Использование нанотехнологий при восстановлении узлов ДВС Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 631:620.3

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ УЗЛОВ ДВС

© 2009 г. зам. директора ГНУ ГОСНИТИ, д-р техн. наук, проф., заслуженный деятель науки РФ В.П. Лялякин

Всероссийский научно-исследовательский All-Russian Research Technological

технологический институт ремонта Institute of Repairing and

и эксплуатации машинно-тракторного парка Exploitation of Machine-Tractor Park

В статье приводятся результаты деятельности института по нанотехнологиям по четырем направлениям: 1) воздействие на поверхностях деталей концентрированных источников энергии, интенсивной пластической деформации; 2) создание на поверхностях деталей наноструктурированных покрытий с использованием электроискровой обработки; 3) применение ремонтно-восстановительных составов (РВС); 4) получение наноматериалов. По всем направлениям приведены результаты научных исследований.

Ключевые слова: узлы, агрегаты, износ деталей, наноструктура, методы

восстановления, ремонтно-восстановительные составы.

These are given the institute activity results on nano-technologies in four directions:

1) concentrated energy sources’ influence on details’ surfaces, intensive plastic deformation;

2) creation on details’ surface nano-structural coverings with electrosparking processing usage;

3) repairing-restoring composition application; 4) nano-material receiving. These are given the results of researches in all directions.

Key words: units, machines, detail ware, nano-structure, restoring methods, repairingrestoring composition.

Ежегодные затраты на поддержание в работоспособном состоянии

сельхозтехники, до 80% которой укомплектовано капитально

отремонтированными агрегатами,

составляют около 55 млрд рублей. Из них 32-33 млрд. рублей идет на закупку запасных частей, в том числе агрегатов. Ремонт узлов и агрегатов выполняется в основном (до 95%) в мастерских хозяйств, где отсутствует необходимое ремонтно-технологи-ческое оборудование и, как следствие, ресурс - в 1,5-6 раз ниже ресурса изделий заводского изготовления.

ГОСНИТИ выступает за ремонт узлов и агрегатов в специализированных ремонтных предприятиях, где должны быть реализованы передовые

инновационные проекты, которые обеспечивают ресурс отремонтированных узлов на уровне 100% от ресурса новых узлов.

Одной из важнейших задач института является создание новых технологий восстановления деталей двигателей на базе нанопроцессов.

Для решения поставленной задачи теоретические и экспериментальные работы по этой проблеме проводятся в институте по четырем направлениям.

Первое направление деятельности института по нанотехнологиям.

Еще в начале 80-х годов прошлого столетия в ГОСНИТИ и ВНПО «Ремдеталь» были начаты исследования по созданию ремонтных технологий, обеспечивающих 100%-ный ресурс агрегатов после ремонта.

Практический опыт и теоретические исследования по повышению надежности отремонтированных агрегатов и узлов показали, что, прежде всего, необходимо применять такие технологии, которые позволяют значительно повысить износостойкость восстановленных пар трения, а восстановленных неподвижных соединений - не менее чем в 1,5 раза, и, варьируя этими показателями, можно достичь заданного послеремонтного уровня надежности агрегатов, узлов и деталей.

Как известно, улучшение физикомеханических свойств поверхностей деталей и инструментов можно обеспечить разнообразными методами:

использованием концентрированных

источников энергии, интенсивной пластической деформацией,

контролируемой кристаллизацией из аморфного состояния.

Нами были исследованы покрытия, образованные термическими источниками энергии, гальванофизическими и газотермическими методами и

микродуговым оксидированием.

В настоящее время около 90% ремонтно-восстановительных работ

проводится сварочно-наплавочными

работами.

При всех известных вариантах сварки и наплавки в покрытиях образуется крупнозернистая структура металла.

Минимальный размер зерен матрицы и частиц упрочняющей фазы при сварке составляет обычно 10-60 мкм и 4 мкм соответственно, а при наплавке от 40 до 110 мкм и более.

Детали с наплавленным слоем имеют низкую усталостную прочность и невысокую износостойкость.

Проведенные исследования показали, что для существенного повышения износостойкости и усталостной прочности наплавленного слоя его структура должна состоять преимущественно из

ультрамелкодисперсных частиц

упрочняющей фазы, размеры которых в одном из направлений не должны превышать 20 нм.

Технологически данную задачу можно решить двумя методами образования на поверхности деталей наноструктурированных покрытий.

1. Наплавкой аргонодуговым способом неплавящимся электродом на постоянном токе в среде присадочного материала, содержащего в своем составе железо, хром, никель, вольфрам, ванадий, углерод и другие элементы. Тогда структура наплавленного слоя по всему сечению слоя толщиной до 3,5 мм, от зоны сплавления со сталью и до поверхности, матрица будет состоять преимущественно из ультрамелкодисперсных частиц, размеры которых, по крайней мере, в одном

измерении, составляют 80-100 нм и

упрочняющей фазы, размерами 2-10 мкм.

2. Скоростной пластической

деформацией наплавленных слоев, при которой происходит дробление зерен до наноразмерного уровня.

Наименьший размер зерен получается у покрытий, образованных

электроискровой обработкой в газовой среде. Это обусловлено тем, что при электроискровой обработке материалов происходят значительные микроискажения кристаллической решетки поверхностного слоя, что приводит к предельному измельчению зерна и наибольшей плотности дислокаций.

Многолетними опытами установлено, что чем меньше размеры зерна и выше плотность дислокаций приповерхностных слоев металла, тем меньше коэффициент трения и выше износостойкость пар трения. При размерах зерна меньше 300 нм происходит качественный скачок трибологических и прочностных характеристик пар трения.

Таково первое направление нашей деятельности, суть которого заключается в различных способах воздействий на поверхность детали для получения заданных свойств.

Вторым_______________направлением

фундаментальных работ института по нанотехнологиям является разработка средств и способов, обеспечивающих создание на поверхностях деталей наноструктурированных покрытий.

К ним, прежде всего, относятся электроискровая обработка металлов в газовой среде с использованием компактных электродов и контактная приварка ленты, порошковых материалов или проволоки, лазерная и электролучевая наплавки, микродуговое оксидирование, высокоскоростное холодное напыление.

В настоящее время ремонтным производством наиболее востребованы методы электроискровой наплавки и легирование металлов в газовой среде и высокоскоростного холодного напыления порошков.

На рисунке 1 приведена общая схема процесса электроискровой обработки материала с вибрирующим компактным электродом со схематическим

изображением образующихся слоев.

Рис. 1. Общая схема электроискрового процесса: ГИ - генератор им пульсного тока; МЭП - межэлектродный промежуток; ИР - искровой разряд; А - анод (компактный электрод); К - катод (деталь,

Для улучшения прирабатываемости и несущей способности рабочей поверхности детали на нее наносятся, как правило, многослойные электроискровые покрытия, при этом верхний слой формируют компактным электродом из медных сплавов.

На рисунке 2 показаны результаты стендовых 100-часовых испытаний эталонной (1) и восстановленных пар трения

(2-5), на чугунной поверхности которых образованы многослойные наноструктурные покрытия электроискровой обработкой.

I

0

1

I

0J

Эталон сталь 40Х - чугун

Варианты электроискровой обработки

□In □Ih □ieyMM

Рис. 2. Интенсивности изнашивания эталонной и восстановленной ЭИО пар трения:

1 - сталь 40Х - чугун СЧ45; 2 - сталь 40Х + БрАЖМц 10-3-1,5 - чугун СЧ45 + графит; 3 - сталь 40Х + БрАМц 9-2 - чугун СЧ45 + графит; 4 - сталь 40Х + БрАЖ 9-4 - чугун СЧ45 + графит; 5 - сталь 40Х - чугун СЧ45 + графит

Как видно, интенсивность

суммарного изнашивания (столбец 3) поверхностей, образованных ЭИО, в 6-22 раза ниже, чем у эталонной пары. При этом интенсивность изнашивания подвижных 1п (первый столбец) и неподвижных 1п (второй столбец) образцов уменьшилась,

соответственно в 1,73-8,83 и 2,69-19,72 раза.

В настоящее время

наноструктурированные покрытия,

образуемые при ЭИО, применяются в новых технологиях ремонта

гидрораспределителей типа Р-75/85/,

Р-100/150, Р-200 и Р-12П,

турбокомпрессоров типа ТКР-7,5/8,5/11, гидростатических трансмиссий ГСТ-90 и ГСТ 112, рулевых механизмов тракторов МТЗ, защищенных патентами РФ. Эти технологии обеспечивают 100%-ный ресурс после ремонта и внедряются под «ключ» в ремонтное производство.

Опыт ремонта агрегатов с восстановлением деталей

наноструктурированными покрытиями показал, что для образования электроискрового покрытия на площади в 1 см толщиной 0,3 мм требуется в 10-100 раз меньше энергии, чем при традиционных сварочных процессах.

На основании выполненных исследований ГОСНИТИ внедрил на Грачевском заводе Ставропольского края технологию ремонта

гидрораспределителей с восстановлением деталей с использованием нанотехнологий. В текущему году отремонтировано 450 единиц гидрораспределителей. Ресурс отремонтированных агрегатов равен ресурсу новых.

Третьим_____направлением работ

института по тематике нанотехнологий является использование различных ремонтно-восста-новительных составов (РВС) с целью продления ресурса работы машины.

В настоящее время известно около 200 различных препаратов, которые предлагаются товаропроизводителям. Следует отметить, что большинство фирм производителей препаратов многократно завышают достоинства своих продуктов.

При использовании РВС в процессе ремонта на поверхностях пар трения деталей образуется металлокерамический защитный слой с размерами зере до 30 нм, обладающий высокими противоизносными свойствами, которые позволяют увеличить послеремонтный ресурс агрегатов в 1,5-2 раза.

Экспериментально выделить

характерные свойства, присущие тому или иному препарату, и особенно количественно оценить каждое из этих свойств очень сложно. Это сделать еще сложнее технологам по ремонту и эксплуатации сельхозтехники с учетом специфики эксплуатации двигателей и машин в сельском хозяйстве. Это можно объяснить тем, что специфические преимущества практически всех препаратов проявляются не сразу, а только после определенного, порой весьма длительного времени работы

обработанного агрегата.

В связи с этим сделана попытка количественно оценить только одно свойство препаратов - свойство повышения износостойкости пары трения экспериментально на машине трения СМЦ-2.

При исследовании применена схема «вращающийся стальной каленый ролик -неподвижный стальной каленый контрролик».

Исследовались нанопрепараты

ВАФПИД: РВС, ХАДО, Реагент-2000,

СУПРОТЕК, ФОРСАН, АВТОКОМФОРТ.

Результаты исследования

противоизносных свойств 6-ти

наименований препаратов ВАФПИД по сравнению с чистым моторным маслом представлены на диаграмме (рис. 3). На диаграмме показаны усредненные значения величины износов.

Из рисунка 3 следует, что все препараты, предназначенные для увеличения ресурса двигателей, на машине трения проявили снижение величины износа образцов по сравнению с износом тех же образцов на чистом моторном масле, в 2 раза и более.

Хороший результат по уменьшению износа показал препарат РВС - 31%, т.е. износ образцов по сравнению с износом в чистом моторном масле уменьшился более чем в 3 раза.

Машина трения - СМЦ-2.

Образцы: диаметр - 40 мм; h = 10 мм;

Твердость - 55 HRC.

Режим испытания: п = 500 об/мин;

Нагрузка - 600 Н; Т = 4 часа.

Вращающийся образец погружен в ванночку с маслом. Во всех опытах температура не превышала 140 °С.

Рис. 3. Изменения суммарной величины износа (в процентах) стальных закаленных образцов при трении в моторном масле с добавлением препаратов ВАФПИД относительно величины износа тех же образцов в чистом моторном масле, принятой за

100%:

1 - моторное масло Лукойл SAE10W-40, APISG/CD;

2 - Реагент-2000; 3 - Супротек;

4 - ХАДО; 5 - ФОРСАН; 6 - Автокомфорт; 7 - РВС

Остальные препараты для двигателей уменьшали суммарный износ образцов на величину до 65% (Автокомфорт), т.е. можно с уверенностью утверждать, что все препараты дают существенный

положительный эффект по снижению износа образцов, а следовательно, и по замедлению скорости изнашивания деталей ресурсных сопряжений двигателя.

Полученные результаты

лабораторных исследований по

уменьшению интенсивности изнашивания стальных закаленных образцов при помощи препаратов ВАФПИД являются лишь косвенным подтверждением увеличения долговечности ресурсных сопряжений в реальных двигателях из-за существенных отличий условий трения, нагрузок, тепловых и многих других факторов.

Опытно-производственная проверка эффективности препаратов показала, что, например, препарат РВС производства НПО «Руспромремонт» (г. С.-Петербург), наряду с высоким произвоизносным показателем (рис. 3), обладает еще и

уникальным свойством восстанавливать зазоры в ресурсных сопряжениях двигателя. Это дает основание считать, что препарат РВС является наиболее эффективным и универсальным средством для применения его в сельском хозяйстве.

Применение РВС-технологии на разных стадиях эксплуатации машин может увеличить как доремонтный ресурс, так и послеремонтный ресурс двигателей, отремонтированных в ЦРМ, более чем в два раза.

Производственные испытания РВС на двигателях ЯМЗ-240, СМД-60,

подтвердили эффективность лабораторных испытаний.

И четвертое______направление

деятельности института по

нанотехнологиям - это направление создания наноматериалов, нанопорошков.

В результате многолетних

исследований институтом разработан способ получения нанокристаллических порошков оксидов и гидрооксидов алюминия сжиганием алюминия в водных средах с одновременным получением

водорода. В процессе сжигания происходит превращение частиц алюминия размером несколько десятков микрон в нанокристаллические оксиды и

гидрооксиды.

Способ позволяет менять форму и структуру частиц и получать материалы высокой чистоты (до 99,99% масс, содержания основного компонента). Отработаны технологические режимы процесса, позволяющие менять форму частиц от равноосной (в диапазоне размеров от десятков до сотен нм) до нитевидной с отношением длины к поперечнику 20-50 и удельной поверхностью 35-750 м /г. Меняя условия, можно получать различные структуры

материала: гидраргиллит, бемит, гамма- и альфа-оксид алюминия.

В настоящее время ведутся работы по применению мелкодисперсных

нанокристаллических частиц для увеличения износостойкости сопряжений при их введении в смазочные масла. Используются их уникальные свойства при консервации металлических поверхностей, для фильтрации жидких сред.

Проводимые институтом научноисследовательские работы по всем четырем направлениям направлены на увеличение ресурса отремонтированных агрегатов, снижение затрат на обслуживание и ремонт

сельскохозяйственной техники.

ЛИТЕРАТУРА

1. Черноиванов В.И., Лялякин В.П. Организация и технология восстановления деталей машин. - М.: ГОСНИТИ, 2003. - 488 с.

2. Халфин М.А. Качество и надежность новой и отремонтированной сельскохозяйственной техники // МТС. 1998. - № 5. - М.: ГОСНИТИ. - С. 37-41.

3. Черноиванов В.И. Модернизация - основа повышения технического уровня эксплуатируемых машин и оборудования /Черноиванов В.И., Северный А.Э., Халфин М.А.

и др. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2004. - 472 с.

4. Черноиванов В.И. Индустрия наносистем и материалов: перспективы

использования в сельском хозяйстве. /Черноиванов В.И., Бледных В.В., Косилов А.Н., Басарыги-

на Е.М. - М.: - Челябинск, 2007. - 240 с.

5. Балабанов В.И. Безразборный сервис автомобиля (обкатка, профилактика, очистка, тюнинг, восстановление) / Балабанов В.И., Беклемышев В.И., Гамидов А.Г. и др. - М.: Известия, 2007. - 272 с.

6. Ольховацкий А.К. Повышение ресурса двигателей тракторов применением восстановительных антифрикционных и противоизносных добавок /Информационный листок, № 83-004-06. Челябинский центр НТИ, 2006.

7. Ольховацкий А.К. Новые технологии восстановления работоспособности агрегатов машин и оборудования /Ольховацкий А.К., Солодкин Л.Г., Дунаев А.В. //Ремонт, восстановление, модернизация. - 2005. - № 6. - С. 5-7.

8. Ольховацкий А.К. Возможности повышения послеремонтного ресурса двигателей и трансмиссии тракторов, отремонтированных в ЦРМ сельхозпредприятий и МТС. /Ольховацкий А.К., Солоницын Е.В., Гительман Д.А. //МТС. - 2005. - № 2. - М.: ГОСНИТИ. - С. 20-23.

9. Лялякин В.П. Применение ремонтно-восстановительных наноматериалов в техническом сервисе /Лялякин В.П., Ольховацкий А.К. //Сборник трудов ГОСНИТИ. Т. 100. - М., 2007. - С. 140-145.

10. Бурумкулов Ф.Х., Лялякин В.П., Иванов В.И. Восстановление и упрочнение деталей и инструментов концентрированным источником тепла // Технология металлов. -2005. - № 5.

11. Бурумкулов Ф.Х., Иванов В.И. Электроискровые технологии для восстановления изношенных деталей // Электронная обработка материалов. - 2005. - № 1.

12. Черноиванов В.И. Нанотехнологии - основа повышения качества обслуживания и ремонта машин // Труды ГОСНИТИ. Т. 101. - М., 2008. - С. 22-33.