CC BY
29
Требования Evro к экологическим показателям автотракторных двигателей
Правила ЕЭС Год введения Содержание вредных веществ в отработавших газах двигателя, мг/м3
КОх СО СН твёрдые частицы
Evro 3 2000 5,00 2,00 0,60 0,10
Evro 4 2005 3,50 1,80 0,50 0,09
Evro 5 2009 2,00 1,50 0,25 0,02
Evro 6 2015 0,40 1,50 0,13 0,01
может быть достигнуто на 40—60%. С оксидами азота (NOx) наблюдается достаточно противоречивая ситуация. В частности, на режиме холостого хода применение водной инжекции даже способствует увеличению NOx, однако с ростом нагрузки ситуация меняется и содержание NOx убывает. Данное обстоятельство может быть объяснено различной температурой отработавших газов. Так, на режиме холостого хода температура отработавших газов достаточно низкая, а водная инжекция ещё и способствует её снижению, поэтому содержание NOx возрастает. С ростом нагрузки температура отработавших газов возрастает и содержание NOx убывает.
Вывод. Применение водной инжекции приводит к увеличению эффективной мощности дизельного двигателя, повышению его топливной экономичности и снижению содержания вредных веществ в отработавших газах.
Литература
1. Посчитано, сколько всего автомобилей в России по состоянию на июль 2016 года [Электронный ресурс]. URL:// http://www.prav-net.ru/5669-ira/.
2. ГОСТ Р 41.96-2005 (Правила ЕЭК ООН № 96) - Единообразные предписания, касающиеся двигателей с воспламенением от сжатия, предназначенные для установки на сельскохозяйственных и лесных тракторах и внедорожной технике, в отношении выброса вредных веществ этими двигателями [Электронный ресурс]. URL:// http://docs.cntd. ru/document/1200042292.
3. ГОСТ Р 41.24-2003 (Правила ЕЭК ООН № 96) - Единообразные предписания, касающиеся: I. Сертификации двигателей с воспламенением от сжатия в отношении дымности; II. Сертификации транспортных средств в отношении установки на них двигателей с воспламенением от сжатия, сертифицированных по типу конструкции; III. Сертификации автотранспортных средств с двигателями с воспламенением от сжатия в отношении дымности; IV. Измерение мощности двигателей. [Электронный ресурс]. URL:// http://docs.cntd.ru/document/1200034424.
4. Быстров О.И. Повышение экономических и экологических показателей дизеля путём реализации комбинированного шеститактного цикла: дисс. ... канд. техн. наук. Челябинск, 2008. 157 с.
5. Сторожев И.И. Повышение топливной экономичности тракторного агрегата на базе тракторов МТЗ-80/82 путём добавления воды в систему питания воздухом: дисс. ... канд. техн. наук. (05.20.01). Челябинск, 2009. 157 с.
6. ГОСТ 18509-88 Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний [Электронный ресурс]. URL://: http:// docs.cntd.ru/document/1200010002.
7. ГОСТ 20000-88 (СТ СЭВ 1006-78) Дизели тракторные и комбайновые. Общие технические условия [Электронный ресурс]. URL:// http://docs.cntd.ru/document/1200009867.
8. Максимейко Ю.Г. Мельберт А.А., Медведев Г.В. Снижение вредных выбросов в период предпусковой подготовки двигателей // Проблемы экологической безопасности: матер. конф., 27 ноября 2014 г. Рубцовск, 2014. 18 с.
9. Медведев Г.В. Совершенствование очистки вредных выбросов дизелей в композитных материалах, содержащих никель / Г.В. Медведев, А.А. Мельберт, А.А. Новоселов [и др.] // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2013. № 1. С. 207-210.
10. Хасанова М.Л. Универсальные показатели снижения токсичности отработавших газов дизеля с помощью утилизационной системы // Достижение науки - агропромышленному производству: матер. LIV междунар. науч.-технич. конф. / Под ред. П.Г. Свечникова. Челябинск, 2015. С. 207-212.
Исследование покрытий на стальных изделиях, нанесённых с помощью газопорошковой лазерной наплавки
А.С. Иванов, к.т.н, Т.Г. Колмакова, ст. преподаватель, ФГБОУ ВО ГАУ Северного Зауралья
Применение методов поверхностного упрочнения позволяет существенно повысить работоспособность деталей за счёт придания рабочим поверхностям специальных физико-механических свойств, наиболее полно отвечающим требованиям эксплуатации, а также увеличить срок службы деталей [1]. Нанесение износостойких покрытий решает проблему восстановления подверженных интенсивному износу деталей [2]. Для этого применяют различные технологические процессы нанесения металлопокрытий. К одному из таких относится лазерная наплавка [3]. Перспективность данного процесса выделяется простотой
автоматизации, бесконтактным воздействием, возможностью обработки труднодоступных мест и сложных тонкостенных конструкций. Применение лазерного луча при наплавке обеспечивает малое растворение основы в наплавленном слое, хорошее сцепление с основным металлом, высокое качество наплавленного слоя [4].
Особенности процессов получения поверхностных покрытий во многом зависят от вида и формы присадочного материала и от способов введения его в зону лазерной обработки [5].
Материал и методы исследования. Использование при наплавке в качестве образцов стали Ст3 позволяет исследовать режимы обработки в широком диапазоне и в наиболее чистом виде исследовать свойства покрытий, т.е. без влияния основного
металла. На образцы наплавлялись отдельные валики при мощности 1,0—1,5 кВт, скорости 10, 15 и 20 м/час. Сканирование луча осуществлялось по круговой траектории, которая на поверхности образца оставляла спиральный след, учитывая поступательное движение. Оценку качества наплавки и микротвёрдости проводили на поперечном сечении металлографического шлифа. Констатировали поры, трещины, несплавления, неметаллические включения. Размеры и свойства наплавленных валиков представлены в таблице.
Результаты исследования. При наплавке самофлюсующимся порошком ПГ-С3Р2 образуются валики с удовлетворительным качеством (рис. 1). В зависимости от степени перемешивания с основой формируется ячеистая или дендритная структуры. Чем выше содержание железа, тем более выражена
дендритная структура. Недостатком покрытия из порошка ПГ-С3Р2 является образование пор на линии сплавления, преимущественно по центру валика. Причины этого явления еще не ясны. Одной из возможных причин этого является низкая температура плавления порошка, когда расплавленный слой не вызывает оплавления основы. Так, качественное формирование валика получено при мощности 1,2 кВт и скорости 10 м/ч.
При увеличении скорости до 15—20 м/ч обнаружены поры на линии сплавления. Несплавления на краю валика обусловливаются способом сканирования, использованным в данных экспериментах. Сканирование по спирали не обеспечивает равномерного распределения мощности, поэтому в области наименьшей плотности энергии не происходит полного сплавления покрытия с основой
Режимы наплавки на сталь Ст3 и свойства валиков
Тип порошка
P, кВт
V, м/ч
Размер валика, мм
h
H,oo, ГПа
Качество
ПН77Х15С3Р2 (ПГ-С3Р2)
1,2 1,2 1,35 1,2 1,35 1,45
10 14 10 20 14 14
1.3 1,2
1.4 0,7 1,25 1,35
4,0 3,3 3,0 3,8 3,2 3,5
5,7
5.3 8,0 4,9
5.4 5,7
без дефектов поры на линии сплавления поры на линии сплавления поры на линии сплавления поры на линии сплавления поры на линии сплавления
ПН77Х15С3Р2 -4Fe
1,2 1,2 1,2
10 14 20
1.7
1.8 1,0
4,0 3,5 4,0
4.8 5,3
5.9
поры на линии сплавления поры на линии сплавления поры на линии сплавления
БХ
1,2 1,2 1,45 1,2
1,35
10 20 14 20 14
0,65 0,5 0,8 0,6 0,65
3,0 3,2 3,8 4,0 3,8
6,0-9,5
10,5 6,5-9,5
11,3 7,2-8,6
без дефектов
трещина трещина поры
ПГ-ФБХ-6-2
1,2 1,2
1,35
14 20 14
1,65 1,1 1,0
3,8 3,3 3,8
11,0-14,3 13,8 10,5
поры поры, трещина поры, трещина
ПГ-УС25
1,85 2,20 2,2
12 12 12
1,7 1,35 1,0
4,0 4,5 4,5
9,4 7,5-9,6 6,7
без дефектов без дефектов без дефектов
Рис. 1 - Микроструктура валика на стали Ст3 из порошка ПГ-С3Р2 (увеличено в 170 раз): а) структура валика; б) переходная зона
а) б)
Рис. 2 - Микроструктура валика на стали Ст3 из порошка ПГ-С3Р2-4Fe (ув. х 170): а) структура валика; б) переходная зона
(рис. 1б). Введение в состав порошка 4—20% Fe повышает температуру плавления смеси, обеспечивая более качественное сплавление с основой. При наплавке порошком ПГ-C3P2-4%Fe поры и несплавления в переходной зоне при правильно выбранном режиме не образуются (рис. 2).
При наплавке порошком ПГ-С3Р2 основной упрочняющей фазой является карбоборид хрома. В зависимости от его количества и дисперсности изменяется твёрдость покрытия. При увеличении содержания железа в наплавленном валике твёрдость его уменьшается. Так, при наплавке порошком ПГ-С3Р2 твёрдость валика составляет 8—9 ГПа, при дополнительном введении железа в наплавляемый порошок твёрдость понижается до 5—6 ГПа (рис. 3). Распределение твёрдости по высоте валика определяется структурными составляющими. В местах большего скопления карбидов твёрдость наибольшая, наименьшая твёрдость у у-твёрдого раствора.
Порошки ПГ-С3Р2 имеют хромоникелевую основу, которая значительно отличается по физико-химическим свойствам от наплавляемого материала (стали). При наплавке кольцевого покрытия на поверхности детали возникают трещины. При массовом производстве существенную роль играет стоимость порошка. Стоимость хромоникелевых порошков значительно выше, чем железоуглеродистых.
Из порошков, выпускаемых промышленностью, наиболее близких по химсоставу и отвечающих назначению деталей, исследованы БХ, ПГ-ФБХ-6-2 и ПГ-УС25. В порошках содержится значительное количество хрома (35—40%), что обеспечивает коррозионную стойкость покрытий в агрессивной среде. Повышенное содержание углерода и бора способствует образованию отличающихся высокой твёрдостью карбидов и боридов и повышает стойкость деталей в условиях интенсивного абра-
Расстояние от поверхности, мм
Рис. 3 - Микротвёрдость покрытия на стали Ст3:
а) порошок ПГ-С3Р2-4Бе, Р=1,2 кВт, У=10 м/ч;
б) порошок ПГ-С3Р2, Р=1,35 кВт, У=10 м/ч, ^к=3,5 мм
зивного воздействия. Порошок БХ представляет собой механическую смесь с размером отдельных частиц до 400 мкм. При наплавке такие частицы не успевают расплавиться и остаются обособленными участками в наплавленном слое (рис. 4).
Чаще всего такие частицы встречаются у линии сплавления, так как эти области меньшее время находятся при высоких температурах вследствие интенсивного отвода тепла в глубь детали. Частицы, расположенные в верхней части валика, по химсоставу ближе к среднему значению. Недостатком покрытий, наплавляемых из механических смесей порошков, является повышенная пористость, вносимая отдельными, а иногда слипшимися частицами (рис. 4в). Химическая и структурная неоднородность обусловливает значительные колебания в твёрдости по глубине наплавляемого валика (рис. 5).
При наплавке порошком ПГ-ФБХ-6-2 не удалось получить покрытия с хорошим качеством. По линии сплавления с основой образуются поры, по краям валика — кристаллизационные трещины (рис. 6). Порошок ПГ-ФБХ-6-2 отличается высоким содержанием углерода (3,5—5,5%). При воздействии лазерного излучения углерод частично выгорает, образуя поры. Оставшийся углерод образует преимущественно карбиды хрома, в меньшей степени — карбобориды. Эти твёрдые фазы обеспечивают столь высокую твёрдость, что в покрытии возникают трещины (рис. 7а). Попытки получить качественное покрытие на смеси ПГ-ФБХ-6-2 с никельтитановым (ПН55Т45) и железным порошками не привели к положительному результату.
Наиболее качественные покрытия получены при использовании порошка ПГ-УС25. Он отличается от БХ и ПГ-ФБХ-6-2 тем, что не содержит бора, но имеет 1,0—1,8% никеля. При таком сочетании химических элементов твёрдость покрытия несколько
а)
Рис. 4 - Микроструктура валика на стали Ст3 из порошка ПГ-С3Р2-4Fe (ув. х400): а) структура валика; б) переходная зона
а) б)
Расстояние от поверхности, мм Рис. 5 - Микротвёрдость покрытия из порошка БХ на стали Ст3:
а) Р = 1,35 кВт, У = 20 м/ч, аск=4 мм;
б) -■- Р=1,2 кВт, У=10 м/ч, -х- Р = 1,45 кВт, У =14 м/ч, аск=4 мм
Рис. 6 - Микроструктура валика на стали Ст3 из порошка ПГ-ФБХ-6-2 (ув. х400): а) структура валика; б) переходная зона
Ннб
щ
Ш а
ю
I
IV-
Ноо, Г Па /О
12 5 и 1 2 I
а) б)
Расстояние от поверхности, мм Рис. 7 - Микротвёрдость покрытия на стали Ст3: а) порошок ПГ-ФБХ-6-2, Р = 1,2 кВт, У=14 м/ч, аск=4 мм; б) порошок ПГ-УС-25, Р = 2,2 кВт, У = 12 м/ч, аск=4,5 мм
Рис. 8 - Микроструктура валика (переходная зона) на стали Ст3 из порошка ПГ-УС25 (ув. х400)
ниже (8—9 ГПа, рис. 7б). Формирование покрытия более качественное. Отсутствие пор и трещин в наплавленном слое обеспечивается в том случае, когда происходит перемешивание наплавляемого порошка с основным металлом (происходит как бы разбавление состава по углероду).
На границе сплавления формируется светлая переходная зона Fe-Сr-Ni-аустенита (рис. 8). Этот пластинчатый аустенит препятствует образованию трещин и откалыванию наплавленного слоя. В переходной зоне происходит постепенное уменьшение содержания железа и увеличение хрома и никеля. Ширина переходной зоны составляет 30—40 мкм. Далее в наплавленном валике элементы распределяются сравнительно равномерно. Содержание хрома колеблется в пределах 25—30%, никеля — 1,1—1,3%.
Такое изменение состава вполне закономерно в условиях формирования дендритной структуры.
Вывод. В результате проведённого исследования наплавки порошков ПГ-С3Р2, ПН77Х15С3Р2^е, БХ, ПГ-ФБХ-6-2 и ПГ-УС25 определены режимы
обработки в широком диапазоне и в наиболее чистом виде свойства покрытий, то есть без влияния основного металла на стали Ст3. Наиболее качественные покрытия получены при использовании порошка ПГ-УС25.
Литература
1. Григорьянц А.Г., Сафронов А.Н. Методы поверхностной лазерной обработки М.: Высш. шк., 1987. 191 с.
2. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / Под ред. В.Я. Панченко. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. 664 с.
3. Колмакова Т.Г., Иванов А.С. Применение газопорошковой лазерной наплавки в сельскохозяйственной технике // Теория и практика современной аграрной науки: сб. нац. (Всерос.) науч. конф. / Новосибирский государственный аграрный университет. Новосибирск, 2018. С. 182 — 185.
4. Морунов И.В., Крылова С.Е. Применение лазерной наплавки для упрочнения и восстановления деталей машиностроения // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: матер. Всерос. науч.-методич. конф. / Оренбургский государственный университет. Оренбург, 2017. С. 159 - 162.
5. Асютин Р.Д., Самарин П.Е. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Экспериментальное исследование газопорошкового потока при лазерной наплавке композиционных покрытий системы al-sic [Электронный режим]. URL: http://www.science-bsea.bgita. ru/2014/mashin_2014_19/asutin_eksper.htm (дата обращения 27.07.2018).
