Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 8
1.1 Мероприятия и технологии в автомобилестроении, применяемые для защиты от коррозии... 9
1.2 Основные требования к параметрам качества поверхностного слоя материалов элементов двигателя внутреннего сгорания 17
1.2.1 Анализ режимов трения в цилиндропоршневой группе ДВС... 18
1.2.2 Современные способы снижения трения и износа трущихся деталей двигателей 25
1.3 Триботехнический анализ низкотемпературных химико-термических способов (НХТО) для решения задач повышения долговечности деталей в автомобилестроении 36
1.3.1 Газовое насыщение из атмосфер на основе азотсодержащих газов... 37
1.3.2 Азотирование при циклической подаче насыщающих атмосфер 50
1.3.3 Каталитическое газовое азотирование 52
1.4 Способы предварительной подготовки поверхности и финишной механо-термической обработки НХТО-слоев. ... 55
1.4.1 Материаловедческие способы подготовки поверхности к НХТО-насыщению. 56
1.4.2 Предварительная поверхностная пластическая деформация 63
1.4.3 Финишная обработка сталей, упрочненных НХТО 67
1.5 Постановка цели и задач исследования 71
2 Материалы и методика эксперимента 75
2.1 Обоснование базовых материалов для изнашивающихся деталей автомобилей и режимов их никотрирования. 75
2.2 Двухконтурная система автоматического регулирования соотношения газов и концентрации азота в никотрирующей атмосфере 82
2.3 Методы анализа структуры никотрированных слоев 90
2.3.1 Анализ микротвердости никотрированных слоев на сталях 92
2.3.2 Оценка фазового состава и пористости карбонитридного слоя... 92
2.3.3 Оценка напряженного состояния в никотрированном слое сталей 96
2.3.4 Электронно-микроскопическое исследование тонкой структуры никотрированных слоев 97
2.4 Методы анализа эксплуатационных свойств никотрированных слоев. 98
2.5 Основные выводы по главе 101
3 Закономерности структурообразования; карбон итридных слоев никотрированных улучшаемых конструкционных сталей с предварительным отжигом и окислением 103
3.1 Обоснование выбора рационального уровня азотного потенциала в никотрирующей атмосфере 105
3.2 Влияние технологических параметров никотрирования на геометрические и физические характеристики карбонитридного слоя 115
3.3 Влияние технологических параметров никотрирования на фазовый состав карбонитридного слоя и диффузионных зон 126
3.3.1 Фазовый состав карбонитридного слоя исследуемых никотрированных сталей 127
3.3.2 Влияние технологических факторов на фазовый состав карбонитридного слоя никотрированных сталей... 129
3.3.3 Анализ распределения нитридных фаз по толщине карбонитридного слоя 138
3.4 Основные выводы главы 143
4 Исследование триботехнических свойств структурно оптимальных никотрированных конструкционных сталей 145
4.1 Анализ остаточных макронапряжений в карбонитридных слоях 148
4.2 Анализ концентрационных микронапряжений в карбонитридных слоях 152
4.3 Разработка структурного критерия износостойкости карбонитридных слоев. 160
4.4 Исследования скорости изнашивания структурно оптимальных карбонитридных слоев никотрированных сталей 170
4.5 Исследования коэффициента трения скольжения структурно оптимальных карбонитридных слоев никотрированных сталей. 178
4.6 Основные выводыглавы. 189
Общие выводы. 191
Список использованных источников 194
Приложение
- Основные требования к параметрам качества поверхностного слоя материалов элементов двигателя внутреннего сгорания
- Двухконтурная система автоматического регулирования соотношения газов и концентрации азота в никотрирующей атмосфере
- Влияние технологических параметров никотрирования на геометрические и физические характеристики карбонитридного слоя
- Анализ концентрационных микронапряжений в карбонитридных слоях
Введение к работе
Одной из наиболее актуальных и важных задач современного машиностроения является повышение долговечности трущихся деталей машин. В связи с этим большую роль играют разработка и применение технологий поверхностного упрочнения стальных материалов, которые обеспечивали бы высокие триботехнические показатели ответственных деталей, работающих в жестких условиях изнашивания.
Необходимость разработки и исследования новых технологий поверхностного упрочнения деталей автомобилей обусловлена быстрым развитием в последние годы автомобилестроения» и в частности отраслевого двигателестроения, из-за связанного с этим ужесточения режимов эксплуатации по скоростным и силовым условиям целого ряда ответственных деталей трущихся сопряжений и возрастающих требований к их надежности и ресурсу. С целью увеличения триботехнической долговечности стальных деталей в машиностроении используется большое количество различных материал оведческих способов упрочнения, среди которых важное место занимает химико-термическая обработка.
Для повышения износостойкости и антифрикционности конструкционных сталей в последнее время находят применение низкотемпературные способы химико-термической обработки (НХТО) на основе процесса азотирования. Работа, проведенная ведущими отечественными и зарубежными научными школами в направлении повышения долговечности элементов узлов трения машин, доказала перспективность применения такого низкотемпературного химико-термического способа как никотрирование (газовое насыщение в атмосфере аммиака и эндогаза). Однако в автомобилестроении данный вид НХТО представлен весьма незначительно, что связано с относительно слабой изученностью структуры и свойств никотрированных покрытий применительно сталям, используемым для производства деталей автомобилей.
Изучением низкотемпературной химико-термической обработки, в частности процесса никотрирования, в нашей стране занимался ряд научных школ, и в первую очередь: Ю.М. Лахтина (МАДИ), Б.А. Арзамасова (МВТУ), В.М. Зинченко (НИИТавтопром), В.М. Власова (ТулГУ) и других. За рубежом наиболее видными в данной области являются школы таких ученых, как: Г. Валь (Германия), Т. Белл (Великобритания), Г.-И. Шпис (Германия), Е.Дж. Миттемейер (Нидерланды), Я. Зыськ (Польша) и другие.
Целью работы является повышение триботехнической долговечности трущихся деталей двигателей путем низкотемпературной химико-термической обработки на основе изучения закономерностей структурообразования поверхностных слоев сталей при никотрировании и оптимизации технологических схем их получения. Работа выполнена с целью поиска оптимальных технологических параметров процесса упрочнения и выдачи конкретных рекомендаций по его применению на предварительно отожженных и окисленных улучшаемых конструкционных сталях в автомобильной промышленности.
В работе изучены составы насыщающих никотрирующих сред и, с использованием методов металлографии и дюрометрии, их влияние на геометрические характеристики формирующихся покрытий, их фазовый состав, характеристики макро-, микронапряжений и пористость. Для оценки свойств покрытий, их износостой-кости и антифрикционности применяли метод триботехнического анализа. С использованием способа моделирования были разработаны структурные модели макро- и микронапряжений в никотрированном слое, а также структурный критерий износостойкости. Оценка ресурса никотрированных покрытий на сталях должна базироваться на знании исходной структуры и технологических свойств карбонитридно-го поверхностного слоя, а также закономерностей их изменения в процессе эксплуатации в различных условиях. Исходя из этого, установление закономерностей структурообразования карбонитридных слоев при никотрировании улучшаемых конструкционных сталей и их повреждаемости в режиме трения скольжения, а также разработка критериальных оценок износостойкости позволяет определить направления совершенствования технологии никотрирования и обеспечить наилучший комплекс технологических и эксплуатационных свойств поверхностных слоев. Полученные модельные обобщения дают возможность обосновать рекомендации по созданию оптимальной технологии никотрирования с учетом реальных условий эксплуатации трущихся деталей автомобилей.
Для управления химическим составом никотрирующих сред разработана система автоматического регулирования, позволяющая изменять азотный потенциал насыщающей среды за счет автоматического изменения состава используемой газовой смеси. Широко применяющиеся в промышленности в настоящее время системы ручного управления химическим составом насыщающих сред малоэффективны в связи с невысокой точностью их работы, связанной с довольно большим временным запаздыванием, и приводят к нестабильным результатам получаемых покрытий.
Работа выполнена по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники РФ «Энергосберегающие технологии, экология и рациональное природопользование, производственные технологии» и была поддержана грантом РФФИ 01.200.307137 «Разработка и исследование технологий функциональных триботехнических покрытий для узлов трения транспортных средств и экологически чистого оборудования для их реализации» на кафедрах «Физика металлов и материаловедение» и «Автомобили и автомобильное хозяйство» Тульского государственного университета.
Научным консультантом также являлся доктор технических наук, профессор С. А. Головин.
Основные требования к параметрам качества поверхностного слоя материалов элементов двигателя внутреннего сгорания
Работоспособность автотранспортной техники во многом зависит от состояния и надежности работы двигателей. Наиболее широкое применение в автомобильном транспорте нашли двигатели внутреннего сгорания, работающие на жидком (дизельные и бензиновые) и газообразном топливе. Одновременно они являются основным «поставщиком» трибологических проблем, от решения которых зависит дальнейший прогресс автомобилестроения.
Современные ДВС выпускаются в мире в широком диапазоне размерностей и мощностей. Развитие двигателей характеризуется постоянным повышением мощности с одновременным стремлением повысить их ресурс и экономичность при возрастающей интенсивности эксплуатации. Конструктивно агрегаты и системы современных ДВС отличаются сложностью и обилием трущихся сопряжений, а процессы, протекающие в них, - многообразием и сильным физическо-механическим воздействием на материалы, из которых изготавливаются детали ДВС. Все это приводит к тому, что, несмотря на постоянное совершенствование конструкции двигателей, разработка новых материалов не «успевает» за быстро возрастающими требованиями к увеличению экономичности и форсированности (возрастанию скоростей и нагрузок) [27]. Поэтому повышение ресурса работы ДВС и снижение потерь на трение за счет разработки и применения новых технологий поверхностного упрочнения является для транспортного машиностроения весьма актуальной задачей.
Как упоминалось выше, одной из наиболее общих тенденций развития современных ДВС является снижение удельного расхода топлива, в том числе за счет снижения потерь на трение, и повышение надежности, составной частью которого является повышение износостойкости пар трения. Цилиндропоршневая группа общепризнанно считается главным источником потерь на трение в двигателе, хотя эти оценки меняются в пределах от 30 до 70% общих механических потерь. Такой большой разброс значений обусловлен значительными трудностями измерения и расчета потерь на трение в цилиндропоршневой группе, так как должно быть учтено влияние таких факторов, как скорость поршня, масса подвижных частей, конструкция деталей и технология их изготовления и т. д. [28]. Следует отметить, что условия работы цилиндропоршневой группы ДВС отличаются неодинаковостью режимов смазки в различных зонах трения, разными температурными условиями, реверсивностью скольжения, асимметричностью цикла нагружения и значительно влияют на триботехнические характеристики.
Данные трущиеся сопряжения работают дополнительно в условиях воздействия абразивной и газовой сред, способствующих прорыву разделяющих пленок, возникновению микросхватывания с различной интенсивностью разрушения поверхностного слоя. Этому сопутствуют необратимые процессы усталости и охруп-чивания, постоянно происходящие в тонких поверхностных слоях материалов и повреждение твердыми частицами, попадающими в зону трения из масляного и воз- душного трактов двигателя. Наибольшее влияние из внешних факторов на интенсивное протекание изнашивания за счет микросхватывания оказывает абразивное воздействие твердых частиц и температура в зоне фрикционного контакта [27].
Необходимо отметить, что износ многих материалов при реверсивном скольжении в 1,5-2 раза выше, чем при однонаправленном трении. С ростом частоты реверсирования наблюдается резкое снижение износостойкости. При реверсивном трении происходит более интенсивное воздействие поверхностно-активной среды и усиление пластифицирующего эффекта по сравнению с однонаправленным скольжением.
Наиболее неблагоприятные условия трения в цилиндре ДВС возникают при реверсировании в зонах минимальных скоростей движения поршня и особенно у камеры сгорания, где температура поверхностей трения цилиндра и колец достигает 350 С, а максимальное давление - 6-16 МПа. Кроме того, минимальная толщина масляной пленки, которая разжижается рабочей смесью, выгорает в период воспламенения и выдувается из под верхних колец в момент такта сжатия. Это приводит к уничтожению масляной пленки или к потере ее смазывающей способности. Около мертвых точек всегда наблюдается почти полное ее разрушение, а в области повышенных скоростей поршня несущая способность пленки возрастает и может достигнуть величины, характерной для режима трения в случае полужидкостной смазки. При малой частоте перемещения зона граничного трения распространяется на часть цилиндра, большую, чем при высокой частоте.
Двухконтурная система автоматического регулирования соотношения газов и концентрации азота в никотрирующей атмосфере
Для точного управления химическим составом никотрированных слоев была разработана система автоматического регулирования, в основу которой положено изменение азотного потенциала насыщающей среды за счет автоматического изменения состава используемой газовой смеси.
В двухконтурной системе регулирования один из компонентов воздух - стабилизируется на каком-либо заданном уровне. Иначе говоря, давление в магистрали, по которой подается воздух в емкость для насыщения деталей, устанавливается на постоянном уровне с помощью регулятора давления прямого действия, например РД-32, выпускаемого Сафоновским заводом «Теплоконтроль» и имеющего следующие технические характеристики: диапазон настройки регулятора 0,25-1 и 0,63-2,5 кгс/см , условное давление 16 кгс/см , диаметр условного прохода 32 мм.
Работа двухконтурной системы автоматического регулирования соотношения газов (рисунок 2.1) основана на изменении расхода метана (СЩ) в зависимости от расхода аммиака (NH3). В этой системе контур регулирования расхода аммиака является ведущим, а контур расхода метана СН4, подаваемого в емкость для азотирования, - ведомым (следящим). Ведущий контур обеспечивает изменение и поддержание регулируемого параметра (аммиака) в соответствии с сигналом задания Хзь поступающим с задающего устройства.
На вход первого регулирующего устройства кроме сигнала задания Хзі подается также сигнал Х„ь информирующий о текущем значении концентрации азота в ванне для азотирования, измеряемой с помощью датчика концентрации. Воздействие на регулируемый технологический процесс осуществляется с помощью исполнительного механизма и первого регулирующего органа. Выходной сигнал датчика концентрации азота через блок соотношения подается также на вход второго регулирующего устройства в виде сигнала задания Х32. Этот сигнал задания определяет величину расхода метана (ведомого регулируемого параметра). Таким образом, расходная характеристика аммиака является зависимой функцией от расхода (концентрации) азота.
Изменение сигнала регулирующего воздействия во втором контуре регулирования будет продолжаться до тех пор, пока сигнал текущего значения регулируемой величины ХП2 (расхода метана) не станет равен сигналу текущего значения задающей величины Хз2. При этом сигнал задания Хзг равен текущему значению концентрации азота Xni, умноженному на коэффициент соотношения Кс, учитывающий соотношение между основными компонентами - аммиаком и метаном.
Таким образом, в данной системе автоматического регулирования соотношения каждый последующий (ведомый) контур регулирования связан с предыдущим (ведущим) контуром регулирования через блок соотношения. С помощью этого блока ведущий контур регулирования устанавливает задание ведомому контуру регулирования.
Регулирующее устройство: Регулирующее устройство (РУ) является основным элементом системы автоматического регулирования (САР) соотношения газов и предназначено для формирования управляющего воздействия, подаваемого на исполнительный механизм по пропорционально-интегрально-дифференциальному (ПИД) алгоритму (либо его модификациям).. Разработанный регулирующий; блок предназначен для работы с пропорциональным исполнительным механизмом и является регулирующим устройством с непрерывным выходным сигналом. Основное отличие этого блока состоит в том, что он подключается непосредственно к сети 220 В 50 Гц и может работать как в автоматическом, так и в ручном режиме управления.
В автоматическом режиме работы входная цепь регулирующего устройства (рисунок 2.2) содержит формирователь сигнала рассогласования (ошибки регулирования), который образован сумматором CMj входных сигналов (если сигнал один, то сумматор не используется) Хпі» ХП2, представляющих регулируемый параметр
Влияние технологических параметров никотрирования на геометрические и физические характеристики карбонитридного слоя
Основными технологическими факторами, определяющими качество никот-рированного слоя являются температура (фактор Т), длительность насыщения (фактор т), состав насыщающей среды (фактор R), а также, как было доказано в разделе 3.1, характеристика активности среды tNy обеспечивающая концентрацию азота в є-фазе на уровне 8%.
Обычно никотрирование проводят в диапазоне температур (560-600) С. Такой традиционный подход предопределяется требованиями к толщине и твердости никотрированного слоя, а также к его фазовому составу, что в свою очередь обеспечивает необходимый комплекс технологических и эксплуатационных свойств.. Дяя. получения высокой твердости при небольшой толщине беспористого слоя рекомендуется использовать нижние пределы температур насыщения. Более высокие темпе-. ратуры -600 С обеспечивают формирование толстых карбонитридных слоев (рисунок ЗЛО) с меньшей твердостью. Существуют рекомендации, согласно которым большие толщины и высокие значения твердости формируются при 2-х ступенчатых температурных режимах: сначала при температурах (580-600) С, а затем при (540-560) С.
В общем случае толщина никотрированного слоя h может быть выражена относительно температуры насыщения Т согласно экспоненциальному закону вида где {)- энергия активации диффузии атомов азота и углерода; R- универсальная газовая постоянная.
При температурах ниже 610 С (эвтектоидная для системы «железо-азот») карбонитридный слой включает поверхностную высокоазотистую є-фазу,
Рисунок ЗЛО - Сечения карбонитридных слоев на стали 40Х, полученные при различных температурах никотрирования: а) - 560 С (4 мкм); б) - 650 С (8 мкм); в) - 700 С (12 мкм); г) - 700 С (12 мкм с окислением)
промежуточную (є+у )-прослойку и внутреннюю у -зону, граничащую с зоной внутреннего азотирования. Последняя состоит из азотистого твердого раствора с выделениями нитридов железа и легирующих элементов. Подобная многослойность ни-котрированного слоя влияет на кинетику диффузионных процессов в указанных фазах, изменяет их соотношение и вызывает отклонение в закономерностях роста слоя от экспоненциального (3.4) закона. Этому можно найти объяснение в том, что при температуре насыщения 560 С коэффициент диффузии азота в є-фазе оказывается в 60 раз меньше, чем в ос-фазе и в 2,5 раза меньше по сравнению с диффузионной проницаемостью у -фазы [120].
С повышением температуры никотрирования будет разрастаться та фаза, у которой коэффициент диффузии опережающе увеличивается. Так с повышением температуры насыщения до 700 С растет толщина (є+у ) карбонитридного слоя (рисунок 3.10), в которой коэффициент диффузии невысок. С другой стороны зона внутреннего азотирования в этом случае будет разрастаться уже с меньшей интенсивностью. Однако, повышение диффузионной активности азота в є-фазе при по- вышенин температуры обусловливает формирование в ней молекулярного азота и, как следствие, образование пор (рисунок ЗЛО г).
С понижением температуры никотрирования градиент коэффициентов диффузии в фазах уменьшается, поэтому разрастание соседних диффузионных слоев зависит в первую очередь от изменения области гомогенности на диаграмме состояния «железо-азот», В частности, фазы с очень узкими областями гомогенности (например у -фаза) растут настолько медленно, что их слои внутри никотрированного слоя экспериментально не могут быть обнаружены. Например, после насыщения при температуре 560 С не наблюдалось образования у -фазы в виде отдельного слоя.
Нами в последние годы были опробованы способы никотрирования в у-азотистой области, то есть при более высоких температурах в диапазоне (630-700) С. Было показано, что это позволяет значительно улучшать важные для отрасли автомобилестроения антифрикционность, коррозионную сопротивляемость и износостойкость. В таблице 3.3 приведены полученные данные по влиянию температуры насыщения на геометрические характеристики и микротвердость никотрированного слоя на стали 40Х.
Видно, что переход линии 610 С приводит к резкому возрастанию толщины карбонитридного слоя: 8 мкм - при 580 С и 42 мкм - при 650 С. При этом, согласно рисунку 3.11 экспоненциальный закон роста слоя уже не соблюдается, а кинетика структурообразования подчиняется уже степенному закону. Никотрирование в у-азотистой области приводит к значительному уменьшению твердости карбонит-ридного слоя (рисунок 3.11 - кривая 2), причем с возрастанием температуры эффект уменьшения HV-фактора увеличивается. Последнее, как показали проведенные металлографические исследования, может быть связано в первую очередь с формирующейся пористостью.
Анализ концентрационных микронапряжений в карбонитридных слоях
Анализ распределения микронапряжений вокруг пор в карбонитридном слое никотрированных сталей методом фотоупругости показал, что поле внутренних напряжений характеризуется неоднородностью распределения деформаций, причем локализация большинства зон повышенной деформации отмечается именно внутри пор, имеющих модуль Ев=0. Для округлых дефектов зоны располагаются как симметрично, так и несимметрично относительно поры. В то же время в объемах матрицы с пониженной плотностью пор есть зоны с меньшим относительно среднего уровня значением микродеформаций.
Анализ концентрационных типограмм для исследуемых покрытий;показал,, что концентрация напряжений может изменяться в среднем до 50% при варьировании соотношения модулей дефекта Ев и матрицы Ем от 0 до 1.
В достаточно удачном приближении принимали для некоторого приведенного концентрационного параметра Л\, следующее выражение в зависимости от коэффициента формы включения у. В то же время сопоставление топографических характеристик зоны зарождения микротрещин у структурных дефектов R и размеров активационных зон с максимальной концентрацией напряжений Rmp, позволило установить соотношение (рисунок 4.6) где S/f - фактор, зависящий от упругих,характеристик дефектов карбонитридного слоя. формы в карбонитридном слое (а и b — оси эллипса)
Этот фактор определяется в соответствии с выражением где G - модуль сдвига.
Максимальные концентрационные микронапряжения рассчитывали согласно следующей зависимости где Fs- свободная энергия карбонитридов (-3,540 эрг/см2); Е- модуль их упругости (-32.000 кг/мм2);
Для; экспериментального определения параметра п в уравнении (4.8) была разработана методика оценки статической трещиностоЙкости покрытий, основанная на металлографическом и электронномикроскопическом исследованиях поврежденных зон на поверхности при концентрированном ударе остроконечным индентором. В месте удара происходит разрушение слоя путем формирования кольцевых и радиальных трещин. Максимальная их длина и плотность закономерно коррелировали с характеристиками гетерогенности покрытия, но весьма заметно зависели также от напряженного состояния материала.
В общем случае суммарная плотность трещин ртр в месте повреждения покрытия нелинейно возрастает с увеличением энергии ударного импульса JL Нелинейную взаимообусловленность этих параметров количественно оценивали некоторой характеристикой трещиностойкости аРу, определяемой по углу наклона линеаризированной функции «рпр-q». На рисунке 4.7 представлено распределение плотности трещин для никотрированного покрытия с толщиной карбонитридного слоя 10 мкм (температура насыщения 580 С, время выдержки - 6 часов). По завершению насыщения охлаждение проводили по 2-м режимам: ускоренно - путем подстужи-вания в масле и замедленно - вместе с печью.
