Исследование покрытия плазменного напыления с ультразвуковой обработкой для упрочнения судовых гребных валов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»



Рис. 3. Зависимость коэффициента деформационного упрочнения (1) и показатель деформационного упрочнения (2) от коэффициента перекрытия а

определяет специфику пластической деформации деталей с различной топографией поверхностного упрочненного слоя после ЭМО + ППД.

Полученные результаты испытаний стальных образцов на статическое растяжение согласуются с результатами исследования микронеоднородной деформации стали 45 после комбинированного упрочнения ЭМО + ППД [3]. Таким образом, финишная операция поверхностного пластического деформирования позволяет повысить прочностные свойства деталей в 1,5 раза, наследуя высокую твердость упрочненного поверхностного слоя, сформированного предварительной ЭМО.

Литература

1. Багмутов В. П., Паршев С. Н., Дудкина Н. Г. и др. Электромеханическая обработка: технологические и физические основы, свойства, реализация. Новосибирск: Наука, 2003. 318 с.

2. Гурьев А. В., Дудкина Н. Г., Федоров А. В. Влияние электромеханического упрочнения на механические свойства углеродистой стали // Физико-химическая механика материалов. 1990. № 3. С. 26—30.

3. Матлин М. М., Дудкина Н. Г., Болдов А. Н. Особенности пластического деформирования стальных деталей, упрочненных комбинированной обработкой ЭМО+ППД // Упрочняющие технологии и покрытия. 2010. № 8. С. 44-48.

УДК 621.78/79:629

Исследование покрытия плазменного напыления

с ультразвуковой обработкой

для упрочнения судовых гребных валов

в. Б. Хмелевская, Е. С. Мосейко

Условия эксплуатации судового валопро-вода

Судовой валопровод представляет собой систему валов, соединенных в одну линию в целях передачи гребному винту крутящего момента, развиваемого двигателем. В состав ва-лопровода входят гребной, промежуточный и упорный валы. На эксплуатационные показатели судовых валов влияют триботехни-ческие характеристики и усталостная прочность [1]. При разработке конструкции судового валопровода проектант стремится

использовать элементы, которые уже проверены в условиях эксплуатации, поэтому уже в течение многих лет в России используются одни и те же технологии изготовления деталей судового валопровода.

Судовой валопровод является важнейшим механизмом в эксплуатации судна и представляет собой сложную систему, от которой зависит живучесть судна. Выход из строя ва-лопроводов наносит ущерб, превышающий стоимость поврежденного вала. Основными видами разрушений валопроводов являются трещины [2], которые возникают

по следующим причинам: усталость металла, коррозия, износ при трении, фреттинг [3]. При эксплуатации самым уязвимым местом является гребной вал. Для ремонта гребного вала судно выводят из эксплуатации и ставят в док. С учетом трудоемкости ремонтных работ представляется целесообразным проводить упрочение соответствующих деталей при изготовлении, тогда можно предотвратить нарушения эксплуатационных показателей. В настоящее время известно много технологических процессов нанесения покрытий на поверхности деталей, повышающих эффективность их работы [4]. Одним из методов является покрытие поверхности плазменным напылением с ультразвуковой обработкой (УЗО) (рис. 1, 2). Решающее значение имеют материал и технология нанесения покрытия на рабочую поверхность. При нанесении покрытия на поверхность детали с послойной УЗО увеличивается работоспособность механизма [4, 5]. Ультразвуковое воздействие вызывает деформации в кристаллической решетке. При смещении одной части кристалла по отношению к другой происходит

Рис. 2. Технология напыления с УЗО в производственных условиях

измельчение зерен [6]. Эффективность использования указанной технологии [7] нанесения покрытий была оценена во время испытаний для определения триботехнических характеристик и усталостной прочности.

/////,

1

Методика определения триботехнических характеристик

Триботехнические характеристики определялись на модернизированной машине трения СМЦ-2 (Завод точных приборов, Киев) (рис. 3), данные оцифровывались, результаты были выведены на экран компьютера. Основная методика заключается в том, что образец нагружают, задают вращение и определяют коэффициент трения, нагрузку схватывания и износ сопряженных пар.

Вращающимся телом является ролик (рис. 4) с напыленным покрытием и без напыления,

Рис. 1. Схема технологии нанесения покрытия с УЗО:

1 — плазмотрон; 2 — струя плазмы; 3 — подложка; 4 — формирующиеся слои покрытия; 5 — концентратор ультразвуковых колебаний; 6 — обработанный слой; 7 — магнитострикционный преобразователь. Стрелка показывает направление вращения

Рис. 3. Машина трения СМЦ-2

7

1

Рис. 4. Испытание образцов на машине трения СМЦ-2

диаметром 53 мм, шириной 15 мм, материал 38Х2Н2МА. Частота вращения ролика составляет 300 об/мин.

Измерение износа производится с использованием микрометра. Сначала устанавливаются начальные значения размера образца до испытания, после испытания размеры измеряются еще раз, по их разнице определяется износ. Триботехнические характеристики даны в табл. 1.

Методика определения усталостной прочности

Усталостная прочность определялась на установке (Томский институт машиноведения) (рис. 5). Образец выполнен из материала 38Х2Н2МА (рис. 6). Испытания усталостной прочности проводятся при вращении 300 об/мин, частотой 200 Гц, вибрацией 110 уд./мин.

Вращение образца происходит за счет электромеханического привода, вибрация создается с помощью инерционно-силового воздействия. Нагрузка на испытываемый образец измеряется с помощью кварцевого датчика,

Экспериментальные испытания

Рис. 5. Установка для испытания на циклическую прочность

<- § В10 ->

ч ----- А о - <м \г

Ч

<- к 85 >

Рис. 6. Образец для испытания на циклическую прочность

сигнал регистрируется на электронном потенциометре. Установка оснащена счетчиком числа циклов, автоматически отключаемым при разрушении образца. Техническое оснащение установки осуществлено ВНИИП «Техника».

Оценка напряженного состояния на поверхности образцов выполнена с помощью прибора «Ситон». Результаты испытаний приведены в табл. 2. Разрушение образцов без покрытия произошло через 22 дня, разрушение образца с покрытием ПН85Ю15 + ССг + УЗО — через 63 дня. Повышение усталостной прочности при напылении с УЗО можно объяснить получаемыми сжимающими напряжениями.

Таблица 1

Материал вала Материал покрытия (порошок) Материал сопряженной пары (название подшипника) На-грузка кг Износ И, мм Износ сопряженной пары Ис.п., мм Время г, ч Нагрузка схватывания Рсх, кг Коэффициент трения Ктр Напряжение на поверхности <гн, МПа

38Х2Н2МА ПН85Ю15 + карбид хрома + УЗО Б83 (опорный) 200 0,01 0,02 3 200 0,01 -150

38Х2Н2МА Без покрытия Б83 (опорный) 200 0,04 0,03 3 80 0,065 +10

38Х2Н2МА ПН85Ю15 + карбид хрома + УЗО А1 + Сг + Мя (дейдвудный) 200 — — 3 350 0,05 —

Таблица 2

Зависимость циклической прочности от полученных напряжений

Состояние образца при испытании Напряжение на поверхности, МПа Кол-во циклов до разрушения (появления трещин)

Без напыления, без УЗО +10 4,5 • 104

С напылением материала ПН85Ю15 + УЗО -250 3 • 106

С напылением материала ПН85Ю15 + карбид хрома -10 3 • 105

С напылением материала ПН85Ю15 + карбид хрома + УЗО -300 8 • 106

Образец с напылением материала ПН85Ю15 без УЗО +10 4 • 104

Выводы

Проведенные нами испытания образцов показывают уменьшение коэффициента трения, нагрузки схватывания и износа сопряженных пар. При нанесении покрытия плазменным напылением с УЗО усталостная прочность увеличивается в 3 раза по сравнению с образцами из материала 38Х2Н2МА без напыления. Упрочнение гребного вала указанным методом при изготовлении позволяет увеличить его ресурс.

Литература

1. Румб В. К. Прочность судового оборудования. Конструирование и расчеты прочности судовых валопроводов. СПб.: СПбГМТУ, 2009. 214 с.

2. Кохан Н. М. Ремонт валопроводов морских судов. М.: Транспорт, 1980. 240 с.

3. Балацкий Л. Т. Повреждения гребных валов. М.: Транспорт, 1980. 162 с.

4. Панин В. Е. Новые материалы и технологии. Усталостная прочность деталей при напылении плазменных покрытий с ультразвуковой обработкой. Новосибирск: Изд-во Сибирской АН, 1993. 120 с.

5. А. с. № 1487329. Способ восстановления деталей методом плазменного напыления с ультразвуковой обработкой / В. К. Панин, В. Б. Хмелевская. 1989.

6. Хмелевская В. Б., Леонтьев Л. Б. Повышение надежности судового оборудования. Владивосток: Дальнаука, 2005. 356 с.

7. Бычков Т. П. Восстановление и изготовление деталей судовых дизелей газотермическим напылением с ультразвуковой обработкой: Дис. ... канд. техн. наук / СПбГУВК. СПб., 2000. 148 с.

8. Герасимов Н. И. Новое направление в создании судовых валопроводов // Четвертый международный симпозиум по транспортной триботехнике ТРАНСТРИБО «Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов на транспорте». СПб.: СПбГПУ, 2010. С. 196-200.

9. Хмелевская В. Б., Кузьмин А. А. Выбор технологий и материалов для надежности судовых механизмов. СПб.: СПбГУВК, 2005. 214 с.