CC BY
45Разряд конденсатора с целью рекуперации его энергии в крановую сеть может быть проиллюстрирован теми же графиками, но в обратном направлением по оси времени.
Р = ЮООЯю WN = ХШОДж UЫ=ШВ С = 2,0Ф
WORK OF THE ELECTROCAPACITOR STORE OF ENERGY IN THE MODE OF CONSTANT CAPACITY
М. V. fiojtov, E. B. Shumkov
The material of the article contains the mathematical description of the processes of the work of the store of energy on the basis of condensers of ultrahigh capacity in a mode of feedback of constant capacity.
УДК 621.3.038.8:621.785.5
E. А. Голдинов, аспирант, ВГАВТ.
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
ЛАЗЕРНОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ СТАЛЕЙ 40Х И 45
В статье приводятся общие сведения о лазерном легировании сталей 40Х и 45, методика проведения эксперимента и процесс образования легированной зоны с целью увеличения износостойкости деталей судовых ДВС. Показано графическое сравнительное распределение микротвёрдости по глубине легированной зоны и износостойкости сталей 40Х и 45. Представлено наглядное изображение микроструктуры легированного слоя.
Лазерное легирование - перспективный способ повышения различных физикомеханических свойств судостроительных материалов. Наибольшее практическое применение имеют сегодня процессы лазерного легирования из жидкой и газовой фаз, а также шликерного покрытия [1]. Это обусловлено их относительной технологической простотой и высокой производительностью процесса.
Лазерное легирование элементами и химическими соединениями применяют для упрочнения различных материалов (сталей, чугунов, титана, цветных металлов, сплавов и др.) [2]. Широкий выбор элементов и их соединений для лазерного легирования обусловлен возможностью довольно легко вводить их в зону легирования. Известно, что наибольшей износостойкостью обладают покрытия на основе боридных, карбидных, нитридных и оксидных фаз. По-видимому, и при упрочнении поверхности лазерным легированием следует использовать эти фазы. Такие покрытия можно получать с помощью лазерной обработки двумя принципиально различными способами:
1. Введением в зону легирования боридных, карбидных, нитридных и оксидных частиц. При этом необходимо учитывать характер взаимодействия частиц с расплавом легируемого материала, то есть возможность их растворения, образования химических соединений, смачиваемость, различие коэффициентов линейного расширения, удельных объемов и т. д.
2. Получение упрочняющих фаз непосредственно в процессе лазерного легирования, что можно осуществить тремя методами:
а) подача на поверхность детали элемента, входящего в состав фазы, при условии, что второй элемент находится в материале;
б) подача смеси элементов;
в) последовательное введение элементов.
При этом необходимо учитывать средство элементов друг к другу, возможность образования сложных химических соединений. Кроме того, лазерное легирование - неравновесный процесс, так как протекает при больших скоростях нагрева и охлаждения.
В результате в легированной зоне, могут образоваться нестабильные и новые фазы, то есть, возможны отклонения от равновесных диаграмм состояния. В связи с этим представляют интерес данные ряда работ, в которых приведены нестабильные диаграммы состояния для случаев кристаллизации с высокими скоростями. В упрочняемую зону легирующее вещество вводится до воздействия лазера или процесса излучения. Из всего многообразия используемых в настоящее время способов подачи легирующих веществ: в струю газа, под собственным весом, напылением, гальваническим осаждением и т.д., наиболее технологично, по-видимому, нанесение порошка со связкой. Анализ литературных данных позволил выявить некоторые общие закономерности формирования поверхностных слоев при лазерном легировании:
1. Образующийся упрочненный слой состоит двух зон. Первая (легированная) зона в процессе обработки находится в расплавленном состоянии, в нее вводится насыщающее вещество. Вторая зона остается при лазерном воздействии твердой, но нагревается (зона термического влияния). Зона термического влияния располагается вокруг зоны легирования (ее можно наблюдать только в материалах, имеющих фазовые превращения при нагреве в твердом состоянии). Максимальную твердость зоны термического влияния должна иметь после лазерного легирования, в процессе которого в ней происходит мартенситное превращение.
2. На формирование легированной зоны оказывают влияние три технологических параметра обработки: толщина наносимой пасты, скорость перемещения обрабатываемой поверхности и плотность мощности лазерного излучения. Значительную
4 трудность представляет сравнение и воспроизведение основного параметра лазерной обработки - плотность мощности (Вт/см2) или мощность (Вт).
3. Структура легированной зоны зависит от количества легирующего вещества, приходящегося на единицу объема расплавленного металла. Увеличение скорости перемещения и уменьшение плотности мощности излучения приводит к повышению содержания легирующего вещества в зоне легирования, так как одно и то же количество легирующего вещества растворяется в меньшем расплавленном объеме. Увеличение слоя пасты до определенного предела также приводит к повышению концентрации легирующего элемента в легированной зоне.
Исследования подтверждают проведенные выше закономерности образования легированных зон. Так, при лазерной цементации стали с увеличением содержания графита в легированной зоне структура цементованного слоя изменяется от доэвтектиче-ской до заэвтектической, то есть соответствует структуре белого чугуна, закаленного из жидкого состояния. По данным рентгеноструктурного анализа установлено, что цементованный слой содержит цементит, мартенсит и остаточный аустенит.
Многократный проход лазерного луча по обрабатываемой поверхности вызывает нагрев поверхностных слоев и формирование разнотолщинных дорожек-слоев и формирование фазового состава переменных характеристик. При лазерном борировании образцов толщина первой лазерной дорожки - 90 мкм, а последней - 140 мкм. Таким образом, на формирование легированных зон оказывает влияние температура обрабатываемой поверхности, которая определяется масштабным фактором - соотношением между массой, формой обрабатываемой детали, необходимой площадью обработки и технологическими режимами обработки (упрочнения). Отсюда следует, что при упрочнении конкретной детали необходимо оптимизировать режим упрочнения по требуемому свойству.
Сдерживающими факторами широкого распространения лазерной обработки в промышленности, являются высокая стоимость лазерного оборудования, сложность устройств лазерной техники, требующей от обслуживающего персонала высокой квалификации, необходимость создания специальной технологической оснастки, а также обеспечения контроля и регулирования процесса. Несмотря на эти факторы, лазерное легирование является одним из перспективных методов повышения износостойкости деталей. При этом наибольшей износостойкостью обладают легированные слои, содержащие боридные, карбидные, нитридные и оксидные фазы. При выборе режима лазерного легирования для конкретных деталей следует учитывать масштабный фактор, состояние обрабатываемой поверхности, состав и структуру материала основы.
Методика проведения эксперимента
Лазерное легирование проводилось на сталях 40Х и 45 из шликерной обмазки, содержащей около 60 % нитроцеллюлозного клея, 40% металлический порошок, с размером частиц 40-120 мкм. Толщина покрытия составляла 0,2 мм. Время сушки при I = 200° - 1 час.
Лазерное легирование осуществляли на установках «Комета-2» и «ХЛТУ-25». Мощность излучения варьировали в пределах 0,8-10 кВт, скорость обработки от 0,1 до 4,0 м/мин. Для определения теплостойкости микрошлифы 20x20x20 мм выдерживали в термической печи при температурах 550°С и 650°С в течение 0,5-3,5 часа. После каждого получаса замеряли микротвердостъ металла в ЗЛВ. Металлографические исследования проводили по стандартным методикам.
Микротвердостъ сталей 40Х и 45 после лазерной обработки достигает значения 900 кгс/мм2. С увеличением скорости лазерной обработки микротвердостъ и глубина зоны лазерного воздействия уменьшаются. На поверхности легированной зоны формируется мартенситная структура с высокой микротвердостъю. Размер этой зоны 0,1 мм. По мере удаления от поверхности формируется троостомартенситная и троо-ститная структуры с частично сохранившейся ферритной составляющей. Размер величины зерна ферритной составляющей после лазерной обработки уменьшился с 30-40 мкм до 3-20 мкм.
Микротвердостъ сталей на 20-30 % увеличивается по сравнению со сталями, подверженных обычной лазерной закалке. Высокая микротвердостъ сохраняется в интервале скоростей лазерной обработки от 1 до 3 м/мин.
Лазерное легирование стали 40Х
На рис. 1 представлены зависимости глубины и микротвёрдости легированной зоны стали 40Х от плотности мощности лазерного излучения.
Увеличение размера легированной зоны при повышении плотности мощности лазерного излучения приводит к уменьшению микротвёрдости. Максимальная микротвердостъ для стали 40Х достигается при легировании сплавом ПС-12НВК-01 и составляет 900 кгс/мм2. Применение флюса способствует увеличению микротвердости легированного слоя.
Флюс состоит из 60 % глицерина, около 20 % К2С03, 20 % буры и 2-5 % поверхностно активных веществ. Толщина покрытия флюсом 0,1 мм.
Оплавление шликерного покрытия из порошка ПС-12НВК-01 лазерным излучением с плотностью мощности 0,9-1,5-105 Вт/см2 что позволяет получить легированный слой толщиной 0,2-0,5 мм с микротвердостью 820-700 кгс/мм2.
В легированном слое присутствует небольшое количество пор. Необходимо отметить, что поры могут оказать благоприятное воздействие на сопротивление истиранию со смазкой. Применение флюса при легировании стали 40Х порошком ПС-12НВК-01 нецелесообразно, поскольку в легированной зоне появляются трещины.
а)
б)
640
480
320
1Б0
су" . / ‘ * , ■+
> у 0^ * ~ Л
/
0.4 0.8 1.2 1.6 2
<1*10п 5 Вт/стп 2
О—©—0—© ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ с флюсом ♦ ПС-12НВК-01. сфпюсон • ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ без флюса
0-0—О—О ПС-12НВК-01. без флюса
^*10" 5 Вт/ст" 2
0 0-0 0 ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ с флюсом ♦—♦- -♦—♦ ПС-12НВК-01. с флюсам •ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ без флюса 0-0—О—О ПС-12НВК-01. без флюса
Рис. 1. Зависимость глубины легированной зоны: а) и микротвйрдости; б) стали 40Х от плотности мощности лазерного излучения и нанесения флюса на шликерную обмазку
Окончательный выбор режимов лазерного легирования стали 40Х может быть сделан на основе данных по износостойкости. На рис. 2 и 3 приведены зависимости распределения микротвёрдости по глубине зоны лазерного воздействия.
И. км
о -о—О- О ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ. штекер, поп флюсом ---- ---- Линия оплавления
• ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ. шликер, без фпоса
Рис. 2. Распределение микротвердости по глубине легированного слоя стали 40Х
О О О О ПС-12НВК-01. шликер, с флюсом
---- ----- Линия оплавления
ПС-12НВК-01, шликер, без фпмеа
Рис. 3. Распределение микротвбрдости по глубине легированного слоя стали 40Х
При легировании сплавом ПР-Х23Н25М5С2Р2АФ в отсутствие флюса обеспечивается достижение НУ = 500 кге/мм2 при глубине Ь = 480 мкм, а легирование, выполненное под слоем флюса, вызывает повышение микротвердости до НУ = 620 кге/мм при
снижении глубины до h = 300 мкм. Легирование ПС-12НВК-01 обуславливает подъем микротвердости до НМ = 600 кгс/мм2 в отсутствие флюса и HV = 700 кгс/мм2 при наличии флюса. Соответственно, h значения глубины слоя составят 380 и 280 мкм.
Микроструктура поверхностного слоя стали 40Х после лазерного легирования порошком ПР-Х23Н25М5С2Р2АФ состоит из двух типов структур. Преимущественной является дендритная структура с эвтектическими междендритными прослойками различной степени дисперсности, имеющими наиболее высокую микротвердость, (рис. 4).
Второй тип структуры - слоистая, с чередованием у-твердого раствора, в котором выделяются карбиды стерженьковой формы и высокодисперсные бориды. и эвтектических колоний. Металл легированного слоя имеет хорошее сплавление с основой. Трещин и грубых выделений на границе с основой не наблюдается (рис. 5). В легированном слое трещин также не обнаружено, отмечено лишь наличие мелких пор. Применение флюса приводит к увеличению пористости в легированном слое.
После лазерного легирования порошком ПС-12НВК-01 преобладает ячеистая дендритная структура с междендритными эвтектическими прослойками (рис. 6). Дисперсная эвтектическая структура с выделениями карбидов и карбоборидов имеет повышенную микротвердостъ 766-927 кг/мм2, (ррс. 7). В металле легированного слоя встречаются поры. При использовании флюса в легированном слое появляются поры и трещины, т.к. при этом происходит увеличение упругих напряжений.
На рис. 8 приведены графики глубины канавки износа поверхности стали 40Х, в состоянии после термообработки по стандартному режиму, после лазерного оплавления и после легирования шликером ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ и ПС-12НВК-01 от времени испытания.
Рис. 4. Дисперсная структура легированного слоя с разветвлёнными дендритами вблизи границы оплавления. Шликер ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ, без флюса. Основа сталь 40Х. х500
Рис. 5. Ячеистые дендриты с прослойками эвтектики в легированном слое. Шликер ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ, без флюса, основа сталь 40Х. х500
Рис. 6. Тонкие разветвлённые дендриты твёрдого раствора с эвтектическими междендритными прослойками. Отмечаются поры. Шликер ПС-12НВК-01, основа сталь 40Х, обработка без флюса. х500
Рис. 7. Выделения дисперсных карбидов и карбоборидов вблизи границы сплавления с основой. Шликер, ПС-12НВК-01, основа сталь 40Х, поверх шликера наносили флюс. х500
I. час
х—X—к—к без лазерной обработки о—а- -о—О с лазерной обработкой
• шликер ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ
0- 0-0-0 ПС-12НВК-01. шликер
Рис. 8. Глубина канавки износа в зависимости от времени испытания для стали 40Х
Сравнение данных по износостойкости стали 40Х показывает, что в термообработанном состоянии сталь характеризуется значительной величиной износа в процессе приработки, а на поверхности образцов отмечается наличие задиров. При испытании образцов, подвергнутых ЛТО, на их поверхности наблюдали задиры и следы выкашивания частиц металла, обусловленные его пониженными практическими характеристиками.
Легирование стали сплавами ПР-Х23Н25М5С2Р2АФ и ПС-12НВК-01 позволяет значительно увеличить сопротивление износу. Наиболее высокую износостойкость (0,001 мм) сталь 40Х приобретает после легирования со сплавом ПС-12НВК-01.
Таким образом, определенные н? основе данных по микротвердости режимы лазерного легирования стали 40Х позволяют существенно улучшить ее антифрикционные свойства.
Лазерное легирование стали 45
На рис. 9 представлена зависимость глубины и микротвёрдости легированной зоны стали 45 от плотности мощности лазерного излучения
Ч+Ю' 5 Вт/ет“ 2
О О О О ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ с флюсом ♦—•- *• ПС-12НВК-01. с флюсом
• ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ 6е> флюса
о—о—0-0 ПС-12НВК-01. без флюса
5*10*5 Вт*ст‘ 2
ООО О ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ с флюсом ♦—* ♦ ПС-12НВ1С01. с флюсом
• ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ без фгаоса
О-О—О—О ПС-12НВК-01. без флюса
Рис. 9. Зависимость глубины легированной зоны: а) и микротвердости; б) стали 40Х от плотности мощности лазерного излучения и наличия флюса на шликерной обмазке.
О О О О ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ. шликер, под флюсам ---- ---- Линия оплавления
• ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ, шликер, без флюса
Рис. 10. Распределение микротвбрдости по глубине легированного слоя стали 45
О—О 0—0 ПС-12НВК-01. шликер, с фпюсои
---- ----- Линия оплавления
• ПС-12НВК-01. шликер, без фгаоса
Рис. 11. Распределение микротвёрдрсти по глубине легированного слоя стали 45
Как видно из представленных зависимостей, с увеличением плотности мощности лазерного излучения глубина легированной зоны линейно возрастает, а микротвердость уменьшается. Максимальная микротвердость достигается при легировании ста-
ли 45 порошком ПС-12НВК-01. Применение флюса при легировании стали 45 обоими порошками позволяет добиться увеличения микротвердости, по-видимому, за счет получения более дисперсной структуры легированной зоны. Плотность мощности лазерного излучения 1,1-1,7*105 Вт/см2 обеспечивает достаточную глубину легированной зоны и высокую микротвердостъ.
На рис. 10 и 11 представлена зависимость микротвёрдости по глубине зоны лазерного воздействия. Как видно из представленных зависимостей, лазерное легирование стали 45 с плотностью мощности 1,2* 105 Вт/см2 позволяет получить легированный слой с однородным распределением микротвердости, что свидетельствует об интенсивном перемешивании металла в жидкой ванне и равномерном распределении лёгирующих элементов. Размер переходной зоны от легированного слоя к основному металлу составляет 250 мкм. Микротвердость металла в этой зоне выше микротвердости основного металла, что, по-видимому, объясняется диффузией легирующих элементов в твердой фазе и эффектом лазерной закалки.
Микроструктура слоя, легированного порошком ПР-Х23Н25М5С2Р2АФ имеет неоднородное слоистое строение. Вблизи границы сплавления наблюдается слой разветвленных дендритов толщиной 30-40 мкм. Между дендритами располагаются междендритные эвтектические прослойки с частицами карбидов и карбоборидов (рис. 12, 13, 14).
При легировании поверхности стали 45 порошком ПР-Х23Н25М5С2Р2АФ с добавкой флюса в металле появляются поры и трещины. Структура легированного слоя качественно не меняется, при использовании флюса увеличивается лишь объемная доля дисперсной эвтектики.
Рис. 12. Структура области наложения и границы «слой-основа» (разветвленные дендриты + эвтектика с выделениями карбидов). Шликер, ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ, без флюса, основа сталь 45. х500
Микроструктура легированного порошком ПС-12НВК-01 слоя представляет собой высокодисперсную ячеистую дендритную структуру. При применении флюса в легированном слое появляются трещины и поры.
Рис. 13. Тонкие разветвлённые девдриты с дисперсными выделениями карбидов. Шликер ПС-12НВК-01, обработка без флюса, основа сталь 45. х500
По результатам исследования микроструктуры можно сделать вывод о нецелесообразности применения флюса при легировании стали 45 порошками ПС-12НБК-01 и ПР-Х23Н25М5С2Р2АФ из-за появления тещин в структуре легированной зоны. Появление трещин обусловлено, по-видимому, значительными упругими напряжениями.
Рис. 14. Поры в легированном слое.
Шликер ПС-12НВК-01, с флюсом, основа сталь 45. х500
0.022 0.02 0.01В 0.016 0.014
I 0.012
л 0.01 0.000 0.00Б 0.004 0.QD2 0
012345678 t, час
X ?( х х без лазерной обработки 3—Э- -О—О с пазерной обработкой
♦ шликер ПР-Х23Н23М5С2Р2АФ
0—0—О—О ПС-12НВК-01.шликер
Рис. 15. Глубина канавки износа в зависимости от времени испытания для стали 45
На рис. 15 представлена зависимость глубины канавки износа в стали 45 при различных способах легирования.
Как видно из представленных зависимостей, легирование стали 45 порошком ПС-12НВК-01 позволяет добиться высокого сопротивления износу, по сравнению с объемной и лазерной закалкой. Легирование порошком ПР-Х23Н25М5С2Р2АФ приводит к несколько худшему эффекту по сравнению с порошком ПС-12НВК-01, но учитывая меньшую склонность этого сплава к образованию трещин в процессе лазерного воздействия, шликерное легирование стали 45 целесообразно производить порошком ПР-Х23Н25М5С2Р2АФ.
Список литературы
[1] Технологические лазеры / Под ред. Абильсинтова Г.А. Справочник в 2-х томах. - М.: Машиностроение, 1991.-Т. 1.-432 с.
[2] Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов - М.: Машиностроение, 1991. - 304 с.
[3] Григорьянц А.Г., Сафонов А.Н. Методы поверхностной лазерной обработки. - М.: Высшая школа, 1987. - 191 с.
[4] Веденеев A.A., Гладуш Г.Г., Физические процессы при лазерной обработке материалов. -М.: Энергоатомиздат, 1985. - 206 с.
[5] Коваленко B.C., Волгин В.И. Лазерное легирование конструкционных материалов // В сб.: Технология и организация производства. - 1976. - № 3. - С. 24-27.
[6] Ляхович Л.С. и др. Лазерное легирование. - МиТОМ. - № 3. - 1987. - С. 14-19.
[7] Поверхностное упрочнение стали излучением лазера / Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. и др. / Поверхностные методы упрочнения металлов и сплавов в машиностроении. - М.: 1983. - С. 65-67.
[8] Легирование и упрочнение поверхностей деталей лазерной обработкой / Сорокин В.М., Ел-хов В.В., Исакичев П.А. и др. / Экономия металла и энергии на основе прогрессивных процессов термической и химико-термической обработки: Тез. Доклад Всесоюзной научно-технической конференции. - М.: 1984. - С. 156.
[9] Разработка технологии лазерного легирования и наплавки при ремонте и восстановлении деталей судовых ДВС / Отчет по договору 954761/84. Н. Новгород: ВГАВТ, 1995. - 188 с.
LASER ALLOYING OF STEELS 40X AND 45
£ *A. Goldinov
The general data about laser alloying of steels 40x and 45, a technique of carrying out of the experiment and the process of formation of an alloyed zone with the purpose of the increase in wear resistance of details of ship ICE are given in the article. Graphic comparative description of microhardness on depth of an alloyed zone and wear resistance of steels 40x and 45 is shown. The evident image of a microstructure of an alloyed layer is given.
УДК 624. 431.74
В. И. Гордеев, аспирант, ВГАВТ.
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова. 5.
СОСТАВ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ
В статье представлен ряд диагностических признаков описывающих состояние топливной аппаратуры дизеля и схема состава диагностического комплекса для определения неисправностей топливной аппаратуры с применением ЭВМ.
Эффективная работа судов в значительной мере определяется техническим уровнем и надежностью главных и вспомогательных дизелей. Дизелестроительная промышленность постоянно проводит работу по улучшению технико-экономических показателей судовых дизелей. Повышается ресурс их работы, снижается трудоемкость технического обслуживания и ремонта, уменьшаются расход топлива и масла. Повышение надежности дизелей является одним из наиболее перспективных и экономичных направлений эффективного их использования. В последнее время большее значение в определении технического состояния дизелей в эксплуатации, техническом обслуживании и ремонте имеет применение современных диагностических средств, в частности - диагностических комплексов. Диагностические комплексы позволяют произвести замеры параметров двигателя, обработку полученных данных и их протоколирование для последующего использования.
За время эксплуатации техническое состояние двигателя ухудшается, что приводит к потере его работоспособности, которая происходит постепенно до наступления предельного состояния или внезапно при отказе какой-либо детали или узла. Переход двигателя из работоспособного состояния в неработоспособное происходит вследствие отказов. Отказы имеют различный характер, многие причины возникновения и их взаимосвязь, способы устранения и, в конечном итоге, по-разному влияют на работу судна. Состояние дизеля можно характеризовать диагностическими параметрами и признаками. У каждой неисправности имеются свои индивидуальные признаки, которые выделяют ее среди других. В качестве примера в таблице приведены некоторые признаки неисправностей топливной аппаратуры дизелей.
