CC BY
72
УДК [62-242.3:621.74.042]:620.178.16
Ю. И. Матвеев, С. С. Казаков
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ С ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКОЙ НА ОСНОВАНИИ УСКОРЕННЫ1Х ИСПЫТАНИЙ
Нами проводились исследования лазерного упрочнения деталей цилиндропоршневой группы - поршневых колец (ПК), изготавливаемых на предприятиях ОАО «РУМО» и ОАО «Завод «Нижегородский теплоход». Отличительной особенностью изготовления заготовок на данных предприятиях является то, что в первом случае ПК получают центробежным способом литья, а во втором - литьём в землю.
Поршневые кольца подвергались лазерному упрочнению по двум вариантам: на СО2-лазере «Комета-2» и на спроектированном нами лазерном технологическом комплексе, включающем в себя твердотельный лазер ЛТН-103 и станок с числовым программным управлением ТПК-125ВН. Мощность излучения твёрдотельного лазера изменялась от 200 до 500 Вт, а скорость обработки V = 1-12 мм/с. Для увеличения коэффициента поглощения энергии луча лазера на рабочие поверхности исследуемых образцов и натурных деталей наносили углеродные и оксидные покрытия.
При лазерной обработке ПК с использованием технологического комплекса ЛТН-103 и СО2-лазера «Комета-2» на рабочие поверхности наносились упрочняющие дорожки в соответствии с рис. 1.
а1 = а2 = (1,0 ± 0,1) мм с = 1,5 мм
Ь1 = (2,0 ± 0,1) мм Ь2 = (1,0 ± 0,2) мм с = 1,5 мм
Рис. 1. Расположение лазерных дорожек на рабочей поверхности поршневых колец судовых дизелей 6ЧРН 36/45: а - твердотельный лазер ЛТН-103; б - СО2-лазер «Комета-2»
Износостойкость ПК с лазерной обработкой исследовалась в сравнении с хромированными кольцами судовых дизелей 6ЧРН 36/45 на испытательном стенде (рис. 2) при возвратнопоступательном движении [1].
Возвратно-поступательное движение тележки 6, на которой крепится образец 8, передается от электродвигателя 1 постоянного тока на червячный редуктор 2 и кривошипно-шатунный механизм 3. Верхний неподвижный образец 8 изготавливается из реального поршневого кольца, нижний подвижный образец 7 вырезался из втулки цилиндра дизеля 6ЧРН 36/45. В подвижной тележке было вмонтировано электронагревательное устройство, позволяющее нагревать нижний образец до температуры 150 °С. Измерение силы трения осуществляли при помощи тензо-метрического узла 5, установленного на пластинах нагружающего стакана 11.
б
а
Перед началом испытаний проводили тарировку тензодатчиков. При этом нагружающий стакан устанавливали горизонтально в специальном приспособлении, закрепляли и вместо верхнего образца устанавливали пластинку с отверстием для крепления подвески с грузами. Исследования проводили при амплитуде движения нижнего образца 70 мм. Нижний образец совершал 150 дв./ход. в мин, что соответствовало максимальной скорости скольжения 1,6 м/с. Контактное давление изменяли в пределах от 0,5 до 4,0 МПа с шагом 0,5 МПа. Нижний образец нагревали до 110 °С.
11 12
Рис. 2. Схема стенда возвратно-поступательного движения: 1 - электродвигатель; 2 - редуктор;
3 - кривошипно-шатунный механизм; 4 - корпус; 5 - тензометрический узел; 6 - тележка;
7 - подвижный образец (втулка цилиндра); 8 - неподвижный образец (поршневое кольцо);
9 - направляющие; 10 - нагружающее устройство; 11 - стакан; 12 - капельница для подачи масла
В зону трения подавалось масло М10В2 капельным способом - 1 капля в минуту. Учитывая, что при возвратно-поступательном движении наиболее характерными точками являются зоны реверса (Кобр ^ 0) и середины хода нижнего образца (Кобр ^ тах), в качестве характеристики процесса трения принимали полусумму сил трения по абсолютной величине в этих точках. Время приработки - 3 ч, суммарное время испытаний соответствовало 25, 50, 100 ч -1,6 м/с. Температура рабочей зоны трения образцов контролировалась термопарами. Результаты исследования приведены на рис. 3.
5, г
Рис. 3. Износ образцов пары трения втулка-кольцо на испытательном стенде при возвратно-поступательном движении: 3- хромированное поршневое кольцо при работе с Сч25; 4 - поршневое кольцо с лазерной обработкой при работе с Сч25
Антифрикционные свойства и износостойкость материалов исследовали на машине трения 2070 СМТ-1 по схеме нагружения образцов диск-колодка. Нижние подвижные образцы изготавливали из материала гильз цилиндров СЧ25, верхние образцы - из материала поршневых колец СчПФ. Температуру в зоне трения измеряли потенциометром ПСР-01 с помощью термопары. В зону трения подавали масло М10В2. Обработка образцов-дисков осуществлялась шлифованием до шероховатости Яа = 0,63-0,80 мкм, колодок - Яа = 1,25-1,60 мкм. Контроль качества обработки исследуемых поверхностей трения проводили на профилографе-профилометре 201. Подготовленные для испытания образцы предварительно прирабатывались в течение 90 минут при нагрузке 2,5 МПа и скорости 1,31 м/с. Цикл испытаний каждой пары трения проводился при скорости скольжения 0,78, 1,31, 2,61 м/с и с дискретно изменяющейся удельной нагрузкой 1-10 МПа с шагом 0,5 МПа.
Критерием износостойкости испытываемых материалов и покрытий служила потеря массы, измеряемая на ВЛР-200 через каждые 3 часа работы при удельной нагрузке 7,0 МПа и скорости скольжения 2,5 м/с (рис. 4).
Перед каждым испытанием образец пропитывали маслом М10В2 при t = 150 °С в течение 2 часов, затем промывали в бензине и растворителе, просушивали в электрической печи при t = 120 °С в течение 10 минут с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры. Затем образы взвешивали и исытывали на износостойкость. По окончании испытаний диск и колодку взвешивали аналогичным образом, исключив пропитку маслом.
8, мкм 20 16 12 8 4
0
2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 Н^ МПа
Рис. 4. Влияние микротвердости НУ слоев зоны лазерного воздействия на износ чугуна поршневых колец после лазерной обработки при Р = 1 000 Вт и V = 6 мм/с:
1 - I = 0,02 мм; 2 - I = 0,07 мм; 3 - I = 0,12 мм; 4 - поверхность зоны оплавления
Для определения работоспособности материалов и покрытий в экстремальных условиях при повышенных нагрузках и температурах в зоне трения проводили следующий этап испытаний. Исследовались на стойкость к схватыванию материалы втулок цилиндров и поршневых колец. Испытания проводились на машине трения 2017 СМТ-1 по схеме диск-колодка. Подготовка образцов авналогична подготовке на первом этапе испытаний.
Образцы работали при нагрузке 800 Н и относительной скорости движения 1,31 м/с. В зону трения подавалось масло. После отработки 5 • 103 циклов подача масла прекращалась. На одном уровне образцы должны были проработать 6 000 циклов при тех же режимах испытаний. Во время испытаний регистрировался момент трения и в случае его резкого увеличения (начала задира) испытания данной пары прекращались. После отработки 6 500 циклов нагрузка на верхний образец (колодка) повышалась до 1 000 Н. После отработки 500 циклов нагрузку увеличивали до 1 200 Н, после чего испытания проводили до наступления задира. Методика третьего этапа испытаний позволяет оценить «задиростойкость» исследуемых материалов.
Максимальное значение микротвёрдости при обработке чугунов СО2-лазером «Комета-2» с мощностью излучения Р = 500-700 Вт и скоростью V = 2-5 мм/с достигает НУ = 13 900 МПа, а с использованием лазера ЛТН-103 при Р = 250-600 Вт и V = 1-6 мм/с НУ = 9 800 МПа.
Износостойкость материалов поршневых колец, обработанных лазерным излучением, определялась по методикам, описанным в [2]. Интенсивность изнашивания [3] определяли по результатам исследования царапин, нанесённых алмазной пирамидой при нагрузке 1 Н. Исследуемые образцы при этом закреплялись на предметном столике профилографа-профилометра 201. Державка с алмазной пирамидкой перемещалась относительно образцов со скоростью 10 мм/мин под разными углами - 0°, 30°, 45°, 90°.
По результатам исследований установлено, что лазерная обработка ПК не только повышает износостойкость, но и снижает износ серийных втулок цилиндров. Это дополнительно подтверждает, что на рабочей поверхности чередование износостойких лазерных дорожек, имеющих структуру отбелённого чугуна повышенной твёрдости, и областей чугуна с графитными включениями благоприятно сказывается на работоспособности пары трения втулка ци-линдра-поршневое кольцо. Поршневые кольца судовых среднеоборотных дизелей следует упрочнять на следующих режимах:
- СО2-лазер «Комета-2»: Р = 950-1 000 Вт, V = 4,5-6 мм/с;
- твёрдотельный лазер ЛТН-103: Р = 250-300 Вт, V = 6-13 мм/с.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Матвеев Ю. И., Погадаев Л. И. Анализ структуры и свойств плазменных покрытий методами согласования частных степенных зависимостей и математического планирования эксперимента. - Н. Новгород: Изд-во ВГАВТ, 2005. - 43 с.
2. Влияние лазерного облучения на структуру штампованной стали Х12М / В. А. Густва и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1980. - № 11. - С. 106.
3. Журков С. Н., Норузалаев Б. Н. Временная зависимость прочности твердых тел // Журнал технической физики. - 1953. - Т. 23, № 10. - С. 1677-1689.
Статья поступила в редакцию 18.02.2011
RESEARCH OF WEAR RESISTANCE OF PISTON RINGS WITH LASER PROCESSING ON THE BASIS OF THE ACCELERATED TESTS
Yu. I. Matveev, S. S. Kazakov
Laser hardening of the details of cylinder-piston group is examined. Piston rings were exposed to laser hardening by two variants: on C02-laser "Comet-2" and on the laser technological complex designed by the authors, which includes solid-state laser LTN-103 and the machine tool with numerical control TnK-125BH. It has been stated that laser processing of piston rings both raises wear resistance and reduces deterioration of serial cylinder plugs.
Key words: wear resistance, a piston ring, laser hardening, microhardness, a resource, deterioration.
