Содержание к диссертации
Введение
1. Обоснование актуальности темы 9
1.1. Анализ технических требований, предъявляемых к плунжерным парам ТНВД 10
1.2. Анализ износного состояния плунжерных пар ТНВД 15
1.3. Анализ способов восстановления и упрочнения деталей „ плунжерных пар
1.4. Хромирование с применением ультрадисперсных частиц как способ восстановления и упрочнения деталей плунжерных пар...
1.5. Цель и задачи исследований.,.. 37
2. Теоретические предпосылки к обоснованию способа восстановления и упрочнения плунжерных пар
2.1. Описание процесса образования композиционных гальванических покрытий
2.2. Описание процесса упрочнения электрохимических покрытий дисперсными материалами
2.3. Теоретическое обоснование повышения износостойкости композиционного гальванического покрытия
3. Программа и общая методика исследований 64
3.1. Программа исследований , 64
3.2. Методика получения композиционных хромовых покрытий 65
3.3. Методика выбора упрочняющей фазы гальванического покрытия
3.4. Методика определения физико-механических свойств покрытий
3.5. Методика исследования структуры и состава покрытия 75
3.6. Методика трибологических испытаний 81
3.7. Методика коррозионных испытаний 83
3.8. Методика стендовых испытаний 84
3.9. Методика эксплуатационных испытаний и оценка точности измерения 89
4. Результаты экспериментов , 92
4.1. Определение наиболее эффективной упрочняющей фазы 92
4.2. Определение оптимальных условий работы ванны методом планирования эксперимента 93
4.3. Рсзулыаты исследования физико-механических свойств покрытий 100
4.4. Результаты исследования структуры и состава покрытия 102
4.5. Результаты лабораторных испытаний 109
4.6. Результаты коррозионных испытаний 114
4.7 Технология восстановления плунжерных пар топливного насоса КамАЗ 33-02 115
4.8. Результаты стендовых испытаний 129
4.9. Результаты эксплуатационных испытаний восстановленных и серийных плунжерных пар
5. Технико-экономическая эффективность восстановления плунжерных пар с применением композиционного хромировании 135
Выводы 139
Список литературы
- Анализ износного состояния плунжерных пар ТНВД
- Описание процесса упрочнения электрохимических покрытий дисперсными материалами
- Методика выбора упрочняющей фазы гальванического покрытия
- Определение оптимальных условий работы ванны методом планирования эксперимента
Анализ износного состояния плунжерных пар ТНВД
Плунжерные пары работают в сложных условиях. При этом имеют место высокие давления и скорость рабочей среды, которая содержит твердые абразивные частицы различных размеров.
Исследования [5, 12, 13] показывают, что износ деталей плунжерных пар происходит из-за минеральных частиц, входящих в состав загрязнений. Изучение состава минеральных частиц [13] позволило установить, что 90 % их состоит из кварца и оксидов металлов (А120з, Fe203, ZnO и др.). Микротвердость таких абразивных частиц довольно высока. Так, микротвердость оксида алюминия составляет 12000...13000 МПа, а кварца - 10300...11000 МПа [12], тогда как микротвердость рабочих поверхностей деталей плунжерных пар составляет 9000... 10500 МПа, отсюда становится очевидной причина абразивного износа деталей плунжерных пар.
Наличие абразивных частиц в топливе, соотношение их размеров с зазорами в плунжерных парах и высокая скорость движения топлива относительно поверхностей деталей предопределяют их гидроабразивный износ и абразивное истирание вследствие защемления частиц в зазоре.
Гидроабразивный износ представляет собой процесс совместного действия абразивных частиц и жидкости, несущей эти частицы. Износ происходит в результате срезания микростружек поверхности, выбивания отдельных ее частиц, вымывания микроскопических объемов, внедрения жидкости, находящейся под высоким давлением, в дефектные очаги, сопровождающегося расклинивающим действием [27].
В большинстве работ [27-31] указывается на то, что абразивное истирание поверхностей вследствие защемления частиц в зазоре происходит в том случае, когда размер абразивных частиц несколько больше зазора между сопрягаемыми поверхностями. Частицы заклиниваются в зазоре, внедряются в одну из поверхностей и действуют подобно резцу. На поверхности появляются крупные риски, направленные параллельно движению плунжера [32].
Некоторые авторы [33, 34, 35] указывают на то, что соизмеримые с зазором частицы своими острыми кромками также наносят микроцарапины на поверхности или деформируют поверхностный слой при перекатывании, а частицы меньше радиального зазора в основном проявляют свое действие при гидроабразивном изнашивании.
Весьма важно отметить, что износ защемляемыми в зазоре частицами может иметь место в любой зоне сопряженных поверхностей плунжерных пар, а гидроабразивному износу могут подвергаться только те участки поверхностей, который соприкасаются с движущимся топливом.
Анализ условий работы плунжерных пар [6, 13, 19, 23, 25] показывает, что движение топлива относительно поверхностей деталей происходит при просачивании его через зазоры и перетекании в окна гильзы в моменты начала и конца подачи. При перетекании топливо омывает кромки окон гильзы и плунжера и примыкающие к ним участки поверхностей. Просачивание топлива в моменты нагнетания также происходит в основном в зонах, непосредственно примыкающих к указанным кромкам в районах открытия и закрытия окон. В этих местах создаются наиболее короткие пути перетекания топлива из полости высокого давления в полость низкого давления. Поскольку нагнетание топлива совершается на части хода плунжера, составляющего обычно 1,5...5 мм (активный ход плунжера) [24], то гидроабразивному износу, обусловленному просачиванием топлива, могут подвергаться только небольшие участки поверхностей плунжера и гильзы, соизмеримые с активным ходом плунжера по длине и примыкающие к кромкам.
Отличительной особенностью износа деталей плунжерных пар является концентрация его на отдельных участках поверхностей. У гильзы участки износа сконцентрированы выше впускного и с нижней стороны от перепускного окон. У плунжера местные износы располагаются в зонах поверхности, совмещаемых при работе с указанными участками износа гильзы, то есть на участке, примыкающем к впускному окну, и у отсечной кромки в той ее части, где происходит открытие перепускного окна при отсечке подачи.
Расположение участков местных износов на поверхностях плунжера и гильзы совпадает с зонами наиболее интенсивного просачивания топлива через зазоры при нагнетании и перетекания его в окна в начальный и конечный моменты нагнетания. Этот факт указывает на связь износа плунжерных пар с перетеканием топлива.
Величины местных износов у плунжера и гильзы неодинаковы. Многие авторы [5, 13, 27, 30] указывают на то, что максимальному износу подвергается участок поверхности плунжера, примыкающий к впускному окну гильзы. Глубина местной впадины у предельно изношенного плунжера в непосредственной близости от кромки верхнего торца достигает 30...35 мкм, а на расстоянии 1 мм от кромки - 20...25 мкм. Ширина изношенного участка достигает 7,5 мм по дуге окружности плунжера. По длине плунжера износ распространяется на 9...10 мм от кромки верхнего торца [33].
Описание процесса упрочнения электрохимических покрытий дисперсными материалами
Композиционные гальванические покрытия представляют собой электролитические осадки, в состав которых входят различные инородные включения. Покрытия совмещают в себе свойства электролитически осажденных металлов (электро- и теплопроводность, износостойкоеіь, пластичность и др.), а также металлов и неметаллов (жаростойкость, химическая стойкость, твердость и др.), которые могут быть включены в осадок при наложении поляризующего тока.
Первые поисковые работы по разработке технологии получения КГП были проведены Ю. В. Баймаковым в 1925 г. [56], который выявил возможность совместного осаждения электролитических осадков железа с включением графита до 1 %. Несколько позже И. Принц и Дж. Финк [57] получили электролитический осадок меди с графитом. Однако первые исследования в этом направлении не нашли практического применения. Лишь в 60-х годах метод совместного осаждения металлов и мелкодисперсных твердых частиц нашел практическое применение для получения алмазных инструменюв.
Всесторонние исследования композиционных покрытий на основе электролитического железа с включением частиц АЬОз, M0S2, В4С, \\ В5, ТІС и др. были проведены Ю. Н. Петровым, Ф.С. Анселлом, Г. В. Гурьяновым и другими исследователями [48, 58-60]. Ими усіановлено, что с увеличением количества включений А12Оз и M0S2 снижается трещиноватость покрытий, увеличивается пластичность, исчезает слоистость, уменьшается степень совершенства текстуры, возрастают внутренние напряжения первого рода, а также происходит значительное изменение других свойств осадков. Введение в электролит железнения карбида бора способствовало уменьшению наводо-роживания осадков в 1,4-1,6 раза, а введение дисульфида молибдена уменьшило наводороживание в 1,2-2,4 раза. Авторами также установлено, что наличие включений в электролитических осадках железа не влияет на усталостную прочность железненных образцов, а износостойкость композиционных железных осадков с включениями в 2-20 раз выше износостойкости чистого железа [58].
Л. И. Антропов и Ю.Н. Лебединский [52] исследовали возможность включения твердых частиц различных материалов в электролитический осадок никеля, а также физико-механические свойства этих покрытий. Ими установлено, что формирование композиционных покрытий на основе никеля с включением в осадок окислов, карбидов и других материалов существенно зависит от размера и физико-механических свойств частиц (плотность, электропроводность, величина и знак заряда частиц), режима перемешивания и химического состава электролита, а также режима электролиза. Также показано, что износостойкость, микротвердость и коррозионная стойкость электролитических покрытий никеля с включением карбидов и окислов значительно превосходят соответствующие свойства покрытий никеля без включений.
В. Ф. Молчановым, Ф. А. Актовым, В. А. Вандышевым, В. М. Дзыцю-ком, 10. Н. Лебединским и другими исследователями [61-66], начиная с 1962 г., проводились работы по усовершенствованию процесса хромирования, особенно по борьбе с растравливанием (катодной коррозией), наблюдаемым в процессе электролиза. Ими же в 1964 г. были начаты работы над исследованием возможностей получения композиционных покрытий на основе хрома. В 1966 г. были разработаны мероприятия по усовершенствованию хромирования в саморегулирующемся сульфатно-кремне-фторидном электролите.
В работах [64-70] указано на то, что КГП на основе хрома может быть получено с применением различных по природе материалов. Назначение дисперсных материалов заключается в придании КГП ценных свойств, не характерных для металла покрытия. Влияние их на металл может быть разнообразно. В табл. 1.4 представлены обобщенные данные по дисперсным материалам, улучшающим те или иные характеристики покрытия.
Для получения КГП на основе хрома могут использоваться дисперсные материалы как естественного, так и искусственного происхождения. Свойства основных дисперсных материалов представлены в табл. 1.5.
Как отмечают многие авторы [71, 72], КГП на основе хрома может быть получено при введении в электролит различных частиц размерами 0,1...50 мкм в количестве от 5 до 100 г/л. Независимо от природы частиц содержание веществ второй фазы в покрытии не превышает 2 % [72, 73]. В работах [73, 74] отмечается, что микротвердость покрытий возрастает в 1,5-2,3 раза, а износостойкость - в 10-15 раз и больше по сравнению с мик-ротвердостыо осадков, не имеющих в своем составе частиц твердой фазы.
Исследования, проведенные в работах Л.И. Антропова и Ю.Н. Лебединского [38, 52], указывают на малое содержание а-А1203 (0,1-0,3 %) в слоях хрома. Однако даже этих малых количеств оказалось достаточно для снижения износа поршневых компрессионных колец в 1,8-3,5 раза и повышения их микротвердости на 1,5-2 ГПа.
При наличии дисперсных частиц в электролите возрастал выход хрома по току с 18 до 24 %, уменьшалась хрупкость и повышалась эластичность покрытия. Здесь же описано покрытие Cr-SiC, Cr-WC с содержанием второй фазы до 8-Ю %. Отмечено возрастание твердости покрытия при внедрении частице 7...9,5 до 11...16ГПа.
Методика выбора упрочняющей фазы гальванического покрытия
Ультрадисперсные частицы, внедряясь в электролитическое покрытие, приводят к изменению его структуры и изменяют его физико-механические свойства. Большинство исследователей [58, 62, 70, 92] утверждают, что ультрадисперсные частицы приводят к упрочнению покрытия, что особенно важно для создания износостойких покрытий. Поэтому механизм упрочнения КГП требует детального рассмотрения.
Для объяснения механизма упрочнения КГП основной теоретической базой является теория дислокаций и препятствий [97, 99].
Хорошо известно, что особые дефекты кристалла, называемые дислокациями, присутствуют почти во всех кристаллах. Низкие значения прикладываемых нагрузок обуславливают скольжение дислокаций. Основными видами дислокаций являются краевая и винтовая (рис. 2.4, 2.5).
Усилия, приложенные к кристаллической решетке, вызывают движение дислокаций. Механизм перемещения дислокации схематически иллюстрируется схемой, представленной нарис. 2.6.
Препятствия на пути движения дислокаций требуют дополнительного напряжения для дальнейшего продвижения дислокаций, способствуя повышению сопротивляемости материала внешним нагрузкам. Эффективными барьерами для движения дислокаций могут быть сравнительно равномерно распределенные в катодном осадке ультрадисперсные частицы.
Включение в осадок ультрадисперсных частиц нарушает упорядочение роста его кристаллов, а при зарастании включений имеется вероятность образования дополнительных винтовых дислокаций [70].
При встрече с частицами скользящие дислокации будут огибать препятствия и оставлять на них замкнутые петли (рис. 2.7).
Если между частицами пройдут и другие дислокации, то они оставят вокруг частицы новые петли большего размера. Прохождение последующих дислокаций между частицами в большей степени будет затруднено, таким образом повысится плотность дислокаций и произойдет упрочнение композиции. Частицы играют в покрытии роль барьеров, препятствующих выходу дислокаций на поверхность осадка и убыли плотности дислокации.
Около каждой частицы образуется поле определенного напряженного состояния материала матрицы [99]. Вследствие этого на поверхности осадка возникают зоны, характеризующиеся различной способностью к обратимой микропластической деформации, а при износе поверхностных слоев обнажаются все новые слои максимальной микротвердости [61, 100]. При равномерном распределении частиц в покрытии образуется своеобразный регулярный микрорельеф по всей его толщине.
Это принципиально отличает упрочнение, достигаемое КГП, от таких традиционных методов, какими являются химико-термический, термический и др., при которых с уменьшением толщины упрочненного слоя микротвердость снижается [101].
Л. И. Антропов [38], не отрицая теории дислокаций и препятствий, высказал мнение о том, что на упрочнение электролитического осадка влияет также контакт частиц с осадком, приводящий к эффекту наклепа. Ультрадисперсные частицы, внедряясь в осаждаемый металл или контактируя с его поверхностью, нарушают кристаллическую структуру и образуют дефекты в кристаллической решетке. Таким образом, наличие ультрадисперсных материалов в электролите и их контакт с катодом даже без включения в покрытие приводит к упрочнению металла вследствие того, что они нарушают правильную последовательность чередования атомных плоскостей.
Механизм упрочнения электрохимического металла ультрадисперсными частицами схематически представлен на рис. 2.8.
В процессе электрохимического осаждения металла происходит его кристаллизация (рис. 2.8, а), и чем более разупорядочено расположение кристаллов, тем выше прочность металла. При воздействии на него усилия Р происходит сдвиговая деформация кристаллов (рис. 2.8, б), вызываемая тангенциальными составляющими усилия и распространяющаяся по наименее искаженным направлениям кристаллической решетки. Сдвиговая деформация определяется силовыми линиями - а-а , б-б , в-в\ г-г и характеризуется площадью сдвига FM. Происходящая пластическая деформация металла определяет предел его текучести тт.
Ультрадисперсные частицы, находящиеся в электролите во взвешенном состоянии, непрерывно контактируют с поверхностью катода, и упрочнягащее их воздействие проявляется как в момент захвата (заращивания) металлом, так и при ударе о поверхность катода. В момент удара частица поверхностью контакта экранирует катод (рис. 2.8, в), искажая (усложняя) тем самым структуру первоначальной электрокристаллизации металла. В этот же момент происходит полная или частичная потеря частицей кинетической энергии, зависящей от скорости частицы, угла контактирования с катодом, приводящая к эффекту наклепа или шлифования - полирования (срезу микровыступов поверхности).
В этом случае, как и при захвате частиц металлом, происходит усложнение структуры покрытия и его упрочнение. Степень упрочнения металла зависит от числа контактов частиц с катодом (чем больше контактов частицы с катодом, тем степень упрочнения выше).
Определение оптимальных условий работы ванны методом планирования эксперимента
Для получения максимального эффекта от использования частиц дисперсной фазы нанесение покрытия необходимо проводить при оптимальных режимах, обеспечивающих заданные физико-механические свойства покрытия. Определение оптимальных условий нанесения покрытий и концентрации частиц дисперсной фазы в электролите связано с известными трудностями из-за сложного характера взаимосвязи между основными режимами нанесения покрытия и качеством полученного покрытия и требует значительного количества экспериментальных исследований. Для снижения затрат времени и материальных средств на выполнение исследовательских работ в настоящее время целесообразно применение метода математического планирования эксперимента [127-129].
В качестве параметра оптимизации в данных исследованиях была принята микротвердость полученных покрытий, так как она в значительной ме ре определяет сопротивление покрытия износу, ее достаточно быстро и просто измерить, что снижает время на проведение математического планирования.
В качестве факторов, оказывающих наибольшее влияние на параметр оптимизации, были выбраны температура электролита, плотность тока и концентрация дисперсной фазы в электролите [61, 76].
Важный этап в планировании эксперимента - выбор вида математической модели исследуемого процесса. Наиболее удобными для последующих расчетов являются полиномиальные модели в виде отрезка ряда Тейлора [129]. Выбор степени полинома зависит от сложности поверхности отклика.
Для решения поставленной задачи достаточно использовать полиномы второго порядка, в качестве математической модели исследуемого процесса выбираем модель вида: к н /= r=i y=i U r)t (4.1) где к- число факторов; b - постоянные коэффициенты; j - номер фактора; х - независимые переменные.
При данном аналитическом виде функции отклика, координаты экстремума функции находят дифференцированием соответствующих уравнений, приравниванием производных к нулю и решением полученной системы уравнений [128].
План эксперимента, необходимого для решения оптимизационной задачи, выбирается исходя из вида модели. Для определения коэффициентов квадратичной модели используют композиционный (составной) план эксперимента, состоящий из нескольких блоков: полной реплики симметричного двухуровневого плана; центральной точки, расположенной вначале координат факторного пространства; звездных точек. Звездной является точка факторного пространства, в которой все факторы равны нулю, за исключением одного, принимающего значения -и, где й - звездное плечо. Таким образом, число опытов композиционного плана: N = JV, + N2 + Nh (4.2) где N] - число опытов полной реплики; N2 - число опытов в звездных точках; Л з - число опытов в центре плана.
Для удобства вычислений коэффициентов регрессии все факторы в ходе полного факторного эксперимента будем варьировать на трех уровнях, соответствующих значениям нормированных переменных -1, 0 и +1. Верхний уровень соответствует+1, нижний -1.
Для выбранного плана звездное плечо составляет w = 1,68 [129]. Для обеспечения постоянства дисперсии расчетных значений функции отклика внутри области варьирования в ротатабельном композиционном плане число опытов в центральной точке равно JVj - 6. Нормированные и натуральные значения факторов связаны между собой соотношением: , , (4.3) где - исходный уровень /-го фактора; Дх - интервал варьирования і -го фактора. В соответствии с выражением (4.1) для описания исследуемого процесса использовалась модель второго порядка вида: у = Ьо + ад + ад+ад + ьпххх2 + ь]Ъх& + ь2Ъх2хъ + + ЬцХ\ +Ь22Х1 + Ь3,Х] . (4.4)
После осуществления эксперимента необходимо определить коэффициенты уравнения и провести регрессионный анализ.
При ротатабельном композиционном планировании для вычисления коэффициентов регрессии и соответствующих оценок дисперсий находят следующие константы [127]:
