Триботехнология. Гаркунов Триботехнология. 1 Содержание Введение 5 Глава Фундаментальные открытия в трибологии на основе самоорганизации
 Скачать 6.32 Mb.
|
|
Технологический процесс ФАБО, разработанный Г. Польцером Обширные исследования по ФАБО цилиндров двигателей внутреннего сгорания были выполнены в Германии проф. Г. Польцером и его учениками. Предварительно проведенные лабораторные испытания латунированных и нелатунированных валов в паре с чугунным подшипником показали, что этот процесс придает высокие антифрикционные свойства стальным и чугунным поверхностям. Причем эти свойства сохраняются и после того, как латунное покрытие будет полностью изношено. Следствием этого является то, что при латунировании стальная и чугунная поверхности упрочняются на глубине до 80 мкм. 108 На рис. 3.11 приведены графики изменения температуры и коэффициента трения в зависимости от времени t работы подшипника. Втулка подшипника – чугун; вал – сталь; смазочный материал – пластичный смазочный материал; удельная нагрузка 9 МПа; скорость скольжения 0,34 м/с. Научной школой проф. Г. Польцера разработан ряд приспособлений для ФАБО цилиндров двигателей, валов, плоских поверхностей и других деталей. Приспособления устроены так, что в них натирающий стержень (инструмент) вращается вокруг свой оси. Это позволяет обеспечить: линейное касание элемента и вместе с тем малую реальную площадь его контакта с натираемой поверхностью, что позволяет иметь высокие давления при небольших усилиях прижатия; оптимальные удельные нагрузки – 60…90 МПа, давления по Герцу свыше 700 МПа; постоянное изменение области контакта в процессе латунирования. Оба условия необходимы для того, чтобы с помощью микроадгезионных процессов обеспечить высокое качество покрытия. Рис . 3.11.Изменение средней температуры t (1) трущегося тела и коэффициент трения µ (2) в процессе приработки работы чугунного вкладыша со стальным валом для латунированной поверхности (А) и без латунирования (В) Предлагаются четыре способа ФАБО: 1. Покрытия наносят путем натирания поверхности вращающимся относительно своей продольной оси латунным стержнем. Этим способом латунируют валы, а также симметричные плоские поверхности, вращающиеся в процессе натирания (рис. 3.16,а); 2. Способ обработки внутренних поверхностей вращающихся деталей (например, гильз) и деталей, находящихся при обработке в статическом состоянии (например, блоки цилиндров двигателей). Наибольшее упрочнение стальной и чугунной поверхности при ФАБО происходит тогда, когда между инструментом и обрабатываемой деталью имеется линейный контакт. Такой контакт осуществляется в конструкции оснастки ФАБО цилиндров: два латунных инструмента (прутка) во время работы вращаются; 109 они установлены к поверхности зеркала цилиндра под углом в 45° рис. (3.16,б); Рис . 3.12. Приспособление МВ-1 для латунирования валов и плоских поверхностей , устанавливаемое на токарном станке (а): Приспособление МВ-3А для латунирования гильз (б): 1 – приводной электродвигатель; 2 – станина; 3 – гидроцилиндр; 4 – направляющие; 5 – червячный редуктор; 6 – натирающий стержень 1 – приводной электродвигатель; 2 – зубчатая передача; 3 – основная плита; 4 – гидроцилиндр; 5 – приводной вал; 6 – зажимное устройство; 7 – натирающая головка; 8 – натирающий стержень; 9 – гильза цилиндра ДВС 3. Натирание поверхности одним или спаренными, расположенными оппозиционно, натирающими трубчатыми латунными элементами, которые прижимаются к вращающейся детали (валу или плоской детали). Применение латунных натирающих трубок делает возможным фрикционное латунирование поверхностей с нарушениями сплошности (сверления, канавки, кольцевые углубления); 4. Приспособление для фрикционного латунирования валов, закрепляемых неподвижно. Разработаны также специальные вспомогательные установочные и зажимные приспособления для закрепления подлежащих покрытию деталей: для разрезных поршневых колец, для закрепления шатунов при натирании их кольцевых поверхностей, обеспечивающее их вращение Особенностью разработанных (латунного прутка) относительно ФАБО. К тому же линейный эффективно упрочняет обрабатываемую Повышение износостойкости топлива Для определения влияния Польцером проведены испытания латунированным и не латунированными На рис. 3.13 показаны методом вырезанных лунок Рис . 3.13. Радиальные 3.14.Удельный расход топлива 110 поверхностей, для закрепления плоских некруглых вращение при натирании плоскости. разработанных способов является вращение относительно его продольной оси, что повышает линейный контакт между инструментом и упрочняет обрабатываемую поверхность. износостойкости цилиндров и сокращение определения влияния ФАБО на износостойкость испытания двухтактного автомобильного латунированными цилиндрами. показаны эпюры износа стенок цилиндров лунок после условного пробега автомобиля . 3.13. Радиальные распределения износа расход топлива четырехцилиндрового двигателя 1300» некруглых деталей, вращение инструмента что повышает качество инструментом и деталью более сокращение расхода износостойкость цилиндров Г. автомобильного двигателя с цилиндров, измеряемых автомобиля 100 000 км. износа четырехцилиндрового двигателя « Фиат 111 Исследовали также влияние ФАБО цилиндров на удельный расход топлива. четырехцилиндрового четырехтактного двигателя «Фиат 1300». Результаты испытаний приведены на рис. 3.14. Как видно, имеется явная тенденция уменьшения расхода топлива при латунированных цилиндрах по сравнению с его расходом при серийных цилиндрах. Совершенствование технологии ФАБО цилиндров двигателей Высокая производительность ФАБО гильз цилиндров при высоком качестве нанесенного латунного слоя достигается при использовании серийных хонинговальных головок, в которые устанавливаются бруски из цветных металлов вместо абразивных. При этом продолжительность обработки одного цилиндра сокращается до 20...30 с. Предлагается заменять керамические бруски в хонинговальной головке латунными роликами, имеющими по 8 мм выступающих рабочих поясков. Ролики крепятся в центрах, что позволяет им вращаться вокруг своей оси при работе хонинговальной головки. Длина латунного ролика в три раза меньше, чем хонинговального бруска. Это дает возможность повысить давление на рабочую поверхность цилиндра и тем самым создать условия для интенсивного переноса материала (латуни) с ролика на цилиндр. При работе хонинговальной головки с четырьмя роликами перенос материала происходит с 32-х рабочих поясков роликов. Конструкция инструмента обеспечивает линейный контакт при натирании рабочей поверхности цилиндра, высокую удельную нагрузку инструмента на материал цилиндра и упрочнение его поверхностного слоя. В таких условиях не требуется каким-либо образом удалять окисные пленки как с зеркала цилиндра, так с рабочих поясках роликов. Оксидная пленка удаляется под большим давлением самими роликами при их вращении с одновременным возвратно- поступательным движением. Для получения хорошей латунной пленки достаточно всего двух-трех ходов хона, что обеспечивает высокую производительность при массовой обработке гильз цилиндров. Более качественный нанесенный слой латуни меньшей пористости, большей прочности сцепления с основным металлом детали получается при электрофрикционном латунировании (при пропускании через зону контакта «латунный стержень – деталь) постоянного тока плотностью 30...50 А/мм2 (оптимальная плотность 40 А/мм2) (рис. 3.15). 112 Рис . 3.15. Схема фрикционного (электрофрикционного) латунирования деталей : 1– латунируемая гильза цилиндра; 2 – латунный пруток (Л-62); 3 – винт крепления прутка; 4 – плунжер; 5 – пружина; 6 – корпус приспособления; 7 – пробка; 8 – оправка, закрепленная в резцедержателе; 9 – электрические контакты. При этом производительность обработки увеличивается в 2...3 раза, и латунирование выполняется за один проход. Сплошной плотный слой латуни толщиной 3...4 мкм создает условия ИП при трении и предотвращает задир и интенсивное изнашивание поверхностей. Результаты испытаний двигателей, топливных насосов, гидронасосов и гидроцилиндров показывают, что износостойкость латунированных деталей увеличивается в 3,5...4,0 раза и более, по сравнению с деталями, изготовленными по обычной технологии. Следует отметить, что даже при износе деталей, многократно превышающем толщину латунного покрытия, на латунированной поверхности после ее изнашивания иногда виден медный слой. Этот эффект последействия обработки обеспечивает высокую износостойкость пары трения даже после исчезновения видимых следов латунированного слоя. Влияние ФАБО деталей на фреттинг-коррозию и усталость Прочность деталей снижается при гальваническом хромировании и никелировании, фосфатировании, оксидировании и других видах обработки в результате наводороживания. Исследования показали, что ФАБО деталей увеличивает их сопротивление фреттинг-усталости. Это подтверждается результатами сравнительных усталостных испытаний образцов диаметрами 12 и 17 мм с 113 напрессованными втулками, подвергнутых нагружению чистым изгибом с вращением. Образцы и втулки изготавливались из нормализованной стали 35. Для всех образцов методом селективного подбора создавали натяг 20 мкм, что соответствует прессовой посадке. Сопротивление усталости оценивали по величине предельного циклического напряжения, при котором образцы проработали 2•107 циклов без разрушения. В связи с тем, что фрикционное латунирование проводится при значительных удельных нагрузках, можно ожидать увеличения предела выносливости образцов вследствие наклепа (упрочнения) стальной поверхности. Для сопоставления результатов возможного наклепа при латунировании и самого латунирования испытаниям были подвергнуты образцы трех серий: шлифованные, латунированные фрикционным методом и наклепанные. Фрикционное латунирование образцов проводили в среде глицерина. Режимы латунирования: окружная скорость образцов – 0,2 м/с; продольная подача латунного прутка – 0,2 мм/об; давление латунного прутка – 100 МПа; число проходов – 2. Наклеп образца проводили в условиях, максимально приближенных к фрикционному латунированию. Однако для предотвращения осаждения пленки латуни обрабатываемая поверхность покрывалась не глицерином, а пластичной смазкой АФ-70 (смазочный материал УНМА). Как следует из кривых усталости (рис. 3.16.), построенных по результатам испытаний латунированных, наклепанных и шлифованных образцов диаметром 17 мм, фрикционное латунирование способствует увеличению предела выносливости образцов до σ а = 185 МПа по сравнению с 105 МПа для шлифованных образцов. Это увеличение не является следствием наклепа образцов при латунировании — форма кривой усталости и значение предела выносливости (для выбранной базы испытаний N = 2·107 циклов) для образцов шлифованных и наклепанных совпадают. Дальнейшие исследования показали, что на величину предельного циклического напряжения значительное влияние оказывает состав среды, применяемой в процессе латунирования. Была найдена концентрация раствора соляной кислоты в глицерине, при которой предел выносливости латунированных образцов диаметром 12 мм с напрессованными втулками возрос до 206 МПа, а величина давления прутка при латунировании снизилась до 70 МПа. Рис . 3.16. Кривые усталости 1 – латунированные образцы покрытия Для изучения механизма фрикционным латунированием исследования характера повреждений видоизменяющей фреттинг В результате исследований в зависимости от степени разрушения. 1. Образцы, испытывавшиеся образцов в зоне, примыкающей наблюдается четко выраженный шириной 1,5...2,5 мм из на контрольных (не латунированных коррозией в большей латунированной поверхности стальной втулки. Это обнажается латунная пленка разрушения в течение 2 2. Образцы, испытывавшиеся действующих напряжений повреждений несколько обнаруживаются трещины излома, но и проникают на расстоянии до 3,5 мм зоны возможного разрушения 114 усталости образцов диаметром 17 мм с напрессованными втулками : образцы; 2 – наклепанные образцы; 3 механизма увеличения сопротивления латунированием были проведены металлографические характера повреждений образцов в процессе фреттинг-процесс. исследований испытанные образцы разделили степени фреттинг-коррозионных повреждений испытывавшиеся при напряжениях σ а = (0,9...1,6) примыкающей к кромке втулки, по всему четко выраженный поясок коррозионных мм из окислов черно-бурого цвета. Поверхность не латунированных) образцах повреждена большей степени чем на латунированных поверхности образуются в основном за счет Это подтверждается тем, что при удалении латунная пленка. Трещин на этих образцах, проработавших течение 2∙107 циклов, не обнаружено. испытывавшиеся при σ а = (0,1...1,3)σ -1 напряжений интенсивность фреттинг несколько уменьшается; однако на поверхностях трещины, которые располагаются не проникают вглубь (более крупные – у излома, 3,5 мм). Как правило, трещины направлены разрушения под углом 60...70° к контактной с напрессованными образцы; 3 – образцы без сопротивления усталости металлографические процессе деформации, разделили на три группы повреждений и характера = (0,9...1,6)σ -l . У этих по всему периметру коррозионных повреждений Поверхность контакта повреждена фреттинг- латунированных. Окислы на основном за счет разрушения при удалении окислов образцах, проработавших без . С увеличением фреттинг-коррозионных поверхностях легко располагаются не только вблизи излома, менее крупные – направлены в сторону от контактной поверхности. 115 3. Образцы, испытывавшиеся при σ а = (1,3...1,6)σ -1 . При высоких напряжениях влияние латунирования проявляется особенно заметно. Изменяется форма контактной поверхности, пластически деформируется материал в при контактной области. У нелатунированных образцов форма контактной поверхности не изменяется в ходе испытаний: линия контакта остается ровной. У латунированных образцов линия контакта волнистая. Различие в структуре приповерхностных областей состоит в том, что у латунированных образцов наблюдаются значительные области пластической деформации, в то время как у не латунированных таких областей нет, и зарождающиеся трещины имеют чисто усталостный характер. Пластифицирующее действие латунной пленки проявляется в процессе работы прессового соединения. Линия контакта искривляется за счет того, что в приповерхностных областях образуются зоны пластической деформации. Особенно велика зона деформации в области концентрации напряжений — у кромки втулки. На валике, проработавшем 3,3·106 циклов при σ а = 210 МПа слой упрочненного, пластически деформированного материала имел протяженность около 5 мм. Таким образом, фрикционное латунирование способствует повышению предела выносливости узлов, детали которых собраны с гарантированным натягом, за счет пластифицирования материала в зоне контакта, препятствующего зарождению усталостных трещин. Влияние ФАБО на наводороживание рабочей поверхности цилиндров Г. Польцером и его сотрудниками были проведены тщательные исследования по определению концентрации водорода и его распределению в материале цилиндров двигателей внутреннего сгорания в зоне мертвой точки, как при ФАБО, так и без него (рис. 3.17). Концентрацию водорода с точностью до 0,1 % ат. определяли методом радиоактивного анализа (ядерной спектроскопии). Образцы, вырезанные из цилиндров двигателей, исследовали на глубину до 0,8 мкм. Изменение концентрации водорода Сн по глубине образцов, вырезанных из гильзы дизельного двигателя до начала и после 212 ч его эксплуатации. А – механически латунированные гильзы; Б – серийные гильзы. Изменение концентрации водорода по глубине в образцах, вырезанных из гильз цилиндров четырехтактного дизельного двигателя до начала его эксплуатации, а на — то же после наработки двигателем 212 ч при механически латунированных и не латунированных поверхностях. Из рис. 3.17 отчетливо видно снижение концентрации водорода при латунировании цилиндров, что естественно отражается на их износостойкости. 116 Результаты применения ФАБО Применение технологии ФАБО дает следующие результаты: 1. Более высокая надежность и повышение коэффициента полезного действия двигателей внутреннего сгорания автомобилей, насосов и компрессоров, гидравлических агрегатов, прецизионных машин, металлорежущих станков; 2. Чрезвычайно низкий расход материала; 3. Низкий расход механической энергии; 4. Безвредность для окружающей среды; 5. Малое время нанесения покрытия (несколько минут) помощью автоматизированного приспособления; 6. Стабильное и хорошее качество покрытий; 7. Замена дорогостоящих способов обработки поверхности; Экономическая целесообразность даже при малой серийности изделий. Эффект фрикционного латунирования проявляется также в следующем: 1. Снижении износа на 40 % в смазанных парах трения из стали и чугуна; 2. Большей производительности в результате повышения КПД; 3. Устранении склонности к схватыванию; 4. Применении этого способа в процессе приработки; 5. Способности слоев к саморегенерации, обеспечивающей длительный эффект действия; 6. Экономии энергии вследствие уменьшения коэффициента трения. Области применения: 1. Пары трения, особенно из высококачественной стали, и чугуна; 2. Детали цилиндрической и плоской формы; 3. При смазывании пары трения большинством смазочных материалов, а также водой, кислотами, щелочами; 4. Особенно полезен этот способ при высокой склонности поверхности к схватыванию и небольшому абразивному разрушению зоны трения; 5. В целях предотвращения окисления поверхностей при трении; 6. Для повышения предела усталости деталей из стали или чугуна. 117 Фрикционное латунирование можно рекомендовать также для крайне тяжело нагруженных деталей, так как этот способ создан на основе эффекта ИП, и защитные слои в определенных условиях самовосстанавливаются и регенерируются. При этом обеспечивается низкий уровень окисления в областях трения с применением различных смазочных материалов, а также воды. |