Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и перспективы конструктивно технологического совершенствования ремонта судовых дизелей 5
1.1. Анализ отказов деталей высокооборотных судовых дизелей 5
1.2. Принципы восстановления и технологические процессы ремонта дизелей 7
1.3. Плазменные газотермические процессы - современное направление упрочнения деталей 12
1.4. Постановка задач исследования 31
2. Выбор материалов для напыления и методики для исследования свойств покрытий 33
2.1. Выбор материалов покрытий 33
2.2. Методики исследований 43
3. Экспериментальное исследование свойств напыленных покрытий деталей судовых дизелей... 44
3.1. Исследование свойств покрытий коленчатого вала высокооборотного дизеля 44
3.2. Исследование свойств покрытий наружной поверхности втулок цилиндров 69
3.3. Исследование свойств покрытий внутренней поверхности втулок цилиндров 73
3.4. Экспериментально-теоретическое обоснование изнашивания поверхностей сопряженных пар с плазменным напылением одной из поверхностей в узлах трения при обосновании выбора материалов для напыления \
4. Конструкции плазмотронов важный фактор повышения надежности покрытий 96
4.1. Влияние типов плазмотронов и динамики плазменной струи на свойства покрытий 96
4.2. Плазмотрон с высокоскоростным истечением плазменной струи и повышенным ресурсом работы 106
4.3. Устройство для повышения когезионной прочности покрытий 110
4.4. Плазмотрон газоплазменного напыления 112
4.5. Плазмотрон с дополнительной активизацией напыляемой поверхности 116
5. Повышение качества покрытий деталей судовых
5.1. Применение ультразвука для обработки плазменных покрытий 120
5.2. Влияние ультразвуковой обработки на прочностные и триботехнические свойства покрытий 122
5.3. Влияние ультразвуковой обработки на структуру и усталостную прочность покрытий 139
5.4. Исследование свойств плазменных покрытий деталей судовых дизелей с ультразвуковой обработкой 147
5.5. Изготовление втулок цилиндров с упрочнением внутренней поверхности путем заливки расплавленным металлом 150
Заключение 168
Список литературы
- Принципы восстановления и технологические процессы ремонта дизелей
- Методики исследований
- Экспериментально-теоретическое обоснование изнашивания поверхностей сопряженных пар с плазменным напылением одной из поверхностей в узлах трения при обосновании выбора материалов для напыления
- Плазмотрон с высокоскоростным истечением плазменной струи и повышенным ресурсом работы
Принципы восстановления и технологические процессы ремонта дизелей
К выбору материалов детали и покрытий при определенных смазочных маслах следует подходить на основании критериев классических теорий трения [70,52].
Критериями, влияющими на износостойкость и разрушение поверхностей деталей при трении, являлись: адгезионная и когезионная прочность, работа выхода электронов сопрягаемых пар [2,19], нагрузка схватывания, коэффициент трения и усталостная прочность.
В последние годы значительно возрос интерес к вопросам поверхностного разрушения материалов под воздействием потоков струй и капель жидкости (воды, масла). Интерес к проблеме вызван тем, что кавитационная эрозия становится все более серьезным препятствием для эффективной работы различного оборудования, в том числе и судовых дизелей.
Наиболее интенсивному кавитационному разрушению в дизеле подвергаются втулки и блоки цилиндров, менее интенсивному вкладыши подшипников. В момент перекладки поршень ударяет по стенке втулки, вызывает ее высокочастотные колебания, которые потом приводят к возникновению ультразвуковой кавитации. В настоящее время отсутствует научно обоснованная классификация поверхностных разрушений в системах охлаждения дизелей. Разработанная исследователями усталостноэнергетическая модель долговечности и износостойкости деталей дизелей при вибрационной кавитации [1,4,64], не всегда позволяет производить сравнительную расчетную оценку покрытий, нанесенных на втулку. Для выбора материала и способа нанесения покрытий, защищающих деталь от кавитационного разрушения, приходится использовать эмпирические уравнения, полученные при исследовании свойств по следующим критериям: адгезионная и когезионная прочность материала поверхности и угол смачивания поверхности кавитирующей жидкостью.
Термоциклические нагрузки деталей дизеля определяются, в основном, разностью температур между максимальной температурой сжигания топлива и температурой охлаждаемой воды. Периодичность рабочего цикла дизеля вызывает соответствующие гармонические колебания температуры на поверхности цилиндровой втулки, поршневых колец, поршня. Температурные напряжения от стационарного теплового потока могут достигать 400 МПа. В целом, температурные напряжения могут быть выше, чем механические, особенно на поршневых кольцах и цилиндровой втулке. Поэтому для выбора материала детали или покрытия необходимо определять свойства материалов по критериям адгезионной и когезионной прочности при термоциклировании.
Изнашиванию в зоне посадочных узлов подвергается большое количество узлов дизеля. В первом приближении процесс можно описать следующим образом. В момент сближения вибрирующих поверхностей до взаимодействия выступов происходит адгезионное взаимодействие при микроперемещениях ювенильных поверхностей динамически сжатых материалов, с образованием мостиков сварки и последующим их разрушением с вырыванием частиц при микроударах. Проведенные исследования позволили установить, что определяющими критериями при выборе материалов в этом случае должны являться нагрузка схватывания, когезионная и адгезионная прочность материала детали или покрытия.
При решении проблем износостойкости и прочности деталей из компактных материалов в настоящее время используют несколько подходов. Одним из них является подход с позиции механики твердого тела с учетом законов термодинамики и процессов деформирования. Например, подход на основе молекулярно-кинетической теории повреждаемости твердых тел [17, 41, 26, 83]. Вторым подходом является макроэнергетическая теория, в которой показана зависимость критерия износостойкости от коэффициента жесткости, напряженного состояния, плотности деформации, энергии внешнего нагружения. В случае критической плотности потока энергии, заключенного в объеме материала, разрушение этого материала произойдет по условиям, вытекающим из уравнения работы [64]. В некоторых работах приводятся данные зависимости изнашивания компактных материалов от твердости поверхностного слоя.
Третьим подходом является позиция термоэлектронной и экзоэлектронной эмиссии. Во многих случаях рациональным способом является не создание компактных материалов, основанное на теории "трех подходов", а формирование на основе экспериментальных данных упрочняющего слоя на поверхности детали, так как применение традиционного метода (разработка новых материалов, улучшение конструкции детали, повышение интенсивного охлаждения) не дает желаемого эффекта -повышения ресурса деталей.
Методики исследований
Анализ данных по влиянию на износостойкость покрытия из материалов Сг20з, ПТАН 9 и ПН85Ю15 в паре с бронзой с нанесением гальванического слоя SnPb, показывают, что на износ оказывает влияние нагрузка схватывания и коэффициент трения (зависящие от скорости истечения струи).
На графиках рис. 3.2, 3.4, 3.5 приведены данные влияния на износостойкость нагрузки схватывания и коэффициента трения. Данные, приведенные в таблице 3.1, показывают изменение Ктр и Рсх от Устр. На рис. 3.6 приведена структура напыленного слоя FeCrMo при различных скоростях истечения струи: VCT = 300 м/сек; 2) VCT = 500 м/сек; 3) VCT = 800 м/сек. На рис. 3.7 приведены данные влияния нагрузки схватывания на износ сопряженной пары.
На рис. 3.8 приведены данные влияния когезионной прочности на износостойкость покрытия при его работе в паре с антифрикционным сплавом из алюминия. Апроксимация экспериментальных данных, приведенных в таблице 3.1, показывает, что характер изменения когезионной прочности (стабильность плазменного процесса) и свойств различных материалов определяют монотонные изменения износостойкости покрытия. Данные исследования позволили установить, что износостойкость плазменных покрытий и особенно сопряженных пар зависят от нагрузки схватывания Рсх. Для коленчатых валов сопряженной парой являются вкладыши подшипников, с изнашиванием которых повышается зазор, что приводит к конусности и эллиптичности шейки коленчатого вала [11]. В работе [88] приведены эмпирические зависимости энергетических параметров поверхности, влияющих на износостойкость (табл. 3.2). Автором были проведены эксперименты по изучению работы выхода электронов материалов покрытия и определению нагрузки схватывания на машине трения. Методика определения работы выхода электронов представлена в главе 2. Результаты экспериментов представлены в таблице 3.3.
Данные, приведенные в таблицах 3.1, 3.2 и 3.3 и на графике рис. 3.1 -3.8, 3.9 показывают возможность выбора материала покрытия в узлах трения, в том числе и для шеек коленчатых валов по критериям &а О дэв_
Влияние коэффициента трения на износостойкость покрытий (сопряженная пара гальванический баббит) Графическая зависимость величины нагрузки схватывания от работы выхода электронов представлена нарис 3.9.
Наименование материала покрытия Наименование материала сопряженной пары Работа выхода электронов в материале покрытия, эв. Нагрузка схватывания, Н Примечание
Сг203 Bp.+Pb,Sn,Sb,Cu 3,2 2500 п=300 об/мин. Pz=500 Схватывание определялось по всплеску момента трения на машине СМЦ2. FeCrMo 6,8 3500 ПГАН-9 6,3 2900 riH85I015+CW 6,9 3600 61 3800 x 3600 5 3400 g 3200 H 3000 re g 2800 S 2600 n T 2400 ro x 2200 2000 4 5 6 7 Работа выхода электронов, эв Рис. 3.9 Зависимость нагрузки схватывания от работы выхода электронов Л.1 50 65 80 95 1 125 140 155 170 185 200 МПа Рис. 3.10 Зависимость циклической прочности покрытий от когезионнои прочности Статистический анализ отказов в работе коленчатых валов высокооборотных двигателей показывает, что ресурс во многом определяется усталостной прочностью.
Циклические нагрузки, которые испытывает коленчатый вал, влияют как на работоспособность самого вала, так и упрочняющих плазменных покрытий.
Данные испытаний усталостной прочности, приведенные в работах [85], показывают, что усталостная прочность покрытий зависит от напряженного состояния покрытий и их когезионной прочности. На рис. ЗЛО показана зависимость циклической (усталостной) прочности покрытий от когезионной прочности.
Исследования, выполненные автором на испытательном стенде СПП 1, показали, что разрушение напыленного слоя, в основном, происходит по зоне соединения. При использовании полых образцов усталостное разрушение покрытий происходило одновременно с разрушением самих образцов. Сравнительные данные усталостной прочности образцов различной конструкции с напыленным покрытием толщиной 1 мм до обработки и 0,8 мм после обработки приведены в таблице 3.4.
В работах многих авторов приводятся данные снижения износостойкости и усталостной прочности покрытий в результате растягивающих напряжений. При низких значениях адгезионной и когезионной прочности и высоком уровне растягивающих напряжений происходит разрушение и отслаивание покрытий. Известно, что величина растягивающих напряжений зависит от толщины покрытий и от различия теплофизических свойств материала детали и напыленного покрытия. В настоящее время сотрудниками СЗПИ разработан метод неразрушающего контроля и корректировки остаточных напряжений компактных материалов (прибор "СИТОН"). Таблица 3.4 1. Циклическая прочность вала без напыления. 2. Циклическая прочность покрытия. 3. Циклическая прочность вала с покрытием. Методика снятия остаточных напряжений с использованием прибора "СИТОН" приведена в главе 2. Автором была осуществлена проверка возможности использования этого метода для исследования напряжений на деталях с напыленными покрытиями. Были изготовлены образцы с различной толщиной покрытий 0,2; 0,8 и 1,2 мм Напыление производилось плазмотроном со скоростью истечения струи 800 м/сек, площадь напыленного слоя составила 50x100мм. В качестве материала для напыления использовался порошок феррохром молибден. Схема идентификации остаточных напряжений в слое показана на эпюрах рис 3.11 и 3.12. Данные эксперимента показали влияние когезионной прочности покрытий на величину циклической прочности и, что является основным, возможность применения метода неразрушающего контроля для диагностирования свойств покрытий.
Экспериментально-теоретическое обоснование изнашивания поверхностей сопряженных пар с плазменным напылением одной из поверхностей в узлах трения при обосновании выбора материалов для напыления
Задача определения модели изнашивания (уравнения изнашивания) узлов трения является сложной проблемой физики и механики. Для изнашивания компактных материалов в узлах трения представлено множество моделей. Структура и свойства газотермических покрытий отличаются от компактных, поэтому для создания моделей и уравнений изнашивания необходимо использовать несколько другие аспекты. В таблицах 3.11 и 3.12 и на графиках рис.3.19-3.26 представлены данные свойств покрытий, нанесенных на сталь 18Х2НЧМА-Ш с различной степенью азотирования, и данные зависимости износостойкости от когезионной прочности и нагрузки схватывания покрытий с сопряженными парами, нанесенными гальваническим и ионноплазменным способом. На основании этих данных сделано предположение, что при выборе антифрикционных материалов для плазменных покрытий решающую роль играет когезионная прочность покрытий и совместимость сопряженных пар, определяемая нагрузкой схватывания, коррелируемая АЭВ поверхности.
Работы, проведенные А.Я. Куликом (ЦНИДИ) Л.И. Погадаевым (СПГУВК); Н.А Буше, позволили сделать вывод, что на износостойкость плазменных покрытий и сопряженных пар в узлах трения также оказывают влияние электрохимическая коррозия (поверхностный потенциал коррозии), пористость, грануляция напыляемого порошка, твердость частиц порошка, угол смачивания поверхности маслом, напряженное состояние покрытий. В связи с этим представляется интересным установление аналитической зависимости износа газотермических покрытий от когезионной прочности, нагрузки схватывания, электрохимических параметров коррозии, напряженного состояния покрытий, грануляции и твердости частиц порошка, углов смачивания поверхности напыленных покрытий маслом.
Первым этапом получения модели изнашивания поверхности, созданной плазменным напылением, было предположительное представление физической сущности процесса. При выборе антифрикционных материалов для узлов трения решающую роль играет их совместимость - т.е. низкая склонность к схватыванию. Анализ экспериментальных данных, полученных В.Б. Хмелевской и Т.П. Бычковым, приведенных в таблицах 3.11 и 3.12 на графиках рис. 3.19-3.26, показал, что влияние когезионной прочности на износ покрытий несколько выше, чем нагрузка схватывания. Поскольку величина когезионной прочности была получена по штифтовой методике, а износ покрытий на машине трения, т.е. при определении когезионной прочности не учитывалось напряженное состояние покрытий, можно утвердительно заявить, что когезионная прочность имеет первостепенное влияние на износостойкость плазменных покрытий в узлах трения. Систематическое изучение износа плазменных покрытий показало, что отделение продуктов изнашивания происходит также в результате среза частиц, определяемого силой трения
Износ в количественном виде в данном случае зависит от грануляции порошка и твердости частиц. Исследования, проведенные в СПГУВК совместно с МИФИ г. Москва и Институтом машиноведения РАН г. С-Петербург с использованием методик акустической эмиссии, подтвердили, что износ плазменных покрытий зависит от грануляции частиц порошка (от диаметра частиц и их твердости) (таблица 3.11). Исследования, проведенные в СПГУВК совместно с институтом "Прометей", показали влияние состава масла и электрохимического потенциала на износ плазменных покрытий при граничном трении. Данные представлены на графиках рис. 3.24. В СПГУВК проведены исследования влияния угла смачивания масла на покрытиях с различной пористостью на износ покрытий. Данные представлены в таблице 3.11.
Особенность структуры неоплавленных плазменных покрытий состоит в том, что напыленный пористый слой состоит из совокупности частиц. Сцепление частиц друг с другом характеризуется когезионнои прочностью ак. Поскольку прочность тела напыленных частиц cm превышает прочность границ, то прочность характеризуется прочностью границ.
Схема трибосопряжения плазменно-напыленного вала представлена на рис 3.22. Микроструктура покрытий показана на рис. 3.27, 3.28.
Общая работа по разрушению поверхности при сухом трении, по данным работы Л.И. Погадаева и В.Б. Хмелевской, определяется выражением: Л = Х ,ХЕА,. Теоретические зависимости, полученные Л.И Погадаевым и В.Б. Хмелевской, позволили придать уравнению износа плазменных покрытий вид усталостного разрушения: Изн = коті х Ow где konst - опытный коэффициент пропорциональности. В соответствии с данными работы "Изнашивание плазменных покрытий при трении скольжении" в журнале «Проблемы машиностроения» Изд АН СССР 1991 №4 износ плазменных покрытий прямо пропорционален остаточным напряжениям в степени 5,5 и обратно пропорционален когезионной прочности в той же степени. В той же работе для определения объемного износа плазменно-напыленных покрытий выводится уравнение: konst 3/ /9 Изн = р/2 сх Эмпирическое уравнение износа покрытий, учитывающее краевой угол смачивания пористых покрытий можно представить зависимостью Изн= konskf(v)хг/15 хexll у где f(v) - функция, учитывающая краевой угол смачивания; г) - кинематическая вязкость масла. Рассмотренные схемы изнашивания газотермических покрытий позволили представить модель изнашивания плазменных покрытий в следующем виде
Плазмотрон с высокоскоростным истечением плазменной струи и повышенным ресурсом работы
Основной недостаток установок для плазменного напыления - сравнительно небольшая скорость частиц (30-250м/с). Это снижает адгезию к подложкам и увеличивает пористость покрытий, что ограничивает возможность использования процессов плазменного напыления.
В связи с этим автором была поставлена задача увеличения скорости частиц путем варьирования технологических параметров, в частности составом плазмообразующего газа в системе аргон - азот - гелий, дистанцией напыления L, расходом плазмообразующего газа G и мощностью плазменной дуги Р.
Для измерения скорости был выбран способ вращающихся дисков. Согласно схеме (рис. 4.2) скорость определяли следующим образом. На ось воздушной турбины 4 установили измерительный диск 3 с разметкой по плоскости через 2, а затем на базовом расстоянии /б от него - экранирующий диск 2; при этом оси плазмотрона 1, т. е. поток частиц совмещали с осевой окружностью отверстий диска. После этого диски разгоняли до необходимой скорости, которую фиксировали дистанционно посредством частомера 43-12, подключаемого к датчику частоты вращения типа UC-445. При включении плазмотрона и подаче в него распыляемого материала на диске формировалась фигура, начало и конец которой смещались относительно проекции отверстий (см. рис. 4.2, вид А). Зная углы смещения al и а2, рассчитывали максимальную, минимальную и среднеарифметическую скорость частиц:
Влияние основных технологических факторов на скорость струи исследовалось при использовании порошка вольфрама марки ПВП-1 грануляцией 20-100 мкм, который при необходимости дополнительно рассеивался на приборе для определения зернового состава модели 029. Применяя аргон и нерассеянный порошок при силе тока 400 А, напряжении 30 В, получили данные, по которым построены, кривые 1, 2, а при использовании аргона и гелия - в соотношении 3 : 1 и порошка грануляцией 20-40 мкм - с дистанцией напыления 70 мм (кривая 3 - рис. 4.3 и 4.4).
При обобщении результатов измерений отмечен большой разброс значений скорости на всех режимах, что связано с неравномерной скоростью плазмы по сечению струи и заполнением частицами не только центральной, но и периферийной областей. Однако это не помешало выявить четкие повторяемые зависимости. Дистанция напыления слабо влияет на скорость, но по мере удаления от среза сопла разброс ее значений сужается (кривая 1), неоднозначно влияние расхода плазмообразующего газа (кривая 2 - рис. 4.3). Стабилизация и даже
Зависимости скорости частиц от состава плазмообразующих газов (рис. 4.3) были получены с использованием нерассеянного порошка, силе тока 400-500 А, расходе газа 100 л/мин. На основании полученных данных построена кривая 1 при дистанции напыления 100мм, напряжении 30-90 В и кривая 2 - соответственно 70 мм и 35-45 В. При условии постоянного суммарного расхода добавка к аргону 25% азота повышает среднемассо-вую скорость частиц на 20% (кривая 1). С увеличением в плазме содержания азота свыше 50%, несмотря на увеличение мощности за счет напряжения дуги, скорость снижается. Таким образом, смесь аргона с 25-50% азота предпочтительно использовать для получения наиболее высокой скорости частиц. Аналогичный и еще более четко выраженный характер у зависимости в системе аргон-гелий (см. рис.4.3, кривая 2), причем на чистом гелии скорость ниже, чем на чистом аргоне. Однако в системе азот-гелий -она практически не меняется. Эффект повышенной скорости в аргон-гелиевой плазме возрастает, если одновременно увеличивается подводимая мощность (см. рис.4.4, кривая 3). Зависимость выражается линейным уравнением: Vi = V0+l,625(Pl-P0), (4.12) 105 где V0 - известная скорость при мощности Р0, м/с; Vi - искомая скорость при Pi, м/с. Таким образом, для получения высокой скорости частиц необходимо в качестве плазмообразующего газа использовать аргон-азотную или аргон-гелиевую смеси, причем грануляцию порошка необходимо максимально уменьшать.
При использовании порошка вольфрама марки ПВН с несферичи-скими частицами грануляцией от 5 до 40 мкм достигнута скорость 140-210 м/с. Дальнейшее ее повышение возможно путем совершенствования применяемого оборудования. В первую очередь необходимо создание плазмотронов, в которых устраняется термическая неравномерность плазмы и достигается ее высокая скорость.
Для обеспечения высокой скорости истечения струи без снижения (энтальпии струи), был разработан плазмотрон с межэлектродными вставками АС 1586498 рис.4.5 плазмотрон имеет скорость истечения струи 800 м/сек за счет большого числа секций. Ресурс работы плазмотрона увеличивается за счет двухслойного керамического покрытия поверхности секций, которые так же производят напылением керамического покрытия, устраняя разрушение от высокой энтальпии дуги и струи.
Известно, что качество покрытий может зависеть от отсутствия полного расплавления частиц порошка. Для создания процесса обеспечивающего полное расплавление порошковых части - (при использовании плазмотронов с высокой скоростью истечения струи) был создан плазмотрон с возможностью подогрева напыляемых порошков.
