CC BY
2
НАЗЕМНЫЕ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
И КОМПЛЕКСЫ
УДК 343.148.63
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-3-586-587
ИССЛЕДОВАНИЕ БОЛТА ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ СТРОИТЕЛЬНО-ДОРОЖНОЙ МАШИНЫ
Е.А. Тарасов
Для болта из нержавеющей стали строительно-дорожной машины были проведены испытания на растяжение, твердость, химический состав, металлографический анализ и анализ обработки раствором. Результаты показывают, что содержание Cr немного ниже требований соответствующих стандартов, а свойства при растяжении и твердость соответствуют требованиям. Сравнивая микроструктуру исходного образца с микроструктурой образца после обработки раствором, можно увидеть, что в исходном образце много игольчатой мар-тенситной фазы, а на поверхности присутствует много отложений карбида.
Ключевые слова: экскаватор; болт; строительно-дорожная машина; мартенсит; карбид.
Болтовое соединение простое, заменяемое, устойчивое к усталости и безопасное. Для строительно-дорожных машин требуются болты с более высокими прочностными характеристиками для соединения. Обычные высокопрочные болты в процессе эксплуатации могут подвергаться коррозии и коррозионной усталости, что чревато внезапным хрупким разрушением и разрушением при низких напряжениях. Высокопрочные болты не устойчивы к атмосферной коррозии. Даже если они фосфатированы, все равно будет присутствовать равномерная коррозия, щелевая коррозия и другие виды коррозии. В последние годы все больше внимания уделяется изучению характеристик болтов.
Болты из нержавеющей стали для строительно-дорожных машин могут быть изготовлены из сталей группы 300. Стали группы 300 - хромоникелевые нержавеющие стали в зависимости от внутренней микроструктуры структуры подразделяются на аустенитные, аустенито-мартенситные и аустенито-ферритные. Структура этих сталей зависит от содержания углерода, хрома, никеля и других элементов.
Поскольку именно стали группы 300 достаточно часто могут применяться для изготовления болтов для строительно-дорожных машин, мы не станем подробно описывать известные всем характеристики. Остановимся только на легировании стали титаном (Т^, что связано с борьбой против так называемой межкристаллитной коррозией (МКК).
Для уменьшения склонности сталей к МКК в их состав вводят сильные карбидообразующие элементы — титан или ниобий — в количестве, равном пятикратному содержанию углерода. В этом случае образуются карбиды типа ТЮ и №>С, а хром остается в твердом растворе.
В свою очередь, межкристальная коррозия образуется следующим образом. Нагрев сталей, содержащих большое количество хрома, в интервале 400-800°С приводит к выделению в пограничных зонах зерен карбидов хрома Сг23С6 и обеднению в связи с этим указанных зон хромом ниже 12%-ного предела. Это вызывает снижение электрохимического потенциала пограничных участков аустенитного зерна их растворение в коррозионной среде. Коррозионное разрушение имеет межкристаллитный характер, приводит к охрупчиванию стали, и называется межкри-сталлитной коррозией (МКК).
Другим способом борьбы с МКК является производство нержавеющих сталей с минимальным (менее 0.04%) содержанием углерода (С). В таких сталях (пример, АК1 304L, 316L) образование карбидов хрома Сг23С6 резко ограничено из-за малого количества углерода.
Также хочется отметить, что стали группы 300, в противовес общему мнению, могут иметь магнитные свойства, особенно после механической обработки и деформации, а также при медленном охлаждении после высокотемпературного нагрева или выдержке в области температур от 400 до 900 градусов Цельсия.
В этой статье проверяются и анализируются механические свойства и микроструктура болта из нержавеющей стали до и после обработки твердым раствором.
Материал и экспериментальные данные. Материалом для данного испытания являются болты автоматического выключателя гидравлической системы экскаватора (рис. 1). В соответствующих документах указано, что материал болта - нержавеющая сталь 304. Размеры образца на растяжение показаны на рис. 2. Измерительное расстояние составляет 25 мм, длина параллельного участка - 30 мм, а резьба зажимного конца - М8. Испытательным оборудованием является машина для испытания на растяжение 1ш1гоп 8800. Скорость загрузки составляет 1 мм/мин до 2%-ной деформации и 1,5 мм/мин после 2%-ной деформации.
Металлография является структурной частью металловедения, ее роль является значительной для исследования деталей, а также иных металлических изделий. Ее основная задача - установление химического строения сплава на лабораторной основе. Неверно выбранный сплав детали способствует уменьшению срока ее эксплуатации. Некоторые изготовители запасных частей для строительно-дорожных машин стараются использовать более дешевые материалы. Иногда деталь, кажущаяся на первый взгляд качественной, на самом деле служит недолгое время.
В процесс установления химических свойств и состава материала входит несколько стадий. 1-ой стадией является вырезка микрошлифа. Вначале вырезается часть исследуемого продукта, именно она и является микрошлифом. Необходимо вырезать его как фигуру правильного вида. Это требуется, чтобы установить объем микрошлифа. После его дальнейшего взвешивания несложно вычислить примерную плотность сплава. Данная стадия чрезвычайно важна, поскольку существуют различия в приготовлении изучаемой поверхности для всех сплавов. Микрошлиф можно вырезать в любом месте детали. Кроме того, лучше заранее измерить твердость сплава, чтобы не допустить неточностей при установлении металла, лежащего в основе исследуемого сплава.
2-ая стадия устанавливает изучаемую поверхность микрошлифа. Необходимо верно установить поверхность изучаемого микрошлифа, потому что структура сплава устанавливается по кристаллам и зернам. При микрошлифовании литых изделий изучаемая поверхность бывает различной. Для изделий, ранее подвергавшихся механической обработке необходимо, чтобы изучаемая поверхность микрошлифа являлась параллельной силе, изменяющей изделие. Поскольку кристаллы и зерна расправляются в волокна во время сжатия, изучаемая поверхность должна быть перпендикулярна волокнам.
3-я стадия - шлифовка изучаемой поверхности. Сам процесс заключается в ее выравнивании. Выравнивание производится при помощи шлифовальной обработки от черновой до чистовой. Исходный размер зерна абразива выбирают в зависимости от искажений изучаемой поверхности. Этими искажениями являются царапины, трещины, поры и др. В результате удаления наиболее заметных искажений поверхность выглядит более равномерной, а размер частиц абразива постепенно уменьшается. Быстрое переключение на более мелкий абразив приведет к увеличению времени обработки. Шлифовка в течение длительного периода времени более крупными частицами абразива влечет за собой увеличение продолжительности процедуры металлографии, поскольку это приводит к появлению больших царапин. Перед последующей шлифовкой более мелким абразивом необходимо промыть поверхность, потому что большие частицы металла, сохранившиеся после прошлой шлифовки, способны оцарапать поверхность. Если на изучаемой поверхности есть царапины, которые можно увидеть лишь при очень близком рассматривании, процедуру шлифовки принято считать оконченной. Процесс шлифования следует осуществлять с большой осторожностью. Нельзя работать на высокой скорости, потому что поверхность подвергается нагреванию и, следовательно, может возникнуть окалина. Также необходимо следить за давлением на микрошлиф, оно не должно быть очень высоким.
4-я стадия - полировка изучаемой поверхности. Задачей этой операции является достижение однородной поверхности. Визуально кажется, что поверхность становится зеркальной. Необходимо заметить, что если на поверхности имеются большие изъяны, полировку начинать не следует, а требуется сначала уменьшить либо удалить их путем шлифования. Полировка в основном производится при помощи войлочными кругами и х/б тканью, смоченной полировальной пастой. Наиболее общедоступная и известная паста - ГОИ. В основе этой пасты находится Cr2O3, являющийся порошком зеленого цвета с различной зернистостью частиц. В состав также входят жир, стеарин, керосин, силикагель. При грубой полировке применяют пасты ГОИ № 3 и 4, при окончательной обработке -пасты № 1 и 2. Первоначально полировка производится войлочными кругами, смазанными пастой. Круги войлока на липучке, которые крепятся к шлифовальному станку, наиболее распространены. До перехода на более тонкую отделку поверхность необходимо промыть, потому что крупные зерна будут царапать ее. Необходимо заметить, что при полировании кругами войлока на пасту необходимо предварительно капнуть немного моторного масла. Нельзя наносить пасту на изучаемую поверхность. Если при исследовании под микроскопом поверхность является светлой, черновую полировку принято считать оконченной, но могут остаться небольшие царапины, а также иные изъяны. Если посмотреть на поверхность по окончанию чернового полирования, она дает слабое отражение. Дальше поверхность требуется обезжирить, помыть и дать высохнуть. Окончательная полировка для всех сплавов выполняется разными способами. Так, для окончательной полировки сплавов, содержащих железо, рекомендуется использовать гидрораствор порошка A12O3. Соотношение оксида алюминия на 1 л воды составляет 5 г. Гидрораствор наносят на плотную мягкую шерстяную ткань, например, на фетр. Для ручной окончательной полировки требуется 10-15 мин, а если применять шлифовальную машину, имеющую фетровый наконечник, затраченное время составит несколько минут. Во время полировки следует постоянно наносить на фетр раствор, чтобы добиться быстрого результата. Окончательная полировка сплавов цветных Ме осуществляется иным способом. Так как цветные сплавы имеют меньшую твердость, давление во время полирования должно быть низким. Необходимы круги из х/б ткани. Обычно эти круги делят на жесткие, чтобы начать окончательное полирование, и мягкие, чтобы его закончить. Окончательная полировка цветных сплавов нельзя осуществлять нанося машинное масло на пасту. Лучше не осуществлять окончательную полировку при скорости вращения свыше 3000 оборотов в минуту.
5-ой стадией является травление и дальнейшая промывка изучаемой поверхности. Во время травления начинается реакция между неметаллическими соединениями и химическим реагентом на изучаемой поверхности. То есть, там, где на поверхности присутствовали неметаллические включения, остаются пустоты, их можно рассмотреть под микроскопом в виде темных пространств. По виду и величине протравленных включений устанавливается не только тип соединения, а также его химическое содержание. До травления необходимо проверить изучаемую поверхность на наличие дефектов, так как они способны изменить картину структуры сплава. При травлении применяется большое количество химических реагентов, имеющих свои недостатки и преимущества. Недостатками некоторых реагентов является то, что реагент требуется кипятить, а также токсичность и отсутствие однородности травления. Большинство химических реагентов токсичны, следовательно, травление необходимо осуществлять, используя вентиляцию духового шкафа. Во время травления необходима рабочая одежда, то есть халат, перчатки, защищающие очки. Травление низколегированных и углеродистых сплавов, в основе которых лежит Fe, как правило, проводят 5-10% раствором HNO3 в C2H5OH. Затем продукты травления сплавов, в основе которых лежит Fe, очищают спиртом, а микрошлиф моют и сушат.
Мытье продуктов травления, как правило, производят ватным тампоном. На скорость травления оказывает влияние концентрация кислоты, содержащейся в растворе. При травлении высоколегированных сталей применяют растворы HNO3 и HCl в C2H5OH. Соотношение иногда варьируется, но чаще всего используется следующее соотношение: 10% HNO3, 30% HCl и 60% C2H5OH. Хлорид меди добавляют для четкости травления хромоникелевых и хромовых сталей, хлорид алюминия применяют для однородности травления. Иногда в составе реагентов HNO3 заменяют хлоридом железа. Пикриновая кислота применяется в составе реагента для протравливания силицированных и азотированных слоев. Процесс травления сплавов, в основе которых лежит Al, производят
Известия ТулГУ. Технические науки. 2024. Вып. 3
гидрораствором едкого натра из расчета 5 грамм натра на 100 миллилитров воды. Кроме того, растворы ИГ плавиковой кислоты в С2Н50Н нередко применяются при травлении сплавов А1. Продукты травления сплавов А1 очищают концентрированной НЫОз. По окончанию травления микрошлиф сплавов А1 моют и сушат. Процесс травления сплавов, в основе которых лежит Си, выполняется с использованием реагента, содержащего в своем составе 5 грамм хлорида железа, 30 миллилитров соляной кислоты, 100 миллилитров воды либо С2Н50Н. Поверхность микрошлифа может быть протравлена, определить это визуально можно на основании его цвета: если перед травлением поверхность является зеркальной, то после него поверхность становится матовой.
Рис 1. Болт из нержавеющей стали
Результаты и обсуждения. Свойства при растяжении. Макроморфология образца после разрушения при растяжении показана на рис. 3. Видно, что образец демонстрирует явное удлинение и сужение шейки после разрушения, что указывает на очень хорошую пластичность болта.
Рис. 2. Геометрия и размеры образцов на растяжение
Рис. 3. Макроморфология образцов для разрушения при растяжении
Анализ химического состава. Результаты показывают, что содержание Сг в болте составляет 17,09, что ниже требований 18,0-20,0, а другие элементы соответствуют требованиям спецификации.
Рис. 4. Микроструктура болта из нержавеющей стали
Рис. 5. Микроструктура болта из нержавеющей стали после обработки раствором
588
Металлографическая структура болта из нержавеющей стали после обработки раствором показана на рис. 5. Согласно статистическому анализу, размер зерен равен 12. Видно, что после обработки раствором на границе зерен не происходит осаждения карбида.
Анализ микротвердости. Твердость сечения болта проверяется в соответствии со стандартом, а значение твердости по Бринеллю соответствует требованиям спецификации.
Анализ микроструктуры. На рис. 4 показана металлографическая структура болтов из нержавеющей стали. Как показано на рис. 4(a), после статистического анализа размер зерна равен 13. На рис. 4 видно большое количество игольчатых мартенситных фаз 4(b), и большое количество карбида осаждается на границе зерен.
Заключение. В соответствии с требованиями обработки раствором аустенитной нержавеющей стали, нержавеющая сталь марки 304 после обработки раствором не должна содержать никаких отложений карбида. Однако на границе зерен болта из нержавеющей стали марки 304 осаждается карбид, что указывает на то, что болт не подвергался обработке раствором или обработка раствором не идеальна.
Список литературы
1. Герасимова Я.П., Ежов А.А., Маресев М.И. Изломы конструкционных сталей: Справочник. М.: Металлургия, 1987. 272 с.
2. Новокщеновой С.М., Винограда М.И. Дефекты стали. Справочник. М.: Металлургия 1984. 199 с.
3. Барахтин Б.К., Немец А.М., Калинкин И.П. Металлы и сплавы. Анализ и исследование. Физико-аналитические методы исследования металлов и сплавов. Неметаллические включения. СПб: Профессионал, 2006. 487 с.
4. Рахштадта А.Г. Металловедение и термическая обработка стали и чугуна. Т. 3. М.: Интермет Инжиниринг, 2004. Т. 1. 2004. 687 с.
Тарасов Евгений Александрович, канд. техн. наук, доцент, 382652@mail. ru, Россия, Воронеж, Воронежский государственный технический университет
INVESTIGA TION OF THE STAINLESS STEEL BOLT OF THE ROAD CONSTRUCTION MACHINE
E.A. Tarasov
Tensile, hardness, chemical composition, metallographic analysis and solution treatment analysis were carried out for the stainless steel bolt of the road construction machine. The results show that the Cr content is slightly below the requirements of the relevant standards, and the tensile properties and hardness meet the requirements. Comparing the microstructure of the initial sample with the microstructure of the sample after treatment with a solution, it can be seen that there is a lot of needle-like martensitic phase in the initial sample, and there are many carbide deposits on the surface.
Key words: excavator; bolt; road construction machine; martensite; carbide.
Tarasov Evgeny Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, 382652@mail. ru, Russia, Voronezh, Voronezh State Technical University
УДК 629.113; 621.87
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-3-589-590
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ФОРСУНОК ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С АККУМУЛЯТОРНОЙ СИСТЕМОЙ ВПРЫСКА ТОПЛИВА
Б.В. Журавский
Статья посвящена актуальной проблеме поддержания в технически исправном состоянии аккумуляторной системы впрыска топлива дизельных двигателей, путём своевременного выявления и устранения возникающих дефектов. Большая доля отказов и неисправностей, возникающих при эксплуатации аккумуляторной системы впрыска топлива, приходится на электрогидравлические форсунки. Одними из наиболее распространённых дефектов форсунок являются дефекты управляющего клапана. В статье рассмотрено влияние негерметичности управляющего клапана и относительного изменения максимального перемещения якоря электромагнита на ряд диагностических параметров, в число которых входят показатели, характеризующие быстродействие форсунки.
Ключевые слова: дизельный двигатель, электрогидравлическая форсунка, аккумуляторная система впрыска, управляющий клапан, техническое состояние, неисправность, диагностирование.
На дизельных двигателях внутреннего сгорания (ДВС) современных автомобилей и современной дорожно-строительной техники наибольшее распространение получила аккумуляторная система впрыска топлива (АСВТ) [1, 2, 3]. Применение АСВТ позволяет снизить расход топлива, увеличить литровую мощность, уменьшить эмиссию вредных веществ с отработавшими газами, а также снизить уровень вибраций и структурного шума при работе дизельных ДВС [1, 2, 3, 4].
В состав АСВТ входят контуры низкого и высокого давления, а также электронная система управления [4, 5]. В процессе эксплуатации дизельных ДВС происходит изменение структурных параметров элементов АСВТ, характеризующих их исправность. Ухудшение технического состояния элементов АСВТ негативно влияет на протекание рабочего процесса в цилиндрах дизельных ДВС, что отрицательно отражается на показателях их работы [6]. Как показывает опыт эксплуатации, значительное число отказов и неисправностей в АСВТ приходится на электрогидравлические форсунки (ЭГФ) [6]. Неисправности ЭГФ могут служить причиной снижения точности дозирования топлива и ухудшения качества его распыливания [2, 6, 7, 8].
589
