Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов восстановления коренных опор в блок картере дизеля 11
1.1. Особенности конструкции, причины и характер износа коренных опор судовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в эксплуатации 11
1.2. Методы восстановления изношенных поверхностей коренных опор судовых ДВС 21
1.2.1. Анализ существующих методов восстановления сваркой и наплавкой 22
1.2.2. Методы восстановления путем использования полимерных материалов 24
1.2.3. Методы восстановления электролитическим наращиванием поверхностей 25
1.2.4. Другие методы, восстановления изношенных, поверхностей 26
1.3. Выводы. Цель и научно-технические задачи исследования 28
Глава 2. Теоретические основы применения различных лент в качестве восстановительного материала изношенных внутренних опорных поверхностей корпусных деталей судовых ДВС 31
2.1. Исследование свойств материалов восстанавливаемых изделий и восстановительных ленточных материалов и границы
рационального применения последних 31
2.1.1 Материалы восстанавливаемых изделий и их основные свойства 31
2.1.2. Материалы для изготовления ленты и основные свойства наплавленных слоев 32
2.2. Характеристика электродов для приварки СПЛ к поверхности коренной опоры в блок картере 37
2.2.1. Выбор материала для электродов 37
2.2.2. Выбор формы и геометрических размеров электродов 37
2.2.3. Срок службы роликового электрода 38
Выводы по главе 2 38
Глава 3. Экспериментальные установки, методики исследования и измерительная аппаратура 39
3.1.Экспериментальные установки для электроконтактной приваркой спеченной порошковой ленты и испытания приваренного слоя на срез и скручивание 39
3.2. Методика экспериментальных исследований 43
3.2.1. Методика определения усилия прижатия роликов-электродов в процессе наплавки изношенных поверхностей з
3.2.2. Методика определения плотности и пористости спеченной порошковой ленты 43
3.2.3. Методика определения усадки спеченных порошковых лент в процессе наплавки 44
3.2.4. Методика определения адгезионной прочности приваренного слоя 45
3.2.5. Методика определения обрабатываемости приваренного слоя 47
3.2.6. Металлографические исследования 48
3.2.7. Дюрометрические исследования 48
3.3. Измерительная аппаратура и погрешности измерений 49
Выводы по главе 3 49
Глава 4. Экспериментальные исследования и разработка типовой технологии восстановления коренных опор в блок-картере двигателя с применением СПЛ 50
4.1. Исследование качества СПЛ для приварки 50
4.2. Исследование качества роликовых электродов для ЭКП 51
4.3. Адгезионная прочность приваренных слоев 52
4.4. Исследование микроструктуры и твердости по толщине приваренных слоев 56
4.5. Исследование сил резания при механической обработке восстановленных поверхностей коренных опор в блок-картере... 62
4.6. Планирование и определение оптимальных режимов приварки порошковой ленты ЛС-02Х5Н4 к чугунным корпусным деталям
4.6.1. Определение входных и выходных параметров 68
4.6.2. Постановка задачи оптимизации 70
4.6.2.1. Аппроксимирующая зависимость усилия среза Fcp -Fcp{t) 72
4.6.2.1.1. Аппроксимирующая зависимость Fcp -Fcp(P3, t) при=2000А 72
4.6.2.1.2. Аппроксимирующая зависимость Fcp =Fcp(P3, t) приі=4000А 73
4.6.2.1.3. Аппроксимирующая зависимость Fcp =Fcp(PD, і) при/=6000А 74
4.6.2.1 А. Аппроксимирующая зависимость Fcp =Fcp(P0, t) при/=8000А 75
4.6.2.1.5. Аппроксимирующая зависимость усилия среза Fcp=Fcp(I,P3 і) 76
4.6.2.2. Аппроксимирующие зависимости Pz = P:(t) 77
4.6.2.2.1. Аппроксимирующая зависимость Pz = PZ(P0,t) при/=2000А 77
4.6.2.2.2. Аппроксимирующая зависимость Pz = Pz{PD,t) при/=4000А 78 4.6.2.2.3. Аппроксимирующая зависимость Pz = P:{P0,i)
приі=6000А 79
4.6.2.2 А. Аппроксимирующая зависимость Р: = Pz{P,i) при/=8000А 80
4.6.2.2.5. Аппроксимирующая зависимость Pz - Р:(1,РЭ, і) 81
4.6.2.3. Аппроксимирующие зависимости твердости НВ = НВ(/) 82
4.6.2.3.1. Аппроксимирующая зависимость НВ = НВ(Рэ,г) при/=2000А 82
4.6.2.3.2. Аппроксимирующая зависимость НВ = НВ(РЭД) при7=4000А 83
4.6.2.3.3. Аппроксимирующая зависимость НВ = HB(P,f) при/=6000А 84
4.6.2.3.4. Аппроксимирующая зависимость НВ = YiB(PD,t) при/=8000А 85
4.6.2.3.5. Аппроксимирующая зависимость целевой функции НВ = НВ(/,Рэ,0 86
4.7 Технологический процесс восстановления изношенных поверхностей коренных опор в блок-картере 87
4,7.1. Типовой технологический процесс восстановления изношенных поверхностей коренных опор в блок-картере с применением СПЛ в качестве восстановительного материала 88
4.7.2.Правила техники безопасности при ЭКП СПЛ, расточке и хонинговании восстановленного слоя 92
Выводы по главе 4 93
Глава.5. Рекомендации по внедрению результатов исследований на ремонтных предприятиях 95
5.1.Внедрение разработанных технических рекомендаций и производственная апробация их 95
5.2. Экономическая эффективность восстановления изношенных поверхностей коренных опор в блок-картере с использованием СПЛ 97
5.2.1. Затраты на материалы 100
5.2.2. Затраты на заработную плату по тарифным ставкам 101
5.2.3. Стоимость восстановленного блок-картера 102
5.2.4. Срок окупаемости нового оборудования 102
Заключение 103
Основные выводы 105
Список использованных источников
- Методы восстановления изношенных поверхностей коренных опор судовых ДВС
- Характеристика электродов для приварки СПЛ к поверхности коренной опоры в блок картере
- Методика определения усилия прижатия роликов-электродов в процессе наплавки изношенных поверхностей
- Исследование микроструктуры и твердости по толщине приваренных слоев
Введение к работе
Актуальность
В процессе эксплуатации дизелей, в т.ч. судовых, одной их актуальных задач является восстановление опор скольжения валов в элементах остова. Актуальность восстановления обусловлена высокой стоимостью корпусных деталей, достигающей 70% стоимости дизеля. При этом важно не только обеспечить восстановление исходных размеров, форм поверхностей и их взаимное расположение в корпусе, но и сделать это наиболее рациональным путем. По данным Махачкалинского ОАО «Судоремонт» 9,5 - 11% блок-картеров дизелей поступающих на капитальный ремонт, требуют восстановления соосности и макрогеометрии коренных опор коленчатого вала.
Поэтому поиск технологических решений, направленных на восстановление опор скольжения валов в блок-картере является актуальной и важной научно-технический задачей.
Цель работы и задачи исследований. Целевой установкой диссертации является разработка теоретических и экспериментальных основ технологии применения спеченной порошковой ленты (СГШ) для восстановления внутренних цилиндрических поверхностей блок-картеров судовых дизелей. В ходе реализации поставленной цели предусматривается предварительное теоретическое и последующее экспериментальное исследование основных физико-механических свойств восстановительного материала, выбора его толщины и способа получения, а также оптимизация режима приварки СПЛ к изношенной поверхности.
В этой связи наиболее важными научно техническими подзадачами, поставленными в настоящей работе явились:
1 .Теоретически обосновать целесообразность применения в качестве восстановительного материала различных СПЛ, для чего:
систематизировать марки существующих и вновь разработанных лент;
выполнить сравнительный анализ физико-механических свойств различных лент;
- выявить марки лент с приемлемыми свойствами для восстановлении
изношенных поверхностей корпусных деталей, изготовленных из чугуна
марок СЧ21и СЧ24.
2.Экспериментально исследовать влияние основных факторов, определяющих качество процесса приварки на характеристики соединения порошковой ленты к изношенной поверхности.
3. Определить оптимальные режимы приварки СПЛ на основе
разработки математической модели эксперимента.
4. Выполнить анализ экспериментальных данных.
5.Разработать типовой технологический процесс восстановления изношенных поверхностей коренных опор в блок-картере судового высокооборотного дизеля (ВОД) типа 49,5/11 и транспортного дизеля ЯМЗ, конвертированного в судовой.
б.Выполнить расчет экономической эффективности восстановления изношенных поверхностей коренных опор в блок-картере в соответствии с рекомендациями, разработанными на основе настоящих исследований.
Методы решения поставленных задач. В работе использованы теоретические экспериментальные методы исследования, базирующиеся на работах многих научно-исследовательских институтов, технических вузов, моторостроительных и мотороремонтных предприятий.
Теоретические разработки по планированию и оптимизации режимов электроконтактной приварки СПЛ к изношенной чугунной поверхности выполнены с применение математического пакета MathCAD.
Личное участие автора состоит:
-в решении задачи восстановления изношенных внутренних опорных поверхностей корпусных деталей, отлитых из чугуна СЧ 21и СЧ 24 путем использования в качестве восстановительного материала СПЛ;
-в получении теоретических и экспериментальных результатов;
-в определении оптимальных режимов приварки с разработкой математической модели эксперимента;
-в изучении на образцах-имитаторах физических закономерностей формирования восстановленного слоя и его физико-механических свойств и обрабатываемости;
- за достигнутые результаты работа удостоена Серебряной медалью ВДНХ СССР. Москва, 1990г.;
- получена авторское свидетельство СССР № 1441624, за способ
наплавки ферромагнитных порошков на цилиндрической поверхности
деталей вращения;
-в разработке и внедрении типового технологического процесса восстановления изношенных поверхностей коренных опор коленчатого вала в блок-картере.
Практическая значимость диссертационной работы направлена на поиск и реализацию новых технических решений для восстановления изношенных внутренних поверхностей корпусных деталей отлитых из чугуна и позволяет:
- применять в качестве восстановительного материала СПЛ с
заданными физико-механическими свойствами;
- формировать на чугунной изношенной поверхности наплавленный
слой путем электроконтактной приварки СПЛ толщиной (0,8-И ,0) ±0,1 мм;
- сократить расход восстановительного материала и уменьшить
припуски на механическую обработку восстановленных поверхностей. Научная новизна:
- впервые решена задача восстановления изношенных внутренних
поверхностей корпусных деталей, отлитых из чугуна на основе
формирования восстановленного слоя электроконтактной приваркой СПЛ к
изношенным внутренним поверхностям;
определены оптимальные режимы электроконтактной приварки СПЛ путем разработки математической модели;
разработаны и научно обоснованы рекомендации по применению СПЛ в качестве восстановительного материала и на этой основе типовой технологический процесс восстановления изношенных поверхностей коренных опор коленчатого вала в блок-картере.
Апробация работы
По материалам диссертационной работы с 1990 г. по 2009 г. сделаны доклады, сообщения на итоговых ежегодных семинарах и научно-технических конференциях преподавателей, сотрудников и студентов ДГПУ, ДГТУ и МФ МАДИ (Г.Т.У.) г. Махачкала; 6-ой международной практической конференции-выставке «Технология ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций» НПФ «Плазмацентр» (13-16 апр. 2004) г. Санкт-Петербург; на постоянно действующем межведомственном семинаре «Актуальные проблемы судовой энергетики и машинно-движительных комплексов» в АГТУ г. Астрахань; Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано до макроуровня» Санкт-Петербургского Политехнического университета (14-17 апреля 2009г.) г. Санкт-Петербург; 53-й Международной конференции профессорско - преподавательского состава Астраханского государственного технического университета (20-22 апреля 2009г.) посвященная 15-летию АГТУ г.Астрахань.
Публикации
Основные результаты работы опубликованы в 8печатных работах.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка использованной литературы из 125 источников и представлена на 126 страницах компьютерного текста, содержит 50 рисунков и 25 таблиц, приложения.
Методы восстановления изношенных поверхностей коренных опор судовых ДВС
Корпуса ДВС, выполненные по первой или по второй конструктивной схеме могут использовать различные силовые схемы, когда несущими основную нагрузку являются цилиндры или силовые шпильки. Так, несущими оказываются цилиндры при закреплении их или блока цилиндров к картеру и головке цилиндра короткими болтами или шпильками. В этом случае под действием сил давления рабочего тела стенки цилиндров испытывают напряжения разрыва.
Когда блок цилиндров или отдельные цилиндры и их головки, а также крышки коренных опор коленчатого вала стягиваются длинными силовыми шпильками, ввернутыми в массивные перегородки картера (рис. 1Б), силы давления газов воспринимают несущие силовые шпильки, а стенки цилиндров оказываются разгруженными от растягивающих усилий [6, 31].
В большинстве транспортных двигателей применяются блок-картеры несколько более сложные в изготовлении и в ремонте, но обладающие наиболее высокой структурной жесткостью.
Между наружными стенками блока и цилиндрами образуется пространство, заполняемое охлаждающей жидкостью и, как известно, называемое рубашкой охлаждения. В теле блока выполняется система каналов и сверлений для прохода в нужных направлениях охлаждающей жидкости и смазочного масла, а также различные технологические окна и отверстия [2].
Геометрические размеры и форма блок-картера определяются принятой конструктивной компоновкой двигателя и зависит от числа и расположения цилиндров. В большинстве случаев применяются блоки с однорядной и двухрядной V-образной компоновкой. Типичными представителями указанных конструкций корпусов среди отечественных рядных и V-образных двигателей являются корпуса: - четырех- и шестицилиндровых рядных двигателей семейств СМД, 48,5/11,49,5/11 и другие; - шести-, восьми- и двенадцатицилиндровых двухрядных и V-образных дизелей семейства ЯМЗ-236, ЯМЗ-238, ЯМЗ-238Б, ЯМЗ-238Н, ЯМЗ-238НБ и ЯМЗ-240, ЯМЗ-240Н, ЯМЗ-240Б, ЯМЗ-240НБ [5], в том числе конвертируемые в судовые исполнения.
В верхней части блок-картера устанавливаются гильзы цилиндров, которые могут выполняться «сухими» или «мокрыми». Сухие гильзы запрессовываются в расточенные отверстия цилиндров и не имеют прямого контакта с охлаждающей жидкостью. Мокрые гильзы устанавливаются в двух проточках, выполненных в установочных поясах, расположенных в верхней и нижней частях блока и непосредственно омываются охлаждающей жидкостью. Необходимо отметить, что при использовании мокрых гильз отмечается: - снижение жесткости блок-картера в верхней части [2, 6]; - кавитационное разрушение блока и гильзы цилиндров в зоне нижнего уплотнительного пояса у резиновых колец, в результате высокочастотной вибрации гильзы от ударов при перекладке поршня [2].
Последнее приводит к попаданию охлаждающей жидкости из рубашки охлаждения в моторное масло, что существенно снижает надежность работы подшипников и коренных опор коленчатого вала [6].
Основные усилия конструкторов при проектировании блок-картеров направлены на достижение их высокой жесткости и увеличение срока службы.
Главным фактором, обеспечивающим жесткость конструкции блок-картера, является объединение его основных элементов в единый силовой каркас, имеющий конфигурацию пространственной фермы.
В правильно построенной ферме действующие усилия замыкаются в основном на силовой блок-картер и при контролируемой затяжке крепежа удается исключить заметные деформации в зонах посадочных поясов гильз цилиндров и отверстий коренных опор коленчатого вала.
Так, после установки втулки цилиндра в блок-картер дизелей 48,5/11 и 49,5/11 уплотнительные прокладки, плотно охватывающие втулку цилиндра, снимаются, обеспечивая надежное уплотнение. При этом монтажные нагрузки могут вызвать деформацию и искажение геометрии зеркала цилиндра в зоне уплотнительных колец. [2, 3].
Нагрузка от давления газов к каркасу блок-картера передается через бобышки, имеющие резьбовые отверстия для шпилек крепления головки цилиндров и крышек коренных опор коленчатого вала.
Для исключения изгибающих и снижения растягивающих напряжений в наружных стенках, рубашки охлаждения в двигателях с высокой газовой нагрузкой (ЯМЗ-238Н, ЯМЗ-238НБ) между гильзами цилиндров выполняются дополнительные несущие перегородки, расположенные в одной плоскости с коренной опорой коленчатого вала [5, 31]. Дополнительными мероприятиями, способствующими повышению жесткости блок-картера, являются: - добавочное оребрение перегородок и стенок; - расположение плоскости разъема картера ниже оси коленчатого вала; - применение двухрядной V-образной компоновки; - переход на туннельный блок-картер. Указанные конструктивные мероприятия используются как в отечественном, так и в зарубежном двигателестроении для повышения момента сопротивления изгибу поперечного сечения блок-картеров и снижения возможных деформаций их в эксплуатации [6, 32]. Наиболее жесткую конструкцию имеет блок-картер с неразъемным туннельным картером, применяемый для отечественных транспортных дизелей ЯМЗ-240, ЯМЗ-240Б, ЯМЗ-240Н, в качестве коренных подшипников которых используются роликовые подшипники качения. Коленчатые валы их монтируются с торца двигателя, а наружные обоймы подшипников устанавливаются в семи поперечных перегородках в отверстия диаметром 26(T0 0go мм, выполненные с высокой точностью по соосности. Так, биение промежуточных отверстий диаметром 260lJ25o мм относительно крайних (первого и седьмого) не должен превышать 0,013 мм; овальность отверстия -0,015 мм и конусность - 0,01 мм [32].
Туннельный блок-картер более сложен в производстве, но благодаря преимуществам используется на отечественных дизелях ЯМЗ и на ряде зарубежных двигателей [5].
В целях снижения тепловых деформаций блок-картера приходится увеличивать высоту рубашки охлаждения и оптимизировать сечения и расположение соединительных каналов и отверстий, способных обеспечить более равномерное охлаждение его различных участков и зон.
Несмотря на принятые и принимаемые конструкторские и технологические меры повышения жесткости и обеспечения надежности блок-картеров, долговечность их не достигает назначенного полного ресурса, по истечении которого осуществляется списание дизеля. Поэтому для обеспечения заданной долговечности блок-картера широко используется метод применения сменных изнашиваемых элементов и капитальные ремонты с целью восстановления первоначальных геометрических размеров, форм и соосности базовых размеров, в том числе коренных опор коленчатого вала.
В большинстве конструкций блок-картеров сменными являются «мокрые» втулки цилиндров, вкладыши подшипников скольжения и подшипники качения коренных опор коленчатого вала, втулки распределительного вала и т.п. [3,6].
Характеристика электродов для приварки СПЛ к поверхности коренной опоры в блок картере
Приваренный слой подлежит растачиванию лезвийным и хонингованию абразивным инструментом. Поэтому обрабатываемость приваренного слоя является важнейшей характеристикой, определяющей технологичность процесса восстановления.
В качестве оптимальных физико — механических свойств материала для восстановления изношенных поверхностей коренных опор в блок -картере, в литературе [77] рекомендуют свойства материала восстанавливаемого изделия, т.е. чугуна. Указанное не может быть реализовано на практике вследствие неудовлетворительной привариваемости чугуна, из-за высокого уровня содержания углерода (3,15 -3,45%) в его химическом составе и наличия в структуре свободного графита. Как известно, изнашиваемая поверхность коренных опор в блок - картере создает неподвижное сопряжение «внутренняя чугунная поверхность коренной опоры - наружная стальная поверхность вкладыша». При качественной наплавке спеченных порошковых стальных лент к изношенной поверхности указанное сопряжение чугунной и стальной поверхностей в блок-картере сохраняется, а стальная наружная поверхность восстановленной коренной опоры создает в блок - картере новое неподвижное сопряжение двух стальных поверхностей с весьма близкими физико — механическими свойствами. При этом основная задача сводится к обеспечению качественной наплавки СПЛ к поверхности коренной опоры.
Изложенное позволяет сделать весьма важным вывод, который может быть сформирован следующим образом. При использовании СПЛ в качестве восстановительного материала свойства их должны соответствовать не физико — механическим свойствам чугунной поверхности коренной опоры блок - картере, а физико - механическим свойствам стальной основы, препятствующей смятию антифрикционного слоя подшипника коренной опоры.
Таким образом, для реализации изложенного важно обеспечить качественную электроконтактную приварку СПЛ к изношенной поверхности коренной опоры в блок - картере, отлитого из чугуна СЧ21 или СЧ24. Поэтому оказалось необходимым оптимизация как размеров, форм и материала роликовых электродов, так и режимов приварки СПЛ к чугунным корпусным деталям. 2.2.Характеристика электродов для приварки СПЛ к поверхности коренной опоры в блок картере.
Геометрические размеры и форма, материал и расположение в восстанавливаемом изделии изношенной поверхности, а также параметры СПЛ оказывают существенное влияние на характеристики электродов. К последним относится материал и форма, геометрические размеры и долговечность электрода.
При выборе материала для изготовления электрода приходится исходить из условий функционирования его и обеспечение как высокие значения термостойкости, теплопроводности и электропроводности, так и износостойкости в условиях деформаций ленты при ее прижатии к восстанавливаемой поверхности.
В этой связи на основании работ [24, 27, 77, 120] в качестве материала для изготовления электрода на первом этапе были выбраны холоднотянутая медь марки Ml и бронзовые сплавы БрХ-0,6 и Бр.НБТ. Сравнительный анализ характеристик материалов, выбранных и используемых в отечественной и зарубежной практике показал, что первые более доступны и имеют показатели по электропроводности выше, а по твердости ниже. Поэтому окончательное уточнение материала для роликов-электродов было решено выполнить после экспериментальной проверки их износостойкости и сроков службы электродов из пяти марок материалов: БрНБТ; БрХОб; БрКдІ; БрХЦр; Ml, имеющих различные температуры разупрочнения.
При выборе форм и размеров электрода в работе были учтены формы и размеры восстанавливаемых поверхностей, рекомендации работ [76, 77] и требования стандартов — ГОСТ 14111 и МН113, которые позволили установить, что: 1) форма электрода должна быть роликовой, а рабочая поверхность сферической, с радиусом сферы R = 60 мм; 2) наружный диаметр ролика-электрода должен быть в пределах 50 -60 мм, а диаметр посадочного отверстия 25 мм; 3) угол заточки ролика-электрода 120, а ширина рабочей контактной поверхности от 6 до 12 мм. Наружный диаметр ролика-электрода Dp зависит от диаметра du изношенной поверхности коренной опоры в блок-картере или их образцов-имитаторов и выбирают равным 40 -70 % от du, т.е. Dp = (0,4 - 0,7)4 [77] В работе использовались ролики-электроды с наружным диаметром от 50 до 60 мм, по 10 штук каждого типоразмера.
Ролик выполняющий роль электрода прижимает приваривающую ленту к восстанавливаемой поверхности, нагревается до высокой температуры, перемещается по ленте со скоростью 0,01 м/с. Механические нагрузки от сил зажима, тепловые нагрузки от нагрева и силы трения при перемещении приводят к повышенным износам электрода, и ограничивает срок службы его. Поэтому при выборе материала, формы и размеров электрода важно найти технические решения обеспечения приемлемой долговечности электрода. Вследствие отсутствия теоретических зависимостей для определения долговечности электрода, оценка последней осуществляется в ходе экспериментальных исследований по износостойкости ролика.
Проведенное теоретическое исследование позволяет сделать следующие выводы: 1) корпусные детали рассматриваемых судовых дизелей отлиты из серого чугуна марок СЧ 21 и СЧ 24, что обуславливает необходимость изготовления образцов-имитаторов коренных опор в блок-картере из указанных марок чугуна; 2) для восстановления изношенных поверхностей коренных опор в блок-картере необходимо выбирать восстановительный материал, удовлетворяющий физическим, технологическим и эксплуатационным требования. 3) в качестве восстановительного материала для наружных поверхностей нашли применение стальные ленты в том числе СПЛ толщиной от 0,8до1 мм. Однако отсутствуют данные по их использованию для восстановления внутренних поверхностей корпусных деталей, отлитых из чугуна марок СЧ21 и СЧ24; 4) как показали исследования, оптимальными для восстановительного материала являются не свойства чугуна, свариваемость которого не позволяет их реализовать на практике, а характеристики стальной ленты, используемой для корпуса вкладыша; 5) применение в качестве восстановительного материала порошковых лент позволяет: - существенно сократить расход восстановительного материала, так как масса СПЛ вследствие пористости всегда меньше стальной ленты; - уменьшить припуск на механическую обработку, так как толщина ленты не превышает 1 мм; - меняя состав и размеры частиц порошков, условия их прессования, спекания или пропитки жидкими сплавами можно получить порошковые ленты с различными характеристиками; - обеспечить их качественную сварку электроконтактной приваркой к чугунному корпусу; 6) на основе использования математических методов планирования экспериментов разработана методика оптимизации режимов ЭКП СПЛ к изношенным поверхностям коренных опор в блок-картере; 7) качество приварки при ЭКП СПЛ к изношенной поверхности коренных опор в блок-картере, изготовленного из чугуна СЧ 21 определяют сила тока, длительность импульса и усилие прижатия.
Методика определения усилия прижатия роликов-электродов в процессе наплавки изношенных поверхностей
Образец №3 (см.№ п/п в табл.13. Рис.14). Реализация нескольких режимов близких к оптимальному режиму электроконтактной приварки ленты состава ЛС02Х5Н4 к чугуну СЧ 21, позволил формировать слой толщиной 300- 350 мкм, состоящий из нехрупких слаботравящихся 5% раствором HNO3 в С2Н5ОН участков, распространяющихся по всей толщине слоя, сформированных в условиях жидкофазного спекания 1, и более хрупких участков желтоватого оттенка 2 (рис. 14) и отдельных включений светлых 3, нетравящихся зерен, содержащих около 6% хрома размером до 80 мкм (желтые пятна), микротвердостью Нюо2540-2960, а так же пор и раковин. Слаборастворяющиеся участки имеют переменную микротвердость Нюо2960-4640, что позволяет сделать предположение о их твердорастворном характере, а также содержат травящиеся мелкодисперсные включения избыточных фаз (невидимые на снимке) размером до 0,5 мкм. Участки желтоватого оттенка имеют микротвердость Нюо2060...2360 и также содержат травящиеся мелкодисперсные включения. Соотношения объемов занимаемых слаботравящимися и менее твердыми (но более хрупкими) участками желтоватого оттенка приблизительно равно 1/1. Под наплавленным слоем располагается более твердая мартенситно-графитная переходная 4 и перлитно-графитная 5 структуры (последняя представляет основу серого чугуна с Нюо2540...2790). Толщина мартенситно-графитной Рис. 14. Микрошлиф образца № 3 X 400 зоны достигает 600-650 мкм причем, на глубине до 150 мкм непосредственно под наплавленным слоем мартенсит имеет сероватый оттенок, более высокую дисперсность и микротвердость (НюоПОО... 1288 по сравнению с нижерасполагающимся мартенситом с Нюо9000...9460, что допускает легирование его хромом, но это может и не происходить. Толщина зоны термического влияния подслоем достигает 1мм и неравномерна. Невысокая, но в то же время приблизительно равная твердость наплавленного слоя HRA 40...42 и основы HRA 43...45 дает основание предположить его удовлетворительную технологичность, касающуюся проведения финишной механической обработки после наплавки (шлифуемость, деформируемость). Высокая твердость мартенсита формируемого под слоем, предполагает улучшение эксплуатационных свойств подложки в случае возникновения экстремальных условий в процессе катастрофического абразивного износа вкладыша.
Образец №2 (см.№ п/п в табл.13. Рис.15). При приварке СПЛ толщиной 1 мм на серый чугун формируется покрытие толщиной 550-600 мкм, состоящее из травящихся в 5% растворе HNO3 в С2Н5ОН. Наблюдаются включения размерами 10-70 мкм микротвердостью Н10о1500 на фоне слаботравящегося легированного хромом, никелем и марганцем аустенита с микротвердостью Нюо2000...2060, представляющего основу покрытия, а также отдельных пор и раковин. Под слоем располагается мартенситно-графитная зона толщиной до 750 мкм, микротвердостью Н]0о7240...8240 причем на глубине до 30-80 мкм - мелкодисперсный, сероватого оттенка высокотвердый мартенсит Нюо1288. Основа представляет перлитно-графитную структуру с небольшим количеством феррита, а свойства аналогичны образцу №3, однако следует отметить худшую связь покрытия с основой (видна темная зона между слоем и основой), что может быть объяснено большей толщиной наплавленного слоя, вследствие возникновения больших напряжений в процессе наплавки, либо большего коэффициента термического расширения. Ч І- Щ ЩЩ
Микрошлиф образца №2 X 400 Образец №1 (см.№ п/п в табл. 13. Рис.16). По теории микроструктурных изменений при спекании и сварке, в случае полной гомогенизации ленты во время спекания и наплавки в ней должно было быть 2,4%Cr+l,3%Ni, но этого не обнаружено. Формируется наплавленный слой толщиной 250-320 мкм предположительно состоящий из слаботравящегося в 5% растворе HNO3 в С2Н5ОН легированного феррита достаточно хрупкого микротвердостью HI 160, с менее хрупкими, травящимися включениями высоколегированного аустенита микротвердостью Нюо2180...2360, с отдельными включениями твердых нехрупких травящихся зерен, располагающихся ближе к основе микротвердостью Hioo8240, пор, раковин и неметаллических включений. Под слоем располагается закаленная зона толщиной 650-700 мкм из мартенсита микротвердостью Нюо6420...8240 и графита. Основу чугуна составляет перлитно-графитная структура микротвердостью Нюо2060 с небольшим количеством феррита микротвердостью НюоІбОО. HRA слоя 25, HRA закаленной зоны 42; HRA основы 33. Твердость слоя ниже твердости покрытия. Твердость закаленной зоны невысокая. — ТЧУ ! / " Рис.16. Микрошлиф образца №1 X 400 Образец №4 (см.п.п.№ в табл.13. Рис 17). В результате реализации оптимальных режимов ЭКП ленты толщиной 1мм состава 90%ПЖ+10%№, формировался слой толщиной 200-250 мкм, состоящий из нехрупких нетравящихся включений легированного аустенита Н2060, мелкодисперсных и более крупных (до 70 мкм) травящихся хрупких включений невысокой твердости микротвердостью Нюо1810... 1930, пор и раковин. В ряде мест обозначается хрупкий подслой легированного мартенсита (как в образце №21), ухудшающий прочность сцепления покрытия с основой. Закаленная зона распространяется на глубину до 650-700 мкм. Микротвердость снижается вглубь с Нюо824 до Нюо514. В мартенситно-графитную структуру включены отдельные зерна Нюо946-1288. Под зоной термического влияния основа перлит + графит + небольшое количество углерода. Твердость HRA слоя 38, HRA основы 36, HRA зоны термического влияния 43.
Для сравнения были исследованы микроструктуры СПЛ лент 21 и 23 которые ранее были отброшены по физико-механическим и технологическим свойствам (см.п.п.№ в табл.13).
Образец №21 (см.п.п.№ в табл.6. Рис.18). Приварка спеченной ленты состава ЛС03Х1Н0,8 к серому чугуну формирует металлическое покрытие хрупких легированных не успевших объединиться с легирующими элементами в процессе спекания ленты, крупных зерен аустенита микротвердостью Нюо1432 размером 100-250 мкм, сильнотравящихся зерен размером 50-70 мкм низколегированного феррита микротвердостью НдоІІбО (не успевшие насытиться при спекании легирующими элементами частицы порошка ПЖ) и представляющего основу покрытия слаботравящегося легированного феррита микротвердостью Нюо1432, твердость которого у основы выше Н)оо2200, пор, раковин и неметаллических включений. Под ним располагается отдельной зоной не имеющий хорошей связи с основой и слоем, сформированный в условиях подплавления хрупкий подслой, легированный хромом и никелем мартенсита, имеющий большое количество микротрещин, микротвердостью Нюо724, не обеспечивающего хорошую связь слоя с основой. Основа представляется закаленной зоной мартенсит-графит - структура, распространяющаяся на глубину 780 мкм, с постепенно снижающейся к сердцевине микротвердостью Нюо7240...5140. Невысокая микротвердость мартенсита может быть объяснена обезуглероживанием аустенита и в процессе наплавки легированием им подслоя.
Основа представляет структура перлит+графит+углерод с небольшим количеством феррита, HRA слоя 21-30, HRA закаленной зоны 49, основа с HRA 32 хрупкая (твердость слоя основы ниже твердости основания). Слой не работоспособен.
Исследование микроструктуры и твердости по толщине приваренных слоев
Получение удовлетворительного сварного соединения, порошковая лента - чугун, зависит от комплексного влияния многих факторов: силы тока, усилия прижатия электродов-роликов к ленте, времени прохождения тока через свариваемые детали, условий охлаждения, способа подготовки поверхностей детали и т.д. Все перечисленные факторы можно разделить на две группы. К первой группе относятся те факторы, которыми можно управлять, а ко второй группе - факторы, которые можно контролировать, но которые не поддаются целенаправленным изменениям в ходе процесса сварки. К таким факторам относятся: толщина свариваемых деталей, их физико-механические свойства, способы подготовки поверхностей деталей под сварку, возможности оборудования и т.д. Для определения оптимальных режимов ЭКП порошковой ленты с чугуном, а также установления влияния основных факторов на процесс формирования сварных швов необходимо проведение большого количества специальных лабораторных экспериментов. Выбор оптимальных режимов может быть облегчен использованием математических методов планирования [1, 19, 23, 91]. Применительно к рассматриваемому процессу входными факторами являются: время импульса t, сила тока I , сила прижатия электродов-роликов Рэ Эти факторы должны принимать определенные значения с гарантированной точностью. Значения управляемых факторов должны ограничиваться условиями, определяющими технологический процесс.
Каждый из перечисленных факторов должен иметь дискретные области определения, обусловленные принципиальными и техническими ограничениями. Например, значение Рэ не должно превышать 2500 Н, т.к. в противном случае возможна деформация сварочных роликов или поломка их оси; сила тока / не может превышать 12 кА, т.к. это является пределом возможности установки и т.д.
Управляемые факторы должны удовлетворять требованиям некоррелированности и совместимости. Первое означает возможность изменения любого из факторов независимо от уровня других. Второе означает возможность осуществления любых комбинаций значений факторов, лежащих внутри области определения.
На группу входных контролируемых факторов (толщина ленты, физико-механические свойства материалов, геометрические размеры электрода-ролика и т.д.) накладываются принципиальные и технологические ограничения. Так, например, диаметр ролика не может быть равным или большим диаметра восстанавливаемого отверстия. Интервал значений контролируемых факторов налагает ограничения на пределы изменения каждого из них.
Для постановки оптимизационной задачи необходимо выбрать параметр оптимизации и основные факторы, влияющие на него.
Исходя из условий работы коренных опор блок-картеров и требований, предъявляемым к ним, а также рекомендаций работы [77], главными характеристиками восстановленного узла являются: прочность сцепления наваренного слоя с основным материалом, его износостойкость. Менее значимым оказывается последняя характеристика, так как само посадочное место не работает на трение и, следовательно, исключен его абразивный износ. Однако в сопряжении вкладыша коренного подшипника с посадочным отверстием блока возможно возникновение фреттинг-коррозии, но вероятность возникновения такого процесса зависит от качества сборки узла и двух первых характеристик - адгезионной прочности и твердости восстановленного слоя. В связи с этим нет необходимости рассматривать износостойкость как отдельный параметр оптимизации. Учитывая, что после наплавки слой подлежит растачиванию режущим лезвийным инструментом и хонингованию, обрабатываемость наплавленного слоя также является одной из важных характеристик, определяющей технологичность процесса восстановления.
Параметры оптимизации выбраны с учетом анализа подобных работ, описанных в [43, 99], а также в силу того, что эти величины являются полностью управляемыми, независимыми и совместимыми. Увеличение количества факторов приведет к резкому возрастанию числа опытов и не является необходимым для проведения исследований.
Целью экспериментальных исследований является нахождение таких значений входящих параметров I,P% t, при которых обеспечивалось бы лучшее сочетание значений выходных параметров оптимизации Fcp, Р:, НВ Для чего необходимо: -определить уровни варьирования входных параметров I,P% t; -разработать план и получить результаты экспериментальных исследований. Границы варьирования /, Р% t были определены на основе анализа существующих технологических ограничений и возможностей технического осуществления процесса приварки и приведены в табл.19.
Экспериментальные исследования, проведенные по полному многоуровневому многофакторному плану с использованием вероятностно -статистических методов планирования и обработки экспериментальных данных, при фиксации всех побочных параметров, позволяющих уточнить значения выходных параметров, дали возможность представить план и результаты экспериментальных исследований приведенные в табл.20.
Статистический анализ и компьютерная обработка опытных данных с применением математического пакета MathCAD позволили получить адекватные математические линейно-степенные зависимости. Оценка достоверности аппроксимации R2 зависимости критерия оптимизации от варьируемых параметров для всех зависимостей не менее 0,9. Увеличение показателя степени параметров в полиноме не влияло на величину R2.
Полученные результаты представлены в виде аппроксимирующих уравнений и в графическом виде, рассчитанными по данным уравнениям, полями значений целевых функций (выходные параметры) в зависимости от варьируемых факторов (входные параметры).
