Триботехнология. Гаркунов Триботехнология. 1 Содержание Введение 5 Глава Фундаментальные открытия в трибологии на основе самоорганизации
 Скачать 6.32 Mb.
|
|
Упрочнение поверхностей стальных и чугунных деталей при ФАБО Благодаря относительно большому давлению Ра (60...80 МПа) в местах контакта при ФАБО происходит упрочнение стальной и чугунной поверхности обрабатываемой детали на глубину до 80 мкм. Этот результат был неожиданным, так как обычно упрочнение поверхности стальных деталей проводится стальными шариками или алмазным наконечником, например при алмазном выглаживании. Здесь мягкий латунный пруток производил упрочнение, причем на достаточно большую глубину. При этом, по-видимому, имело место объемно-напряженное состояние сжатия микрообъемов поверхности, что и упрочняло материал обрабатываемой детали. Это впервые было изучено проф. Г. Польцером и его учениками. Предложенная ими обработка деталей вращающимся прутком еще более способствовала упрочнению поверхности. На рис. 3.7 показано в обобщенном виде распределение микротвердости чугуна CCL25 на разной глубине при латунировании и без покрытия. По результатам исследования можно отметить, что на глубине 70…80 мкм твердость поверхности увеличивается до 30 % по сравнению с твердостью основы. Условия ФАБО (давление, скорость процесса) влияют на характер кривой распределения твердости по глубине. 99 Данная работа объясняет влияние ФАБО на износостойкость изделия даже после износа латунного покрытия. Рис . 3.7 Кривые изменения микротвердости чугуна CCL25 на различной глубине при механическом (А) и химико-механическом (Б) латунировании, а также чугуна без покрытия Последующие испытания латунированных цилиндров на автомобильном двигателе при отсутствии в масле металлоплакирующей присадки показали, что даже после 70 000 км пробега автомобиля методом радиоактивных изотопов можно обнаружить на поверхности цилиндра следы меди. Это объясняется тем, что при пластическом деформировании поверхности цилиндра латунным прутком происходит диффузия меди в поверхностные слои материала цилиндра. Отметим также, что немецкие коллеги здесь впервые применили при обработке зеркала цилиндра вращение латунных прутков, расположенных к поверхности цилиндра под углом. Это позволило создать линейный контакт между обрабатываемой деталью и инструментом вне зависимости от износа последнего, а следовательно, значительно повысить давление инструмента на обрабатываемую поверхность. Фрикционное латунирование в парах трения изделий машиностроения может заменять дорогостоящие и вредные для природной среды способы нанесения покрытий, предназначенные для уменьшения трения и износа, например фосфатирование, обработку перегретым паром, азотирование, гальваническое нанесение покрытия из меди и др. 100 ФАБО деталей топливной аппаратуры Эксперименты проводили на машине трения 77 МТ-1 с возвратно- поступательным движением, имитирующим работу золотниковой пары при скоростях 100 и 200 двойных ходов в минуту, удельной нагрузке до 20 МПа. Верхние образцы для машины трения (с малой поверхностью трения) изготавливали из бронз БрАЖМц 10-3-1,5, БрОФ 7-0,2, БрОЦС 5-5-5, БрОС 10- 10, БрАЖН 10-4-4, латуней ЛС 59-1 и Л62, нижние образцы — из сталей 30ХГСА, Х12М, ХВГ, 12Х18Н9Т. В качестве смазочных средств использовали химически чистый глицерин и углеводородные виды топлива. Температуру образцов контролировали хромоникелевой термопарой, установленной в одном из образцов. После испытаний поверхности наиболее интенсивного трения бронзовых образцов по стали имели зеркальную поверхность цвета меди, а на дорожке трения сопряженного стального образца четко выделялись частички перенесенного сплава того же цвета. С помощью химического, металлографического, электрохимического, спектрального и рентгеноструктурного анализов было установлено, что эффект ИП проявляется не только в глицерине и спиртоглицериновой смеси, но и в углеводородном топливе, которые являются рабочей средой для деталей топливной аппаратуры. Однако применение пары сталь – бронза в агрегатах топливной аппаратуры не всегда допустимо, так как при повышении температуры топлива коэффициенты объемного расширения для бронзы и стали различны, а это может привести к изменению зазора в золотниковых парах. Поэтому на одну из стальных трущихся деталей целесообразно предварительно нанести слой медного сплава, чтобы возбудить ИП в процессе трения в углеводородном топливе, что резко повышает ресурс деталей узла трения. Детали обрабатывали на токарно-винторезном станке с помощью приспособления, показанного на рис. 3.8. Фрикционную обработку производят при скорости скольжения прутка 0,1...0,2 м/с, удельной нагрузке 50...70 МПа, продольной подаче 0,1...0,2 мм/об, частоте вращения прутка 200...250 мин-1; диаметре прутка 4...6 мм; числе проходов 2–3. Для активации процесса растворения химически стойких окислов, образующихся на поверхности детали, в процессе фрикционной обработки применялась среда, состоящая из одной части глицерина и трех частей 10%-ной соляной кислоты. При латунировании стальной мкм, а при бронзировании 1...2 Рис . 3.8 Схема 1 – обрабатываемая деталь приспособления; 5 – электродвигатель 8 – планка; 9 – корпус В результате проведенных установлено, что на предварительно медный слой до 1 мкм, который одной поверхности на другую трения. Рентгеноструктурный анализ трубки с характеристическим что на поверхности трения меди, параметр решетки которого близкой по параметру решетки Приближенная оценка содержания результаты: 9 %, когда параметр % – при параметре решетк свидетельствует о частичном обогащении поверхности трения Наиболее распространенной выхода из строя деталей эксплуатации, является схватывание влияния вибрационного режима 101 латунировании стальной детали толщина покрытия ании 1...2мкм. Схема фрикционного латунирования деталь; 2 – пруток; 3 – хомут; 4 – электродвигатель; 6 – пружина; 7 – измерительный проведенных лабораторных и стендовых испытаний предварительно нанесенном латунном покрытии мкм, который не уносится из зоны контакта на другую, что придает высокую износостойкость анализ шлифа на установке УРС-50 с характеристическим излучением железа в камере РКУ трения присутствуют линии твердого раствора решетки которого близок к латуни, а также решетки к чистой меди. содержания цинка в твердом растворе когда параметр решетки близок к латуни (а = решетки близкой к чистой меди (а = частичном выделении цинка из твердого поверхности трения медью, что характерно для режима распространенной причиной повышения трения, деталей золотниковых регулирующих является схватывание трущихся поверхностей вибрационного режима работы деталей на схватывание покрытия составляет 3...5 латунирования : подвижная часть измерительный штырь; стендовых испытаний было покрытии образуется контакта, а переходит с износостойкость узлу 50 с использованием камере РКУ-114М показал, твердого раствора цинка и также линии фазы, растворе дает следующие (а = 3,70 А); 1,7.. .2 (а = 3,63 А). Это твердого раствора и для режима ИП. трения, заклинивания и регулирующих устройств в поверхностей. Для выяснения схватывание были проведены сравнительные золотниковых пар. На экспериментальные золотники зазор между золотником и втулкой в режиме циклических нагрузок топлива от 3 до 7 МПа. В результате испытаний установлено 25 ч работы имеют ярко трения с вырывами и поверхность; экспериментальные местах контакта втулки с экспериментальным меди, выделяющейся из бронзы как слой меди в этих условиях Технологические испытания типа HP в углеводородном что наибольшее число случаев золотник обратной связи, нанесли покрытия латуни Л Микрометрирование деталей характеристики насоса износостойкость экспериментальных Сферические поверхности плунжеров повреждений не имеют (рис Рис . 3.9. Кривые экспериментального (1) 102 сравнительные испытания серийных и экспериментальных экспериментальные золотники наносили покрытия из бронзы золотником и втулкой составлял 9...12 мкм. Испытания циклических нагрузок, с частотой 175 Гц и колебаниями испытаний установлено, что серийные золотники ярко выраженный характер повреждения и переносом отдельных частиц на экспериментальные золотники таких поврежден втулки с экспериментальным золотником хорошо из бронзы. Надежность в данном случае условиях играет роль защитной пленки. испытания в течение 105 ч проведены на серийном углеводородном топливе. Опыт работы с этими агрегатами число случаев износа рабочих поверхностей связи, сферы плунжера и дифклапана. Поэтому латуни Л62. деталей после испытаний показало, насоса соответствуют нормам технических экспериментальных деталей в 2...3 раза выше поверхности плунжеров и сопряженная с ними наклонная имеют рис. 3.9). Кривые диаметральных износов серийного экспериментального (1) золотников ограничителя низкого экспериментальных из бронзы типа БрОФ, Испытания проводили колебаниями давления золотники и втулки после повреждения поверхностей частиц на сопряженную повреждений не имеют. В золотником хорошо виден слой случае повышается, так на серийном насосе этими агрегатами показал, поверхностей приходится на дифклапана. Поэтому на них что все технических условий, выше, чем серийных. ними наклонная шайба серийного (2) и низкого давления На рис. 3.10 приведено золотников. Рис .3.10.Кривые экспериментального Проведенные испытания агрегатов снижает износ и устраняет ФАБО шеек коленчатых Оснастка, технология по применению ФАБО шеек автотракторных двигателей университете им. В.П. Горячкина нанесения покрытия осуществляется инструмента и восстановления в технологической жидкости В качестве растворителя устройство для фрикционного коленчатых валов получен Пат Триботехнические испытания лабораторных машинах трения обработанных и сопряженных ной задиростойкости. Наилучшие эксплуатации двигателей применением металлоплакирующих 103 приведено сравнение диаметрального износ Кривые диаметральных износов поверхностей экспериментального (1) и серийного (2) золотников дифклапана испытания показали, что ФАБО деталей износ и устраняет схватывание трущихся поверхностей коленчатых валов двигателей. технология, состав технологической жидкости ФАБО шеек коленчатых валов при капитальном двигателей разработана в Московском П. Горячкина. В разработанной технологии осуществляется за счет переноса металла восстановления на обрабатываемой поверхности жидкости солей пластичных металлов (меди растворителя использована вода (Пат. РФ № фрикционного механического нанесения получен Пат. РФ № 1834913. Триботехнические испытания разработанной технологии машинах трения показали снижение интенсивности сопряженных с ними поверхностей в 1,5...2 раза Наилучшие результаты в процессе двигателей получены ФАБО трущихся металлоплакирующих смазочных материалов. диаметрального износ поверхностей поверхностей дифклапана деталей топливных трущихся поверхностей. жидкости и руководство капитальном ремонте Московском агроинженерном технологии процесс металла натирающего поверхности содержащихся меди, олова и цинка). РФ № 2004622). На нанесения покрытий шеек технологии ФАБО на интенсивности изнашивания 1,5...2 раза при их 100 %- процессе испытаний и в трущихся поверхностей с Стендовые испытания двигателях СМД-62: серийных фрикционными латунными коленчатых валов и гильзах экспериментальных двигателей (МПП) в концентрации 0,5 % прошедшие капитальный проводили на одном обкаточном двигателей топливного насоса Результаты стендовых результатам видно, что ФАБО обкатка двигателей на масле характеристики работы двигателя – снижает механические потери – увеличивает давление масла номинальной частоте вращения – повышает эффективную среднем до 176,5 кВт); – уменьшает износ шатунных – уменьшает износ коренных – уменьшает износ шеек коленчатого – снижает содержание продуктов двигателя в 4,33 раза (в среднем Результаты 104 испытания разработанной технологии серийных и экспериментальных латунными покрытиями на коренных и шатунных и гильзах цилиндров. В моторное двигателей вводили металлоплакирующую концентрации 0,5 % мас. В другую группу входили капитальный ремонт по заводским технологиям обкаточном стенде с использованием одного топливного насоса, комплекта форсунок и турбокомпрессора стендовых испытаний представлены в что ФАБО шеек коленчатого вала и гильз на масле М-10Г с МПП, существенно работы двигателя: механические потери на трение на 5...9 % (в среднем давление масла в главной магистрали дизеля частоте вращения (до 0,56 МПа); эффективную мощность двигателя после обкатки шатунных вкладышей на 47...49% (в среднем коренных вкладышей на 37...49 % (в среднем шеек коленчатого вала на 49...56 % (в среднем содержание продуктов износа (железа) в пробах масла раза (в среднем на 45 г/т). Результаты стендовых испытаний двигателя технологии выполнены на экспериментальных (опытных) с и шатунных шейках моторное масло М-10Г металлоплакирующую присадку входили двигатели, технологиям. Испытания использованием одного для всех турбокомпрессора. представлены в табл. 3.4. По и гильз цилиндров и существенно улучшают среднем на 8,5 Нм); дизеля на 25...30 % при обкатки на 8... 12 кВт (в среднем на 0,019г); среднем на 0,042 г); в среднем на 2,9 мкм); пробах масла из картера Таблица 3.4 двигателя 105 Увеличение эффективной мощности двигателя на 8...12 кВт объясняется снижением механических потерь на трение и повышением качества приработки деталей цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма. Осмотр поверхностей трения соединений шейка – вкладыш и кольцо – гильза цилиндра после испытаний опытных двигателей не выявил признаков задиров поверхностей трения и образования рисок, тогда как у серийных двигателей, прошедших капитальный ремонт и обкатку по типовым технологиям, выявлено наличие рисок и натиров материала вкладыша на коленчатый вал. В процессе дальнейшей эксплуатации рекомендуется также использование МПП в применяемых смазочных материалах в целях создания условий для сохранения разделительного слоя пластичного металла и реализации ИП. После эксплуатационных испытания двигателей СМД-62, а также испытания опытных партий дизелей ЯМЗ-238, RABA-MAN D 2156 и их модификаций разработанная технология внедрена на ряде ремонтных предприятий России. ФАБО цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Детали цилиндропоршневой группы двигателей работают в напряженных условиях и характеризуются высокими температурами, давлениями и неблагоприятными условиями смазки (от жидкостной до граничной) при возвратно-поступательном движении. Для оценки влияния фрикционного латунирования цилиндров на противо- задирную стойкость проведены лабораторные испытания образцов ролик – колодка на машине трения СМЦ-2. Образцы-колодки, имитирующие зеркало гильзы шероховатостью Ra = 0,16 мкм были изготовлены из стали 38Х2МЮА с азотированием рабочей поверхности и из стали с наплавкой поверхности трения сплавом У30Х28Н4С4 (сормайт № 1). Эти материалы характеризуются склонностью к задирам в процессе приработки цилиндропоршневой группы. Рабочую поверхность образцов-колодок покрывали слоем латуни Л62. Контробразцы (ролики диаметром 50 мм) изготавливали из материалов поршня (алюминиевый сплав АК-4) и стали с хромовым покрытием, имитирующей поршневое кольцо. Поверхности трения этих образцов обрабатывали по технологии, применяющейся в производстве форсированных дизелей. Рабочую поверхность алюминиевых образцов подвергали закалке и старению (твердость 96 НВ), обрабатывали до Ra = 0,5 мкм и анодировали с толщиной пленки 0,06...0,08 мм. Стальные образцы обрабатывали хрома толщиной 0,1... 0,15 0,03...0,06 мм. Испытания проводили ступенчатом увеличении нагрузки нагрузки 1,5 МПа и далее по Испытуемые материалы ограниченном подводе смазки хромированными роликами предварительно обезжиривали Начало схватывания определяли трения. Нагрузку, соответствующую предельной нагрузкой. В табл. 3.5 приведены латунирование повышает предельную У30Х28Н4С4 и азотированной алюминиевым сплавом АК пористым хромом. ФАБО азотированных длиной 264 мм выполняли котором устанавливается два В качестве рабочей технического глицерина и Обработанные гильзы тщательно консервировали. Отсутствие при обработке рабочей жидкости позволили 106 образцы обрабатывали до Ra = 0,25 мкм и покрывали 0,1... 0,15 мм с последующим дехромированием проводили при окружной скорости 0,78 м увеличении нагрузки: через каждые 2 мин по далее по 0,5 МПа. материалы в паре с алюминиевыми роликами подводе смазки (одна капля в минуту), роликами работали всухую (колодки обезжиривали бензином). схватывания определяли по резкому возрастанию соответствующую возникновению задира приведены результаты испытаний. Видно, что повышает предельную нагрузку схватывания у азотированной стали 38Х2МЮА при работе сплавом АК-4 в 1,6...1,7 раза и в 2,3...5,7 раза азотированных гильз (сталь 38Х2МЮА) гильз диаметром выполняли на токарном станке с помощью приспособления устанавливается два прутка латуни Л62 диаметром 4 мм рабочей жидкости использовали смесь а и одной части 10 %-ного раствора соляной тщательно промывали теплой водой обработке внутренних поверхностей позволили повысить скорость обработки д мкм и покрывали слоем дехромированием на глубину 0,78 м/с (300 мин-1) и мин по 0,25 МПа до роликами работали при минуту), а в паре с колодки и ролики возрастанию момента силы возникновению задира, считали Видно, что фрикционное схватывания у твердого сплава при работе в паре с 2,3...5,7 раза – в паре с Таблица 3.5 гильз диаметром 150 мм и помощью приспособления, в диаметром 4 мм. смесь двух частей раствора соляной кислоты. водой, просушивали и поверхностей разбрызгивания обработки до v = 0,5...0,6 м/с 107 при продольной подаче s = 0,22 мм/об вместо ранее принятых v = 0,15...0,2 м/с и s = 0,1... 0,2 мм/об. Стендовые испытания проводили на одноцилиндровой установке по ускоренному режиму обкатки (7 ч) при уменьшенном подводе смазки к компрессионным кольцам и увеличенном давлении сгорания. Серийная гильза в таких условиях подвержена значительным задирам и становится практически неработоспособной. Испытывали гильзы, обработанные различными технологическими методами повышения долговечности: латунированием, фосфатированием, направленным хонингованием с углом наклона в 45° и алмазным вибровыглаживанием. Установлено, что латунирование зеркала цилиндра способствует более удовлетворительной приработке деталей цилиндропоршневой группы, чем сравниваемые. Рабочие поверхности латунированных гильз имели вид хорошо приработанных, без ярко выраженных следов схватывания и задиров. Латунь при этом полностью износилась, но сыграла роль твердой смазки и обеспечила приработку пары трения раньше своего износа. Кроме гильз цилиндров, были испытаны латунированные поршни тепловозных дизелей (диаметр 204 мм, длина 324 мм). Материал поршней – специальный чугун, термообработанный до 207...255 НВ. Латунировали поверхность на длине 296 мм от нижнего торца юбки на тех же режимах, что и гильзы. Стендовые испытания в течение 22 ч показали, что качество приработки опытного поршня, обработанного фрикционным методом, не отличается от качества серийных поршней, на боковую поверхность которых нанесен слой олова толщиной 0,02...0,03 мм. Это свидетельствует о целесообразности использования метода фрикционного латунирования рабочих поверхностей для повышения противозадирной стойкости цилиндропоршневой группы. |