Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований упрочнения поверхности деталей 6
1.1 Алюминиевые сплавы и их применение для изготовления головок блока цилиндров двигателей 6
1.2 Анализ условий работы и износного состояния головки блока цилиндров двигателя ЗМЗ-53 11
1.3 Способы восстановления и упрочнения головок блока цилиндров
1.3.1 Способы восстановления 14
1.3.2 Способы упрочнения 18
1.4 Выводы, цель и задачи исследований 22
2. Теоретическое обоснование необходимой толщины мдо-покрытия 24
2.1 Расчет напряженно-деформированного состояния МДО-покрытия % 24
2.2 Технологическое обоснование толщины МДО-покрытия 35
2.3 Выводы 36
3. Методики проведения экспериментальных исследований 37
3.1 Материалы и оборудование для проведения исследований 37
3.2 Приготовление электролита 41
3.3 Измерение толщины МДО-покрытий 42
3.4 Измерение микротвердости МДО-покрытий 43
3.5 Определение хрупкости МДО-покрытий 43
3.6 Контроль прочности сцепления покрытий 44
3.7 Определение сквозной пористости МДО-покрытий 45
3.8 Определение коррозионной стойкости покрытий 46
3.9 Оценка долговечности электролита ЗЛО Планирование, математическая обработка и определение ошибки полно фактор но го эксперимента 48
4. Результаты исследований и их анализ 53
4.1 Толщина МДО-покрытий 53
4.2 Микротвердость МДО-покрытий 60
4.3 Хрупкость МДО-покрытий 63
4.4 Прочность сцепления покрытий 65
4.5 Сквозная пористость МДО-покрытий 70
4.6 Коррозионная стойкость МДО-покрытий 75
4.7 Долговечность электролита 80
4.8 Эксплуатационные испытания головок блока двигателя ЗМЗ-53 83
4.9 Выводы 84
5. Рекомендации производству 85
5.1 Технологический процесс восстановления и упрочнения привалочной плоскости головки блока цилиндров двигателя ЗМЗ-53 85
5.2 Вопросы экологии микродугового оксидирования 92
5.3 Экономическая эффективность от внедрения разработанной технологии восстановления головки блока цилиндров двигателя ЗМЗ-53 94
5.4 Выводы 101
Общие выводы 102
Литература
- Алюминиевые сплавы и их применение для изготовления головок блока цилиндров двигателей
- Способы восстановления и упрочнения головок блока цилиндров
- Материалы и оборудование для проведения исследований
- Толщина МДО-покрытий
Введение к работе
Важнейшей задачей, стоящей перед агропромышленным комплексом является обеспечение высокой надежности узлов и агрегатов транспортных и технологических машин и оборудования.
В условиях старения машинно-тракторного парка, многократного удорожания машин и запасных частей проблема технического оснащения сельскохозяйственного производства не может быть решена только за счет увеличения поступления новой техники [1]. Большая роль в этом отводится эффективному использованию имеющегося парка машин, постоянному поддержанию его готовности за счет технического обслуживания, а также развитию и совершенствованию технологических процессов их ремонта.
Важнейшим резервом в повышении технической готовности является обеспечение предприятий АПК запасными частями за счет восстановления изношенных деталей. В современных сельскохозяйственных машинах все шире применяются детали из алюминиевых сплавов, которые обладают высокими тепло- и электропроводностью, стойкостью против коррозии и хорошими технологическими свойствами, но имеют невысокую износостойкость [2,3,4]. В связи с этим восстановление деталей сельскохозяйственной техники, изготовленных из алюминиевых сплавов, является очень актуальным в последние годы. Однако применяемые в настоящее время технологические процессы восстановления деталей не всегда удовлетворяют современным требованиям.
Научные исследования [5] и опыт ремонтных предприятий показали, что в последние годы наметилась тенденция использования упрочняющих технологий, которые позволяют повысить износостойкость деталей и соединений в несколько раз.
Одним из способов восстановления и повышения долговечности деталей имеющих большие износы является применение электродуговой метал-
лизации (ЭДМ) с последующим упрочнением микродуговым оксидированием (МДО) [6,7]. Этот способ позволяет получать покрытия, характеризующиеся высокими эксплуатационными свойствами (коррозионной и износостойкостью). Повышение коррозионной и износостойкости при восстановлении деталей увеличивает ресурс машин и является перспективным направлением развития ремонтного производства.
В исследованиях Федорова В.А., Маркова Г.А., Снежко Л.А., Гордиен-ко П.С., Малышева В.Н., Великосельской Н.Д., Эпельфельда В.Н., Магуро-вой Ю.В., Батищева А.Н., Новикова А.Н., Чавдарова А.В. и многих других показана перспективность этого способа, позволяющего получать износостойкие, коррозионностойкие оксидные покрытия, наиболее полно удовлетворяющие требованиям ремонтного производства.
В настоящей работе изложены результаты исследований, направленные на разработку технологии упрочнения способом МДО восстановленных электродуговой металлизацией деталей сельскохозяйственной техники из алюминиевых сплавов.
Работа выполнена на кафедре "Сервис и ремонт машин" Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Орловского государственного технического университета (ГОУ ВПО ОрелГТУ).
Алюминиевые сплавы и их применение для изготовления головок блока цилиндров двигателей
В современных машинах и оборудовании все шире применяют детали из легких сплавов, обладающих большой относительной прочностью и технологичностью изготовления. В настоящее время по объему производства и потребления алюминий и его сплавы занимают второе место в мире после стали [2,3]. Расширение применения алюминиевых сплавов - это долговременная тенденция, которая будет определять не только текущую, но и дальнейшую перспективу объема и сфер использования благодаря ценному комплексу механических, физических и химических свойств. Важным свойством алюминиевых сплавов является их высокая теплопроводность (в 3...4 раза выше стали), что очень важно для таких деталей как поршни, головки и блоки цилиндров. Высокая коррозионная стойкость алюминиевых сплавов позволяет применять их для производства узлов и деталей сельскохозяйственных машин, работающих в условиях воздействия агрессивных сред. Кроме того, отливки из алюминиевых сплавов, получаемых литьем под давлением и в кокиль, могут иметь сплошную форму и меньшие припуски на обработку, чем чугунные [2,3,4]. Мировым опытом доказано, что применение алюминиевых сплавов эффективно во многих отраслях промышленности, т. к. значительно снижается масса конструкций, машин, аппаратов (плотность алюминия составляет 2,6...2,8 г/см3, что почти втрое меньше плотности стали), повышаются долговечность и грузоподъемность транспорта, уменьшаются на 10...15% эксплуатационные расходы [2-5,8].
Одной из наиболее ответственных и ресурсообеспечивающих деталей автомобильного двигателя внутреннего сгорания является головка блока цилиндров (ГВЦ), так как от ее технического состояния зависит долговечность работы двигателя.
В настоящее время отечественными и зарубежными машиностроительными предприятиями при изготовлении головок блока ДВС используется широкая номенклатура алюминиевых сплавов.
Кроме того, этот двигатель установлен на автобусах марок КАВЗ-3270 и ПАЗ-3205 используемых для пассажирских перевозок на транспортных и сельскохозяйственных предприятиях Орловской области.
На основании анализа применяемых литейных алюминиевых сплавов для изготовления головок блока цилиндров, представленных в таблице 1.1, выбираем для проведения исследований сплав АК9ч, который широко используется для изготовления не только головок блоков цилиндров двигателя ЗМЗ-53 и ГБЦ иных марок машин, но и других крупных деталей сложной формы [4-9]. Химический состав сплава и некоторые физико-механические свойства, согласно ГОСТ1583-93, приведены в таблицах 1.3 и 1.4.
При работе двигателя головка блока цилиндров испытывает воздействие высоких температур (температура стенок камеры сгорания достигает 300С). При запуске, изменении режима работы и остановке двигателя головка испытывает значительные колебания температуры. Также имеют место среди процессов, оказывающих влияние на состояние ГБЦ, вибрация деталей, изменение температуры и физических свойств охлаждающей жидкости, естественное старение и усталость материала [10,11].
Головка блока цилиндров имеет следующие характерные износы и дефекты: износ фасок клапанных седел, износ внутренних поверхностей направляющих втулок, коробление и коррозия (рисунок. 1.1) поверхности прилегания головки к блоку цилиндров, трещины, повреждение резьбы в резьбовых отверстиях, нагар и смолистые отложения на поверхности камеры сгорания.
Для ремонта головок блока ДВС необходимо знать их техническое состояние, характер дефектов, а так же величину их износа. Эти критерии являются основными исходными показателями при назначении технологии восстановления изношенных поверхностей.
Анализ литературных данных показал противоречивые сведения по износу привалочной плоскости головок блока двигателя ЗМЗ-53 [12,13]. Поэтому для получения более точных сведений в моторемонтном цеху О.А.О. «Ресурс плюс», занимающемся капитальным ремонтом ДВС в Орловской области, в течении двух лет проводился сбор данных по износу привалочных плоскостей головок. Измерению подвергали выборку деталей в количестве 100 штук. Выбор плоскостей измерений проведен согласно ГОСТ 18509-80. На изношенных плоскостях, вследствие использования агрессивных жидкостей (тосол, антифриз, ионизированная вода), наблюдается коррозия металла (рис. 1.1). Действительные размеры износа привалочных плоскостей определяли на специальном приспособлении используя глубиномер микрометрический ГМ- 25 кл.1 ГОСТ868-82.
Математическая обработка полученных статистических данных проводилась с использованием компьютерной программы NADREM (приложение А) [13-16].
По результатам математической обработки были построены гистограмма, полигон, а также дифференциальные и интегральные кривые вероятностей распределения износа привалочной плоскости головки, которые представлены на рисунках 1.2 и 1.3. Было установлено, что распределение износа привалочных плоскостей подчиняется теоретическому закону распределения Вейбулла. Анализ результатов показал, что количество деталей, у которых износ превышает допустимый, составляет около 75%. Величина среднего износа составляет 1,483 мм, среднего квадратичного отклонения - 0,775мм, коэффициент вариации - 0,539. Максимальный износ привалочных плоскостей достигает 3,3 мм.
Способы восстановления и упрочнения головок блока цилиндров
Для проведения исследований по упрочнению микродуговым оксидированием восстановленных электродуговой металлизацией поверхностей деталей из алюминиевых сплавов изготавливали специальные образцы (рисунок 3.1) из литейного алюминиевого сплава АК9ч ГОСТ 1583-93, вырезая их из головок блоков цилиндров двигателя ЗМЗ-53.
Исходя из анализа литературных данных и применяемых в ремонтном производстве технологий по восстановлению деталей с большими износами, для нанесения сплавов на образцы из сплава АК9ч применяли электродуговую металлизацию на установке ЭМ-14 и присадочные проволоки марок: СвАДІ и СвАМгб, а также прутки из сплава АК9ч. Толщина наносимого ЭДМ слоя металла составляла 2,5...3 мм. Чтобы придать поверхностям образцов правильную геометрическую форму и получить необходимые параметры шероховатости для нанесения покрытия их подвергали фрезерованию на вертикально-фрезерном станке модели 6М12П. Затем, с целью повышения коррозионной стойкости, поверхности алюминиевых образцов с нанесенным ЭДМ сплавом подвергли упрочнению способом МДО.
На основании задач исследования нами была спроектирована и изготовлена лабораторная установка (рисунок 3.2), включающая в себя источник питания, блок управления, ванну с системой крепления деталей, дополнительная ванна для обеспечения водяной рубашки охлаждения, а также защитного ограждения. Электрическая часть установки (рисунок 3.3) состоит из силового блока, блока управления и измерения параметров МДО.
Источник питания (силовой блок) состоит из блока конденсаторов С1...С16 типа К75-406 и МБГП-2 с включенными параллельно им резисторами R1...R16 типа МЛТ-2 для снятия остаточных зарядов с каждой секции конденсаторов и резистора R17 типа ПЭВ-100, который составляет разрядную цепь всего блока. Суммарная емкость батареи конденсаторов 390 мкФ с дискретностью 100, 100, 50, 50, 20, 20, 10, 10, 8, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 1. Силовая цепь установки подключена к нагрузке, которой является электрохимическая ванна с помещенным в нее образцом. Емкостной источник питания позволяет подавать электрический ток силой до 35А при напряжении до 700В. Регулирование тока, достигается включением/выключением дополнительных емкостей.
Питание экспериментальной установки осуществляется от сети трехфазной системы переменного тока 380В с нулевым проводом. Включение/выключение питания производится магнитным пускателем К1 типа ПАЕ-1. Напряжение питания подается на обмотку магнитного пускателя о чем сигнализирует индикаторная лампа Л1. Включение силового блока осуществляется магнитным пускателем К2 типа ПМЕ через тепловое реле (РТ), которое ограничивает ток нагрузки. О включении в работу установки силового блока сигнализирует лампа Л2. Питание магнитных пускателей осуществляется линейным напряжением двухфазной системы переменного тока 220 В.
Установка размещена в специально оборудованном помещении, имеющим вытяжную вентиляцию. Безопасность процесса обеспечивает конечный выключатель ВПК21, который установлен на боковой стенке вытяжного шкафа. В закрытом положении дверцы контакты выключателя SB 1.1 замкнуты, что обеспечивает подачу напряжения на катушки К1 и К2 магнитных пускателей, а контакты SB 1.2 разомкнуты. При поднятии дверцы контакты SB 1.1 размыкаются, а контакты SB 1.2 замыкаются и шунтируют конденсаторные батареи на разрядный резистор R17.
Блок измерения включает в себя два вольтметра постоянного напряжения V2 и V3 типа М42100 кл. 1,5 для измерения, соответственно, анодной и катодной составляющих напряжения на нагрузке, а также вольтметра переменного напряжения (VI) типа Э8021 кл. 2,5 для измерения среднего значения напряжения. Контроль силы тока осуществляется двумя амперметрами (А1 и А2) типа Э365-1 кл. 1,5 с разным диапазоном измерения, которые подключаются автоматическими выключателями SB2 и SB3.
Электрохимическая ванна, выполненная из нержавеющей стали 12Х18Н9Т, рассчитана на 20 литров электролита. Упрочняемая деталь или образец крепится к изолированному токопроводу подвески резьбовым соединением МЗ. Перемешивание электролита осуществляется воздушным барбо-тированием от магистрали подачи сжатого воздуха.
Материалы и оборудование для проведения исследований
Для восстановленных ЭДМ и упрочненных привалочных плоскостей S головок блока цилиндров двигателя ЗМЗ-53 из возможных видов коррозион ного воздействия наибольший интерес представляет коррозия в условиях повышенных температур при напряженном состоянии детали. Данный вид изнашивания происходит в случае, когда между нагретой поверхностью металла и металлоасбестовои прокладкой в результате температурных деформаций попадают капли охлаждающей жидкости, при высокой температуре образующие агрессивную коррозионную среду.
Коррозионную стойкость поверхностей образцов в зависимости от па раметров электролита, плотности тока и различных нанесенных ЭДМ спла it BOB исследовали в соответствии с ГОСТ 9.308-88. Показатели коррозии и коррозионной стойкости оценивали в соответствии с ГОСТ 9.908-85 по потере массы на единицу площади поверхности.
Образцы для испытаний (рисунок 3.1) изготавливали из алюминиевого сплава АК9ч. Затем проводили электродуговую металлизацию сплавами АМгб, АК5 и АК9ч. После этого их подвергали фрезерованию для придания поверхностям образцов правильной геометрической формы и получения необходимых параметров шероховатости [74,77]. Затем образцы подвергали МДО, после чего шлифовали наждачной шкуркой до Ra=0,20...0,25 мкм.
Выбор материалов для испытаний основывался на том, что из сплава АК9ч изготовлены головки блока цилиндров двигателя ЗМЗ-53. Учитывалось также, что эти детали обладают указанными параметрами термообработки и шероховатости.
За эталон сравнения принимались образцы из сплава АК9ч с нанесенными ЭДМ сплавами АМгб, АД1 и АК9ч, без покрытия с шероховатостью рабочей поверхности в пределах Ra=0,20...0,25 мкм.
Покрытия наносили при анодно-катодном режиме МДО в электролите, содержащем 1, 3, 5, 7г/л гидроксида калия, 2; 6; 10; 14; 18г/л силиката натрия при плотности тока 10; 15; 20; 25; 30 А/дм2 и температуре 15С. Продолжи тельность нанесения была постоянной и составляла 90 мин. Продолжитель 7 ность коррозионных испытаний составляла 240 часов. В качестве коррозион ной среды применяли туман 5% раствора натрия хлористого при температуре 35С.
Долговечность электролита оценивали по изменению водородного показателя рН и содержанию растворенного алюминия в электролите.
После приготовления электролита и в процессе его работы контроли ровали величину рН с помощью прибора «Checker В» фирмы «HANNA».
Перед измерением стеклянный электрод вымачивали в растворе HI 70300 в течении 4 часов. Настройку осуществляли по буферным растворам HI 7007 со значением рН 7,01 и HI со значением рН 10,01 при температуре 25С.
В процессе работы электролита контролировали концентрацию раство ренного алюминия с помощью спектрофотометра «UNICO 1200». Сравнение проводили с дистиллированной водой. По полученным данным строили кри ,v вую зависимости концентрации от длин волн [134]. ЗЛО Планирование, математическая обработка и определение ошибки ы полнофакторного эксперимента.
В качестве математической модели, описывающей зависимость изменения сквозной пористости покрытия от влияющих факторов, выбрана статистическая регрессионная модель. Для получения адекватной модели был поставлен и проведен полный факторный эксперимент (ПФЭ) типа 2 , который ставился в локальной об ласти времени [135-138]. На основании проведенных опытов и литературных данных [104,112,119,148,150] в качестве основных факторов, влияющих на сквозную пористость, были выбраны следующие: 1 1) Xi — плотность тока, А/дм2; 2) Х2 — концентрация натриевого жидкого стекла (ЫагЗЮз), г/л; 3) х3 - концентрация гидро оксида калия (КОН), г/л.
Рассчитанные по формулам (3.2) нормированные значения у} для нижней, верхней и средней границ были следующими: ff = -15 Yf = 1; YjCP = 0 При построении матрицы сохранялись три основных свойства полнофакторного эксперимента 2 :
1. Симметричность относительно центра эксперимента: алгебраическая сумма элементов вектор-столбцов каждого фактора равна нулю: і=і ,. где j - номер фактора (к=3); п - количество опытов (п=12); і - номер опыта.
2. Ортогональность матрицы планирования: сумма почленных произведений любых двух вектор-столбцов матрицы равно нулю.
3. Ротатабельность: все точки матрицы должны быть подобраны так, чтобы точность предсказания значения выходного параметра была одинакова на равных расстояниях от центра эксперимента и не зависела от выбора направления.
Толщина МДО-покрытий
Увеличение концентрации КОН в электролите от 1 до 3 г/л при постоянных остальных параметрах МДО приводит к более глубокому проникновению внутреннего упрочненного слоя в основу нанесенного ЭДМ сплава, увеличивая толщины внешнего упрочненного и рыхлого слоев покрытия (рисунки 4.3, 4.4 и 4.5). Очевидно, это объясняется тем, что за счет более интенсивного растравливания поверхности оксидируемого металла в процессе формирования покрытия участвует большее количество химических элементов. Однако при увеличении концентрации КОН свыше 3 г/л толщины упрочненного и рыхлого слоев покрытия начинают уменьшаться. Видимо, это объясняется тем, что дальнейшее увеличение концентрации КОН повышает скорость растворения покрытия электролитом. 40 - — 20 0 СКаг5іОз,г/л
При концентрации КОН 10...12 г/л МДО вообще не выходит на режим. При концентрации КОН менее 1 г/л электролит имеет низкую рассеивающую способность, получение толстых равномерных покрытий затруднено [81,87,104,107]. Ь,мкм
Влияние концентрации ИагБіОз на толщину внутреннего упрочненного слоя покрытия сформированного на нанесенных ЭДМ сплавах. Режимы: Дт=20 А/дм2, Т=1,5 ч.
С увеличением концентрации в электролите Na2Si03 при постоянных остальных параметрах МДО происходит уменьшение глубины проникновения внутреннего упрочненного слоя в основу, а толщины внешнего упрочненного и рыхлого слоев покрытия увеличиваются (рисунки 4.3, 4.4 и 4.5). Увеличение толщины происходит за счет компонентов натриевого жидкого стекла, а именно катионов SiO", которые под действием микродуговых разрядов входят в состав покрытия [104,107,111,138,140]. При увеличении концентрации Na2Si03 свыше 18 г/л внутренний упрочненный слой практически не образуется. Очевидно, это связано с тем, что натриевое жидкое стекло создает на поверхности образца из алюминиевого сплава труднорастворимую пленку, препятствующую травлению металла. Это нарушает нормальное протекание МДО. Данное обстоятельство также способствует очень быстрому переходу микродуговых разрядов в дуговые, что в свою очередь приводит к порче и последующему разрушению покрытия. Вышесказанное согласуется с исследованиями других авторов, которые отмечали, что с увеличением концентрации Na2Si03 в электролите внутренний упрочненный слой уменьшается [67,68,140,141,142]. Увеличение концентрации Na2Si03 свыше 18 г/л значительного влияния на толщину внешнего упрочненного слоя покрытия не оказывает, однако, рыхлый слой увеличивается. 10 мкм
Влияние концентрации Na2Si( j на толщину рыхлого слоя покрытия сформированного на нанесенных ЭДМ сплавах. Режимы: Дт=20 А/дм2, Т= 1,5 ч.
Повышение плотности тока при постоянных других факторах МДО приводят к увеличению толщины каждого из слоев покрытия (рисунок 4.6). Это способствует более интенсивному протеканию МДО, за счет увеличения числа микроразрядов и, соответственно, ускорению окисления металла [138,143,144]. Однако экспериментальным путем установлено, что увеличение тока свыше 25 А/дм приводит к снижению прочностных свойств упрочненного слоя, особенно поверхностных его слоев, а свыше 35 А/дм2 микродуговые разряды сменяются дуговыми и покрытие разрушается. Это вероятно можно объяснить тем, что более мощные разряды «выбивают» из покрытия оксиды алюминия и других металлов, входящих в состав наносимых ЭДМ сплавов.
Можно также предположить, что увеличение плотности тока и соответственно мощности микродуговых разрядов может привести к появлению значительного количество парообразной фазы, которая разрыхляет оксидное покрытие, особенно его внешний упрочненный слой [107,118].
Проведение МДО при плотностях тока ниже 10 А/дм2 нерационально с технологической точки зрения, так как для получения требуемой толщины необходимы большие затраты времени.
Увеличение продолжительности оксидирования при неизменных остальных параметрах приводит к росту толщины каждого из слоев покрытия (рисунок 4.7 ). Следует отметить, что увеличение продолжительности оксидирования свыше 2 часов существенного влияния на упрочненный слой не оказывает, увеличивая рыхлый слой покрытия.
Влияние продолжительности оксидирования на толщину покрытия сформированного на нанесенных ЭДМ сплавах. Режимы: Дг=20 А/дм2 , Т=1,5 ч, СКон=Зг/л, CNa3sio = 1 Ог/л.
Учитывая то, что минимально необходимая толщина упрочненного слоя покрытия, необходимая при работе детали до 350С должна быть не менее 0,12 мм, то для упрочнения поверхностей деталей из алюминиевого сплава АК9ч, восстановленных электродуговой металлизацией можно рекомендовать следующие режимы: 1. Состав электролита, г/л: КОН- 2,8...3,2 Na2SiO3-10...12 2. Плотность тока, А/дм2: 20..,25 3. Продолжительность оксидирования, ч: 1,4...1,6
При вышеуказанных параметрах МДО, получают толщину упрочненного слоя покрытия не менее 0,12 мм.
При этом внутренний (от действительного размера детали) упрочненный слой составит 0,025...0,035 мм, а внешний —0, 075...0,085 мм.
Похожие диссертации на Упрочнение поверхности деталей сельскохозяйственных машин из алюминиевых сплавов восстановленных электродуговой металлизацией микродуговым оксидированием
