Содержание к диссертации
Введение
L Состояние вопроса, цель и задачи исследований 17
1.1. Анализ надежности прецизионных деталей топливной аппаратуры (ТА) дизелей 17
1.2. Механизм изнашивания прецизионных деталей топливоподающей аппаратуры 20
1.3. Способы восстановления прецизионных пар и их краткая характеристика 31
1 4. Требования к поверхностной твердости и коррозионной стойкости рабочих поверхностей прецизионных деталей 35
1.5. Требования к технологии механической обработки прецизионных деталей 37
1.6. Цель и задачи исследований 41
2. Теоретические основы восстановления и упрочнения деталей диффузионной металлизацией 44
2.1. Механизм абразивного изнашивания прецизионных деталей ТА 44
2.2. Механизм образования диффузионного слоя 57
2.3. Теоретическое обоснование изменения приращения линейных размеров деталей при диффузионной металлизации 65
2.4. Критическая толщина диффузионного покрытия при упрочнении и восстановлении прецизионных деталей 83
2.5. Моделирование абразивного изнашивания прецизионных деталей с диффузионным покрытием 86
2.6. Теоретические предпосылки к обоснованию режимов механической обработки прецизионных деталей с диффузионными покрытиями 105
2.7. Определение минимального припуска на доводку прецизионных деталей после упрочнения и восстановления диффузионной металлизацией 119
2.8. Производительность процесса при доводке плунжерных пар 122
3. Методика исследования 128
3.1.Программа и общая методика 128
3.2.Оборудование и материалы для диффузионной металлизации в вакууме 132
3.3. Методика выбора режимов диффузионной металлизации с применением теории планирования многофакторного эксперимента 133
3.4. Определение качества диффузионных покрытий 137
3.5. Определение размеров и форм прецизионных деталей 139
3.6. Методика ускоренных стендовых и эксплуатационных испытаний топливных насосов 142
4. Восстановление и упрочнение прецизионных деталей диффузионной металлизацией 149
4.1. Определение необходимой толщины приращения слоя для прецизионных деталей 149
4.2. Восстановление и упрочнение деталей однокомпонентной диффузионной металлизацией 155
4.3. Влияние режимов диффузионного хромирования на изменение линейных размеров деталей и шероховатость поверхностей 159
4.4.Восстановление и упрочнение прецизионных деталей диффузионным хромированием 162
4.5. Восстановление и упрочнение деталей машин диффузионным титанированием 174
4.6. Восстановление и упрочнение прецизионных деталей из алюминиевых сплавов металлизацией 180
4.7. Восстановление и упрочнение прецизионных деталей машин и аппаратуры комплексной диффузионной металлизацией 185
4.7.1. Восстановление и упрочнение прецизионных деталей диффузионным борохромированием 187
4.7.2. Восстановление и упрочнение прецизионных деталей диффузионным бороникелированием 198
4.7.3. Восстановление и упрочнение прецизионных деталей диффузионным борохромоникелированием 203
5. Механическая обработка прецизионных деталей, восстановленных и упрочненны диффузионной металлизацией 213
5.1. Механическая обработка втулок прецизионных пар, восстановленных и упрочненных диффузионной металлизацией 215
5.2. Обработка плунжера после диффузионной металлизации 221
5.3.Точность геометрических параметров плунжера и втулок после механической обработки 228
6. Работоспособность деталей машин и аппаратуры, восстановленных и упрочненных диффузионной металлизацией 237
6.1. Триботехнические свойства диффузионных покрытий 237
6.2. Термическая обработка деталей с диффузионными покрытиями 244
6.3. Исследование несущей способности покрытия 247
6.4. Коррозионная стойкость деталей с диффузионными покрытиями 249
6.5. Результаты ускоренных стендовых и эксплуатационных испытаний 250
6.5.1. Результаты ускоренных стендовых испытаний 250
6.5.2. Анализ износа деталей после испытаний 257
6.6. Результаты эксплуатационных испытаний 264
7. Экономическая эффективность и внедрение результатов исследования 266
7.1. Расчет экономической эффективности от внедрения технологического процесса восстановления прецизионных деталей топливной аппаратуры диффузионной металлизацией 266
7.2. Внедрение результатов работы 276
7.3. Технологические рекомендации производству 277
Общие выводы и рекомендации 283
Список использованной литературы 287
Приложения305
- Механизм изнашивания прецизионных деталей топливоподающей аппаратуры
- Механизм образования диффузионного слоя
- Методика выбора режимов диффузионной металлизации с применением теории планирования многофакторного эксперимента
- Восстановление и упрочнение деталей машин диффузионным титанированием
Введение к работе
Реформирование промышленности Азербайджанской Республики предусматривает переход к рыночной экономике с многообразием форм собственности и хозяйствования. Развитие предпринимательства и процесс приватизации государственной собственности стимулирует укрепление и развитие сервисных предприятий. Наряду с этим предусматривается существенное повышение надежности и ресурса машин, всемерное развитие фирменного ремонта и технического обслуживания силами изготовителей сложной и особо сложной техники, находящейся в эксплуатации.
Всемерная экономия топливно-энергетических ресурсов страны - одна из важнейших современных проблем. Основными потребителями нефтепродуктов были и остаются двигатели внутреннего сгорания, которые, обладая рядом известных преимуществ, сохранят свое значение как энергетические установки мобильной техники и в ближайшем будущем.
Потребление топлива и масла в процессе эксплуатации не остаются постоянными, а увеличиваются. Это происходит в результате износа деталей двигателей, нарушения регулировок сборочных единиц, изменения условий и режимов эксплуатации. Из практики известны различные решения, позволяющие повысить износостойкость деталей и сборочных единиц: применение более износостойких материалов, улучшение качества топлива и масел, стабилизация скоростных, нагрузочных и тепловых режимов работы двигателя. Однако, в любом случае конкретные причины, приводящие к преждевременным отказам подлежат детальному исследованию.
В послеремонтный период стабильность показателей экономичности, потребления топлива и масла за срок службы двигателей, целиком определяются совершенством технологии ремонта и восстановления деталей и сборочных единиц двигателя, условиями эксплуатации и технического обслуживания.
В последнее время четко наметилась тенденция перехода к полной дизе-лизации всей мобильной техники, включая грузовые и легковые автомобили,
что объясняется рядом причин, среди которых основными являются: более высокая экономичность дизелей, их высокая долговечность, относительно меньшая токсичность, возможность дальнейшего улучшения технико-экономических показателей за счет их форсирования. При этом наряду с количественным ростом техники увеличивается ее энергонасыщенность за счет применения новых и модернизированных дизелей высокой удельной мощности. Применение таких дизелей позволяет повысить производительность труда, что особенно важно.
От технического совершенства и состояния систем дизельного двигателя во многом зависит работоспособность топливных насосов. Повышение работоспособности системы топливоподачи представляет собой важнейшую теоретическую и практическую задачу, от решения которой зависят как надежность двигателя, так и его экономичность. Если для новых двигателей решение этой задачи нужно искать в совершенствовании рабочего процесса, конструкции, технологии изготовления и технического обслуживания, то при ремонте двигателей, решение может быть найдено на основе совершенствования технологического процесса ремонта, восстановления деталей и технического обслуживания в эксплуатации.
Основной путь повышения долговечности дизелей при ремонте - совершенствование существующих и применение новых технологических процессов восстановления деталей. Необходимо учитывать, что ведущим видом изнашивания большинства деталей дизеля является абразивное изнашивание. Это, в первую очередь, относится к прецизионным деталям топливной аппаратуры. Трение и износ деталей топливной аппаратуры, распылителей форсунок происходят в условиях повышенных температур и воздействия химически активной среды, содержащей механические примеси.
Топливная аппаратура - более сложная и дорогостоящая часть современного дизеля (составляющая до 30% его стоимости), оказывает существенное влияние на надежность и экономичность двигателя в целом. Сложность топ
ливной аппаратуры предъявляет высокие требования к ее изготовлению, ремонту и высокоэффективному обслуживанию в процессе эксплуатации. Прежде всего это обусловлено наличием в ее конструкции прецизионных элементов, изготовленных с высокой точностью.
Изготовление и ремонт прецизионных деталей требуют специального высокоточного оборудования и ртнструмента, специальных материалов и высокой квалификации рабочих. В связи с этим проведение фирменного ремонта топливной аппаратуры является прогрессивным моментом в организации нормальной эксплуатации мобильной техники с дизельными двигателями и отвечает программным требованиям.
В настоящее время перед машиностроительными заводами поставлена задача - увеличить ресурс топливной аппаратуры (ТА) до 10... 12 тыс. мото-ч. Естественно, что послеремонтный ресурс ТА должен быть не ниже 8,..10 тыс. мото-ч, а в условиях фирменного ремонта - соответствовать новому. Такое увеличение ресурса должно привести к сокращению расхода запасных частей и уменьшению затрат на техническое обслуживание ТА. Однако, решение данного вопроса, как показывают исследования, сдерживается низкой износостойкостью деталей и сопряжений ТА, прежде всего прецизионных.
Увеличение долговечности прецизионных деталей за счет применения новых износостойких материалов не реально, так как эти детали в настоящее время и так изготавливают из достаточно дорогостоящих и дефицитных сталей (ШХ15; ХВГ; 18Х2Н4ВА; Р18; 25Х5МА).
Решение вопроса, как показали предварительные исследования, лежит в области применения износостойких покрытий диффузионной металлизацией на основе насыщения сталей хромом или титаном, бором и комплексом элементов. При этом метод можно использовать не только как средство упрочнения рабочих поверхностей прецизионных деталей, но и как средство восстановления деталей.
Вместе с тем, вопрос восстановления прецизионных деталей топливной
аппаратуры до настоящего времени не решен полностью. Это относится как к
способу нанесения покрытий, так и к технологии механической обработки прецизионных деталей с твердыми диффузионными покрытиями.
Диффузионная металлизация сталей позволяет значительно увеличить износостойкость деталей, в условиях абразивного изнашивания за счет получения карбидных, нитридных и комплексных покрытий, обладающих широким спектром физико-механических и эксплуатационных свойств. Весьма важно, что наряду с повышением износостойкости, методами диффузионной металлизации можно повысить и коррозионную стойкость деталей.
Диффузионная металлизация (в том числе титанирование и хромирование) в настоящее время нашла применение для упрочнения режущего, штампового, мерительного инструментов, защиты деталей от коррозии в агрессивных средах (морской воде, кислотах, щелочах), повышения жаропрочности некоторых сплавов (например, алитирование лопаток газовых турбин) и др.
Однако вопрос применения методов диффузионной металлизации для восстановления деталей пар трения дизелей, работающих в условиях абразивного изнашивания и повышенной температуре, исследован не достаточно.
В связи с этим, в настоящей работе поставлены две основные задачи: разработать научные основы, раскрывающие возможности применения методов диффузионной металлизации для восстановления и упрочнения деталей и сопряжений (пар трения скольжения) дизелей; разработать новый технологический процесс восстановления деталей на основе диффузионного насыщения стальных деталей титаном и хромом, бором и комплексом элементов. Решение последней задачи дано в полном объеме применительно к прецизионным деталям дизельной топливной аппаратуры.
Исследовательская работа по восстановлению и упрочнению прецизионных пар выполнялись на кафедре ремонта машин и надежности МГАУ им. В.Г.Горячкина, в лаборатории "Прогрессивная технология" Азербайджанского Технического Университета и в Московском Государственном Социальном
Университете (МГСУ). Механическая обработка, микрометраж и стендовые
испытания проводились в условиях Ногинского завода топливной аппаратуры.
Цель работы. Повышение работоспособности машин и аппаратуры путем совершенствования технологических процессов восстановления и упрочнения деталей способами диффузионной металлизации, отличающихся высокой производительностью, экономичностью и экологической чистотой.
Научные положения и результаты работы, выносимые на защиту:
1. обоснование и моделирование абразивного износа прецизионных деталей;
2. разработка научных основ применения диффузионной металлизации, как метода восстановления и повышения долговечности пар трения скольжения (на примере топливной аппаратуры);
3. новый технологический процесс восстановления прецизионных деталей дизельной топливной аппаратуры диффузионной металлизацией;
4. теоретические предпосылки к вопросу механической обработки прецизионных деталей с диффузионными покрытиями;
5 новый технологический процесс механической обработки диффузионных покрытий восстановленных деталей;
6. результаты экспериментальных исследований, ускоренных стендовых и эксплуатационных испытаний для оценки разработанных способов восстановления и упрочнения прецизионных деталей;
7. рекомендации по применению предлагаемых разработок, обеспечивающих повышение работоспособности отремонтированных машин и аппаратуры и их экономическая оценка.
Объектом исследований являлись прецизионные детали топливных насосов типа УТН, 4УТНМ, НД, ЯЗТА и топливных насосов судовых двигателей, а также распылители форсунок.
Общая методика исследования включает: моделирование абразивного износа прецизионных деталей; анализ и выбор методов их восстановления; обоснование вновь разрабатываемого метода; теоретическое обоснование увеличения толщины диффузионного слоя и величины приращения линейных размеров
деталей; теоретическое исследование возможности получения комплексных
диффузионных покрытий; исследование и разработка режимов диффузионной металлизации; теоретический анализ обрабатываемости диффузионных покрытий с выбором режимов и способов механической обработки прецизионных деталей; исследование физико-механических, триботехнических, технологических и эксплуатационных свойств восстановления прецизионных деталей; технико-экономическая оценка разработанного метода восстановления.
Достоверность полученных результатов подтверждена применением современного оборудования, аппаратуры и приборов для экспериментальных исследований, обработкой результатов экспериментов методами математической статистики с использованием ЭВМ, сравнением с отдельными результатами других авторов.
Научная новизна работы заключается в следующих полученных результатах:
- теоретически обоснован и экспериментально исследован метод диффузионной металлизации, как способ восстановления и упрочнения деталей машин и аппаратуры;
- изучен механизм абразивного изнашивания и предложена новая модель абразивного износа восстановленных и упрочненных прецизионных деталей;
- определена аналитическая зависимость изменения приращения линейных размеров деталей при диффузионной металлизации и впервые определена критическая толщина диффузионного покрытия;
- оптимизированы режимы диффузионного насыщения, обеспечивающие наибольшее приращение линейных размеров;
- теоретически исследована кинематика абразивной частицы при механической обработке и влияние характеристики абразива на микрорезание диффузионных покрытий;
- теоретически обоснованы и экспериментально определены: минимальный припуск, режимы и материалы для механической обработки прецизионных деталей с высокотвердыми диффузионными покрытиями;
- изучены триботехнические, физико-механические и эксплуатационные
характеристики полученных диффузионных покрытий.
Практическая ценность работ заключается в разработке новых способов восстановления и упрочнения деталей дизельной топливной аппаратуры, позволяющих решить проблему повышения работоспособности дизельной ТА, уменьшения потребления расходов запасных частей и материалов.
Установлено, что применение восстановленных и одновременно упрочненных прецизионных деталей топливных насосов с диффузионной металлизацией увеличивает их ресурс до 14 тыс. мото-ч.
Пути реализации работы.
Разработанная технология восстановления и упрочнения прецизионных деталей топливных насосов внедрена на Ногинском заводе топливной аппаратуры, Зарайском механическом заводе, Судоремонтном производственном объединении "Каспморсудоремонт", Опытно-экспериментальном заводе. Техническая документация передана для внедрения во Всесоюзный научно-исследовательский институт по восстановлению изношенных деталей (ВНИИ-ВИД), в НПО «Норд» и ПО «Азеригаз» (г. Баку), в Бакинское авиационное производственное объединение и Сураханский машиностроительный завод.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на:
- научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов Азербайджанского Технического Университета и Московского Государственного Агроинженерного Университета в 1984....2001 гг.;
- Московской и Варшавской выставках «Научно-техническое творчество молодежи» НТМ-84;
- международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию академика Грузинской академии наук Лоладзе Теймураза Николаевича в 2000 г.;
- расширенном семинаре Координационного Совета по машиностроению и кафедры «Технология ремонта машин и надежности» Азербайджанского Технического Университета. Публикации. По теме диссертации опубликованы 38 работ, в том числе две монографии. Получены два положительных решения по заявкам на изобретения: на вакуумный способ диффузионной металлизации и состав порошковой смеси для диффузионной металлизации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 304 страницах машинописного текста, содержит 89 рисунков, 27 таблиц, библиографию из 234 наименований и 20 приложений.
Механизм изнашивания прецизионных деталей топливоподающей аппаратуры
Под изнашиванием понимают процесс постепенного изменения размеров детали, происходящий при трении. Процессы, сопровождающие изнашивание, крайне разнообразны. В различных условиях они проявляются по-разному и зависят от многочисленных внешних и внутренних факторов.
Причинами, вызывающими один или несколько видов изнашивания, могут быть: конструктивные особенности деталей соединения, точность их геометрических форм, твердость механических примесей, величина технологического зазора в соединении и др. Одной из причин интенсификации процесса трения и износа контактирующих поверхностей является уменьшение толщины смазочного слоя, т.е. когда унос топлива из зазора превышает ее поступление. Это приводит к нарушению сплошности пленки смазки (в данном случае топлива), приводящее к возникновению сил молекулярного сцепления между контактирующими поверхностями [149,150]. При этом происходит изнашивание при заседании, приводящее к схватыванию и как следствие, к повышению износа [144].
Наличие в топливе механических примесей, которые не задерживаются системой фильтрации, приводит к абразивному изнашиванию. Абразивные частицы, заклиниваясь между рабочими кромками плунжера и втулки, производят резание (царапание) рабочих поверхностей деталей плунжерных пар.
Отмечается гидроабразивное и гидроэрозионное изнашивание вследствие перетекания топлива с периодическим изменением направления при достаточно высоких скоростях. Абразивные частицы, находящиеся в топливе, ускоряют процесс гидроэрозионного износа. Этот вид изнашивания наблюдается на участке кромки плунжера и в зоне перепускного отверстия втулки.
Так как абразивное изнашивание сопровождается химическим взаимодействием со средой, то имеют и все отличительные признаки коррозионно-механического изнашивания, вызываемого, главным образом, воздействием серы и воды, находящихся в топливе.
В работе [218] автор полагает, что детали ТА, в том числе и плунжерные пары, подвергаются также кавитационному изнашиванию вследствие значительного перепада давления в области отсечной кромки в момент открытия перепускного окна втулки. Представляется, что явление кавитации может иметь место в области отсечной кромки спирали плунжера и перепускного отверстия втулки и проявляется совместно с гидроабразивным и гидроэрозионным изнашиванием; поэтому отдельно кавитационное изнашивание практически не обнаруживается.
Из всего комплекса видов изнашивания следует выделить ведущий. Многочисленными исследованиями [14, с. 59-60], [69,132,133,190] установлено, что для плунжерных пар ведущим является абразивное изнашивание твердыми частицами, не задерживаемыми системой фильтрации. В работе [44] исследовались пробы дизельного топлива из головок топливных насосов у тракторов Т-40 и МТЗ-50, находящихся в рядовой эксплуатации, одновременно определялось техническое состояние фильтров тонкой очистки. Количество частиц со средним размером в поперечнике от 6 до 9 мкм достигало 15% от общего числа, 85% составляли частицы размером до 6 мкм. Эти данные относятся к тракторам, топливные фильтры которых находятся в нормальном состоянии.
Наличие механических примесей в топливе отчасти объясняется запыленностью воздуха. Микротвердость минеральных частиц, входящих в состав почв (основного источника пыли), находится в пределах 6500...21000 МПа, в том числе у кварца она составляет 10500... 11300 МПа [77,78]. При этом микротвердость поверхностей прецизионных деталей (азотированных) не превышает 10500..11500 МПа. Минералогический состав пыли, показывает, что основной составляющей является кварц, твердость которого составляет 7 единиц по шкале Mooca. Это несколько выше твердости натриевого и калиевого полевых пшатов (около 6,15 единиц по шкале Мооса) [203, с. 131; 143].
Поэтому для повышения долговечности плунжерных пар, наряду с повышением качества очистки топлива, следует увеличить сопротивление трущихся прецизионных поверхностей износу под воздействием абразивных частиц.
Процесс изнашивания прецизионных деталей достаточно подробно описан в ряде работ [7,94,95,96,218]. В работах последних лет [54, с. 24] процесс изнашивания описывается следующим образом. Основная масса абразивных частиц размерами 2...3 мкм не может вызвать «строгального» эффекта. Износ вызывается пластическим оттеснением или передеформированием закаленной стали и является результатом малоцикловой усталости [35,66]. При такте нагнетания в результате деформации втулки и увеличения ее диаметра в зазор попадают частицы размером до 8 мкм. Такие частицы попадают лишь в конце активного хода плунжера, когда развиваемое давление топлива и деформация втулки максимальны. Проникший в зазор абразив на небольшом пути своего перемещения дробится и постепенно изнашивает плунжер у торца (и соответствующую поверхность втулки). По мере изнашивания в зазор поступают более крупные частицы. С увеличением зазора возрастает скорость перетекания топлива и интенсивность абразивного изнашивания возрастает.
Несколько иначе обстоит дело с топливоподкачивающим насосом. Основными причинами отказов прецизионных деталей подкачивающих насосов являются абразивное и коррозионно-механическое изнашивание [13, с. 115-127]. Топливоподкачивающие насосы, в отличие от ТНВДЭ устанавливаются в линии низкого давления сразу после фильтра грубой очистки, тонкость отсева примесей у которого по размеру частиц не более 75 мкм. Фильтры такого типа способны пропускать до 55% механических примесей и 25% воды [44]. В обводненном топливе резко возрастает скорость коррозии металлов, особенно в случае выделения воды в виде отдельной фазы, в которой накапливаются агрессивные вещества. Коррозионные процессы протекают при этом по химическо му, электрохимическому и биохимическому механизмам. Поверхностному коррозионному разрушению в обводненном топливе подвергаются даже легированные стали, из которых обычно изготавливают наиболее ответственные детали. Малолегированные стали могут корродировать в течение нескольких часов, хотя в обезвоженном топливе коррозии может и не быть. Поэтому к механическим примесям в дизельном топливе добавляются и продукты коррозии металлов ТА, степень загрязнения которыми зависит от температуры и содержания в топливе активных сернистых соединений и воды, коррозионной стойкости деталей и элементов топливной системы. Таким образом, можно отметить, что детали основных сопряжений поршневых топливоподкачивающих насосов работают в достаточно тяжелых условиях и не достаточно защищены от воздействия абразивных частиц и коррозии.
Работоспособность бесштифтовых распылителей в основном зависит от следующих факторов: износа и закоксовывания распыливающих отверстий; износа и биения запирающих конусов иглы и корпуса распылителя; износа направляющей иглы и корпуса распылителя, потери подвижности иглы [6, с. 85-90], [82]. Износ и закоксовывание распыливающих отверстий носят двойственный характер. Износ распыливающих отверстий является результатом наличия в топливе абразивных частиц. Высокая скорость его истечения из распыливающих отверстий приводит к изнашиванию, в особенности скругленню, входных кромок. Наиболее интенсивно этот процесс протекает в первые 50...200 часов работы распылителя [82], [196, с. 62-70], что приводит к увеличению пропускной способности форсунки. Закоксовывание является результатом образования в процессе работы на стенках распыливающих отверстий и поверхности носика корпуса распылителя отложений в виде лаковых пленок и кокса. Закоксовывание распылителей уменьшает эффективное проходное сечение распыливающих отверстий, ухудшает качество распыливания и распределения топлива в цилиндре, повышает неравномерность распыливания топлива по цилиндрам двигателя, и как следствие, снижает технико-экономические показа
Механизм образования диффузионного слоя
Под изнашиванием понимают процесс постепенного изменения размеров детали, происходящий при трении. Процессы, сопровождающие изнашивание, крайне разнообразны. В различных условиях они проявляются по-разному и зависят от многочисленных внешних и внутренних факторов.
Причинами, вызывающими один или несколько видов изнашивания, могут быть: конструктивные особенности деталей соединения, точность их геометрических форм, твердость механических примесей, величина технологического зазора в соединении и др. Одной из причин интенсификации процесса трения и износа контактирующих поверхностей является уменьшение толщины смазочного слоя, т.е. когда унос топлива из зазора превышает ее поступление. Это приводит к нарушению сплошности пленки смазки (в данном случае топлива), приводящее к возникновению сил молекулярного сцепления между контактирующими поверхностями [149,150]. При этом происходит изнашивание при заседании, приводящее к схватыванию и как следствие, к повышению износа [144].
Наличие в топливе механических примесей, которые не задерживаются системой фильтрации, приводит к абразивному изнашиванию. Абразивные частицы, заклиниваясь между рабочими кромками плунжера и втулки, производят резание (царапание) рабочих поверхностей деталей плунжерных пар.
Отмечается гидроабразивное и гидроэрозионное изнашивание вследствие перетекания топлива с периодическим изменением направления при достаточно высоких скоростях. Абразивные частицы, находящиеся в топливе, ускоряют процесс гидроэрозионного износа. Этот вид изнашивания наблюдается на участке кромки плунжера и в зоне перепускного отверстия втулки.
Так как абразивное изнашивание сопровождается химическим взаимодействием со средой, то имеют и все отличительные признаки коррозионно-механического изнашивания, вызываемого, главным образом, воздействием серы и воды, находящихся в топливе.
В работе [218] автор полагает, что детали ТА, в том числе и плунжерные пары, подвергаются также кавитационному изнашиванию вследствие значительного перепада давления в области отсечной кромки в момент открытия перепускного окна втулки. Представляется, что явление кавитации может иметь место в области отсечной кромки спирали плунжера и перепускного отверстия втулки и проявляется совместно с гидроабразивным и гидроэрозионным изнашиванием; поэтому отдельно кавитационное изнашивание практически не обнаруживается.
Из всего комплекса видов изнашивания следует выделить ведущий. Многочисленными исследованиями [14, с. 59-60], [69,132,133,190] установлено, что для плунжерных пар ведущим является абразивное изнашивание твердыми частицами, не задерживаемыми системой фильтрации. В работе [44] исследовались пробы дизельного топлива из головок топливных насосов у тракторов Т-40 и МТЗ-50, находящихся в рядовой эксплуатации, одновременно определялось техническое состояние фильтров тонкой очистки. Количество частиц со средним размером в поперечнике от 6 до 9 мкм достигало 15% от общего числа, 85% составляли частицы размером до 6 мкм. Эти данные относятся к тракторам, топливные фильтры которых находятся в нормальном состоянии.
Наличие механических примесей в топливе отчасти объясняется запыленностью воздуха. Микротвердость минеральных частиц, входящих в состав почв (основного источника пыли), находится в пределах 6500...21000 МПа, в том числе у кварца она составляет 10500... 11300 МПа [77,78]. При этом микротвердость поверхностей прецизионных деталей (азотированных) не превышает 10500..11500 МПа. Минералогический состав пыли, показывает, что основной составляющей является кварц, твердость которого составляет 7 единиц по шкале Mooca. Это несколько выше твердости натриевого и калиевого полевых пшатов (около 6,15 единиц по шкале Мооса) [203, с. 131; 143].
Поэтому для повышения долговечности плунжерных пар, наряду с повышением качества очистки топлива, следует увеличить сопротивление трущихся прецизионных поверхностей износу под воздействием абразивных частиц.
Процесс изнашивания прецизионных деталей достаточно подробно описан в ряде работ [7,94,95,96,218]. В работах последних лет [54, с. 24] процесс изнашивания описывается следующим образом. Основная масса абразивных частиц размерами 2...3 мкм не может вызвать «строгального» эффекта. Износ вызывается пластическим оттеснением или передеформированием закаленной стали и является результатом малоцикловой усталости [35,66]. При такте нагнетания в результате деформации втулки и увеличения ее диаметра в зазор попадают частицы размером до 8 мкм. Такие частицы попадают лишь в конце активного хода плунжера, когда развиваемое давление топлива и деформация втулки максимальны. Проникший в зазор абразив на небольшом пути своего перемещения дробится и постепенно изнашивает плунжер у торца (и соответствующую поверхность втулки). По мере изнашивания в зазор поступают более крупные частицы. С увеличением зазора возрастает скорость перетекания топлива и интенсивность абразивного изнашивания возрастает.
Несколько иначе обстоит дело с топливоподкачивающим насосом. Основными причинами отказов прецизионных деталей подкачивающих насосов являются абразивное и коррозионно-механическое изнашивание [13, с. 115-127]. Топливоподкачивающие насосы, в отличие от ТНВДЭ устанавливаются в линии низкого давления сразу после фильтра грубой очистки, тонкость отсева примесей у которого по размеру частиц не более 75 мкм. Фильтры такого типа способны пропускать до 55% механических примесей и 25% воды [44]. В обводненном топливе резко возрастает скорость коррозии металлов, особенно в случае выделения воды в виде отдельной фазы, в которой накапливаются агрессивные вещества. Коррозионные процессы протекают при этом по химическо му, электрохимическому и биохимическому механизмам. Поверхностному коррозионному разрушению в обводненном топливе подвергаются даже легированные стали, из которых обычно изготавливают наиболее ответственные детали. Малолегированные стали могут корродировать в течение нескольких часов, хотя в обезвоженном топливе коррозии может и не быть. Поэтому к механическим примесям в дизельном топливе добавляются и продукты коррозии металлов ТА, степень загрязнения которыми зависит от температуры и содержания в топливе активных сернистых соединений и воды, коррозионной стойкости деталей и элементов топливной системы. Таким образом, можно отметить, что детали основных сопряжений поршневых топливоподкачивающих насосов работают в достаточно тяжелых условиях и не достаточно защищены от воздействия абразивных частиц и коррозии.
Методика выбора режимов диффузионной металлизации с применением теории планирования многофакторного эксперимента
Для исследования процесса диффузионной металлизации при комплексном взаимодействии основных технологических параметров и установления степени их влияния на прирост диффузионного слоя и качество поверхности использовалась теория планирования эксп римента (метод Бокса-Уилсона) [103,115,188]. 134 За функцию отклика принимается величина приращения диффузионного слоя и шероховатость поверхности. Для установления математической зависимости приращения слоя Л и изменения шероховатости поверхности Ra при диффузионной металлизации от режимов восстановления реализуется полный факторный эксперимент (ПФЭ) типа 2 .
Границы варьирования факторов определялись на основании предварительных исследований. Для каждого фактора выбирали основной уровень и интервалы варьирования (табл. 3.1).
Изучалось влияние следующих основных факторов процесса: время выдержки при рабочей температуре - г, температура диффузионного процесса - ty размер хромового порошка -
Учитывая принятые в литературе по планированию экспериментов обозначения, величины А и Ra в дальнейшем целесообразно записывать в виде уА иу .
Для удобства записи условий эксперимента и обработки экспериментальных данных уровни факторов кодируют. В кодированном виде верхний уровень обозначается +1, нижний -1, а основной 0. Кодированные значения факторов определяются по выражению (3.1). где Xt - кодированное значение /-го фактора; х, - натуральное значение /-го фактора; xio - натуральное значение основного уровня /-го фактора; у{ -интервал варьирования /-го фактора; / - номер фактора. для числа степеней свободы /я-1=2, знаменателя N=8 и выбранного уровня зна # чимости а =0э05, то дисперсии однородны. где у І - среднее арифметическое значение функции отклика в /-ом опыте; значение функций отклика, вычисленное по модели для условий /-го опы 4f та;/- число степеней свободы. f=N- k+l), где /: - число факторов.
Если значение Fp Fm, для принятого уровня значимости и соответственных чисел степеней свободы, =0,05, то модель считают адекватной
Контроль образцов и деталей производили после распаковки контейнера и 0 очистки деталей от остатков порошка. В зависимости от конкретных задач экс перимента были различны и виды контроля диффузионных покрытий от визуального осмотра до исследования субмикроструктур. О нормально прошедшем процессе после диффузионного хромирования в вакууме свидетельствовали светло-серый или блестящий цвет деталей. На нарушения в технологическом процессе указывало появление на деталях различных черных пятен, цветов побежалости, пор и раковин. Общую оценку качества проводили путем визуального осмотра образцов w деталей.
При металлографических исследованиях шлифов контрольных деталей и 138 образцов определяли общую толщину слоя и его твердость. Контроль поверхностной твердости и осмотр их при небольшом увеличении (до X 10) входил в оценку качества контрольных деталей и образцов. Сплошность внешней зоны диффузионного слоя определяли химическим травлением, опуская образцы на 20...30 мин в 30%-ный раствор азотной кислоты. Участки, у которых нарушена сплошность, окрашивались в коричневый цвет.
Металлографические исследования. Металлографическому анализу подвергались микрошлифы, выполненные из образцов или контрольных деталей. Все микрошлифы были приготовлены по стандартной методике. Они имели прямой и косой срезы к упрочненной поверхности [201].
Для металлографического исследования применяли оптическую систему твердомера ПМТ-ЗМ, металлографический микроскоп МИМ-8.
Измерение твердости и микротвердости деталей. В соответствии с ГОСТ 9013-59 производили исследования твердости методом Роквелла на твердомере ТКС-1М путем вдавливания в исследуемую поверхность алмазного конуса с углом при вершине 120 при нагрузках 150 Н и 300 Н. По показаниям шкалы «А» прибора ТКС-1М определяли твердость. Для перевода полученных величин в HRC использовали таблицы.
В соответствии с ГОСТ 9450-76 производили измерения микротвердости на твердомере ПМТ-ЗМ путем вдавливания алмазной пирамиды с углом при вершине 136 при нагрузке 0,98 Н. По таблице «диагональ отпечатка - микротвердость», составленной после тарировки прибора, определяли величину микротвердости.
Рентгеноструктурный и спектральный анализы. Рентгеноструктурные исследования проводили на образцах из стали ХВГ, подвергнутых диффузионному парофазному хромированию в вакууме на различных режимах.
Состав фаз определялся на поверхности образцов (толщиной слоя до 6 мкм) при рентгенографировании на аппарате ДРОН-1 в излучении хрома. Полученные дифрактограммы промерялись и по ним вычислялись межплоскостные расстояния дифракционных линий, которые сравнивались с данными кар
Восстановление и упрочнение деталей машин диффузионным титанированием
Технический прогресс в машиностроении неразрывно связан с созданием новых покрытий, способных обеспечить надежность и долговечность деталей машин и аппаратуры, а также повышение их качества и эффективность работы в экстремальных условиях, обусловленных абразивным изнашиванием, коррозионным воздействием и другими факторами. Поэтому остро стоит проблема подбора таких материалов или покрытий, которые обеспечивали бы высокую стойкость деталей к абразивному изнашиванию, а также против коррозионного воздействия. Одним из эффективных способов решения таких задач является нанесение на поверхности деталей износостойких покрытий, в частности, диф фузионным титанированием.
Диффузионному титанированию подвергались образцы и детали из сталей ХВГ, ШХ15, 38Х2МЮА, 50Г, 40Х, ЗОХГСА, СТ45, У8, 18Х2Н4ВА, Р18, 25Х5МА, применяемых для производства деталей топливной аппаратуры, скважинных насосов и газоперекачивающей аппаратуры в условиях переменных нагрузок.
Оборудование и методы титанирования изложены в работе [177]. В целях повышения износостойкости и восстановления деталей машин был выбран газофазный метод. Этот способ насыщения титана может быть осуществлен как контактным, так и неконтактным методами. Вместе с тем из менение линейных размеров деталей в процессе диффузионной металлизации ф может быть использовано, как положительный эффект, для восстановления де талей машин при их ремонте.
Диффузионное титанирование было проведено в смеси состава: ферроти-тан (ФТи-30) - 70%; окись алюминия - 27%; хлористый алюминий - 30% [176]. Эксперименты проводились с использованием того же оборудования и оснастки, что и при газофазном хромировании. Диффузионное титанирование осуществляли при температуре 950-1200С, время выдержки варьировалось в пределах 2-8 часов.
Поверхностную твердость деталей и распределение микротвердости по-) крытий по толщине определяли на приборе ПМТ-ЗМ при нагрузке 0,98 Н.
Структуру поверхностных слоев определяли металлографическим и рентгенографическим методами. Состав фаз на поверхности образцов (толщина слоя до 6 мкм) определяли рентгенографированием на аппаратуре ДРОН-1 в излучении хрома. Для определения состава фаз образцы перед рентгенографированием шлифовали, снимая слой заданной толщины. На рис. 4.13, 4.14 показано изменение линейных размеров образцов из щ сталей ХВГ, 25Х5МА, Р18, 18Х2Н4ВА в зависимости от температуры и про должительности процесса газофазного контактного титанирования. Титаниро вание образцов производили контактным способом. После восьми часов титанирования при температуре 1100С изменение линейных размеров образцов составило: для стали ХВГ - 20 мкм, для стали 25Х5МА - 40 мкм, для стали Р18 - 16 мкм, для стали 18Х2Н4ВА - 30 мкм. Этого изменения диаметра образцов недостаточно для полного восстановления прецизионных деталей. 50 і 40 30 Ф Увеличение температуры процесса до 1200С приводит к существенному возрастанию производительности процесса. Повышение температуры до 1200С при титанировании приводит к ухудшению качества поверхности. Из-менение температуры оказывает большее влияние на приращение размеров деталей, чем время процесса.
Диффузионное титанирование азотированной стали 25Х5МА с прямым нагревом до температур 1000...1200С приводило не к увеличению, а к уменьшению линейных размеров образцов, что, как показали исследования, было вызвано высокой скоростью диффузии азота, превышающей скорость диффузии хрома. Увеличение линейных размеров было получено после предварительного отжига в вакууме при температурах 800 -850 С в течение 2 ч. ф Таким образом, проведенные исследования показали, что упрочнение и восстановление прецизионных деталей, выполненных из азотированной стали 25Х5МА можно проводить диффузионным титанированием контактным газовым способом, после предварительного отжига.
Проведенные исследования показали, что при контактном титанировании на поверхности деталей образуется титанированный слой карбида титана с микротвердостью 25000-32000 МПа, толщина которого зависит от температуры и времени насыщения. Изменение твердости по глубине диффузионного слоя на сталях после диффузионного титанирования показано на рис. 4.15. На поверхности слоя располагаются титаниды железа, микротвердость около 10.000 МПа, под ними карбиды титана - микротвердость 25000...32000 МПа, а далее - обезуглероженная зона с пониженной микротвердостью. Как видно из рис. 4.15 максимальную микротвердость имеют слои на глубине 5-10 мкм от поверхности покрытия. При увеличении глубины микротвердость уменьшается. На глубине 20-25 мкм микротвердость титанированного слоя равна микротвердости закаленных сталей, применяемых для изготовления серийных пре ф) цизионных деталей.
Рентгенографическим и металлографическим анализами установлено (рис. 4.16), что титан, осаждаясь на поверхность стальной детали, диффундирует вглубь, и в результате встречной диффузии из сердцевины изделия, на поверхности деталей в начальном периоде насыщения образует покрытие титанид-железо - FeTi и карбид титана. С увеличением продолжительности процесса появляется фаза FeTi, а диффузионный слой состоит из фаз FeTi2 и TiC.
