Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема повышения долговечности деталей судовых средне оборотных дизелей 15
1.1. Оценка технического состояния деталей судовых дизелей 15
1.2. Установление причин и закономерностей изнашивания деталей судовых дизелей при работе на тяжелых сортах топлива 22
1.3. Анализ физических моделей контактного взаимодействия поверхностей в условиях трения 30
1.4. Современные ресурсосберегающие технологии упрочнения и восстановления деталей судовых дизелей 39
1.5. Аналитический обзор работ по применению материалов и покрытий для упрочнения и восстановления деталей двигателей внутреннего сгорания 44
1.6. Формулировка цели и постановка задач исследований 55
2. Формирование износостойких покрытий на деталях цилиндропоршневой группы судовых среднеоборотных дизелей 59
2.1. Оборудование и методы испытаний материалов и покрытий цилиндровых втулок и поршневых колец 59
2.2. Результаты триботехнических испытаний материалов и покрытий пары трения цилиндровая втулка - поршневое кольцо 67
2.3. Исследование стойкости к электрохимической коррозии материалов и газотермических покрытий 73
2.4. Формирование износостойких структур на рабочих поверхностях поршневых колец80
2.5. Оптимизация режимов нанесения газотермических покрытий 84
2.6. Определение эпюр давления поршневых компрессионных колец 109
2.7. Исследование свойств материалов и покрытий акустическим методом 122
2.8. Выводы по второй главе 147
3. Теоретические предпосылки образования износостойких струк тур на рабочих поверхностях деталей судовых дизелей с исполь зованием лазерного излучения 150
3.1. Особенности лазерного упрочнения рабочих поверхностей деталей машин 150
3.2. Оборудование и методики исследования лазерной обработки чугунов 153
3.3. Исследование структур серого чугуна в зоне лазерного воздействия158
3.4. Влияние химических элементов на свойства чугунов, обработанных лазером 175
3.5. Выводы по третьей главе 183
4. Исследование процессов лазерной обработки деталей, изготов ленных из серых чугунов 185
4.1. Физико-механические свойства поверхностных слоев серых чугунов в зоне лазерного воздействия 185
4.2. Износостойкость чугунов после лазерного термоупрочнения 193
4.3. Математические модели и взаимосвязи параметров процесса лазерной обработки чугунов 202
4.4. Выводы по четвертой главе 221
5. Технологии восстановления цилиндровых втулок и упрочнения поршневых колец с использованием метода плазменного напы ления 223
5.1. Технология восстановления рабочих поверхностей цилиндровых втулок судовых среднеоборотных двигателей 223
5.2. Выбор режущих инструментов и режимов шлифования покрытия ПН85Ю15 228
5.3. Технология упрочнения поршневых колец 234
5.4. Натурные испытания цилиндровых втулок и поршневых колец 237
5.5. Прогнозирование остаточного ресурса цилиндровых втулок 241
5.6. Сравнительная оценка влияния газотермических покрытий на теплоиспользование и тепловую напряженность судовых дизелей 250
6. Технология упрочнения цилиндровых втулок и поршневых колец лазерной обработкой в условиях производства запасных деталей в судоремонтном производстве 256
6.1. Разработка производственной технологии лазерной обработки цилиндровых втулок судовых среднеоборотных дизелей 256
6.2. Лазерная обработка поршневых колец 263
6.3. Технологическая подготовка лазерного термоупрочнения рабочих поверхностей цилиндровых втулок и поршневых колец судовых дизелей 269
Заключение 275
Литература 278
Приложения 302
- Установление причин и закономерностей изнашивания деталей судовых дизелей при работе на тяжелых сортах топлива
- Исследование стойкости к электрохимической коррозии материалов и газотермических покрытий
- Оборудование и методики исследования лазерной обработки чугунов
- Износостойкость чугунов после лазерного термоупрочнения
Введение к работе
Актуальность проблемы. Эффективное использование современного транспортного флота в значительной степени зависит от его технического состояния. К настоящему времени большинство судов находится в эксплуатации более 20 лет, поэтому объемы ремонтных работ для поддержания их работоспособности с каждым годом увеличиваются. Поскольку экономичность и безопасность работы судов как пассажирского, так и грузового флота непосредственно зависят от рабочего состояния главных и вспомогательных дизелей, то к параметрам надежности их работы предъявляются повышенные требования.
В системе речного флота рабочий парк судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС) к 1990 г. насчитывал около 50,4 тыс. единиц общей мощностью 8,6 млн. кВт. Ежегодно судоремонтные предприятия расходуют более 40% всего потребляемого металла на изготовление запасных частей, при этом в металлолом сдается до 300 тыс. деталей при износе сопрягаемых поверхностей (0,5.. .2,0) мм и потере массы (3... 5)%.
Затраты на изготовление запасных деталей С ДВС в 1990 г. составили 36 млн. руб. Обеспеченность судоремонтных предприятий сменно-запасными деталями в 1990 г. составляла 67,5%, а в 2000 г. — 84,5% от потребности.
Опыт эксплуатации судовых дизелей показывает, что надёжность их работы, сроки проведения текущих и средних ремонтов определяются параметрами технического состояния деталей цилиндро-поршневои группы (ЦІИ), среди которых цилиндровая втулка (ЦВ) и поршневые кольца (ПК) наиболее ответственные и быстроизнашиваемые.
Повышение ресурса данных деталей с целью продления межремонтных периодов СДВС является одной из важнейших задач металлургов, конструкторов, технологов и научных работников. Однако до сих пор действительный ресурс трибосопряжения ЦВ-ПК наиболее распространенных, ме-
таллоемких и мощных среднеоборотных дизелей (СОД) значительно ниже нормативных значений.
Следует также отметить, что с начала 70-х годов к настоящему времени существенно возросла теплонапряжённость СДВС из-за увеличения цилиндровых и агрегатных мощностей по причине повышения степени форсирования без существенных конструктивных изменений элементов дизелей. В середине 80-х годов на водном транспорте наметилась тенденция перевода СОД на использование высокосернистых тяжёлых сортов топлива. Все это повлияло на значительное увеличение скоростей изнашивания ЦВ и ПК. Поэтому возникает острая необходимость в повышении ресурса деталей ЦПГ СДВС.
В условиях рыночных отношений перед судоремонтными предприятиями стоят следующие задачи — обеспечение СДВС и механизмов запасными деталями в необходимом количестве и заданного качества, сокращение сроков ремонтов судов, снижение затрат на материалы, электроэнергию и ремонт. Данные задачи можно решить при внедрении и использовании ресурсосберегающих технологий.
Фундаментальным проблемам повышения эффективности ремонтного производства посвящены научные труды известных учёных: В.М. Кряжкова, А.В. Криулина, М.А. Масино, И.А. Мишина, М.К. Овсянникова, Л.И. Погодаева, А.П. Семёнова, Ю.В. Сумеркина, М.М.Тенен-баума, Ю.Н. Цветкова, В.И. Чернова, В.А. Шадричева и др.
Многие вопросы теории и практики, связанные с повышением надёжности, восстановлением работоспособности ответственных деталей машин и механизмов рассмотрены в работах: В.М. Андрияхина, А.В. Асташкевича, О.А. Борчевского, B.C. Горобца, Н.Ф. Голубева, В.В. Глебова, А.П. Ермакова, Ю.Е. Ежова, А.Я. Кулика, Ю.Г. Кулика, В.В. Кудинова, А.Д. Соколова, Н.С. Молодцова, А.П. Пимошенко, И.И. Прохорова, В.Б. Хмелевской и др.
В период 1985-1990 г.г. в Министерстве речного флота была выработана программа организации специализированных участков по восстановлению деталей машин и механизмов на судоремонтных предприятиях в разных регионах России.
Однако большинство этих участков так и остались на уровне проектов. А там, где было организовано восстановление деталей с использованием методов нанесения газотермических покрытий, ожидаемого эффекта получено не было. К основным причинам, которые сдерживали внедрение в производство эффективные ресурсосберегающие технологии, следует отнести:
отсутствие комплексного подхода к разработке ресурсосберегающих технологий с использованием методов газотермического напыления и лазерной обработки;
наличие нестабильных показателей по адгезионной прочности наносимых покрытий, отсутствие методик и приборного обеспечения для качественной оценки адгезионных характеристик газотермических покрытий на рабочих поверхностях деталей без их разрушения;
большое количество брака в процессе механической обработки рабочих поверхностей деталей с газотермическими покрытиями;
отсутствие глубоких научных исследований в области упрочнения поверхностей деталей машин, многие из которых в этот период находились на уровне проектов.
Несмотря на большой объём выполненных исследований и проведённых экспериментальных работ, к настоящему времени проблема повышения ресурса деталей ЦПГ СОД до нормативных значений остается весьма актуальной. Поэтому разработка эффективных ресурсосберегающих технологий с использованием современных методов упрочнения и восстановления, организация специализированных участков ремонта на предприятиях водного транспорта представляет собой серьезную проблему.
Работа автора в этом направлении выполнялась в соответствии с планами НИР и ОКР Министерства транспорта, ВГАВТа, а также по хоздого-ворам с предприятиями (ОАО «РУМО», ОАО «Завод Нижегородский Теплоход», ОАО «Судоходная компания Волжское пароходство»).
Целью работы является развитие научных основ формирования износостойких газотермических покрытий и структур в поверхностных слоях серых чугунов с использованием концентрированных источников энергии и разработка надежных ресурсосберегающих технологий восстановления и упрочнения деталей машин и механизмов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
На основе анализа известных теоретических представлений и экспериментальных данных установить основные причины и закономерности изнашивания деталей ЦПГ ДВС.
Исследовать влияние химико-термический обработки газотермических покрытий на их структуру и триботехнические свойства.
На основании исследований определить оптимальный материал подслоя для газотермических покрытий с целью получения высоких и стабильных адгезионных характеристик.
Исследовать коррозионное поведение и защитные свойства материалов и покрытий деталей ЦПГ судовых дизелей.
Разработать методику, программное и приборное обеспечение для качественной оценки адгезионных характеристик покрытий и их физико-механических свойств.
# 6. Получить физические модели процессов формирования структур в
поверхностных слоях серых чугунов при их лазерной обработке.
7. Разработать математические модели физических процессов при лазерной обработке серых чугунов.
8. Определить влияние химического состава и исходной структуры
серых чугунов на физико-механические свойства зоны лазерного воздейст-
^ ВИЯ.
9. На основе теоретических и экспериментальных исследований раз
работать и внедрить в производство ресурсосберегающие технологии с ис
пользованием метода плазменного напыления и лазерного термического
упрочнения.
Научная новизна. Научная новизна полученных в диссертации ре-зультатов заключается в следующем:
1. Разработаны математические модели влияния технологических
факторов на плотность, пористость (открытую, закрытую, общую), твер
дость, коэффициент трения, коэффициент использования материала, износ,
адгезионную прочность при плазменном напылении покрытий ПН85Ю15,
*' ІШ73Х16СЗРЗ.
2. Определено, что интенсивность и полноту протекания экзотерми
ческой реакции при газотермическом напылении термореагирующих по
рошковых материалов системы Ni-Al можно оценить по соотношению фаз
никеля и интерметаллида №зА1 в нанесенном покрытии методом рентге
носпектрального анализа.
} 3. Впервые установлено влияние плотности, пористости и твердости
газотермических покрытий ПН85Ю15 и ПН73Х16СЗРЗ на износ и коэффициент трения.
Обосновано положительное влияние термообработки (400С и выше до температуры плавления) покрытия ГШ73Х16СЗРЗ на повышение триботехнических характеристик. Показано, что при 600С существенно снижается уровень микродеформаций решетки Ni и плотность дислокаций.
Впервые показано положительное влияние химико-термической обработки (сульфоционирование, фосфатирование) на антифрикационные и противозадирные характеристики покрытия ПН85Ю15.
Новыми являются результаты дифференциально-термического анализа термореагирующих порошков, предназначенных для нанесения подслоя. Показано преимущество порошка ПТЮЮН по экзотермическому эффекту перед порошками ПТЮ5Н и ПТ-НА-01. Впервые получены сравнительные результаты по адгезионной прочности мелоду газопламенным и плазменным напылением порошка ПТЮ5Н. Установлено, что подслой нанесенный газопламенным напылением порошка ПТЮЮН, по адгезионной прочности незначительно уступает плазменному напылению.
Разработана методика, программное и приборное обеспечение для качественной оценки адгезионных характеристик газотермических покрытий на рабочих поверхностях деталей без их разрушения.
Научно обоснован выбор покрытия ПН85Ю15 при восстановлении ЦВ и покрытия ІШ73Х16СЗРЗ при упрочнении ПК СОД, наносимых на рабочие поверхности с использованием метода плазменного напыления.
Определены основные закономерности структурных и фазовых превращений в зоне лазерного воздействия серых чугунов; впервые установлено влияние легирующих элементов серых чугунов на физико-механические характеристики поверхностных и подповерхностных слоев при лазерном упрочнении.
Построены математические зависимости изменения физико-механических характеристик по глубине зоны лазерного воздействия при лазерном упрочнении серых чугунов, влияния режимов лазерной обработки, химического состава и исходной структуры серых чугунов на износ поверхностных слоев и физико-механические характеристики.
Предложена оптимальная схема (с точки зрения износостойкости) формирования лазерных дорожек на рабочих поверхностях ЦВ и ПК.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения: технологические основы восстановления и упрочнения деталей ЦПГ
судовых СОД с использованием метода плазменного напыления и лазерной
обработки;
обоснование материалов газотермических покрытий ЦВ и ПК, обеспечивающих высокие адгезионные и эксплуатационные характеристики;
результаты химико-термической обработки газотермических покрытий с целью повышения их триботехнических характеристик;
акустический метод контроля адгезионных характеристик металлических покрытий и оценки внутренних напряжений в материале деталей;
закономерности формирования износостойких структур в поверхностных слоях при лазерной обработке серых чугунов;
математические модели для определения физико-механических характеристик износостойких структур при лазерной обработке серых чугунов и плазменном напылении газотермических покрытий системы Ni-Al и Ni-Cr-B-Si;
методика оценки упругих характеристик поршневых колец.
Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в создании научных основ для разработки ресурсосберегающих технологий как при изготовлении новых деталей, так и при восстановлении изношенных.
Разработаны и внедрены в производство технологии восстановления и упрочнения деталей судовых дизелей, машин и механизмов с использованием метода плазменного напыления (цилиндровые втулки, поршневые компрессионные кольца, втулки верхней головки шатуна, седла клапанов, выпускные клапаны, детали типа «вал» водяных, топливных и др. насосов, коленчатые валы компрессоров холодильных машин и автомобильных двигателей, крышки и роторы электродвигателей, клинья задвижек запорной арматуры, фрикционные диски).
Разработаны и внедрены в производство технологии лазерного упрочнения деталей при их изготовлении (цилиндровые втулки, поршневые кольца, кулачковые шайбы газораспределения, коленчатые валы автомобильных двигателей).
Установлены оптимальные технологические параметры при лазерной обработке деталей, изготовленных из серых чугунов и плазменном на-пылении газотермических покрытии.
Разработана методика и приборное обеспечение для качественной оценки адгезионных характеристик газотермических покрытий на рабочих поверхностях деталей без их разрушения.
Разработана методика и техническая документация для определения эпюр давлений ПК.
Обоснован выбор инструментальных материалов и режимов механической обработки газотермических покрытий систем Ni-Al и Ni-Cr-B-Si.
На основе научно-исследовательских работ, подготовки инженерных и научных кадров, проводимых под руководством автора, позволило на
базе лаборатории кафедры создать Научный центр ремонтных технологий .Ф
при Волжской государственной академии водного транспорта.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров-механиков.
Результаты диссертационной работы внедрены на организованных автором специализированных участках (ОАО «Завод Нижегородский Теплоход» - внедрены лазерные технологии; ОАО «Городецкий судострои-тельный, судоремонтный завод», ОАО «Борремфлот», ОАО «Нижегородское автотранспортное пассажирское предприятие № 1», СУ «Волгоорг-энергогаз», АОА «Боравто» - технологии газотермического напыления).
10. Комплекс технологических процессов упрочнения и восстановле
ния деталей ЦПГ судовых СОД методом плазменного напыления износо-
ij стойких покрытий и лазерной обработкой согласован с Верхне-Волжской
инспекцией Речного Регистра и утверждён главными инженерами заводов ОАО «Завод Нижегородский Теплоход» и ОАО «РУМО». Были изготовлены опытные ЦВ с лазерной обработкой на ОАО «РУМО» и ОАО «Завод Нижегородский Теплоход»; восстановлены опытные партии ЦВ СДВС 6ЧРН36/45 нанесением износостойкого покрытия ПН85Ю15; на данных
заводах также изготовлены опытные партии ПК СДВС 6 ЧРН 36/45 с покрытием ПН73Х16СЗРЗ и лазерной обработкой.
Эксплуатационные испытания экспериментальных деталей осуществлялись на 15 судах ОАО «Волго-Флот», а также на испытательном дизельном стенде ОАО «РУМО». Натурные испытания восстановленных ЦВ с покрытием ПН85Ю15 при наработке 16 тыс. ч. и упрочнённых ПК плазменным напылением и лазерной обработкой при наработке 12 тыс. ч. показали, что износостойкость данных деталей в 1,8-3,2 раза выше по сравнению с серийными (при работе СДВС на тяжёлых сортах топлива), изготавливаемыми на ОАО «РУМО» и ОАО «Завод Нижегородский Теплоход».
11. Годовой экономический эффект от внедрения в производство только экспериментальных работ, выполненных непосредственно автором диссертационной работы, составил более 10 млн. руб.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных методов исследования структуры и свойств материалов и покрытий, подтверждена значительным объемом экспериментальных данных. Результаты аналитических исследований получены с использованием применения методов математического анализа, математической теории планирования эксперимента, корреляционно-регрессионного анализа. Часть исследований выполнена в специализированных лабораториях ведущих академических и отраслевых институтов, подтверждена промышленной апробацией. Достоверность результатов подтверждена промышленным апробированием разработанных технологических процессов, натурными испытаниями, а также положительными решениями и рекомендациями по обсужденным докладам (более 50) автора на конференциях, семинарах и научно-технических советах различного уровня.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на семинаре «Порошковая металлургия и плазменные покрытия в машиностроении» (г. Горький, 1987 г.), VII научная конференция молодых учёных Волго-Вятского региона (г. Горький, 1988 г.), научно-технической
13 конференции, посвященной 150-летию Волжского пароходства (г. Н.Новгород, 1993 г.), научно-технической конференции «Механизация процессов сельскохозяйственного производства в условиях его структурной перестройки» (г. Н.Новгород, 1994 г.), международной научно-технической конференции «Повышение эффективности проектирования, испытаний и эксплуатации двигателей автомобилей, вездеходных специальных и дорожных машин» (г. Н.Новгород, 1994 г.), международной научно-технической конференции «Износостойкость машин» (г. Брянск, 1995 г.), 1-ой научно-технической конференции Верхне-Волжского отделения Академии Технологических наук РФ «Упрочнение и восстановление деталей машин современными методами» (г. Н.Новгород, 1996 г.), международной научно-технической конференции по проектированию скоростных судов (г. Н.Новгород, 1997 г.), научно-технической конференции, посвященной 10-летию Нижегородского филиала института машиноведения Российской академии наук (г. Н.Новгород, 1997 г.), международной научно-технической конференции, посвященной 35-летнему юбилею кафедры «Автомобильный транспорт» НГТУ (г. Н.Новгород, 1998 г.), региональной на-уч.-практич. конференции инженерного факультета НГСХА по итогам работы за 1996 - 1999 г. (г. Н.Новгород, 1999 г.), 11-ой науч.-практич. конференции ВУЗов Поволжья и Юга Нечернозёмной зоны РФ (г. Рязань, 2000 г.), 3-й международной научно-технической конференции «Энергодиагностика и Condition Monitoring» (г. Н.Новгород, 2000 г.), IV Всероссийской конференции «Современные технологии в машинострроении» (г. Пенза, = 2001 г.)
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 53 печатных работах, в том числе 3 монографиях.
Личный вклад. В диссертации изложены результаты многолетних исследований, полученные автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками ВГАВТ - доц., к.т.н. Прохоровым И.И., асп. Мордвинкиным
П.П. (научный консультант - Матвеев Ю.И.) и других организаций - к.т.н. Угловым А.Л. (акустический метод контроля).
При этом лично,автору принадлежат: направление работы, постанов-^ ка задач, программа и методология исследований; организация, планирование и проведение экспериментальных исследований; обработка и обобщение экспериментальных исследований, построение математических моделей и установление основных закономерностей; руководство по организации специализированных участков, разработка и внедрение ресурсосберегающих технологий на промышленных предприятиях.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Содержит 302 страницы машинописного текста, в том числе 26 таблиц и 94 рисунка. Список литературы включает 273 наименований библиографических источников.
Установление причин и закономерностей изнашивания деталей судовых дизелей при работе на тяжелых сортах топлива
От надежности эксплуатации судовых СОД зависит своевременная доставка грузов, перевозка пассажиров водным транспортом, а также эффективность работы судов. В связи с этим вопросы обеспечения работоспособности и экономичности судовых дизелей приобретают первостепенное значение. Тенденция перевода мощных дизелей отечественного производства (СДВС 6ЧРН36/45), а также некоторых зарубежных (СДВС 6-8 НФД 48) с дизельного на тяжелые сорта топлива существенно сказалась на увеличении объемов текущего и среднего ремонтов; увеличился расход запасных деталей ЦПГ по причине их изнашивания.
Моторное топливо является сложной смесью углеводородов, в том числе содержащих воду, соединения серы, ванадия и натрия [61,198, 199].
Исследования показали, что преобладающую роль в изнашивании деталей ДІЙ на тяжелых сортах топлива имеют разнообразные сернистые и лаковые соединения (элементарная сера, дисульфиды, сульфокислота, сероводород, меркаптаны, тиофены, сульфиды) [27, 43, 53].
При сгорании сернистые соединения образуют SO2 и SO3 в зависимости от условий в камере сгорания цилиндра дизеля (давления, температуры, влажности, наличия катализаторов и др.), которые могут активизировать газовую или электрохимическую (кислотную) коррозию. Перечисленные факторы усиливают коррозионно-механический износ ЦВ и ПК [43, 139, 199].
В процессе сгорания топлива образуется большое количество водяных паров, часть которых, конденсируясь на стенках цилиндра, взаимодействует с окислами SO2, S03 и образует сернистую H2SO3 и серную кислоты H2S04.
Электрохимическая (кислотная) коррозия имеет место при переменных режимах работы дизеля в зонах, где температура рабочей поверхности трения ниже точки росы. Условием выпадения кислот является превышение температуры ее конденсации над температурой стенки цилиндра [43, 198, 243]. При работе судовых дизелей 6ЧРН36/45, 6-8НФД48 на моторном топливе с содержанием серы от 0.5-1.5% температура точки росы продуктов сгорания составляет 235-245С. Рабочая температура стенок цилиндра находится в пределах 160-200С, а при переменных режимах работы дизеля -120-180С. Следовательно, выпадение кислотного конденсата неизбежно. ПК и ЦВ дизелей при наличии электролита образуют гальванические пары как между собой, так и между графитом, фосфидной эвтектикой, а внутри перлита — между цементитом и ферритом. Кроме этого, вследствие неравномерности распределения температуры на стенках цилиндра, образуются анодные участки в областях с более высокой температурой .
В работах [266, 269] установлено, что в цилиндре дизеля диапазон концентрации кислоты наибольшей агрессивности составляет 2-20%. Следовательно, очень важно при работе дизелей на высокосернистых сортах топлив предотвратить выпадения серного конденсата на стенках цилиндра. Необходимо, чтобы температура рабочих поверхностей ЦВ была выше температуры конденсации водяных паров.
В экспериментальных исследованиях [261] получены результаты, свидетельствующие, что максимальная температура точки росы продуктов сгорания намного превышает температуру конденсации водяных паров и растет с увеличением нагрузки дизеля (уменьшение коэффициента избытка воздуха при сгорании) и содержании серы в топливе.
Непосредственного взаимодействия между кислотным конденсатом и парой трения (ЦВ — ПК) в большинстве случаев не происходит, т.к. рассматриваемые детали при установившемся режиме работают в условиях граничного трения.
Толщина масляной пленки между трущимися деталями ЦПГ в зависимости от применяемого смазочного масла и режима работы дизеля составляет несколько микрометров. Поскольку к трущимся поверхностям ЦВ и ПК нет непрерывного подвода свежего масла химические антикоррозионные присадки базового масла полностью не могут защитить поверхности трения от кислотной коррозии.
Поэтому в процессе работы в цилиндре дизеля нейтрализуется всего лишь часть кислотного конденсата. Так в работе [26] приводятся данные исследований, где утверждается, что кислотный конденсат беспрепятственно проникает через масляную пленку, разрушает ее сплошность, тем самым агрессивно воздействует на металл поверхности трения.
В работе [269] приводятся результаты исследований коррозионного износа ЦВ СОД, работающих на тяжелых сортах топлива. Авторами установлено, что между температурой рабочей поверхности ЦВ и интенсивностью изнашивания существует зависимость: наиболее интенсивный корро зионный износ возникает при низких нагрузках двигателя и небольших частотах вращения коленчатого вала; при переменных режимах работы двигателя, его пуске и реверсе; коррозионный износ линейно повышается по мере увеличения содержания серы в топливе; при повышении температуры наддувочного воздуха и температуры охлаждающей воды скорость износа трущихся деталей ЦПГ уменьшается.
Наряду с кислотной коррозией в цилиндре дизеля при работе на моторном топливе имеет место ванадиевая коррозия, механизм которой заключается в том, что оксиды ванадия и его соединения с натрием являются переносчиками кислорода и ускоряют окисление металла [61]. В жидком состоянии оксид ванадия растворяет окисную пленку на поверхности металла, тем самым ускоряет кислотную коррозию.
Оксид ванадия и оксиды железа в цилиндре дизеля одновременно являются катализаторами, которые ускоряют процесс окисления SO2 в S03, в результате чего вероятность образования конденсата серной кислоты H2SO4 повышается.
В моторных топливах (ДТ, ДМ ГОСТ 1667-68) содержание ванадия составляет (0,005-0,015)%, наличие которого также способствует протеканию химических реакций на рабочей поверхности втулки цилиндров с образованием оксидов железа Fe203 и Fe304 [61].
Средством борьбы с электрохимической и газовой коррозией при работе дизелей на высокосернистых топливах является: применение специальных чугунов и покрытий, имеющих высокую коррозионную стойкость к агрессивным средствам; использование смазочных масел с высоким щелочным числом, обладающих достаточным запасом нейтрализующих, антиокислительных и др. свойств; введение в топливо соответствующих присадок в зависимости от механизма коррозионного процесса; замедление реакций преобразования оксидов S02 в S03 в цилиндре дизеля. Автором работы [117] проведены исследования, где утверждается, что при вводе газообразного аммиака во всасывающий коллектор дизеля уменьшается износ дета лей ЦПГ. Повышение износостойкости объясняется тем, что происходит выделение кислорода из S03:
Исследование стойкости к электрохимической коррозии материалов и газотермических покрытий
Материалы и покрытия ЦВ, ПК следует подбирать не только по три-ботехническим характеристикам, но и по антикоррозионным свойствам. С этой целью были проведены исследования на стойкость к электрохимической коррозии материалов - СЧ25, СЧПФ и ряда покрытий: Сг (хром), плазменные покрытия ПН85Ю15, ПН73Х16СЗРЗ, nH85K)15+Fe (15%) [126, 213].
Последний материал покрытия был взят для исследований с целью определения влияния порошка Fe на коррозионную стойкость всего покрытия. При определении стойкости к электрохимической коррозии материалов и покрытий был использован потенциостатический метод с построением анодных поляризационных кривых [219, 261]. Данный метод основывается на наличии известной скорости растворения или пропорциональной ей величины плотности поляризуемого тока от изменения потенциала металла, р = f{ia). Термодинамическим условием электрохимической коррозии является: где AGa и AGi - изменение свободной энергии Гиббса при протекании анодной и катодной реакций. Значения AGa и AGk пропорциональны значениям равновесных электрических потенциалов анода и катода соответственно. О скорости электрохимической коррозии можно судить по величине силы тока, протекающего между анодом и катодом. При анодном (окислительном) процессе происходит переход ионов металла в электролит:
В этом случае происходит разрушение металлов под воздействием электрохимической коррозии. Испытания материалов на коррозионную стойкость нами проводились на потенциостате П-5827 в режиме "Потенциал". В качестве коррозионной среды использовали растворы серной кислоты H2S04 следующих концентраций - 0,5; 1,0; 2,5; 5 и 10%. Исследуемые образцы изготавливали из материалов ЦВ и ПК, они имели цилиндрическую форму 08,0 мм и высотой 10 мм. Покрытия наносили на торцевую поверхность образцов плазменным напылением и гальваническим хромированием. Рабочие (торцевые) поверхности образцов обрабатывали до шероховатости Ra=0,63 мкм шлифованием, а остальные поверхности покрывали коррозионностойким лаком. Толщина плазменных покрытий составляла (0,45-0,50) мм, гальванического хрома - 0,20 мм.
Анодные поляризационные характеристики исследовали по-тенциодинамическим методом, при котором поляризационные кривые материалов и покрытий снимаются с определенной скоростью. Это дает возможность четко фиксировать последовательно протекающие процессы; на стационарных поляризационных кривых, снятые потенциостатическим способом, эти процессы не выявляются. Потенциодинамический метод исследования позволяет выявить процесс анодного образования защитной пленки. Результаты потенциодинамических измерений при замедленном изменении потенциала приближаются к результатам потенциостатистических данных. При снижении скорости наложения потенциала время, необходимое для восстановления защитной пленки, удлиняется, а величина макси . Однако во всех случаях количество электричества Q=I-x, необходимое для восстановления пленки, остается приблизительно постоянным. Для выявления окислительно-восстановительных процессов в растворах H2SO4, протекающих при поляризации исследуемых материалов и покрытий потенциодинамическим методом, была выбрана скорость напряжения развертки V=20 мВ/с. Зависимость фиксировалась потенциометром Н307/1 и контролировалась микроамперметром, т.е. (р = f(ia).
Растворы H2SO4 готовили на дистиллированной воде. Отношение объема раствора к поверхности образца в электрохимической ячейке -350 мл/см . Анодные поляризационные кривые для каждого материала определяли не менее трех раз, причем после проведения опыта поверхности образцов готовились заново (шлифовались и обезжиривались). По результатам испытаний были получены зависимости скорости анодного растворения материалов и покрытий для соответствующих концентраций H2S04 от изменения потенциала. На рис. 2.8 приводятся анодные поляризационные кривые исследуемых материалов р = fug у). Значения потенцию динами ческих характеристик для пассивного состояния исследуемых материалов и покрытий сведены в табл. 2.2., в числителе которой приводятся потенциалы пассивации (q , мВ), в знаменателе - ток пассивации (і, мА).
Все построенные анодные поляризационные кривые материалов и покрытий имеют сложную форму и существенно отличаются от принятой для однородных материалов [26]. Это связано с тем, что в материалах присутствуют легирующие элементы, а покрытия представляют сложный многофазовый состав металлов, их сплавов и оксидов.
Наиболее отрицательным потенциалом пассивации обладают материалы СЧ25 и СЧПФ, а положительным потенциалом - плазменное покрытие ПН73Х16СЗРЗ. рые сильно подвержены электрохимической коррозии в растворе серной кислоты. Характерным отличием анодных поляризационных кривых покрытий от материалов СЧ25 и СЧПФ является то, что при достижении электродного потенциала пассивации и по мере смещения потенциала в положительную сторону, система анод (покрытие) - электролит находится в неустойчивом состоянии (см. рис. 2.8). В то время как у материалов СЧ 25 и СЧПФ область электродного потенциала характеризуется широким диапазоном от-0,2 В до +0,115 В.
Соответственно поэтому будет протекать максимальный ток коррозии. При осмотре рабочих поверхностей исследуемых образцов после снятия анодных поляризационных кривых оказалось: поверхности образцов из СЧ25 и СЧПФ полностью подвержены коррозионному воздействию и покрыты пленкой коррозионного разрушения материала; у образцов с покрытием nH85K)15+Fe (15%) наблюдается увеличение параметров шероховатости до RZ=20-40MKM, что свидетельствует о коррозионном разрушении частиц Fe; у образцов с покрытием ПН85Ю15 шероховатость поверхности не изменилась, однако на сей поверхности покрытия появились оксидные пленки светло-серого цвета; на поверхностях покрытий ПН73Х16СЗРЗ, Сг внешних изменений визуально не обнаружено. Зависимости коррозионной стойкости исследуемых материалов и покрытий от концентрации раствора H2S04 приведены на рис. 2.9. Скорость анодного процесса (растворения металла) существенно возрастает при увеличении концентрации раствора электролита H2S04 до 3%. При дальнейшем повышении концентрации электролита до 7%, возрастание скорости коррозионного разрушения покрытий заметно уменьшается. При концентрации электролита свыше 7% происходит некоторое увеличение и стабилизация скорости растворения металлов и покрытий.
Оборудование и методики исследования лазерной обработки чугунов
В работе проводились исследования лазерного упрочнения деталей ЦПГ СОД (ЦВ и ПК), изготавливаемых на предприятиях ОАО «РУМО» и ОАО «Завод Нижегородский Теплоход». Отличительной особенностью изготовления заготовок на данных предприятиях является то, что в первом случае ЦВ и ПК получают центробежным способом литья, а во втором случае — литьём в землю.
Исследования лазерного упрочнения чугунов ЦВ и ПК судовых СОД осуществлялось на С02-лазере непрерывного действия "Комета-2", при мощности излучения Р=(530...1700) Вт и скорости обработки V=(2,0...11O) мм/с.
Поршневые кольца подвергались лазерному упрочнению по двум вариантам: на С02 -лазере "Комета-2" и на спроектированном нами лазерном технологическом комплексе, включающем твердотельный лазер ЛТН-103 и станок с ЧПУ ШК-125ВН. Мощность излучения твёрдотельного лазера изменялась от 200 до 500 Вт, а скорость обработки — "V= (і...12)лш/с. Для увеличения коэффициента поглощения энергии луча лазера на рабочие поверхности исследуемых образцов и натурных деталей наносили углеродные и оксидные покрытия [83].
Металлографические исследования осуществляли на микроскопах Неофот-32; МИМ-8М; РЭМ 200 [112].
Фазовый анализ микроструктуры чугуна проводили методом рентгеновской дифрактометрии на установке «Дрон-1» и фотометодом на установке УРС-60, а также с помощью ядерного гамма-резонансного анализатора (ЯГР) [187]. Регистрацию спектров проводили на спектрометре, работающем в режиме постоянного ускорения, с записью спектров на многоканальном анализаторе LP - 4840 по методикам, описанным в работе [192]. ЯГР-спектры измеряли при регистрации вторичных у-квантов с энергией 14,4 кэВ и рентгеновских лучей с энергией 6,3 кэВ.
Для измерений спектров использовали мессбауэровский источник у-квантов Со57 в матрице меди активностью 30 мКю. Распределение углерода, хрома и марганца в чугуне в зоне лазерной обработки определяли на микрорентгеноспектральном анализаторе MS-46 с антиконтаминационным устройством для анализа легких элементов. В качестве эталонов для определения углерода использовали графит и сплав П-2 (3,5% С; 0,32% Мо; 0,66% Си; 0,6% N; 1,00% Мп; 0,60% Сг; 0,087% S; 0,47% Р; 3,08 % Si; 0,12 % А1). Механические характеристики микроструктуры чугунов определяли на приборах «Дуримет» и ПМТ-3. Измерение микротвёрдости по толщине упрочнённых слоев проводились по Виккерсу.
Износостойкость материалов ЦВ и ПК, обработанных лазерным излучением, определялась по методикам описанным во втором разделе данной работы. Интенсивность изнашивания [231] определяли по результатам исследования царапин, нанесённых алмазной пирамидой при нагрузке 1 Я. Исследуемые образцы при этом закреплялись на предметном столике про-филографа-профилометра 201. Державка с алмазной пирамидкой перемещалась относительно образцов со скоростью 10 мм/мин под разными углами (0, 30, 45, 90). Определение структурных составляющих чугунов до и после лазерной обработки: Гр — размер графита, мкм; Гп — процентное содержание графитовых включений, %; Пд — дисперсность перлита, мкм; Пп — процентное содержание перлита, %, производили по ГОСТ 3443 - 77.
Микрораспределение химических элементов в структуре ЗЛВ определяли на микрорентгеноспектральном анализаторе «Камека». Для лазерной обработки с целью упрочнения поверхностных слоев исследовали серый чугун, имеющий перлитную основу с пластинчатыми включениями графита и небольшим количеством феррита и цементита (рис. 3.2,3.3). Лазерной обработке подвергались образцы различных плавок ЦВ и ПК, химический состав чугуна которых приведён в табл. 1.5. В качестве оценки воздействия лазерного излучения при обработке чугунов ЦВ и ПК были приняты: твёрдость поверхностного слоя, изменение микротвёрдости по слоям / ЗЛВ, глубина h ЗЛВ, микроструктура и износ во всём диапазоне варьируемых факторов (мощность Р и скорость / лазерной обработки). При лазерной обработке на С02 -лазере «Комета-2» диаметр пятна dn лазерного луча, воздействующего на исследуемые образцы, составлял 2 мм, а с использованием твёрдотельного лазера ЛТН-103 — 1 мм. Данные значения dn были выбраны из условия, чтобы полностью использовать рабочие режимы лазерных установок и возможного дальнейшего расчёта плотности мощности лазерного излучения [59].158
При обработке чугунов, используемых для изготовления ЦВ и ПК судовых дизелей, лазерным излучением с оплавлением поверхностного слоя микроструктура зоны лазерного воздействия (ЗЛВ) неоднородна по глубине (рис. 3.4). В строении ЗЛВ можно выделить зону оплавления (30) и зону закалки из твердой фазы (ЗТФ). Переходная зона, или зона отпуска, как это видно из рис. 3.4., в чугунах после лазерного воздействия выявляется редко. Зона термического влияния (ЗТВ) состоит лишь из ЗТФ. Рис. 3.4 Микроструктура зоны лазерного воздействия чугуна поршневых колец ОАО «Завод Нижегородский Теплоход» 1 — зона оплавления; 2 - зона закалки из твердой фазы; 3 - основа чугуна В верхнем оплавленном слое (зоне оплавления) графит растворяется в расплаве и после охлаждения в зоне оплавления формируется структура белого чугуна. Затвердевание идет по метастабильной диаграмме «железо-цементит» без выделения свободного графита. Высокая скорость оплавления может приводить к отклонению от общей закономерности кристаллизации белых чугунов[112,193,197]. В доэвтектическом белом чугуне кристаллизация начинается с выделения первичных зерен аустенита, а затем при температуре около 1147 С идет образование эвтектики. В структуре 30 трудно выделить избыточные зерна аустенита, здесь наблюдается тонкодисперсная смесь остаточного аустенита и цементита, имеющая дендритное строение (рис. 3.5). Из-за высокой скорости охлаждения кристаллизация избыточного аустенита подавляется и весь расплав затвердевает эвтектически с образованием ледебурита.
Анализ микроструктуры ЗО в электронном микроскопе показал, что ледебурит преимущественно состоит из цементита, который обусловливает высокую твердость ЗЛВ. Эвтектическая кристаллизация доэвтектических чугунов способствует выравниванию концентрации кремния в зоне оплавления, а это приводит к смещению эвтектической точки на диаграмме Fe-Fe3C влево [112].
Микроструктурным анализом установлено, что структуры, образовавшиеся в результате лазерной обработки, при высоких скоростях нагрева и охлаждения (іб .. .10 jc по сравнению с изотермической закалкой сильно различаются. В структуре чугуна после лазерной обработки наблюдаются две ярко выраженные зоны. В первой зоне 30 (охлаждение идет из жидкого состояния) при увеличении длительности травления в 4% спиртовом растворе HNO з наблюдается ряд вытравленных ямок, ориентированных под углом (8...15) к поверхности, в виде эвтектических колоний цементита, определяющих кристаллизацию дендритов в этом направлении.
Износостойкость чугунов после лазерного термоупрочнения
При лазерной обработке чугунов ЦВ и ПК в результате теплового воздействия в поверхностных слоях происходят структурные изменения, которые влияют на их физико-механические характеристики. Исследованиями установлено, что формирование структуры с повышенной износостойкостью наблюдается в определённом интервале режимов лазерной обработки.
Поскольку лазерные дорожки на поверхности детали формируют определённый рисунок «армирующую сетку», то очень важно правильно выбрать «рисунок» и относительную площадь лазерной обработки упрочненных поверхностей.
Износостойкость чугунов ЦВ и ПК после лазерной обработки исследовалось по методикам, описанных в разделах 2 и 3 данной работы. Исследуемые образцы ЦВ подвергались лазерной обработке в соответствии с вариантами, приведёнными на рис. 4.12. Образцы поршневых колец обрабатывались по двум схемам (рис. 4.12 а, б),что объясняется малой высотой поршневых колец (h 8,0 мм).
Исследованиями установлено, что при мощности лазерного излучения Р = (520... 1280) Вт стойкость к абразивному изнашиванию чугунов ЦВ и ПК повышается с уменьшением скорости лазерной обработки. Это объясняется тем, что структуры, образующиеся при скорости лазерной об работки V = (4,5...10)мм/с в ЗЛВ, более пластичны, поэтому при движении алмазного индентора происходит пластическое оттеснение материала, а не хрупкое выкрашивание. Метастабильная структура в 30 при данных режимах имеет высокую пластичность вследствие того, что происходит растворение углерода и его диффузия по всему объёму расплава 30.
Структура этой зоны состоит из редких дендритов, выросших при кристаллизации расплавленного металла и окруженных дисперсным ледебуритом. Расстояние между ветвями дендритов после лазерной обработки уменьшается в 4 раза: от 11,5 мкм (исходный материал) до 2,6 мкм (оплавленный), при этом диаметр осей дендритов уменьшается более чем в 60 раз (до 0,38 мкм), — это свидетельствует о высокой скорости охлаждения чугуна в 30 (порядка 5-Ю град /с). Известно, что чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения [55]. При повышении скорости охлаждения число зародышей кристаллизации резко возрастает, а, следовательно, увеличивается количество дендритов. Причем в наиболее благоприятных условиях роста находятся дендриты, главные оси которых располагаются вдоль теплового потока. Такие дендриты имеют максимальную длину, так как при их росте происходит частичное «выклинивание» соседних дендритов. Скорость охлаждения оказывает влияние на эвтектическую кристаллизацию, которая приводит к измельчению зерен, что способствует повышению прочностных характеристик чугуна.
Установлено, что с увеличением диаметра осей дендритов, абразивный износ повышается. Причём важное значение имеет не только микротвёрдость структуры, но и ориентация дендритов в объёме сплава. Наличие их ориентации обуславливает анизотропию свойств ЗЛВ.
Долговечность рассмотренных метастабильных фаз всё же ограничена вследствие фазовых превращений, протекающих при абразивном изнашивании деталей [69]. Понижение ресурса эксплуатации деталей с зонами, упрочненными лазерной обработкой, происходит в том случае, если дальнейшие бездиффузионные превращения, протекающие за счет трибоактива-ции, приводят к уменьшению пластичности образующейся структуры [70].
На рис. 4.13. приведены результаты исследований на стойкость при абразивном изнашивании чугуна ЦВ с лазерным упрочнением по различным вариантам (см. рис. 4.12). При нормальном усилии на индентор 1 Н максимальную ширину канавки имеют исходные образцы из чугуна ЦВ без лазерной обработки. Максимальная износостойкость была достигнута при лазерном упрочнении образцов по режимам Р = \280Вт и V = (5,5..Л)мм/с, у которых лазерные дорожки располагались под углом р = (45 + 5). При этом установлено, что максимальная износостойкость ЦВ наблюдается при лазерном упрочнении (15...30)% всей поверхности «зеркала» цилиндра.
В работе проводились исследования на стойкость к схватыванию (задиру) чугуна ЦВ с лазерной обработкой в паре трения с серийными ПК (ОАО «Завод Нижегородский Теплоход») по методике, описанной в разделе (2). Результаты исследований приведены нарис. 4.14. Установлено, что максимальную стойкость к схватыванию («задиро-стойкость») показали образцы из чугуна ЦВ, У которых лазерные дорожки располагались под углом 45 (литьё в землю п = 5680-102 циклов и п = 6050 10 циклов — центробежный способ литья).
Поскольку изнашивание упрочнённого слоя в поперечном направлении меньше, чем в продольном, то на рабочие поверхности ПК следует наносить кольцевые лазерные дорожки. Следует заметить, что рабочие поверхности ПК находятся в непрерывном контакте с поверхностью «зеркала» цилиндра. Чередование мягкой основы чугуна и упрочнённой зоны на рабочей поверхности поршневых колец позволяет получить высокие анти-фрикационные характеристики [96, 99].
Износостойкость ПК с лазерной обработкой исследовалась в сравнении с хромированными кольцами судовых дизелей 6 ЧРН 36/45 на испыта тельном стенде при возвратно-поступательном движении. Нагрузка на контактирующие поверхности образцов составляла 1 кН, время приработки — 3 ч, суммарное время испытаний соответствовало - 25, 50,100 ч. В зону трения подавалось масло М\4В2 — 6 капель в минуту при скорости скольжения образцов — 1,3 м/с. Температура рабочей зоны фения образцов контролировалась термопарами и составляла - 90 С. Результаты исследований приведены нарис. 4.15-4.17. (1)-хромированное поршневое кольцо при работе с СЧ25 (3); (2) - поршневое кольцо с лазерной обработкой при работе с СЧ 25 (4). Установлено, что лазерная обработка ПК повышает не только износостойкость, но и снижает износ серийных ЦВ. Это дополнительно подтверждает, что на рабочей поверхности ПК чередование износостойких лазерных дорожек, имеющих структуру отбелённого чугуна повышенной твёрдости, и областей чугуна с графитными включениями (рис. 4.18) благоприятно сказывается на работоспособности пары трения ЦВ - ПК. ПК судовых среднеоборотных дизелей следует упрочнять на следующих режимах: С02 -лазер «Комета-2» — Р = (950... 1000) Bm,V = (4,5... б) мм/с; твёрдотельный лазер ЛТН-103: Р = (250...300)В/и, V =(б..ЛЗ)мм/с.
