Металлокерамические двигатели


Способ изготовления заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания с металлокерамическими вставками

Изобретение относится к области получения композиционных деталей в металлургическом машиностроении с помощью литья, литья в кокиль, литья с кристаллизацией под давлением, а также тиксолитья и тиксоштамповки. В инструмент устанавливают предварительно изготовленную металлокерамическую вставку. Затем производят формование корпуса и юбки поршня. В результате обеспечиваются расширение возможностей промышленного изготовления таких поршней на имеющемся оборудовании и повышение качества. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области получения композиционных деталей в металлургическом машиностроении с помощью литья, литья в кокиль, литья с кристаллизацией под давлением, а также тиксолитья и тиксоштамповки, и может быть использовано при изготовлении различных композиционных изделий из цветных металлов и сплавов.

Литье композиционных деталей позволяет создать местное упрочнение, повышенную износостойкость, повысить технологичность изготовления отливок и получить в них новые свойства.

Аналогом заявляемого способа является используемый при производстве композиционных поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС) способ, при котором канавки для поршневых колец выполнены во вставках из более твердых материалов - легированных сталей или чугуна. Для обеспечения прочной связи с основным материалом поршня такую вставку предварительно прогревают, алитируют и заливают металлом, образующим основное тело поршня, в штампе или в кокиле (см., например, «Специальные способы литья». Справочник./Под ред. В.А.Ефимова, М., Машиностроение, 1991 г., с.669).

Продукция, изготовленная таким образом, получила широкое распространение в промышленности. Однако в связи с прогрессом в автомобилестроении для повышения коэффициента полезного действия двигателей проводятся работы по применению в поршнях металлокерамических вставок.

Известны способы изготовления композиционных металлокерамических деталей методом литья с кристаллизацией под давлением, в том числе с пропиткой и соединением отдельных составляющих элементов в одно целое.

Прототипом заявляемого способа является способ изготовления композиционных деталей методом литья с кристаллизацией под давлением, включающий установку пористой керамической вставки в рабочую камеру, формующую поршень, заливку в эту камеру жидкого металла, пропитку пористой вставки расплавом и кристаллизацию металла под давлением (см., например, Т.Н.Липчин. «Получение заготовок поршней литьем с кристаллизацией под давлением», издательство Томского университета, Пермское отделение, 1991 г., с.117).

Недостатками прототипа являются:

- повышенное отфильтровывание крупных составляющих сплава и скопление их по границе с пропитываемым материалом вставки;

- появление довольно значительной буферной зоны - границы с собственным химическим составом, отличающимся и от состава основного материала заготовки и от состава вставки, пропитанной жидкой субстанцией, отличающейся по химическому составу от основного материала заготовки;

- изменение механических свойств пропитывающего материала на границе с пропитываемой вставкой, что приводит к эффекту отслоения вставки от основного материала детали, а при механических нагрузках именно в этой зоне происходит разрушение заготовки.

Техническим результатом предлагаемого способа изготовления заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания с металлокерамическими вставками является устранение перечисленных выше недостатков за счет разделения операций по пропитке пористой керамической вставки расплавленным металлом и штамповке поршня в целом.

При этом на первом этапе производства поршня керамическую вставку предварительно изготавливают в отдельном штампе путем пропитки керамики расплавом металлов методом жидкой штамповки.

Такое предварительное приготовление металлокерамической вставки позволяет устранить нежелательную зону перехода от пропитывающего материала к керамике простой проточкой шайбы. Подбором пропитывающего материала достигаются повышенные механические свойства металлокерамической вставки. И, кроме того, отдельное приготовление металлокерамической вставки позволяет включить в нее другие элементы, улучшающие ее свойства, например ввести в нее нирезистовую вставку или вентиляционные кольца, позволяющие существенно улучшить работоспособность двигателя в целом. При этом появляется возможность применить ряд технических приемов, способствующих более прочному соединению вставки с металлом корпуса поршня, например выполнить углубления или глухие отверстия на торцевой поверхности вставки с обратной по отношению к юбке поршня конусностью боковых поверхностей, заполняющихся при операции штамповки поршня расплавом с образованием замковых соединений. На втором этапе производства поршня металлокерамическую вставку помещают в камеру, предназначенную для изготовления заготовки поршня, заполняют ее необходимым сплавом и изготавливают изделие известными способами: кокильным литьем, литьем под давлением, литьем с кристаллизацией расплава под давлением, тиксо- и реоштамповкой и др.

Технический результат предложенного способа достигается тем, что формование корпуса и юбки поршня осуществляют в инструменте в виде штампа для тиксо- или реоштамповки или в виде кокиля для кокильного литья или для литья под давлением, в который устанавливают предварительно изготовленную металлокерамическую вставку и производят формование корпуса и юбки поршня, при этом на торцевой поверхности вставок выполняют кольцевые углубления с обратной к юбке поршня конусностью боковых поверхностей, или на торцевой поверхности вставок выполняют глухие отверстия, а также в пористую керамическую вставку перед пропиткой ее расплавом устанавливают упрочняющие кольца.

Графические материалы по предложенному способу изготовления заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания с металлокерамическими вставками представлены на фиг.1-3, где:

- на фиг.1 приведена конструкция поршня с металлокерамической вставкой;

- на фиг.2 показан штамп для пропитки и сборки металлокерамической вставки;

- на фиг.3 изображен штамп (кокиль) для формования поршня.

Конструкция поршня двигателя внутреннего сгорания 1 с металлокерамической вставкой 2 представляет собой сборную единицу. В состав ее входит керамическая шайба 3, пропитанная металлом. Кроме того, в состав металлокерамической вставки 2 может входить нирезистовое кольцо 4 или другое (например, вентиляционное) кольцо, улучшающее работу поршня. Металлокерамическая вставка 2 соединяется с остальной частью поршня для большей надежности замковым соединением 5, представляющим собой кольцевые углубления или ряд глухих отверстий на ее торцевой поверхности с обратной по отношению к юбке поршня конусностью боковых поверхностей.

Штамп для формования металлокерамической вставки представляет собой устройство, включающее матрицу 6, пуансон 7 и выталкиватель 8. Он предназначен для пропитки керамической шайбы 3 жидким металлом с кристаллизацией его под давлением. Одновременно с этой операцией на вставке 2 могут быть отформованы специальные соединительные элементы 5 и включены во вставку элементы 4, которые улучшают работу вставки.

В связи с тем, что металлокерамическая вставка 2 пропитана жидким металлом и отформована заранее, встраивание ее в поршень 1 не вызывает особых затруднений при изготовлении поршня в целом. Поэтому поршень с металлокерамической вставкой может быть получен не только с помощью методов, обеспечивающих возможность пропитки керамики жидким металлом, но и обычными методами - кокильным литьем, литьем под давлением, тиксо- и реоштамповкой.

Осуществление способа рассмотрим на примере штамповки заготовки поршня 1 с металлокерамической вставкой 2.

1. Размеры поршня - диаметр 140 мм; высота 150 мм.

2. Размеры металлокерамической вставки - диаметр 140 мм; высота 20 мм.

3. Материал поршня - алюминиевый сплав АК12М2МгН.

4. Материал керамической вставки - стекловолокна кварцевого состава (оксид кремния).

5. Температура расплава материала поршня - 720…740°C.

6. Температура керамической вставки перед пропиткой металлом - 850…900°C.

7. Температура штампа для штамповки металлокерамической вставки - 150…180°C.

8. Температура штампа для штамповки поршня - 180…200°C.

9. Температура металлокерамической вставки перед штамповкой поршня 500…550°C.

Для изготовления металлокерамической вставки нагретую пористую керамическую шайбу 3 помещают в штамп для сборки металлокерамической вставки. При необходимости в этот штамп дополнительно устанавливают нирезистовое кольцо 4, предварительно алитированное. Затем заливают расплав, предназначенный для пропитки керамики. С помощью пуансона 7 к поверхности расплава прикладывают давление, при котором происходят пропитывание и кристаллизация жидкой части металлокерамической вставки. Выталкивание готового изделия производят толкателем 8. Механообработкой доводят размеры полученной вставки до заданной величины, в том числе выполняют замковые соединения, предназначенные для более прочного соединения с металлом основного поршня 1. Полученная металлокерамическая вставка 2 используется для дальнейшего формования заготовки поршня. Для этого ее повторно нагревают и помещают в матрицу 9 штампа для формования поршня с металлокерамической вставкой. При жидкой штамповке в эту же матрицу заливают определенное количество расплава основного материала поршня. При твердожидкой штамповке закладывают порцию рео- или тиксозаготовки. Затем производят окончательную штамповку заготовки поршня.

Таким образом, использование способа изготовления заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания с металлокерамическими вставками позволяет:

- расширить возможность промышленного изготовления таких поршней на имеющемся в промышленности оборудовании;

- реализовать возможность изготовления таких поршней методами литья, кокильного литья, литья под давлением, тиксо- и реоштамповкой;

- получать заготовки поршней с более высоким качеством металлокерамической вставки;

- получать металлокерамические вставки повышенной сложности - с упрочняющими нирезистовыми и вентиляционными кольцами.

1. Способ изготовления заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания с металлокерамическими вставками, включающий изготовление металлокерамической вставки путем пропитки пористой керамической вставки расплавом, формование корпуса и юбки поршня с соединением их с металлокерамической вставкой, отличающийся тем, что формование корпуса и юбки поршня осуществляют в инструменте в виде штампа для тиксо- или реоштамповки или в виде кокиля для кокильного литья или для литья под давлением, в который устанавливают предварительно изготовленную металлокерамическую вставку и производят формование корпуса и юбки поршня.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при изготовлении металлокерамических вставок на их торцевой поверхности выполняют кольцевые углубления с обратной по отношению к юбке поршня конусностью боковых поверхностей.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при изготовлении металлокерамических вставок на их торцевой поверхности выполняют глухие отверстия.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в пористую керамическую вставку перед пропиткой ее расплавом устанавливают упрочняющие кольца.

www.findpatent.ru

Двигателестроение | Сверхупругая гофрированная оболочка

Суть изобретения в создании сверхупругой конструкции-оболочки с периодическими профилями волн гофр, обладающей увеличенной в тысячи раз жесткостью на изгиб и растяжение/сжатие, нагрузку на поверхность этой оболочки по сравнению с обычным прокатным листом. Данная оболочка обладает особыми свойствами – с увеличением относительной глубины волн гофр в продольном и поперечном направлениях, жесткости на изгиб оболочки резко возрастают и могут превысить жесткости пластины на изгиб той же толщины в тех же направлениях в сотни и тысячи раз, а жесткость на растяжение в поперечном и продольном направлении уменьшается во столько же раз.

Применение в двигателестроении свойств Гофрированной оболочки (упругость, жесткость, малые линейные расширения при нагреве и пр.) с керамическими покрытиями, выдерживающими большие тепловые нагрузки — дает совокупный эффект при устройстве камер сгорания в двигателях внутреннего сгорания, а также в авиационных двигателях. Зачастую работа в данном направлении приводит к удорожанию изделий за счет применения дорогих сплавов.

Там где требуются долговечные  и прочные материалы при работе в критических температурных условиях, достичь заданных параметров можно только используя композитные материалы с учетом новейших достижений в термодинамике и тепломеханике.

В связи с тем, что негативными свойства керамики является её низкая способность к сопротивлению разрушения, появились способы армирования поверхности керамики для улучшения показателей упругой деформации. Автором Увакиным В.Ф. предложен новый способ улучшения характеристик керамических изделий, испытывающих сверх агрессивные нагрузки в химических реакторах, камерах сгорания и пр. Для этого используется сверхупругая гофрированная оболочка Увакина обладающая наилучшими характеристиками упругости к деформации, на которую нанесен слой из керамических материалов, либо использование гофрированной оболочки Увакина в качестве жесткого упругого корсета для первичной оболочки из керамики, принимающего на себя  тепловые и динамические нагрузки.

Уменьшение жесткости профилированных листов ПЛ-01, ПЛ-11, ПЛ-12, ПЛ-13 на растяжение в продольном и поперечном направлениях в тысячи раз, резко снижает температурные напряжения в композиционных конструкциях металл-керамика, металл-футеровка, металл-бетон, что весьма существенно для печей, камер сгорания, дымовых труб, тепловых экранов и т.д

Изобретение автора

Гибкий вал Увакина,

создан на основе свойств сверхупругой гофрированной оболочки с ортогональным расположением волн гофр, свернутых в трубу. Многослойная конструкция их таких оболочек, причем в местах соприкосновения слоев вершины гофр сварены точечной сваркой для обечпечения прочности конструкции. Уникальные свойства гибкого вала позволяют достичь минимальной массы изделия, отсутствия трущихся и подвижных частей, работать наилучшим образом на скрутку (демпфировать напряжения), и передавать вращения при несоосности осей вращения. Данный факт делает незаменимым применение «Гибкого вала Увакина» в автомобиле и машиностроении, судостроении, геологоразведке и бурильных технологиях.

Отдельного упоминания заслуживает патент 1837692 SU Гибкий вал Увакиных, изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в приборостроении для передачи крутящего момента между двумя валами, у которых не совпадают оси вращения. Детально описано здесь..

Применение упругих оболочек в машиностроении (аналоги):

 

uvakin.ru

Способ изготовления заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания с металлокерамическими вставками

Изобретение относится к области получения композиционных деталей в металлургическом машиностроении с помощью литья, литья в кокиль, литья с кристаллизацией под давлением, а также тиксолитья и тиксоштамповки. В инструмент устанавливают предварительно изготовленную металлокерамическую вставку. Затем производят формование корпуса и юбки поршня. В результате обеспечиваются расширение возможностей промышленного изготовления таких поршней на имеющемся оборудовании и повышение качества. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области получения композиционных деталей в металлургическом машиностроении с помощью литья, литья в кокиль, литья с кристаллизацией под давлением, а также тиксолитья и тиксоштамповки, и может быть использовано при изготовлении различных композиционных изделий из цветных металлов и сплавов.

Литье композиционных деталей позволяет создать местное упрочнение, повышенную износостойкость, повысить технологичность изготовления отливок и получить в них новые свойства.

Аналогом заявляемого способа является используемый при производстве композиционных поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС) способ, при котором канавки для поршневых колец выполнены во вставках из более твердых материалов - легированных сталей или чугуна. Для обеспечения прочной связи с основным материалом поршня такую вставку предварительно прогревают, алитируют и заливают металлом, образующим основное тело поршня, в штампе или в кокиле (см., например, «Специальные способы литья». Справочник./Под ред. В.А.Ефимова, М., Машиностроение, 1991 г., с.669).

Продукция, изготовленная таким образом, получила широкое распространение в промышленности. Однако в связи с прогрессом в автомобилестроении для повышения коэффициента полезного действия двигателей проводятся работы по применению в поршнях металлокерамических вставок.

Известны способы изготовления композиционных металлокерамических деталей методом литья с кристаллизацией под давлением, в том числе с пропиткой и соединением отдельных составляющих элементов в одно целое.

Прототипом заявляемого способа является способ изготовления композиционных деталей методом литья с кристаллизацией под давлением, включающий установку пористой керамической вставки в рабочую камеру, формующую поршень, заливку в эту камеру жидкого металла, пропитку пористой вставки расплавом и кристаллизацию металла под давлением (см., например, Т.Н.Липчин. «Получение заготовок поршней литьем с кристаллизацией под давлением», издательство Томского университета, Пермское отделение, 1991 г., с.117).

Недостатками прототипа являются:

- повышенное отфильтровывание крупных составляющих сплава и скопление их по границе с пропитываемым материалом вставки;

- появление довольно значительной буферной зоны - границы с собственным химическим составом, отличающимся и от состава основного материала заготовки и от состава вставки, пропитанной жидкой субстанцией, отличающейся по химическому составу от основного материала заготовки;

- изменение механических свойств пропитывающего материала на границе с пропитываемой вставкой, что приводит к эффекту отслоения вставки от основного материала детали, а при механических нагрузках именно в этой зоне происходит разрушение заготовки.

Техническим результатом предлагаемого способа изготовления заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания с металлокерамическими вставками является устранение перечисленных выше недостатков за счет разделения операций по пропитке пористой керамической вставки расплавленным металлом и штамповке поршня в целом.

При этом на первом этапе производства поршня керамическую вставку предварительно изготавливают в отдельном штампе путем пропитки керамики расплавом металлов методом жидкой штамповки.

Такое предварительное приготовление металлокерамической вставки позволяет устранить нежелательную зону перехода от пропитывающего материала к керамике простой проточкой шайбы. Подбором пропитывающего материала достигаются повышенные механические свойства металлокерамической вставки. И, кроме того, отдельное приготовление металлокерамической вставки позволяет включить в нее другие элементы, улучшающие ее свойства, например ввести в нее нирезистовую вставку или вентиляционные кольца, позволяющие существенно улучшить работоспособность двигателя в целом. При этом появляется возможность применить ряд технических приемов, способствующих более прочному соединению вставки с металлом корпуса поршня, например выполнить углубления или глухие отверстия на торцевой поверхности вставки с обратной по отношению к юбке поршня конусностью боковых поверхностей, заполняющихся при операции штамповки поршня расплавом с образованием замковых соединений. На втором этапе производства поршня металлокерамическую вставку помещают в камеру, предназначенную для изготовления заготовки поршня, заполняют ее необходимым сплавом и изготавливают изделие известными способами: кокильным литьем, литьем под давлением, литьем с кристаллизацией расплава под давлением, тиксо- и реоштамповкой и др.

Технический результат предложенного способа достигается тем, что формование корпуса и юбки поршня осуществляют в инструменте в виде штампа для тиксо- или реоштамповки или в виде кокиля для кокильного литья или для литья под давлением, в который устанавливают предварительно изготовленную металлокерамическую вставку и производят формование корпуса и юбки поршня, при этом на торцевой поверхности вставок выполняют кольцевые углубления с обратной к юбке поршня конусностью боковых поверхностей, или на торцевой поверхности вставок выполняют глухие отверстия, а также в пористую керамическую вставку перед пропиткой ее расплавом устанавливают упрочняющие кольца.

Графические материалы по предложенному способу изготовления заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания с металлокерамическими вставками представлены на фиг.1-3, где:

- на фиг.1 приведена конструкция поршня с металлокерамической вставкой;

- на фиг.2 показан штамп для пропитки и сборки металлокерамической вставки;

- на фиг.3 изображен штамп (кокиль) для формования поршня.

Конструкция поршня двигателя внутреннего сгорания 1 с металлокерамической вставкой 2 представляет собой сборную единицу. В состав ее входит керамическая шайба 3, пропитанная металлом. Кроме того, в состав металлокерамической вставки 2 может входить нирезистовое кольцо 4 или другое (например, вентиляционное) кольцо, улучшающее работу поршня. Металлокерамическая вставка 2 соединяется с остальной частью поршня для большей надежности замковым соединением 5, представляющим собой кольцевые углубления или ряд глухих отверстий на ее торцевой поверхности с обратной по отношению к юбке поршня конусностью боковых поверхностей.

Штамп для формования металлокерамической вставки представляет собой устройство, включающее матрицу 6, пуансон 7 и выталкиватель 8. Он предназначен для пропитки керамической шайбы 3 жидким металлом с кристаллизацией его под давлением. Одновременно с этой операцией на вставке 2 могут быть отформованы специальные соединительные элементы 5 и включены во вставку элементы 4, которые улучшают работу вставки.

В связи с тем, что металлокерамическая вставка 2 пропитана жидким металлом и отформована заранее, встраивание ее в поршень 1 не вызывает особых затруднений при изготовлении поршня в целом. Поэтому поршень с металлокерамической вставкой может быть получен не только с помощью методов, обеспечивающих возможность пропитки керамики жидким металлом, но и обычными методами - кокильным литьем, литьем под давлением, тиксо- и реоштамповкой.

Осуществление способа рассмотрим на примере штамповки заготовки поршня 1 с металлокерамической вставкой 2.

1. Размеры поршня - диаметр 140 мм; высота 150 мм.

2. Размеры металлокерамической вставки - диаметр 140 мм; высота 20 мм.

3. Материал поршня - алюминиевый сплав АК12М2МгН.

4. Материал керамической вставки - стекловолокна кварцевого состава (оксид кремния).

5. Температура расплава материала поршня - 720…740°C.

6. Температура керамической вставки перед пропиткой металлом - 850…900°C.

7. Температура штампа для штамповки металлокерамической вставки - 150…180°C.

8. Температура штампа для штамповки поршня - 180…200°C.

9. Температура металлокерамической вставки перед штамповкой поршня 500…550°C.

Для изготовления металлокерамической вставки нагретую пористую керамическую шайбу 3 помещают в штамп для сборки металлокерамической вставки. При необходимости в этот штамп дополнительно устанавливают нирезистовое кольцо 4, предварительно алитированное. Затем заливают расплав, предназначенный для пропитки керамики. С помощью пуансона 7 к поверхности расплава прикладывают давление, при котором происходят пропитывание и кристаллизация жидкой части металлокерамической вставки. Выталкивание готового изделия производят толкателем 8. Механообработкой доводят размеры полученной вставки до заданной величины, в том числе выполняют замковые соединения, предназначенные для более прочного соединения с металлом основного поршня 1. Полученная металлокерамическая вставка 2 используется для дальнейшего формования заготовки поршня. Для этого ее повторно нагревают и помещают в матрицу 9 штампа для формования поршня с металлокерамической вставкой. При жидкой штамповке в эту же матрицу заливают определенное количество расплава основного материала поршня. При твердожидкой штамповке закладывают порцию рео- или тиксозаготовки. Затем производят окончательную штамповку заготовки поршня.

Таким образом, использование способа изготовления заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания с металлокерамическими вставками позволяет:

- расширить возможность промышленного изготовления таких поршней на имеющемся в промышленности оборудовании;

- реализовать возможность изготовления таких поршней методами литья, кокильного литья, литья под давлением, тиксо- и реоштамповкой;

- получать заготовки поршней с более высоким качеством металлокерамической вставки;

- получать металлокерамические вставки повышенной сложности - с упрочняющими нирезистовыми и вентиляционными кольцами.

Формула изобретения

1. Способ изготовления заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания с металлокерамическими вставками, включающий изготовление металлокерамической вставки путем пропитки пористой керамической вставки расплавом, формование корпуса и юбки поршня с соединением их с металлокерамической вставкой, отличающийся тем, что формование корпуса и юбки поршня осуществляют в инструменте в виде штампа для тиксо- или реоштамповки или в виде кокиля для кокильного литья или для литья под давлением, в который устанавливают предварительно изготовленную металлокерамическую вставку и производят формование корпуса и юбки поршня.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при изготовлении металлокерамических вставок на их торцевой поверхности выполняют кольцевые углубления с обратной по отношению к юбке поршня конусностью боковых поверхностей.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при изготовлении металлокерамических вставок на их торцевой поверхности выполняют глухие отверстия.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в пористую керамическую вставку перед пропиткой ее расплавом устанавливают упрочняющие кольца.

bankpatentov.ru

Металлокерамика для протезирования зубов

Металлокерамика – это композитный материал, состоящий из металлических (металло-) и керамических (керам-) материалов. Металлокерамика идеально разработана для сочетания оптимальных свойств керамики, (твердость и устойчивость к высоким температурам) и металла (способность подвергаться пластичной деформации). Металл используется в качестве связующего элемента для оксида, борида или карбида. В целом используются такие металлы, как никель, молибден и кобальт. В зависимости от физической структуры материала, металлокерамика также может быть композитом с металлической матрицей, но обычно в металлокерамике содержится меньше 20% металла от объема.

Продолжение ниже ⇓

Металлокерамика используется в производстве резисторов (особенно, потенциометров), конденсаторов и других электронных компонентов, которые могут подвергаться воздействию высоких температур.

Металлокерамика используется вместо карбида вольфрама в пилах и других резцах с напайной пластиной благодаря своим превосходным свойствам устойчивости к износу и коррозии. Нитрид титана (TiN), карбонитрид титана (TiCN), карбид титана (TiC) и аналогичные соединения могут быть припаяны, как карбид вольфрама, при надлежащей подготовке, однако им требуется особая обработка во время шлифовки.

Используются и более сложные материалы, известные как металлокерамика 2 или металлокерамика II, так как они придают значительно более долгий срок работы режущим инструментам, помимо высокотемпературной пайки и шлифовки, как карбид вольфрама.

Некоторые виды металлокерамики также рассматриваются для применения в экранировании комических кораблей, так как они противостоят высокоскоростному воздействию микрометеоритов и орбитального мусора гораздо эффективнее традиционных материалов для космических летательных аппаратов, таких как алюминий и другие металлы.

История металлокерамики

После Второй мировой войны в США четко сознали необходимость в материалах, устойчивых к высоким температурам и высокому напряжению. Во время войны немецкие ученые разработали металлокерамику на основе оксида в качестве замены сплавов. Они решили это использовать в высокотемпературных участках новых реактивных двигателей, а также высокотемпературных турбинных лопаток. Сегодня керамика в плановом порядке внедряется в часть сгорания реактивных двигателей, потому что она обеспечивает жаропрочную камеру. Также были разработаны керамические лопатки турбины. Эти лопатки легче стальных и позволяют ускорить компоновку.

ВВС США увидели потенциал в технологии материала и стали первыми основными спонсорами различных исследовательских программ в США. Одними из первых университетов, где проводились исследования, стали Государственный Университет Огайо, Университет Иллинойса и Университет Ратджерса.

Слово «металлокерамика» было фактически придумано в ВВС США. Идея состояла в том, что это будет комбинация двух материалов, металла и керамики. Базовые физические свойства металла включают ковкость, высокую прочность и высокую теплопроводность. Керамика обладает такими базовыми физическими свойствами, как высокая точка плавления, химическая стабильность и, в особенности, устойчивость к окислению.

Первый металлокерамический материал был разработан с использованием оксида магния (MgO), оксида бериллия (BeO) и оксида алюминия (Al2O3) для керамической части. Предыскажение на высокое сопротивление между напряжением и разрывом было около 980C. Государственный Университет Огайо стал первым местом, где была разработана металлокерамика на основе Al2O3 с высоким сопротивлением между напряжением и разрывом, около 1200C. «Kennametal», металлообрабатывающая и выпускающая инструменты компания, находящаяся в г. Латроуб, штат Пенсильвания, США, разработала первую металлокерамику из карбида титана с давлением 196 кг/см2 и сопротивлением между напряжением и разрывом при 980C. Реактивные двигатели работают при такой температуре; также инвестировались дальнейшие исследования по использованию этих материалов для компонентов.

Контроль качества в изготовлении этих металлокерамических композитов было трудно стандартизировать. Производство приходилось удерживать на малых партиях, в пределах этих партий характеристики варьировались в огромной степени. Поломка материалов обычно являлась результатом неопределенных дефектов, обычно собирающихся вокруг ядра во время обработки.

Существующая технология в 1950-х достигла предела для реактивных двигателей, где могли бы быть сделаны небольшие усовершенствования. Впоследствии производители двигателей с неохотой развивали применение двигателей из металлокерамики.

Интерес возобновился в 1960-х при более пристальном внимании к нитриду кремния и карбиду кремния. Оба материала обладают лучшей устойчивостью к тепловому удару, высокой прочностью и умеренной теплопроводностью.

Применение металлокерамики

Металлокерамические стыки и спаи

Металлокерамика была впервые широко использована для металлокерамических стыков. Сооружение вакуумных труб было одной из первых важных систем, где применялась электронная промышленность и развивались такие стыки. Немецкие ученые признали, что можно было бы производить вакуумные трубы с улучшенными характеристиками и надежностью, заменив керамикой стекло. Керамические трубы можно дегазировать при более высоких температурах. Благодаря высокотемпературным спаям керамические трубы противостоят более высоким температурам, чем стеклянные трубы. Керамические трубы также механически прочнее и менее чувствительны к тепловому удару, чем стеклянные трубы. Сегодня вакуумные трубы с покрытием из металлокерамики являются ключевым моментом для солнечных систем нагрева воды.

Также используются металлокерамические механические спаи. Традиционно они использовались в топливных элементах и других устройствах, превращающих химическую, ядерную или термоионную энергию в электричество. Металлокерамические спаи требуются для изоляции электрических участков турбинных генераторов, разработанных для работы в коррозийных испарениях жидких металлов.

Биокерамика

Биокерамика играет всестороннюю роль в биомедицинских материалах. Развитие этих материалов и разнообразие техник изготовления расширили степень применения в теле человека. Они могут быть в форме тонких слоев на металлических трансплантатах, композитов с полимерным компонентом или просто пористой сети. Эти материалы отлично работают в человеческом теле по нескольким причинам. Они инертны, а так как они активны и способны рассасываться, материалы могут оставаться в теле без изменений. Они также могут растворяться и активно принимать участие в физиологических процессах, например, как гидроксилапатит, материал, химически аналогичный костной структуре, может интегрироваться и помогать кости врастать в него. Обычные материалы, используемые для биокерамики, включают окись алюминия, двуокись циркония, фосфат кальция, стеклокерамику и пиролитический углерод.

Одним из важных применений биокерамики является операция по замене тазобедренного сустава. Тазобедренный сустав представляет собой многоосный шарик и углубление. Обычно для замены тазобедренного сустава использовались такие металлы, как титан, а углубление выстилалось обычно пластиком. Многоосный шарик был плотным шариком из металла, но его в итоге сменил керамический шарик с более долгим сроком службы. Это уменьшило придание шероховатости, вызванное металлической стенкой, пластиковому выстилающему слою искусственного углубления сустава. Использование металлокерамики продлило срок службы заменяемых частей тазобедренного сустава.

Металлокерамика также используется, как материал для пломбирования и протезирования.

Транспорт

Керамические части использовались совместно с металлическими деталями, как фрикционный материал для тормозов и сцеплений.

Другие способы применения

В армии США и британской армии были проведены расширенные исследования в развитии металлокерамики. Они включали разработку легкого керамического противоснарядного снаряжения для солдат, а также брони Чобем.

Металлокерамика также используется в механообработке на режущих инструментах.

Кроме того, металлокерамика применяется в качестве кольцевого материала в высококачественных направляющих для удочек.

Проводились исследования благоприятных свойств металлокерамики из обедненного расщепляемого материала (например, урана, плутония) и содалита для хранения радиоактивных отходов. Аналогичные композиты также исследовались на предмет использования в качестве источника топлива.

© Авторы и рецензенты: редакционный коллектив оздоровительного портала "На здоровье!". Все права защищены.

www.nazdor.ru

Космос для "Урала" | OPPOZIT.RU | мотоциклы Урал, Днепр, BMW

Что общего у мотоцикла "Урал" и космического корабля "Буран"?.. Хохот здесь неуместен! Наши с вами сограждане разработали не имеющую аналогов в мировой практике технологию, позволяющую сделать цилиндры мотоцикла практически вечными.

Жило-было в городе Москве заслуженное учебное заведение: Институт нефти и газа имени И. М. Губкина (МИНГ, сейчас - Академия нефти и газа). Во времена былые считалось хорошим тоном шефство солидной организации над спортивными коллективами. МИНГ отдал предпочтение мотокроссу и создал в 1962 году собственную команду. Условия для тренировок и материальная база дали такие результаты, что очень скоро о ней заговорили не только по Советскому Союзу, но и за рубежом на соревнованиях мирового уровня. Кросс на мотоциклах с колясками, шоссейно-кольцевые гонки, многодневка - круг интересов мотоциклистов был весьма широк.

Спросите: а причем здесь "Буран"?

Покуда спортсмены воевали на трассах, в середине 80-х годов ученые принимали участие в создании отечественного космического корабля многоразового использования.Одна из проблем, вставшая перед ними, формулировалась так: как защитить его корпусот сгорания при входе в плотные слои атмосферы. В отличие от прочих спускаемых аппаратов, «Буран» не должен был обгорать вообще, ведь ему предстояло многократно подниматься в космос. Решение проблемы поручили группе ученых Сибирского отделения Российской академии наук. Ход их мыслей был примерно таким. Один из самых термостойких материалов - керамика. Но она имеет большой удельный вес, попросту говоря, - тяжелая. Другое дело, алюминий - «крылатый металл» - очень легок, но плавится при сравнительно небольших температурах. Следовательно, нужно соединить свойства этих двух материалов в одном. И он был разработан. С помощью специальной электрохимической технологии на поверхности алюминия образовывался тонкий слой прочнейшей керамики с температурой плавления 1600-1700°С. Функция алюминия при этом - отводить тепло,не давая обшивке перегреваться. Проблема решена!

Связь между кроссовыми оппозитами и обшивкой "Бурана" возникла позже, когда преподаватель МИНГа Ю.Бакиров уже на кафедре родного института задался целью практически применить разработанную технологию. Высочайшая твердость покрытия - 90 единиц по Роквеллу (для сравнения: алмаз, эталон данной шкалы, обладает твердостью 100 единиц) и способность пористой структуры керамики хорошо удерживать масло натолкнули ученого на мысль использовать его в двигателях внутреннего сгорания.Для экспериментов далеко ходить не стали, поскольку кроссовая команда, что называется, под боком. Состоялся разговор Юлия Александровича с одним из патриархов отечественого спорта 11-кратным чемпионом СССР Евгением Косматовым. После обмена мнениями решили проверить уникальную технологию на двигателе "Урала".

Сказано - сделано. Отпили алюминиевые цилиндры, на их внутреннюю поверхность нанесли металлокерамический слой и установили в двигатель. Первый эксперимент был неудачным. Дело в том, что цилиндр и поршень, изготовленныеиз одного и того же материала, теоретически имеют одинаковый коэффициент линейного расширения. То есть поршень можно устанавливать в цилиндр без теплового зазора, а, следовательно, и без поршневых колец, ибо нет необходимости уплотнять зазор, которого нет! Но... "Суха теория, мой друг..." Во время испытаний после первого же круга двигатель заклинило. Правда, остыв, он завелся как ни в чем не бывало, мотоцикл снова вышел на трассу.Прошел еще один круг - и снова "клин". Стало ясно, что тепловой зазор и поршневые кольца все-таки необходимы.

Когда двигатель вновь собрали, на испытаниях он начал показывать фантастические результаты: прихват поршня стал невозможен - коварный коэффициент расширения "работал" безупречно. Высочайшая твердость покрытия обеспечила уровеньизноса (в любых условиях) близкий к нулю. Евгений Косматов вспоминает, как на сложной песчаной трассе, в дождь, на одном из мотоциклов прорвался всасывающий патрубок. Неотфильтрованный воздух хлынул в двигатель. Гонка продолжалась около часа. Когда после прохождения всей дистанции испытаний разобрали мотор, то увидели в камере сгорания и на днище поршня слой спекшегося песка толщиной в несколько миллиметров. Но цилиндр не пострадал! Это - характеристика моторесурса: от "старости" и пройденного по дорогам обгорят клапаны, сточатся кулачки распредвала, застучит коленвал, а цилиндрыможно будет ставить на новый мотор.

И еще. Кольца, работающие в цилиндре с графитовым покрытием, изнашиваются на порядок медленнее, потому что прогрессирующая в них овальность и конусность здесь не возникнут — для того нет причин. Правда, кольцо перед установкой должно быть идеальной формы, как и цилиндр - приработаться ему в таких условиях трудно, если не сказать невозможно. Поэтому лучше всего применять кольцапроизводства известных фирм.

Надо сказать, что проблемой улучшения теппоотвода и повышения долговечности цилиндров производители спортивных моторов во всем мире занимаются давно. Устанавливали тонкие хромированные гильзы из бронзы, пытались наносить хром непосредственно на алюминий. Но слой хрома растрескивался при тепловом расширении цилиндра. Позднее разработали покрытие, названное "никасиль", у которого идентичный с алюминием коэффициент расширения и твердость порядка 35 единиц (против 20-25 единиц у чугуна). Именно такие цилиндры сейчас считаются лучшими в мире и многие фирмы (среди которых КТМ, БМВ) устанавливают их на свои машины серийно. Но никасиль, как, впрочем, и хром, не обладает достаточной способностью удерживать масляную пленку, поэтому на зеркало цилиндра наносят риски, в которых масло и задерживается. Металлокерамика, благодаря пористой структуре, всегда как бы "пропитана" маслом, а, значит, нет нужды в каких-либо рисках.

В 1993 году авторы технологии направили пару своих цилиндров для испытаний на Ирбитский завод "Уралмото". Целый год двигатель с ними "гоняли" вначале на стенде, затем в дорожных условиях. В итоге в институт пришел технический отчет, в которомподтверждались уникальные свойства металлокерамики. Максимальные обороты двигателя по сравнению с серийным выросли на 20%, мощность - на 15%. Казалось бы, самое время запустить продукцию в производство. Но металлокерамические цилиндры при всех своих достоинствах имеют один существенный недостаток - высокую цену. Вряд ли рядовой потребитель будет готов выложить за пару цилиндров, пусть даже самых замечательных, сумму, соизмеримую со стоимостью целого мотора.

Будет жаль, если новые цилиндры "не пойдут" в нашем мотопроме. Маркетологам, прогнозистам и другим специалистам торговли следовало бы выяснить, станет ли цена препятствием к широкому спросу. Ведь практика не раз доказала, что добротныеи долговечные товары, сколько бы они ни стоили, находят своих покупателей. А пока на том же "Уралмото" вовсю отливают старые добрые "чугунки". В то же время солидные зарубежные фирмы (в их числе, заметим, и БМВ) ведут с разработчиками из российского МИНГ переговоры о продаже технологии. И может статься, через несколько лет, разглядывая фотографии с какого-нибудь мотосалона, мы будем восторженно цокать языками, глядя на воплощенную за рубежом российскую техническую идею. Авторы технологии свое, конечно, получат. А российские мотоциклисты?

источник : мото 2/99 стр 16

oppozit.ru

Металлокерамика | Строительные материалы и технологии

Металлокерамика – это композитный материал, состоящий из металлических и керамических материалов. Металлокерамика идеально разработана для сочетания оптимальных свойств керамики, (твердость и устойчивость к высоким температурам) и металла (способность подвергаться пластичной деформации). Металл используется в качестве связующего элемента для оксида, борида или карбида.

В целом используются такие металлы, как никель, молибден и кобальт. В зависимости от физической структуры материала, металлокерамика также может быть композитом с металлической матрицей, но обычно в металлокерамике содержится меньше 20% металла от объема.

Металлокерамика используется в производстве резисторов (особенно, потенциометров), конденсаторов и других электронных компонентов, которые могут подвергаться воздействию высоких температур.

Металлокерамика используется вместо карбида вольфрама в пилах и других резцах с напайной пластиной благодаря своим превосходным свойствам устойчивости к износу и коррозии. Нитрид титана (TiN), карбонитрид титана (TiCN), карбид титана (TiC) и аналогичные соединения могут быть припаяны, как карбид вольфрама, при надлежащей подготовке, однако им требуется особая обработка во время шлифовки.

Используются и более сложные материалы, известные как металлокерамика 2 или металлокерамика II, так как они придают значительно более долгий срок работы режущим инструментам, помимо высокотемпературной пайки и шлифовки, как карбид вольфрама.

Некоторые виды металлокерамики также рассматриваются для применения в экранировании комических кораблей, так как они противостоят высокоскоростному воздействию микрометеоритов и орбитального мусора гораздо эффективнее традиционных материалов для космических летательных аппаратов, таких как алюминий и другие металлы.

История металлокерамики

После Второй мировой войны в США четко сознали необходимость в материалах, устойчивых к высоким температурам и высокому напряжению. Во время войны немецкие ученые разработали металлокерамику на основе оксида в качестве замены сплавов. Они решили это использовать в высокотемпературных участках новых реактивных двигателей, а также высокотемпературных турбинных лопаток.

Сегодня керамика в плановом порядке внедряется в часть сгорания реактивных двигателей, потому что она обеспечивает жаропрочную камеру. Также были разработаны керамические лопатки турбины. Эти лопатки легче стальных и позволяют ускорить компоновку. ВВС США увидели потенциал в технологии материала и стали первыми основными спонсорами различных исследовательских программ в США. Одними из первых университетов, где проводились исследования, стали Государственный Университет Огайо, Университет Иллинойса и Университет Ратджерса. Слово «металлокерамика» было фактически придумано в ВВС США. Идея состояла в том, что это будет комбинация двух материалов, металла и керамики. Базовые физические свойства металла включают ковкость, высокую прочность и высокую теплопроводность.

Керамика обладает такими базовыми физическими свойствами, как высокая точка плавления, химическая стабильность и, в особенности, устойчивость к окислению. Первый металлокерамический материал был разработан с использованием оксида магния (MgO), оксида бериллия (BeO) и оксида алюминия (Al2O3) для керамической части. Предыскажение на высокое сопротивление между напряжением и разрывом было около 980C. Государственный Университет Огайо стал первым местом, где была разработана металлокерамика на основе Al2O3 с высоким сопротивлением между напряжением и разрывом, около 1200C. «Kennametal», металлообрабатывающая и выпускающая инструменты компания, находящаяся в г. Латроуб, штат Пенсильвания, США, разработала первую металлокерамику из карбида титана с давлением 196 кг/см2 и сопротивлением между напряжением и разрывом при 980C. Реактивные двигатели работают при такой температуре; также инвестировались дальнейшие исследования по использованию этих материалов для компонентов. Контроль качества в изготовлении этих металлокерамических композитов было трудно стандартизировать. Производство приходилось удерживать на малых партиях, в пределах этих партий характеристики варьировались в огромной степени. Поломка материалов обычно являлась результатом неопределенных дефектов, обычно собирающихся вокруг ядра во время обработки.

Существующая технология в 1950-х достигла предела для реактивных двигателей, где могли бы быть сделаны небольшие усовершенствования. Впоследствии производители двигателей с неохотой развивали применение двигателей из металлокерамики. Интерес возобновился в 1960-х при более пристальном внимании к нитриду кремния и карбиду кремния. Оба материала обладают лучшей устойчивостью к тепловому удару, высокой прочностью и умеренной теплопроводностью.

Применение металлокерамики

Металлокерамические стыки и спаи

Металлокерамика была впервые широко использована для металлокерамических стыков. Сооружение вакуумных труб было одной из первых важных систем, где применялась электронная промышленность и развивались такие стыки. Немецкие ученые признали, что можно было бы производить вакуумные трубы с улучшенными характеристиками и надежностью, заменив керамикой стекло. Керамические трубы можно дегазировать при более высоких температурах. Благодаря высокотемпературным спаям керамические трубы противостоят более высоким температурам, чем стеклянные трубы. Керамические трубы также механически прочнее и менее чувствительны к тепловому удару, чем стеклянные трубы. Сегодня вакуумные трубы с покрытием из металлокерамики являются ключевым моментом для солнечных систем нагрева воды. Также используются металлокерамические механические спаи. Традиционно они использовались в топливных элементах и других устройствах, превращающих химическую, ядерную или термоионную энергию в электричество. Металлокерамические спаи требуются для изоляции электрических участков турбинных генераторов, разработанных для работы в коррозийных испарениях жидких металлов.

Биокерамика

Биокерамика играет всестороннюю роль в биомедицинских материалах. Развитие этих материалов и разнообразие техник изготовления расширили степень применения в теле человека. Они могут быть в форме тонких слоев на металлических трансплантатах, композитов с полимерным компонентом или просто пористой сети. Эти материалы отлично работают в человеческом теле по нескольким причинам. Они инертны, а так как они активны и способны рассасываться, материалы могут оставаться в теле без изменений. Они также могут растворяться и активно принимать участие в физиологических процессах, например, как гидроксилапатит, материал, химически аналогичный костной структуре, может интегрироваться и помогать кости врастать в него. Обычные материалы, используемые для биокерамики, включают окись алюминия, двуокись циркония, фосфат кальция, стеклокерамику и пиролитический углерод. Одним из важных применений биокерамики является операция по замене тазобедренного сустава. Тазобедренный сустав представляет собой многоосный шарик и углубление. Обычно для замены тазобедренного сустава использовались такие металлы, как титан, а углубление выстилалось обычно пластиком. Многоосный шарик был плотным шариком из металла, но его в итоге сменил керамический шарик с более долгим сроком службы. Это уменьшило придание шероховатости, вызванное металлической стенкой, пластиковому выстилающему слою искусственного углубления сустава. Использование металлокерамики продлило срок службы заменяемых частей тазобедренного сустава. Металлокерамика также используется, как материал для пломбирования и протезирования. Транспорт Керамические части использовались совместно с металлическими деталями, как фрикционный материал для тормозов и сцеплений.

Другие способы применения

В армии США и британской армии были проведены расширенные исследования в развитии металлокерамики. Они включали разработку легкого керамического противоснарядного снаряжения для солдат, а также брони Чобем. Металлокерамика также используется в механообработке на режущих инструментах. Кроме того, металлокерамика применяется в качестве кольцевого материала в высококачественных направляющих для удочек. Проводились исследования благоприятных свойств металлокерамики из обедненного расщепляемого материала (например, урана, плутония) и содалита для хранения радиоактивных отходов. Аналогичные композиты также исследовались на предмет использования в качестве источника топлива.

Источник: http://www.nazdor.ru/topics/medicine/western/current/468120/

material.osngrad.info

способ изготовления заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания с металлокерамическими вставками - патент РФ 2402413

Изобретение относится к области получения композиционных деталей в металлургическом машиностроении с помощью литья, литья в кокиль, литья с кристаллизацией под давлением, а также тиксолитья и тиксоштамповки. В инструмент устанавливают предварительно изготовленную металлокерамическую вставку. Затем производят формование корпуса и юбки поршня. В результате обеспечиваются расширение возможностей промышленного изготовления таких поршней на имеющемся оборудовании и повышение качества. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Рисунки к патенту РФ 2402413

Изобретение относится к области получения композиционных деталей в металлургическом машиностроении с помощью литья, литья в кокиль, литья с кристаллизацией под давлением, а также тиксолитья и тиксоштамповки, и может быть использовано при изготовлении различных композиционных изделий из цветных металлов и сплавов.

Литье композиционных деталей позволяет создать местное упрочнение, повышенную износостойкость, повысить технологичность изготовления отливок и получить в них новые свойства.

Аналогом заявляемого способа является используемый при производстве композиционных поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС) способ, при котором канавки для поршневых колец выполнены во вставках из более твердых материалов - легированных сталей или чугуна. Для обеспечения прочной связи с основным материалом поршня такую вставку предварительно прогревают, алитируют и заливают металлом, образующим основное тело поршня, в штампе или в кокиле (см., например, «Специальные способы литья». Справочник./Под ред. В.А.Ефимова, М., Машиностроение, 1991 г., с.669).

Продукция, изготовленная таким образом, получила широкое распространение в промышленности. Однако в связи с прогрессом в автомобилестроении для повышения коэффициента полезного действия двигателей проводятся работы по применению в поршнях металлокерамических вставок.

Известны способы изготовления композиционных металлокерамических деталей методом литья с кристаллизацией под давлением, в том числе с пропиткой и соединением отдельных составляющих элементов в одно целое.

Прототипом заявляемого способа является способ изготовления композиционных деталей методом литья с кристаллизацией под давлением, включающий установку пористой керамической вставки в рабочую камеру, формующую поршень, заливку в эту камеру жидкого металла, пропитку пористой вставки расплавом и кристаллизацию металла под давлением (см., например, Т.Н.Липчин. «Получение заготовок поршней литьем с кристаллизацией под давлением», издательство Томского университета, Пермское отделение, 1991 г., с.117).

Недостатками прототипа являются:

- повышенное отфильтровывание крупных составляющих сплава и скопление их по границе с пропитываемым материалом вставки;

- появление довольно значительной буферной зоны - границы с собственным химическим составом, отличающимся и от состава основного материала заготовки и от состава вставки, пропитанной жидкой субстанцией, отличающейся по химическому составу от основного материала заготовки;

- изменение механических свойств пропитывающего материала на границе с пропитываемой вставкой, что приводит к эффекту отслоения вставки от основного материала детали, а при механических нагрузках именно в этой зоне происходит разрушение заготовки.

Техническим результатом предлагаемого способа изготовления заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания с металлокерамическими вставками является устранение перечисленных выше недостатков за счет разделения операций по пропитке пористой керамической вставки расплавленным металлом и штамповке поршня в целом.

При этом на первом этапе производства поршня керамическую вставку предварительно изготавливают в отдельном штампе путем пропитки керамики расплавом металлов методом жидкой штамповки.

Такое предварительное приготовление металлокерамической вставки позволяет устранить нежелательную зону перехода от пропитывающего материала к керамике простой проточкой шайбы. Подбором пропитывающего материала достигаются повышенные механические свойства металлокерамической вставки. И, кроме того, отдельное приготовление металлокерамической вставки позволяет включить в нее другие элементы, улучшающие ее свойства, например ввести в нее нирезистовую вставку или вентиляционные кольца, позволяющие существенно улучшить работоспособность двигателя в целом. При этом появляется возможность применить ряд технических приемов, способствующих более прочному соединению вставки с металлом корпуса поршня, например выполнить углубления или глухие отверстия на торцевой поверхности вставки с обратной по отношению к юбке поршня конусностью боковых поверхностей, заполняющихся при операции штамповки поршня расплавом с образованием замковых соединений. На втором этапе производства поршня металлокерамическую вставку помещают в камеру, предназначенную для изготовления заготовки поршня, заполняют ее необходимым сплавом и изготавливают изделие известными способами: кокильным литьем, литьем под давлением, литьем с кристаллизацией расплава под давлением, тиксо- и реоштамповкой и др.

Технический результат предложенного способа достигается тем, что формование корпуса и юбки поршня осуществляют в инструменте в виде штампа для тиксо- или реоштамповки или в виде кокиля для кокильного литья или для литья под давлением, в который устанавливают предварительно изготовленную металлокерамическую вставку и производят формование корпуса и юбки поршня, при этом на торцевой поверхности вставок выполняют кольцевые углубления с обратной к юбке поршня конусностью боковых поверхностей, или на торцевой поверхности вставок выполняют глухие отверстия, а также в пористую керамическую вставку перед пропиткой ее расплавом устанавливают упрочняющие кольца.

Графические материалы по предложенному способу изготовления заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания с металлокерамическими вставками представлены на фиг.1-3, где:

- на фиг.1 приведена конструкция поршня с металлокерамической вставкой;

- на фиг.2 показан штамп для пропитки и сборки металлокерамической вставки;

- на фиг.3 изображен штамп (кокиль) для формования поршня.

Конструкция поршня двигателя внутреннего сгорания 1 с металлокерамической вставкой 2 представляет собой сборную единицу. В состав ее входит керамическая шайба 3, пропитанная металлом. Кроме того, в состав металлокерамической вставки 2 может входить нирезистовое кольцо 4 или другое (например, вентиляционное) кольцо, улучшающее работу поршня. Металлокерамическая вставка 2 соединяется с остальной частью поршня для большей надежности замковым соединением 5, представляющим собой кольцевые углубления или ряд глухих отверстий на ее торцевой поверхности с обратной по отношению к юбке поршня конусностью боковых поверхностей.

Штамп для формования металлокерамической вставки представляет собой устройство, включающее матрицу 6, пуансон 7 и выталкиватель 8. Он предназначен для пропитки керамической шайбы 3 жидким металлом с кристаллизацией его под давлением. Одновременно с этой операцией на вставке 2 могут быть отформованы специальные соединительные элементы 5 и включены во вставку элементы 4, которые улучшают работу вставки.

В связи с тем, что металлокерамическая вставка 2 пропитана жидким металлом и отформована заранее, встраивание ее в поршень 1 не вызывает особых затруднений при изготовлении поршня в целом. Поэтому поршень с металлокерамической вставкой может быть получен не только с помощью методов, обеспечивающих возможность пропитки керамики жидким металлом, но и обычными методами - кокильным литьем, литьем под давлением, тиксо- и реоштамповкой.

Осуществление способа рассмотрим на примере штамповки заготовки поршня 1 с металлокерамической вставкой 2.

1. Размеры поршня - диаметр 140 мм; высота 150 мм.

2. Размеры металлокерамической вставки - диаметр 140 мм; высота 20 мм.

3. Материал поршня - алюминиевый сплав АК12М2МгН.

4. Материал керамической вставки - стекловолокна кварцевого состава (оксид кремния).

5. Температура расплава материала поршня - 720 740°C.

6. Температура керамической вставки перед пропиткой металлом - 850 900°C.

7. Температура штампа для штамповки металлокерамической вставки - 150 180°C.

8. Температура штампа для штамповки поршня - 180 200°C.

9. Температура металлокерамической вставки перед штамповкой поршня 500 550°C.

Для изготовления металлокерамической вставки нагретую пористую керамическую шайбу 3 помещают в штамп для сборки металлокерамической вставки. При необходимости в этот штамп дополнительно устанавливают нирезистовое кольцо 4, предварительно алитированное. Затем заливают расплав, предназначенный для пропитки керамики. С помощью пуансона 7 к поверхности расплава прикладывают давление, при котором происходят пропитывание и кристаллизация жидкой части металлокерамической вставки. Выталкивание готового изделия производят толкателем 8. Механообработкой доводят размеры полученной вставки до заданной величины, в том числе выполняют замковые соединения, предназначенные для более прочного соединения с металлом основного поршня 1. Полученная металлокерамическая вставка 2 используется для дальнейшего формования заготовки поршня. Для этого ее повторно нагревают и помещают в матрицу 9 штампа для формования поршня с металлокерамической вставкой. При жидкой штамповке в эту же матрицу заливают определенное количество расплава основного материала поршня. При твердожидкой штамповке закладывают порцию рео- или тиксозаготовки. Затем производят окончательную штамповку заготовки поршня.

Таким образом, использование способа изготовления заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания с металлокерамическими вставками позволяет:

- расширить возможность промышленного изготовления таких поршней на имеющемся в промышленности оборудовании;

- реализовать возможность изготовления таких поршней методами литья, кокильного литья, литья под давлением, тиксо- и реоштамповкой;

- получать заготовки поршней с более высоким качеством металлокерамической вставки;

- получать металлокерамические вставки повышенной сложности - с упрочняющими нирезистовыми и вентиляционными кольцами.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ изготовления заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания с металлокерамическими вставками, включающий изготовление металлокерамической вставки путем пропитки пористой керамической вставки расплавом, формование корпуса и юбки поршня с соединением их с металлокерамической вставкой, отличающийся тем, что формование корпуса и юбки поршня осуществляют в инструменте в виде штампа для тиксо- или реоштамповки или в виде кокиля для кокильного литья или для литья под давлением, в который устанавливают предварительно изготовленную металлокерамическую вставку и производят формование корпуса и юбки поршня.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при изготовлении металлокерамических вставок на их торцевой поверхности выполняют кольцевые углубления с обратной по отношению к юбке поршня конусностью боковых поверхностей.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при изготовлении металлокерамических вставок на их торцевой поверхности выполняют глухие отверстия.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в пористую керамическую вставку перед пропиткой ее расплавом устанавливают упрочняющие кольца.

www.freepatent.ru


Смотрите также