой технике / Рубин М.Б., Бахарева В.Е. - Ленинград: Судостроение, 1987]. Основні недоліки таких поршневих композиційних кілець полягають у низькій теплостійкості (не вище 2 120 °C), ударній в'язкості (до 3-4 кДж/м ) та теплопровідності (до 11 Вт/м°С). Тому вони можуть бути використані лише для компресорів з обмеженим рівнем тиску стисненого повітря, при виключенні ударних навантажень і вібрацій, а також непридатні для використання в двигунах внутрішнього згоряння. За найближчий аналог поршневого композиційного кільця, що заявляється, вибрано поршневе композиційне кільце, що складається з вуглецевої карбонізованої вуглецевої тканини і сполучної матриці з піролітичного вуглецю, який одержаний способом, що включає намотування вуглецевої карбонізованої вуглецевої тканини на графітовий стержень, просоченням її піролітичним вуглецем шляхом газофазного осадження з вуглецевмісного газу при температурі 920-1250 °C за авторським свідоцтвом СРСР, № 1675370 А1, МПК С22С 1/09, В23Р 15/06, бюл. №33 від 1991 року. Відоме поршневе композиційне кільце відрізняється від металевих поршневих кілець, які широко використовуються (переважно із чавуну) низьким коефіцієнтом тертя завдяки вуглецевому складу і можливістю орієнтування ниток вуглецевої армуючої тканини під певним кутом до поверхні тертя для досягнення максимально низького коефіцієнта тертя. При просоченні піролітичним вуглецем у реакційній камері вуглецевмісний газ (наприклад метан, природний газ, бутан, ацетилен або суміш газів) дифундує через нагріту пористу вуглецеву тканину заготовки, розкладає під дією високої температури 920-1250 °C з вивільненням вуглецю і осадженням його на поверхні волокон вуглецевої тканини у вигляді кристалічного піролітичного вуглецю і заповнення простору між волокнами. Високі термостійкість і міцність поршневому композиційному кільцю забезпечують армуючі карбонізовані вуглецеві волокна і сполучна піровуглецева матриця, термостійкість яких зберігається на повітрі до 400 °C без зміни міцності і низьких втрат на тертя (для порівняння коефіцієнт тертя ковзання чавун по чавуну 0,15-0,2, коефіцієнт тертя матеріалу поршневого композиційного кільця по чавуну 0,09-0,1 залежно від орієнтації вуглецевих волокон до поверхні тертя). Хоча поршневе композиційне кільце в робочому режимі більш нагріте, ніж циліндр, завдяки низькому коефіцієнту теплового розширення матеріалу кільця і його високої теплопровідності (дещо вище, ніж у чавуну) знімається необхідність обробляти його на більш менший діаметр, ніж діаметр циліндра. Це сприяє підвищенню газо- та маслоущільнення, зниження витрати мастильних матеріалів. Низька щільність матеріалу поршневого композиційного кільця (у чотири рази менше щільності чавуну) сприяє зниженню і зм'якшенню вібрацій на форсованих режимах роботи двигуна, що попереджає його поломку. Основний недолік відомого поршневого композиційного кільця полягає в наступному. Структура композиційного матеріалу з піровуглецевою матрицею в процесі ущільнення з газової фази неоднорідна в силу того, що міжшарова відстань піровуглецевої матриці в декілька разів перевершує розміри кристалів піровуглецю і у міру заповнення простору між вуглецевими волокнами піровуглецем швидкість дифузії вуглевмісного газу знижується, що приводить до утворення різних по розміру і формі окремих пор між шарами вуглецевої тканини. Розподіл таких пор в об'ємі заготовки є нерівномірним, що приводить до неоднорідності щільності і функціональних властивостей. Зокрема через цей недолік спостерігається зміна у значенні коефіцієнта тертя по поверхні готового поршневого кільця і ступені зношеності в процесі роботи. У місцях скупчення пор можуть виникати внутрішні напруження, що знижують міцність поршневого композиційного кільця. В основу корисної моделі поставлена задача створення такого поршневого композиційного кільця, у якому новий склад сполучної матриці і спосіб його одержання, що включає високотемпературне випалювання, дозволили б знизити неоднорідність структури сполучної матриці з піролітичного вуглецю, підвищити антифрикційні властивості і за рахунок цього підвищити ефективність роботи поршневого композиційного кільця, а також його зносостійкість. Поставлена задача вирішується тим, що поршневе композиційне кільце, яке складається з армуючої карбонізованої вуглецевої тканини і сполучної матриці з піролітичного вуглецю, структура якого гомогенна і додатково містить графітоподібну фазу, одержаний способом, який включає намотування армуючої карбонізованої вуглецевої тканини на графітовий стержень, просочення її піролітичним вуглецем шляхом газофазного осадження з вуглеводневого газу при температурі 920…1250 °C, гомогенізацію і часткову графітизацію піролітичним вуглецем матриці шляхом відпалювання при температурі 1800…2000 °C. 1 UA 84150 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Наявність у поршневому композиційному кільці сполучної матриці з піролітичним вуглецем з гомогенною структурою і вмістом графітоподібної фази, що одержують заявленим способом у взаємозв'язку з іншими елементами невідомо, і в поршневих композиційних кільцях проявляють нові властивості, які приводять до підвищення ефективності роботи кільця і його зносостійкості. У процесі високотемпературного та гомогенізованого відпалювання в піровуглецевій сполучній матриці за рахунок процесів дифузії відбувається подолання енергетичних бар'єрів із взаємною переорієнтацією піровуглецевих з'єднань, зниження концентраційних мікронеоднорідностей, що утворюються при осадженні і кристалізації піровуглецю. Зростає ступінь ущільнення піровуглецевої сполучної матриці за рахунок заповнення пор (усунення дефектів структури) і переходу від анізотропної структури до ізотропної, що знижує внутрішні напруження в структурі. Одночасно відбувається графітизація піровуглецевої матриці у вигляді росту графітоподібних тривимірно впорядкованих вуглецевих кристалітів, що значно підвищують антифрикційні властивості піролітичного вуглецю. У результаті поршневе композиційне кільце складається з армуючої карбонізованої вуглецевої тканини і в'яжучої матриці з гомогенного піролітичного вуглецю, що містить додатково графітоподібну фазу, за рахунок цього має високі антифрикційні і пружні властивості, що підвищують ефективність роботи кільця і його зносостійкість. Заявлений спосіб виготовлення поршневого композиційного кільця, що складається з армуючої карбонізованої вуглецевої тканини і сполучної гомогенної матриці з піролітичного вуглецю, що включає графітоподібну фазу, полягає в наступному: карбонізовану вуглецеву тканину у вигляді стрічок (або ниток) намотують із натягом на графітовий стержень діаметром, який дорівнює діаметру майбутнього поршневого композиційного кільця під кутом 30…60 градусів до осі стержня. Товщина намотування залежить від радіальної товщини кільця із припуском на механічну обробку. Отриману заготовку поміщають у реакційну камеру, нагрівають у неокислювальному середовищі до температури 920…1250 °C, подають вуглецевмісний газ через днище реакційної камери, який дифундуючи через нагріту заготовку, у результаті піролізу розкладається з виділення вуглецю, який у вигляді піровуглецю осаджується на поверхні армуючої вуглецевої тканини і заповнює міцнісний простір, утворюючи сполучну матрицю з піровуглецю. Процес формування сполучної матриці для тонкостінних деталей здійснюють в ізотермічному режимі. Після просочення заготовки піролітичним вуглецем перекривають доступ вуглецевмісного газу в реакційну камеру і підвищують температуру до 1800…2000 °C зі швидкістю не більше 0,5 градусів у секунду. При температурі 1600 градусів з'являється пластичність піровуглецю і початок його гомогенізації з ущільненням за рахунок заповнення пор вуглецем і підвищенням ізотропності за рахунок зниження мікронеоднорідностей. При цій температурі швидкість гомогенізації низка і тривалість процесу досягає сотень годин, що суттєво знижує економічність. При температурі 1800…2000 °C тривалість гомогенізації піровуглецевої сполучної матриці становить від одного до двох годин. Одночасно з гомогенізацією відбувається графітизація піровуглецю з утворенням графітоподібних тривимірних впорядкованих вуглецевих кристалітів, з високими антифрикційними властивостями. З підвищенням температури більш 2000 °C швидкість графітизації різко зростає і структура піровуглецю поступово переходить у структуру графіту, при цьому пружні і міцнісні властивості деталі знижуються. Таким чином, заготовка для поршневого композиційного кільця, одержувана заявленим способом, що складається з армуючої карбонізованої вуглецевої тканини, гомогенної сполучної матриці з піролітичного вуглецю і додатково містить графітоподібну фазу, що надають матеріалу термостабільність, пружність, міцність і високі антифрикційні властивості. По закінченню процесу високотемпературного відпалювання реакційну камеру з розташованою в ній заготовкою охолоджують до кімнатної температури, розкривають, витягають заготовку, витягають із неї графітовий стержень. Після огляду і чистового обробітку нарізають поршневі композиційні кільця необхідної висоти, випробовують на щільність, міцність на вигин, модуль пружності, коефіцієнт тертя і зносостійкість. За рахунок вмісту в структурі піровуглецю сполучної матриці графітоподібної фази коефіцієнт тертя поршневого композиційного кільця становить 0,06…0,08 і має самозмащувальну властивість. Експериментальні дослідження показали, що в порівнянні з відомими поршневими кільцями і способами їх одержання спосіб одержання поршневого композиційного кільця, що заявляється забезпечує високі зносостійкість і ефективність роботи в складі двигунів внутрішнього згоряння при роботі на різних видах змащення. 2 UA 84150 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Cпосіб виготовлення поршневого композиційного кільця, що включає намотування армуючої карбонізованої вуглецевої тканини на графітовий стержень, просочення її піролітичним вуглецем шляхом газофазного осадження з вуглецевмісного газу при температурі 920-1250 °C, який відрізняється тим, що піролітичний вуглець сполучної матриці гомогенізують і частково графітизують шляхом відпалювання при температурі 1800-2000 °C. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3