CC BY
54УДК 62-1/-9:620.22
ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЧУГУНА
Александр Юрьевич Малахов, канд. техн. наук, [email protected], Мария Юрьевна Карелина, д-р техн. наук, д-р пед. наук, проф., [email protected], Алексей Евгеньевич Перекрестов, вед. инженер, [email protected], Валерия Александровна Перекрестова, ст. преп., [email protected], Магомед-шарип Магомедович Магомедов, студент, [email protected], Андрей Михайлович Бутов, студент, [email protected], МАДИ, Россия, 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64
Аннотация. В автомобилестроении в качестве материала для изготовления деталей, наряду со сталями применяются и различные марки чугуна. Несмотря на то, что чугун по сравнению со сталями в меньшей степени применяется для изготовления различных деталей, но его роль достаточно высока, а номенклатура деталей обширна. В статье приведены примеры применения различных марок чугуна в качестве материала для изготовления ответственных деталей автомобиля, а также показаны примеры проведения комплексного автотехнического и металловедческого исследования причины выхода из строя таких изделий.
Ключевые слова: автотехническая экспертиза, металловедческая экспертиза, серый литейный чугун, высокопрочный чугун, тормозной диск, поршневые кольца, ГБЦ.
RESEARCH OF CAST IRON AUTOMOBILE PARTS
Аleksandr Yu. Malakhov, Ph.D., [email protected], Maria Yu. Karelina, Dr.Sc., professor, [email protected], Aleksey E. Perekrestov, lead engineer, [email protected], Valeriya A. Perekrestova, senior lecturer, [email protected], Мagomed-sharip М. Мagomedov, student, [email protected], Аndrey М. Butov, student, [email protected], MADI, 64, Leningradsky Prosp., Moscow, 125319, Russia
Abstract. In a car, various grades of cast iron are also used as a material for the manufacture of its parts, along with steels. And although, compared with steels, cast iron is used to a lesser extent for the manufacture of various parts in the automotive industry, its role is quite high, and the range of parts is extensive. The article provides examples of the use of various grades of cast iron as a material for the manufacture of critical car parts, and also shows examples of conducting a comprehensive automotive and metal science study of the causes of failure of such products.
Keywords: automobile-technical expertise, metal science expertise, grey cast iron, high-strength cast iron, brake disc, piston rings, cylinder head.
Введение
В автомобиле в качестве материала для изготовления его деталей, наряду со сталями также широко применяются и различные марки чугуна. В табл. 1 приведены примеры деталей автомобиля, для изготовления которых применяется чугун. В таблице 1 маркировка чугунов:
- «СЧ» - серый литейный чугун;
- «КЧ» - ковкий чугун;
- «ВЧ» - высокопрочный чугун;
- «АЧС» - специальный антифрикционный серый чугун;
- «ЧН» - специальный высоколегированный никелем чугун (нирезист);
- «Gh» - маркировка зарубежного производства (Италия).
Таблица 1
Детали автомобиля, для изготовления которых применяется чугун
№ Деталь Примеры используемых марок чугуна
1 Распределительный вал, кулачки распределительного вала СЧ 21, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ60, ВЧ70
2 Коленчатый вал ВЧ 45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ100, КЧ 60-3, КЧ 70-2, СИ75-50-03
3 Гильза цилиндров СЧ 18, СЧ 21, СЧ 24, ВЧ 50-2, АЧС-2
4 Стойка осей коромысел клапанов ВЧ 50-2
5 Поршень ВЧ45, ВЧ50
6 Вставка в поршень под верхнее компрессионное кольцо ЧН15Д7
7 Поршневое (компрессионные, маслосъёмное) кольцо ВЧ40, ВЧ50, ВЧ60
8 Седло клапана СЧ 24, СЧ 28
9 Направляющая втулка клапана АЧС-1, АЧС-4, СИ 1051
10 Маховик СЧ 20,СЧ 35, СИ 190
11 Нажимной (выжимной) диск корзины сцепления СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ25
12 Тормозной диск СЧ15, СЧ18, СЧ20 ... СЧ45, СИ190
13 Тормозной барабан СЧ20, КЧ35-10, КЧ37-12
14 Крышка коренных подшипников коленчатого вала блока цилиндров СЧ15, СЧ25 КЧ 60-3, КЧ 70-2
15 Выпускной коллектор, корпус турбины турбокомпрессора СЧ15, СЧ20 (легированные никелем и хромом)
16 Чашка дифференциала КЧ 60-3, КЧ 70-2
17 Шкив КЧ 30-6
18 Крышки и кронштейны КЧ 30-6, КЧ 33-8
19 Корпус подшипников башмаки рессор, скобы, кронштейны двигателей и подвески СЧ 30-6, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60
20 Картеры (коробок передач, редукторов, задних мостов, рулевых механизмов, масляного насоса и т.п.) КЧ35-10, КЧ37-12, ВЧ45, ВЧ50
21 Блок цилиндров (ДВС, компрессоров и т.п.) СЧ15, СЧ20, СЧ25, аИ190В, АЧС-2
22 Головка блока цилиндров(ГБЦ) СЧ15, СЧ20, ВЧ50
23 Ступица колес ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60 КЧ35-10,КЧ37-12
24 Поворотный кулак, рычаг подвески ВЧ50, ВЧ60
25 Цилиндр гидротормозов СЧ15, СЧ20, СЧ25
В ряде случаев только чугун является оптимальным антифрикционным и износостойким материалом, который используют для изготовления деталей автомобиля, работающих в условиях трения (например, тормозные диски, тормозные барабаны, маховик, нажимной диск корзины сцепления и т.п.). Также для некоторых деталей в автомобилестроении (например, таких как поршень, коленчатый вал, корпус подшипников, ступица колес, ГБЦ и т.п.) чугун применяется вместо сталей и цветных сплавов.
Чугун - это сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % углерода. Чугун подразделяется на белый и графитный в зависимости от того в какой именно структуре у него находится углерод. В белых чугунах весь углерод находится в виде структуры карбида железа РеэС (цементита) [1]. Излом такого чугуна имеет светло-белый цвет, откуда и пошло его название.
Микроструктура белых чугунов представляет собой структуру цементит-ной (ледебуритной) эвтектики (рис. 1).
Рис. 1. Микроструктура белого чугуна (увеличение под оптическим металлографическим
микроскопом в100 раз) [2]
В автомобилестроении из-за своей хрупкости и низких литейных свойств белый чугун практически не применяется. В машиностроении применяется отбеленный чугун - отливки из серого графитного чугуна с отбеленной поверхностью [1]. Основным видом чугуна, применяемым в автомобилестроении, является графитный чугун. В нём часть углерода или он весь находится в свободном состоянии (нет когерентной связи с решеткой матрицы) в виде графита (отдельных графитных включений). Графит - это аллотропная модификация углерода, в которой атомы углерода находятся виде гексагональной слоистой кристаллической решетке с небольшой энергией связи между атомами в разных слоях. Атомы связаны в плоские слои, состоящие из шестиугольников, как пчелиные соты. Слои удерживаются между собой слабыми связями.
В зависимости от формы графитных включений различают три основных вида графитных чугунов: серый чугун (СЧ), ковкий чугун (КЧ) и высокопрочный чугун (ВЧ) (рис. 2).
Рис. 2. Классификация графитных чугунов по форме графитных включений и металлической основе [3]
Именно наличие графитных включений определяет высокие антифрикционные и износостойкие свойства графитного чугуна. Графитные включения выступают в роли «твёрдой смазки» и, как бы, смазывают поверхность трения, снижая её коэффициент трения. За счёт этого не происходит схватывания поверхностей трения, они лучше прирабатываются друг к другу, и их износостойкость увеличивается. Кроме того, графитные включения повышают прочность и абсорбцию (способность удержания) пленки смазочного материала осаждаемого на поверхности трения в узлах со смазкой. Вскрытые на поверхности трения графитные включения позволяют собирать масло во впадинах профиля и в графитовых зернах, что способствует повышению стойкости масляной пленки при высокой нагрузке и существенному улучшению ее способности сохранять свои рабочие функции [4].
Форма и размеры графитных включений, а также металлическая основа, определяют механические свойства чугунных изделий. Графитные включения фактически представляют собой своеобразные трещины или пустоты, заполненные графитом. Чугун в связи с этим можно рассматривать как сталь, испещренную большим количеством таких трещин и пустот (графитных включений), ослабляющих металлическую основу. Чем больше графитных включений, тем они более грубее (их форма более неправильная), тем больше они разобщают металлическую основу и тем ниже механические свойства чугуна [5]. Серый чугун хрупкий и не прочный, ковкий чугун по сравнению с другими обладает повышенной пластичностью (хорошо воспринимает ударные и вибрационные нагрузки), а высокопрочный чугун имеет высокие прочностные характеристики. Также механические свойства чугуна зависят и от его металлической основы, которая может быть ферритной, феррито-перлитной и перлитной. Перлитная металлическая структура более предпочтительней, так как обладает большей прочностью.
В настоящей статье будут рассмотрены конкретные примеры экспертиз комплексного автотехнического и металловедческого исследования причин выхода из строя деталей автомобилей, изготовленных из чугуна.
Оборудование и методика проведения исследований
Для определения причин разрушения объектов были использованы методы автотехнического и металловедческого исследования [6, 7].
В процессе исследований применялись:
- визуальный осмотр объекта исследования;
- фрактографическое исследования поверхности разрушения с применением портативного цифрового микроскопа Levenhuk DTX 500 (Levenhuk, КНР) и растрового сканирующего электронного микроскопа (РЭМ) JEOL JSM-6480LV (JEOL, Япония) для углубленного микроскопического исследования очага поверхности излома;
- исследование химического состава материала объектов с применением оптико-эмиссионного спектрометра OBLF QSN 750 (OBLF, Германия);
- измерение твердости поверхности с применением стационарного твердомера ТШ-2М по Бринеллю ГОСТ 9012-59 (ЗИП, Россия), а также измерение распределения микротвердости по глубине детали от поверхности с помощью микротвердомера ПМТ-3М (ЛОМО, Россия);
- металлографические исследования структуры выбранных участков детали на микрошлифах в оптическом микроскопе Neophot-21 (Karl Zeiss, Германия) при
увеличениях в 100...500 раз до и после травления 4-процентным раствором азотной кислоты в этиловом спирте;
- набор для капиллярной дефектоскопии в соответствии с EN ISO 3452 (KARL DEUTSCH, Германия);
- станина шлифовально-фрезерного станка BERCO STC 461 №353 с индикатором часового типа ИЧ-10.0 (ЧИЗ, Россия).
Пример № 1. Экспертиза причины разрушения тормозного диска № 1 Разрушение представленного на экспертизу тормозного диска № 1 произошло по месту концентрации его напряженно-деформированного состояния -переход от центральной части диска для его установки на ступицу колеса к плоской рабочей поверхности трения (рис. 3). Разрушение носит хрупкий характер. В изломе тормозного диска дефектов в виде пор, раковин, крупных неметаллических включений не выявлено. Рабочая поверхность трения тормозного диска имеет следы сильного перегрева в виде цветов побежалости тёмно-синего цвета.
Рис. 3. Внешний вид разрушенного тормозного диска №1
Химический состав материала исследуемого тормозного диска №1, определенный с помощью оптического эмиссионного спектрометра, показан в табл. 2.
Таблица 2
Химический состав материала тормозного диска № 1 _
Элемент C Si Mn Cr Ni Cu
Содержание в % 3,315 2,081 0,704 0,213 0,041 0,523
Элемент Ti V Mo P S Fe
Содержание в % 0,014 0,005 0,065 0,020 0,060 92,759
Материал тормозного диска соответствует практике машиностроения и по химическому составу относится к серому литейному чугуну марки СЧ25 согласно ГОСТ 1412-85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки» [8] (рис. 4). Содержание вредных примесей серы и фосфора менее допустимого согласно ГОСТ 1412-85 значения (Б < 0,15 %, Р < 0,2 %).
Из вырезанного фрагмента разрушенного тормозного диска был изготовлен микрошлиф. Исследование микроструктуры диска проводилось на оптическом металлографическом микроскопе Neophot-21. Исследование микроструктуры до травления не выявило металлургических дефектов в виде пор, раковин,
крупных неметаллических включений. Микроструктура представляет из себя структуру серого литейного чугуна с пластинчатой формой графитных включений чёрного цвета (рис. 5, а).
Марка чугуна Массовая доля элементов, %
Углерод Кремний Марганец Фосфор Сера
Не более
счю 3,5-3,7 2,2-2,6 0,5-0,8 0,3 0,15
СЧ15 3,5-3,7 2,0-2,4 0,5-0,8 0,2 0,15
СЧ20 3,3-3,5 1,4-2,4 0,7-1,0 0,2 0,15
СЧ25 3.2-3.4 1.4-2.2 0.7-1.0 0.2 0.15
СЧЗО 3,0-3,2 1,3-1,9 0,7-1,0 0,2 0,12
СЧ35 2,9-3,0 1,2-1,5 0,7-1,1 0,2 0,12
Примечание. Допускается низкое легирование чугуна различными элементами (хромом, никелем, медью, фосфором и др.).
Рис. 4. Расшифровка химического состава чугуна по ГОСТ 1412-85 [8]
Согласно ГОСТ 31341-2007 «Колодки, диски и барабаны тормозные транспортных средств. Общие технические требования, правила приемки и методы испытаний» [9] микроструктура чугунных тормозных дисков допускается только перлитная.
После травления микрошлифа 4%-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте выявлена металлическая основа структуры серого литейного чугуна - перлитная с включениями фосфидной эвтектики в виде равномерно распределённых белых частиц (рис. 5, б), что соответствует требованиям ГОСТ 313412007. Феррит полностью отсутствует.
ш ш
¡■яь
б
Рис. 5. Микроструктура микрошлифа тормозного диска №1: а - до травления; б - после травления.
Увеличение в 100 раз под оптическим металлографическим микроскопом Neophot-21
С помощью твердомера ТШ-2М была определена твёрдость поверхности тормозного диска, которая составила 210 HB, что соответствует допустимым требованиям, указанным в ГОСТ 1412-85 [8] - не более 230 для толщины стенки отливки 15 мм.
Проверка твёрдости тормозного диска по его сечению от поверхности к сердцевине с помощью микротвердомера ПМТ-3М не выявила отклонений твёрдости. Твёрдость материала диска одинаковая по всему сечению и составляет 220 HVlo (210 М).
а
В заключении проведённого исследования можно сделать вывод о том, что причина разрушения тормозного диска носит эксплуатационный характер и связана с достаточно продолжительным воздействием на тормозной механизм (например, при длительном спуске на автомобиле в горной местности с постоянным нажатием на педаль тормоза или же при подклинивании тормозных цилиндров суппорта диска при неисправности механизма). В результате данной нештатной нагрузки на тормозной механизм автомобиля произошёл сильный перегрев тормозного диска, что привело к его разрушению вследствие деформации и повышенного биения.
Пример № 2. Экспертиза причины разрушения тормозного диска № 2 Внешний вид разрушенного тормозного диска № 2 показан на рис. 6. Тормозной диск разрушился на три фрагмента. Разрушение носит хрупкий характер. В изломе тормозного диска дефектов в виде пор, раковин, крупных неметаллических включений не выявлено. Рабочая поверхность трения тормозного диска не имеет следов перегрева в виде цветов побежалости, как это было выявлено у тормозного диска, показанного в примере № 1.
Рис. 6. Внешний вид разрушенного тормозного диска № 2
Химический состав материала тормозного диска № 2, определённый с помощью спектрометра, приведён в табл. 3.
Химический состав материала тормозного диска №2
Элемент С Мп Р Б Сг №
Содержание в % 3,51 2,2 0,74 0,084 0,085 0,087 0,030
Элемент Мо Си А1 Т1 V АБ Ре
Содержание в % <0,01 0,10 <0,01 <0,03 0,013 0,009 основа
Таблица 3
Материал тормозного диска соответствует практике машиностроения и по химическому составу относится к серому литейному чугуну марки СЧ15 согласно ГОСТ 1412-85 [8] (рис. 7). Содержание вредных примесей серы и фосфора менее допустимого значения (Б < 0,15, Р < 0,2).
Марка чугуна Массовая доля элементов, %
Углерод Кремний Марганец Фосфор Сера
Не более
СЧ10 3,5-3,7 2,2-2,6 0,5-0,8 0,3 0,15
СЧ15 3,5-3,7 2,0-2,4 0,5-0,8 0,2 0,15
СЧ20 3,3-3,5 1,4-2,4 0,7-1,0 0,2 0,15
СЧ25 3,2-3,4 1,4-2,2 0,7-1,0 0,2 0,15
СЧЗО 3,0-3,2 1,3-1,9 0,7-1,0 0,2 0,12
СЧ35 2,9-3,0 1,2-1,5 0,7-1,1 0,2 0,12
Примечание. Допускается низкое легирование чугуна различными элементами (хромом, никелем, медью, фосфором и др.).
Рис. 7. Расшифровка химического состава чугуна по ГОСТ 1412-85 [8]
Из вырезанного фрагмента разрушенного тормозного диска №2 был изготовлен микрошлиф. Исследование микроструктуры диска проводилось на оптическом металлографическом микроскопе ЫеорЬо1>21. Исследование микроструктуры до травления не выявило металлургических дефектов в виде пор, раковин, крупных неметаллических включений. Микроструктура представляет собой структуру серого литейного чугуна с пластинчатой формой графитных включений чёрного цвета (рис. 8).
Рис. 8. Микроструктура материала исследуемого тормозного диска № 2 до травления (форма графита пластинчатая). Увеличение в 250 раз под оптическим металлографическим
микроскопом Neophot-21
После травления микрошлифа 4%-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте было выявлено, что металлическая основа материала исследуемого тормозного диска неравномерная по сечению и представляет из себя перлитную структуру в сердцевине диска и структуру белого чугуна на его поверхности (с преобладающей ледебуритной (цементитной) эвтектикой) (рис. 9). Произошёл отбел поверхности тормозного диска.
Данная неравномерная структура диска с отбелом поверхности не соответствует требованию ГОСТ 31341-2007 [9], согласно которому металлическая структура диска допускается только перлитная.
Отбеленная поверхность в структуре тормозного диска недопустима. Это приводит к изменению антифрикционных свойств рабочей поверхности диска. Помимо этого, при работе такого тормозного диска в момент его нагрева при торможении автомобиля в структуре диска, из-за её неоднородности, возникают локальные участки с повышенным внутренним напряжением (из-за наличия локальных участков отбела с высокой твёрдостью и хрупкостью). В данных участках происходит возникновение трещин, что и приводит к разрушению тормозного диска.
Перлитная структура в сердцевине диска
а
б
Рис. 9. Микроструктура микрошлифа тормозного диска №2 после травления: а - место перехода от отбеленной поверхности к перлитной сердцевине; б - микроструктура отбеленной поверхности (перлит + преобладающая ледебуритная эвтектика). Увеличение в 250 раз под оптическим металлографическим микроскопом Neophot-21
Отбел поверхности тормозного диска является производственным дефектом его структуры и может возникнуть по следующим причинам: низкая температура заливки чугуна, большая скорость охлаждения залитого металла (неправильный выбор холодильников, повышенная влажность формовочной смеси), повышенная влажность дутья в вагранке, неэффективное модифицирование и т.п.
Отбел тормозного диска поверхности может возникнуть и в эксплуатации, но для этого необходимо создать условия в виде очень сильного нагрева диска при торможении до температур выше 727 ОС и затем резко охладить его (например, если колесо автомобиля попало в воду). Однако в этом случае на поверхности диска должны обязательно образоваться следы побежалости, свидетельствующие о его перегреве. В данном примере следы побежалости перегрева на рабочей поверхности диска отсутствуют, что позволяет сделать вывод о производственном характере возникновения дефекта в виде отбела поверхности диска.
Для некоторых деталей из графитного чугуна отбел поверхности производится в качестве технологической операции для повышения прочности и твёрдости поверхности, например: гидравлические цилиндры, щёки камнедробилок, вагонные колеса, валки для прокатного и обжимного производства.
Проверка твёрдости тормозного диска № 2 по его сечению от поверхности к сердцевине с помощью микротвердомера ПМТ-3М выявила локальную неравномерность твёрдости. Твёрдость материала диска по его сечению различная: на поверхности диска (где произошёл отбел) твёрдость составляет 630 НУю (600 НВ), а в сердцевине (с полностью перлитной металлической структурой серого чугуна) - 230 НУю (220 НВ).
Пример № 3. Экспертиза причины разрушения межкольцевой перегородки поршня ДВС с нирезистовой чугунной вставкой и его верхнего компрессионного кольца
На рисунке 10 показано разрушение межкольцевой перегородки поршня ДВС с нирезистовой чугунной вставкой в канавке первого (верхнего) компрессионного кольца, а также разрушение самого верхнего компрессионного кольца поршня.
Рис. 10. Разрушение межкольцевой перегородки поршня ДВС: а - с нирезистовой чугунной вставкой; б - разрушение его верхнего компрессионного кольца
Поршень современного автомобиля имеет три поршневых кольца: верхнее компрессионное, нижнее компрессионное и маслосъемное (рис. 11).
Основные функции поршневых колец:
1. Уплотнение от прорыва отработанных газов. Основной функцией компрессионных поршневых колец является предотвращение прорыва газов между поршнем и стенками цилиндра в картер. В большинстве двигателей это достигается за счет использования двух компрессионных поршневых колец, образующих лабиринт для газов.
2. Съем и распределение масла. Поршневые кольца не только обеспечивают герметичность между камерой сгорания и полостью картера, но и регулируют толщину масляной пленки. Кольца равномерно распределяют масло по стенке цилиндра. Съем избыточного количества масла осуществляется в основном мас-лосъемным поршневым кольцом (3-е кольцо), а также комбинированным нижним компрессионным / скребковым кольцом.
3. Отвод тепла. Основная часть (около 70 %) тепла, поглощенного поршнем при сгорании топлива, отводится через поршневые кольца к цилиндру. Решающую роль при этом играют компрессионные поршневые кольца [10].
Из поршневых колец исследуемого поршня был изготовлен микрошлиф (рис. 12).
Рис. 11. Поршневые кольца поршней современных 1 - верхнее компресионное; 2 - нижнее
автомобилей [10] компресионное; 3 - маслосъемное
а б
Рис. 13. Микрошлиф верхнего разрушенного компрессионного кольца поршня. Увеличение под оптическим металлографическим микроскопом ЫеорИо1-21: а - в 100 раз; б - в 250 раз
Микроструктура верхнего компрессионного кольца представляет собой высокопрочный чугун с шаровидной формой графита (рис. 13). Рабочая радиальная поверхность компрессионного кольца имеет износостойкий хромированный слой.
После травления микрошлифа 4%-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте микроструктура металлической основы компрессионного кольца имеет игольчатое строение и представляет собой бейнитную структуру (рис. 14). Дефектов металлургического характера в структуре разрушенного верхнего компрессионного кольца не выявлено.
Рис. 14. Металлическая основа разрушенного верхнего компрессионного кольца поршня представляет собой бейнитную структуру. Увеличение под оптическим металлографическим
микроскопом Neophot-21 в 500 раз
С помощью микротвердомера ПМТ-3М произведено измерение микротвердости верхнего компрессионного кольца поршня. Результаты измерения показаны в табл. 4.
Таблица 4
Измерение микротвердости верхнего компрессионного кольца поршня, НУ (кг/мм2)
Рабочая радиальная поверхность Сердцевина
668 368
В конструкциях некоторых ДВС современных автомобилей применяются стальные верхние компрессионные кольца, поверхность которых подвергается азотированию (диффузионное насыщение поверхности стали азотом) или диффузионной металлизации. В результате на всей поверхности компрессионного кольца образуется высокопрочный износостойкий диффузионный слой (рис. 14).
а б
Рис. 14. Пример стального верхнего компрессионного кольца поршня с диффузионным покрытием на всей поверхности. Увеличение под оптическим металлографическим микроскопом ЫеорИо1-21:
а - в 100 раз; б - в 250 раз
Микроструктура нижнего компрессионного кольца до травления содержит включения графита пластинчатой формы (рис. 15, а). Материал кольца - серый чугун. После травления 4%-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте металлическая основа кольца представляет собой перлит с белыми включениями фосфидной эвтектики (рис. 15, б).
а - до травления б - после травления
Рис. 15. Микроструктура нижнего компрессионного кольца поршня. Увеличение под оптическим металлографическим микроскопом ЫеорИо1-21 в 100 раз
Маслосъемное кольцо исследуемого поршня (коробчатого типа с пружинным расширителем) изготовлено из высокопрочного чугуна (рис. 16). Рабочая радиальная поверхность кольца не имеет на своей поверхности износостойкого металлизированного покрытия.
Рис. 16. Микроструктура материала маслосъемного кольца до травления. Увеличение под оптическим металлографическим микроскопом Neophot-21 в 350 раз
В конструкциях некоторых ДВС современных автомобилей применяются чугунные маслосъемные кольца с хромированием рабочей радиальной поверхности (рис. 17) или стальные маслосъемные кольца, вся поверхность которых подвергается диффузионному насыщению (азотированию или металлизации) (рис. 18).
Рис. 17. Пример маслосъемного кольца поршня с хромированной рабочей радиальной поверхностью [10]
Рис. 18. Пример стального маслосъемного кольца вся поверхность которого подвергается диффузионному насыщению (азотированию или металлизации)
С целью увеличения износостойкости нагруженной зоны канавки поршня под первое (верхнее) компрессионное кольцо широкое применение в машиностроении нашла установка в отливку поршня вставки из специального высоколегированного аустенитного чугуна (нирезиста) (рис. 19). Это специальный немагнитный (нирезистовый) чугун, легированный большим количеством никеля, коррозионностойкий и устойчивый к воздействию высоких температур.
а б
Рис. 19. Внешний вид поршня (а) и вырезанный фрагмент его уплотняющей части (б) в разрезе
с нирезистовой чугунной вставкой
Качество такого поршня во многом определяется качеством адгезионного сцепления нирезистовой вставки с материалом самого поршня. Данная адгезионная связь должна быть диффузионной (металлической), чтобы обеспечить прочность и достаточную теплопроводность соединения. Для достижения такой связи необходима специальная подготовка поверхности вставки перед её заливкой материалом поршня, которая состоит из: дробеструйной обработки, обезжиривания и алитирования.
Из разрушенного поршня был выпилен его фрагмент, вместе с нирезистовой вставкой и изготовлен микрошлиф. Было выявлено, что адгезионная (диффузионная) связь между нирезистовой чугунной вставкой и материалом поршня не обеспечена должным образом. Часть поверхности вставки не имеет контакта с материалом поршня (рис. 20).
Рис. 20. Локальное нарушение адгезионной (диффузионной) связи между поверхностью нирезистовой вставки и материалом поршня. Увеличение в 10 раз с помощью портативного
цифрового микроскопа Levenhuk DTX500
Химический состав материала, из которого изготовлена нирезистовая вставка поршня, представлен в табл. 5.
Таблица 5
Элемент C Si Mn P S
Содержание в % 2,41 2,5 0,94 0,104 0,075 2,087
Элемент № Mo ^ Al П Fe
Содержание в % 15,12 <0,01 5,17 <0,01 <0,03 основа
По химическому составу материал нирезистовой вставки поршня соответствует высоколегированному никелевому чугуну марки ЧН15Д7 (по ГОСТ 7769-82 «Чугун, легированный для отливок со специальными свойствами. Марки» [11]) (рис. 21). Содержание вредных примесей серы и фосфора менее допустимого значения ^ < 0,10, P < 0,30).
Микроструктура микрошлифа нирезистовой вставки поршня до травления, представляет собой структуру серого литейного чугуна с пластинчатой формой графита (рис. 22).
Марка чугуна Массовая доля, %
углерода кремния марганца фосфора серы хрома никеля меди ванадия молибдена титана алюминия
не более
ЧН15Д7 2,23,0 2,0-2,7 0,51,6 0,30 0,10 1,5-3,0 14,016,0 5,08,0 - - - -
Рис. 21. Расшифровка химического состава чугуна по ГОСТ 7769-82 [11]
Рис. 22. Микроструктура материала нирезистовой чугунной вставки поршня до травления (форма графита - пластинчатая). Увеличение х 500 раз под оптическим металлографическим
микроскопом ЫворИо1-21
После травления микрошлифа нирезистовой вставки выявляется её металлическая основа в виде легированного аустенита и множественных карбидных включений. На рис. 23 показана микроструктура места контакта нирезиствовой вставки с материалом поршня (алюминиевым сплавом марки АК12М2МгН) под оптическим металлографическим микроскопом ЫеорЬо1>21. Визуально различается наличие мест, где адгезионная (диффузионная) связь между материалом вставки и поршня полностью отсутствует.
Рис. 23. Микроструктура микрошлифа места контакта нирезистовой вставки и материала поршня после травления: а - локальное место нарушения контакта (адгезионная (диффузионная) связь полностью отсутствует); б - место качественного контакта (показано для примера). Увеличение в 100 раз под оптическим металлографическим микроскопом ЫворИо1-21
Таким образом, можно заключить, что причина разрушения исследуемого поршня ДВС связана с его производственным дефектом в виде нарушения технологии установки нирезистовой вставки в канавку первого (верхнего) компрессионного кольца. Данное нарушение технологии стало причиной некачественного адгезионного (диффузионного) контакта поверхности нирезистовой вставки и материала поршня, что в процессе эксплуатации привело к повышенным контактным нагрузок в данном месте, образованию трещин и разрушению нирезистовой вставки и межкольцевой перегородки поршня. В момент разрушения межкольцевой перегородки также произошло и разрушение верхнего компрессионного кольца поршня, вставленного в нирезистовую вставку.
Пример № 4. Экспертиза причины выхода из строя ГБЦ ДВС грузового автомобиля
ГБЦ ДВС грузового автомобиля поступила на исследование с рекламацией -не герметичность системы охлаждения по ГБЦ.
Диагностирование исследуемой ГБЦ на предмет наличия/отсутствия трещины проводилось с применением набора для капиллярной дефектоскопии KARL DEUTSCH в соответствии с EN ISO 3452. В процессе диагностирования было установлено наличие трещины между посадочным отверстием топливной форсунки и направляющей втулкой клапана (трещина № 1), а также наличие трещины межу направляющей втулкой клапана и заглушкой (трещина № 2) (рис. 24). Трещины расположены в зоне второго цилиндра ГБЦ.
б - камера сгорания ГБЦ со стороны 2-го цилиндра Рис. 24. Диагностирование исследуемой ГБЦ на предмет наличия/отсутствия трещины с применением набора для капиллярного контроля
Основными причинами возникновения трещин в ГБЦ ДВС являются:
- перегрев ГБЦ;
- неверный момент затяжки и последовательность затяжки крепежных элементов;
- дефект материала, из которого изготовлена ГБЦ;
- размораживание (разрушение, вызванное распирающим действием замерзшей охлаждающей жидкости, как правило, в случае если в качестве охлаждающей жидкости используется вода).
Как правило, вследствие перегрева ДВС происходит коробление (деформация) его ГБЦ. Идентификационным признаком коробления ГБЦ является превышение максимально допустимого отклонения от плоскостности привалочной к блоку цилиндров поверхности ГБЦ.
Проверка отклонения от плоскостности привалочной к блоку цилиндров поверхности ГБЦ произведена на станине шлифовально-фрезерного станка BERCO STC 461 № 353 с использованием индикатора часового типа ИЧ-10.0 (рис. 25).
Рис. 25. Проверка отклонения от плоскостности привалочной поверхности исследуемой ГБЦ на станине шлифовально-фрезерного станка BERCO STC 461 № 353 с использованием индикатора
часового типа ИЧ-10.0
По результатам проверки было установлено, что максимальное отклонение от плоскостности (прогиб) привалочной к блоку цилиндров поверхности, исследуемой ГБЦ составляет 0,17 мм. Распределение отклонения от плоскостности привалочной к блоку цилиндров поверхности ГБЦ представлено на принципиальной схеме на рис 26.
Рис. 26. Принципиальная схема распределения отклонения от плоскостности привалочной поверхности исследуемой ГБЦ (голубойлинией обозначена привалочная поверхность, красными пунктирами показано принципиальное направление прогиба ГБЦ, зеленой двухконечной стрелкой указано направление растягивающих напряжений в зоне расположение трещин, которые возникли
вследствие коробления)
Максимальное отклонение от плоскостности привалочной к блоку цилиндров поверхности, исследуемой ГБЦ, согласно данным завода-производителя, должно быть не более 0,15 мм, отклонение плоскости ГБЦ на любых участках размером 150 мм должно быть не более 0,05 мм.
Таким образом, отклонение от плоскостности привалочной к блоку цилиндров поверхности, исследуемой ГБЦ превышает допустимые значения и не соответствует требованиям завода-изготовителя, что свидетельствует о ее короблении вследствие перегрева.
С целью исследования поверхности излома трещины № 1 и № 2 были раскрыты (рис. 27). Поверхность излома трещины №1 окислена по сравнению с поверхностью излома трещины № 2 имеет большее количество загрязнений. Перед исследованием поверхности изломов трещин № 1 и № 2 были подвержены ультразвуковой чистке в воде и ацетоне. В процессе исследования поверхностей изломов раскрытых трещин № 1 и № 2 при помощи портативного цифрового микроскопа Levenhuk DTX 500 и сканирующего электронного микроскопа (РЭМ) металлургических дефектов в виде крупных пор, раковин, крупных неметаллических включений установлено не было. Изломы трещин № 1 и № 2 хрупкие и носят силовой характер разрушения.
Рис. 27. Поверхность излома ГБЦ вдоль трещин № 1 и № 2
Фрактографическое микроскопическое исследование поверхности изломов производилось с помощью сканирующего электронного микроскопа (РЭМ) JEOL JSM-6480LV при увеличениях до 3000 раз. Перед исследованием образцы были подвергнуты ультразвуковой чистке в воде и ацетоне при помощи пьезокерами-ческой ванны с ультразвуковым генератором УЗГ - 0,1-1.
На рисунке 28, а показан микрорельеф поверхности очага излома трещины №1. Микрорельеф представляет собой фасетки квазихрупкого разрушения (квазискол), свидетельствующий о силовом хрупком разрушении в очаге разрушения, так как разрушение происходило в данном месте при высоком уровне напряжений для материала исследуемой детали в исследуемом месте. Аналогичный микрорельеф наблюдается по всей поверхности излома. Металлургических дефектов в виде пор, раковин, крупных неметаллических включений в очаге излома установлено не было.
На рисунке 28, б показан микрорельеф поверхности очага излома трещины № 2. Также, как и микрорельеф излома трещины № 1, микрорельеф трещины № 2
представляет собой фасетки квазихрупкого разрушения (квазискол), свидетельствующий о силовом хрупком разрушении в очаге разрушения, так как разрушение происходило в данном месте при высоком уровне напряжений для материала исследуемой детали в исследуемом месте. Аналогичный микрорельеф наблюдается по всей поверхности излома трещины № 2. Металлургических дефектов в виде пор, раковин, крупных неметаллических включений в очаге излома трещины № 2 установлено не было.
Рис. 28. Фрактографическое микроскопическое исследование микрорельефа поверхности очага излома трещины № 1 (а) и трещины № 2 (б). Увеличение с помощью сканирующего электронного
микроскопа (РЭМ)]БОЬ]БМ-6480ЪУ
С целью определения качества материала, из которого изготовлена исследуемая ГБЦ, от нее были отрезаны фрагменты для определения твердости, определения химического состава и изготовления микрошлифа для исследования микроструктуры.
До травления микроструктура материала исследуемой ГБЦ представляла собой структуру серого литейного чугуна с пластинчатым графитом (рис. 29, а). После травления 4 %-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте металлическая основа материала исследуемой ГБЦ представляла собой перлитную структуру с равномерно распределенными по сечению включениями фосфидной эвтектики (рис. 29, б).
а - до травления б - после травления
Рис. 29. Микроструктура материала исследуемой ГБЦ до травления (а) и после травления в 4%-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте (б). Увеличение с помощью оптического металлографического микроскопа ЫворИо1-21 в 100 раз
Химический состав материала, из которого изготовлена исследуемая ГБЦ, представлен в табл. 6. По химическому составу материал исследуемой ГБЦ является чугуном марки СЧ15 по ГОСТ 1412-85 [8] (рис. 30).
Химический состав материала исследуемой
Образец С 51 Мп Р 5 Сг
ГБЦ 3,51 2,38 0,52 0,06 0,11 0,42
Образец Си N1 Т1 V Мо Ре
ГБЦ 0,78 <0,1 0,02 <0,01 0,1 Остальное
БЦ [%]
Таблица 6
Марка чугуна Массовая доля элементов, %
Углерод Кремний Марганец Фосфор Сера
Не более
СЧ10 3,5-3,7 2,2-2,6 0.5-0.8 0,3 0.15
СЧ15 3,5-3,7 2,0-2,4 0,5-0,8 0,2 0,15
СЧ20 3,3-3,5 1,4-2,4 0,7-1,0 0,2 0,15
СЧ25 3,2-3,4 1,4-2,2 0,7-1,0 0,2 0,15
СЧЗО 3,0-3,2 1,3-1,9 0,7-1,0 0,2 0,12
СЧ35 2,9-3,0 1,2-1,5 0,7-1,1 0,2 0,12
Примечание. Допускается низкое легирование чугуна различными элементами (хромом, никелем, медью, фосфором и др.).
Рис. 30. Расшифровка химического состава чугуна по ГОСТ 1412-85 [8]
Стоит отметить, что серый чугун работает на сжатие и трение и не способен воспринимать ударных и растягивающих нагрузок. При воздействии ударных и растягивающих нагрузок серый чугун подвержен разрушению.
Определение твердости материала, исследуемой ГБЦ, проводилось с использованием твердомера ТК-2М, по методу Роквелла. Твердость материала, из которого изготовлена исследуемая ГБЦ, составляет 26 HRC (257 HB).
Таким образом, в процессе исследования было установлено, что тип материала, из которого изготовлена исследуемая ГБЦ соответствует требованиям завода-изготовителя. Металлургические дефекты в виде крупных пор, раковин, крупных неметаллических включений в материале исследуемой ГБЦ и на поверхности изломов трещин № 1 и № 2 не установлены. Изломы трещин № 1 и № 2 хрупкие и носят силовой характер разрушения. Отклонение от плоскостности привалочной к блоку цилиндров поверхности ГБЦ превышает допустимые значения и не соответствует требованиям завода-изготовителя, что свидетельствует о ее короблении (деформации) вследствие перегрева ДВС. Признаки ремонтных воздействий с целью восстановления плоскостности привалочной к блоку цилиндров поверхности, исследуемой ГБЦ, методом механической обработки отсутствуют.
На основании проведенного исследования сделан вывод о том, что причиной возникновения дефектов, исследуемой ГБЦ, в виде трещины между посадочным отверстием топливной форсунки и направляющей втулкой клапана и трещины межу направляющей втулкой клапана и заглушкой, является возникновение растягивающих напряжений в зоне расположения установленных трещин вследствие коробления (деформации) ГБЦ из-за перегрева ДВС.
Общее заключение
В статье рассмотрены примеры применения экспертами в автотехнической экспертизе комплекса металловедческих исследований с использованием широкого спектра оборудования для установления причин выхода из строя деталей современных автомобилей, изготовленных из различных марок чугуна. Как видно, номенклатура деталей современного автомобилестроения, изготовленных из чугуна, достаточно разнообразна (тормозные диски, поршневые кольца, ГБЦ, коленчатые валы и т.п.). В связи с этим в автотехнической экспертизе достаточно часто возникает необходимость исследования причин отказов чугунных деталей, структура материала которых, свойства и химический состав имеют отличия от стальных деталей.
Материал подготовлен в рамках научных исследований по проекту № FSFM-2020-0011 (2019-1342), экспериментальные исследования проведены с использованием оборудования центра коллективного пользования МАДИ.
Список литературы
1. Лахтин, Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов: учебник для вузов / Ю. М. Лахтин. - 5-е изд. - М. : ТИД Аз-book, 2009. - 447 с.
2. Чугун // Википедия. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D1%83%D0%B3%D1%83%D0%BD (дата обращения: 31.05.2022).
3. Влияние кремния, марганца и фосфора на свойства чугуна [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://studfile.net/preview/9474749/page:11/ (дата обращения: 31.05.2022).
4. Процент вскрытия зерен графита [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://delay-auto.ru/remont/1331-procent-vskrytiya-zeren-grafita.html? (дата обращения: 31.05.2022).
5. Материаловедение [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https: //studwood.net/2154432/tovarovedenie/materialovedenie? (дата обращения: 01.06.2022).
6. Петрова, Л. Г. Исследовательский комплекс для мониторинга структурного состояния конструкционных материалов и его применение при анализе разрушений стальных деталей автомобилей / Л. Г. Петрова, Т. Е. Лихачева, А. Ю. Малахов // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). - 2013. - № 2(33). - С. 11-17. - EDN QBAZBV.
7. Шестопалова, Л. П. Методы исследования материалов и деталей машин при проведении автотехнической экспертизы / Л. П. Шестопалова, Т. Е. Лихачева. - М. : МАДИ, 2017. - 180 с. - EDN YMBSWR.
8. ГОСТ 1412-85. Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки. - М. : ИПК Издательство стандартов, 2004. - 5 с.
9. ГОСТ 31341-2007. Колодки, диски и барабаны тормозные транспортных средств. Общие технические требования, правила приемки и методы испытаний. - Минск: НП РУП «Белорусский государственный институт стандартизации и сертификации», 2007. - 16 с.
10. Техническая информация MS Motorservice. Поршневые кольца для двигателей внутреннего сгорания. - Нойенштадт-ам-Кохер, Германия : MS Motorservice International GmbH, 2015. - 80 с.
11. ГОСТ 7769-82. Чугун, легированный для отливок со специальными свойствами. Марки. - М. : ИПК Издательство стандартов, 2004. - 15 с.
References
1. Lakhtin Yu. M. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov: uchebnik dlya vuzov (Metal Science and Heat Treatment of Metals: A Textbook for Universities), Moscow, TID Az-book, 2009, 447 p.
2. Chugun, available at: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D1%83%D0%B3%D1%83%D0%BD (31.05.2022).
3. Vliyanie kremniya, marganca i fosfora na svojstva chuguna, available at: https://studfile.net/preview/9474749/page:11/ (31.05.2022).
4. Procent vskrytiya zeren grafita, available at: http://delay-auto.ru/remont/1331-procent-vskrytiya-zeren-grafita.html? (31.05.2022).
5. Materialovedenie, available at: https://studwood.net/2154432/tovarovedenie /materialovedenie? (01.06.2022).
6. Petrova L. G., Lihacheva T. E., Malakhov A. Yu. Vestnik Moskovskogo avtomobil'no-dorozhnogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta (MADI), 2013, no. 2(33), pp. 11-17.
7. Shestopalova L.P., Lihacheva T .E. Metody issledovaniya materialov i detalej mashin pri provedenii avtotekhnicheskoj ehkspertizy (Methods of research of materials and parts of machines in the conduct autotechnical expertise), Moscow, MADI, 2017, 180 p.
8. Chugun s plastinchatym grafitom dlya otlivok. Marki, GOST 1412-85 (Cast iron with plate graphite for castings. Stamps, State standard 1412-85), Moscow, IPK Izdatelstvo standartov, 2004, 5 p.
9. Kolodki, diski i barabany tormoznye transportnyh sredstv. Obshchie tekhnicheskie trebovani-ya, pravila priemki i metody ispytanijj GOST 31341-2007 (Brake pads, discs and drums of vehicles. General technical requirements, acceptance rules and test methods, State standard 31341-2007), Minsk, NP RUP Belorusskij gosudarstvennyj institut standartizacii i sertif-ikacii, 2007, 16 p.
10. Tekhnicheskaya informaciya MS Motorservice. Porshnevye kolca dlya dvigatelej vnutrennego sgoraniya (Piston rings for internal combustion engines), Neuenstadt am Kocher, MS Motorservice International GmbH, 2015, 80 p.
11. Chugun, legirovannyj dlya otlivok so specialnymi svojstvami. Marki, GOST 7769-82 (Cast iron, alloyed for castings with special properties. Stamps, State standard 7769-82), IPK Iz-datelstvo standartov, 2004, 15 p.
Рецензент: Д.С. Фатюхин, д-р. техн. наук, проф. МАДИ
Статья поступила 18.06.2022
