Микрометрические характеристики поверхности как фактор влияния на реализацию избирательного переноса в трибосопряжении «Шейка-покрытие-вкладыш» Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.891.539.375.6

В. И. Кубич1, д-р техн. наук Л. И. Ивщенко1, С. Ю. Цоцорин2

1 Национальный технический университет, 2 ОАО «Мотор Сич»

г. Запорожье

МИКРОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОВЕРХНОСТИ КАК ФАКТОР ВЛИЯНИЯ НА РЕАЛИЗАЦИЮ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ПЕРЕНОСА В ТРИБОСОПРЯЖЕНИИ «ШЕЙКА-ПОКРЫТИЕ-ВКЛАДЫШ»

Рассмотрено изменение исходных микрометрических характеристик поверхностей образцов шеек коленчатых валов, вызванное применением медьсодержащего антифрикционного покрытия с использованием адгезионной галлиево-индиевой среды, как основы для моделирования процессов избирательного переноса в сопряжении «шейка-покрытие-вкладыш».

Актуальность

Основой для реализации эффекта избирательного переноса (ИП) в трибосопряжении «шейка-вкладыш» двигателя внутреннего сгорания, что обуславливает его значительную износостойкость, представляется наличие медьсодержащей структуры, образующейся в результате формирования покрытия на поверхности шеек. Одним из более значимых способов получения такого покрытия, для рассматриваемого сопряжения, является финишная антифрикционная безабразивная обработка поверхностей (ФАБО), заключающаяся во фрикционно-механическом нанесении покрытий на поверхности деталей [1, 2, 3].

Для получения медьсодержащего покрытия на образцах шеек коленчатых валов предлагается использовать способ фрикционно-механического нанесения антифрикционного покрытия, предполагающий применение в качестве антифрикционного материала оло-вянистую бронзу БрОФ4-0,25, и поверхностно-активную (адгезионную) среду на галлиевой основе (ва-88 %, 1п-10%, Си-2 %). Это вызвано тем, что предположительно именно такой композиционный состав может обусловить протекание структурно-фазовых превращений, свойственных избирательному переносу в данном сопряжении [1, 4].

Однако конкретные данные о результатах микрометрического анализа исходных характеристик элементов такого рода сопряжения, что может послужить основой для составления моделей и представлений о процессах, происходящих в структурах материалов в галлиево-индиевой среде в отношении ИП, отсутствуют [3, 4, 6].

Данный факт и вызывает определенный интерес в детальном анализе исходных микрогеометрических и механических характеристик элементов рассматриваемого трибосопряжения, что необходимо для последующей оценки характера изменения первых в отношении последующего проявления в нем ИП.

Методика проведения измерений

Для проведения работ из восстановленных под ремонтный размер коленчатых валов К-образного двигателя семейства ЗИЛ (материал сталь 45), рядного двигателя семейства ЗМЗ (материал чугун ВЧ 50) были изготовлены образцы шеек по средствам электроэрозионной резки в сечениях галтелей, см. рис. 1.

Непосредственно для анализа были использованы две коренных шейки - по одной каждого коленчатого вала. Первоначально каждый образец был подвергнут измерениям величин микрогеометрических и механических характеристик. Затем на поверхности образцов шеек было нанесено медьсодержащее покрытие, после чего измерениям были выполнены вновь.

Для нанесения медьсодержащего покрытия на образцы шеек была изготовлена специальная оправка, закрепляющаяся в бабке токарного станка, на направляющей которой размещался образец шеек с предварительно выточенным внутренним отверстием для посадки их на поверхность направляющей и последующей фиксацией шайбой и гайкой, см. рис. 1, 2.

Само же медьсодержащее покрытие на поверхности образцов шеек наносилось предложенным способом с помощью изготовленного устройства, см. рис. 2, 3 [4].

© В. И. Кубич, Л. И. Ивщенко, С. Ю. Цоцорин, 2008

Рис. 1. Образцы шеек коленчатых валов на оправке: слева образец сталь 45 без покрытия; справа образец сталь 45 материалом адгезионной среды (Оа-88 %, 1п-10 %, Си-2 %)

Рис. 2. Образец шейки чугун ВЧ50 закрепленный на оправке, установленный в бабке токарного станка, с адгезионной средой на поверхности (Оа-88 %, 1п-10 %, Си-2 %) в контакте с инструментом-цилиндром (БрОФ4-0,25)

Рис. 3. Устройство для фрикционно-механического нанесения антифрикционных покрытий: на переднем

плане рабочая поверхность инструмента-цилиндра (БрОФ4-0,25) со следами адгезионной среды (Оа-88 %, 1п-10 %, Си-2 %) в верхней части

Рис. 4. Измерения микротклонения формы поверхности образца шейки: в центрах на оправке установлен образец сталь 45 с медьсодержащим покрытием

В качестве микрогеометрических характеристик поверхностей измерялись и анализировались:

- микротклонения формы поверхности образцов шеек в трех сечениях (Ь , Ь , Ь3) по длине в четырех точках 1, 2, 3, 4, для чего использовались центра с измерительной головкой (рис. 4, 7);

- шероховатости поверхности по высотному параметру К, относительная опорная длина профиля характер изменения направленности линий профилог-рамм (в пределах базовой длины в одном сечении -Ь , на четырех участках - соответствующих условным точкам 1, 2, 3, 4, для чего использовался профилограф «Калибр-201» (рис. 5, 7).

В качестве механических характеристик поверхностей измерялась и анализировалась микротвердость участков поверхностей, для чего использовался микротвердомер ПМТ-3 (рис. 6) [5, 7]. Измерения проводились с учетом семи проколов, при нагрузке 50 г (по ним вычислялась средняя величина) поверхности на каждом из трех участков в трех сечениях (Ь1, Ь , Ь3) в четырех условных точках 1, 2, 3, 4 (рис. 7). Условные точки 1, 2, 3, 4 соответствуют 0°, 90°, 180°, 270°.

Рис. 5. Снятие профилограммы поверхности образца шейки на профилографе «Калибр-201»

Рис. 6. Измерение микротвердости поверхности образца шейки

Рис. 7. Схема измерения микрогеометрических и механических характеристик поверхностей образцов шеек:

1, 2, 3, 4 - условные точки окружности поверхности образцов; Ь^, ¿2, Ь - сечения по длине поверхности образцов; А - участки измерения микротвердости и микротклонения формы поверхности; В - участки снятия профилограмм

Таблица 1 - Значения микроотклонений формы г

Результаты измерений и их обсуждение

Результаты измерения микроотклонений формы поверхности образцов приведены в табл. 1. Графическое выражение изменения характера микроотклонений формы показано на рис. 8, а; б и рис. 9, а; б.

Из приведенных схем видно, что на исследуемых участках поверхностей с покрытием происходит изменение микроотклонений формы поверхности образцов шеек. При этом на некоторых участках наблюдается относительное выравнивание формы поверхности.

Результаты измерения микротвердости участков поверхности приведены в табл. 2. Графическое выражение изменения микротвердости по исследуемым зонам показано на рис. 10, а; б и рис. 11, а; б. Наблюдается неоднородность значений микротвердости на исследуемых участках поверхности образцов без покрытия и относительно однородное ее распределение с покрытием, причем это в большей степени характерно для образца шейки ЗИЛ (сталь 45). Просматривается тенденция к уменьшению микротвердости во всех исследуемых зонах поверхности шейки ЗИЛ с покрытием. Для образца шейки ЗМЗ уменьшение микротвердости наблюдается только в одной зоне, в остальных же фрагментальное увеличение. Приведенное указывает на процессы переформирования структурных составляющих материалов рассматриваемых образцов в тонких приповерхностных слоях (по результатам вычислений глубина внедрения алмазного конуса от 2,5 до 3,2 мкм).

Очевидным представляется и то, что наблюдаемая тенденция к изменению микротвердости обуславливает изменение отклонений формы поверхности образцов.

Профилограммы, снятые с поверхностей участков образцов, приведены на рис. 12, а; б, 13 а; б, базовая длина измеряемого участка - 5 мм. В соответствии с методикой определения параметров шероховатости [7] определены:

- величины относительной опорной длины профиля %, вычисления проводились на базовой длине 1 мм для 4-х относительных уровней высоты профиля

ности образцов шеек

Сечение Численные значения микроотклонений в условных точках сечений, мкм

Образец шейки ЗИЛ, сталь 45 Образец шейки ЗМЗ, ВЧ50

1 2 3 4 1 2 3 4

Ь 0 -0,04 0,03 0,06 0 -0,05 -0,015 -0,04

Ь 0 0,02 0,09 0,08 0 -0,04 -0,02 0,03

Ь2 0,02 0 0,06 0,06 0,02 -0,01 0,01 0,04

Ь*2 0 0,3 0,07 0,05 0 -0,02 -0,02 0,01

Ь3 0,02 0,04 0,07 0,04 0,035 0,025 0,025 0,035

4 0 0,05 0,05 0,01 0 0 0,01 0,01

Примечание. В сечениях ЬЬ2, Ь указаны отклонения формы образцов без покрытия; в сечениях Ь, , ь3; — отклонения формы образцов с покрытием.

(20 %,40 %,60 %, 80 %) кривые несущей поверхности приведены на рис. 14, а; б и рис. 15, а; б;

- величины высот неровностей профиля по десяти точкам R , значения которых приведены в табл. 3.

0,06 0,04 " 0,02 0

0,06 0,04

Г- 0,02 0

- в сечении _1

-во сечении _2 •

в сечении _3

-в сечении _1

- во сечении _2 ■

в сечении _3

б

Рис. 8. Схема микроотклонений формы поверхности образца шейки коленчатого вала ЗМЗ:

а - без покрытия; б - с покрытием; 1, 2, 3, 4 -условные точки измерений

-в сечении _1 ■

-во сечении _2 -

в сечении _3

0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

-0,02

в сечении _1

точка

во сечении _2

в сечении _3

Рис. 9. Схема микроотклонений формы поверхности образца шейки коленчатого вала ЗИЛ:

а - без покрытия; б - с покрытием; 1, 2, 3, 4 - условные точки измерений

а

а

б

Таблица 2 - Значения микротвердости поверхности образцов шеек

Сечение Численные значения микротвердости в условных точках сечений, кгс/мм2

Образец шейки ЗИЛ, сталь 45 Образец шейки ЗМЗ, ВЧ50

1 2 3 4 1 2 3 4

I 274 226 357 220 238 165 182 185

I* 233 239 255 240 134 214 191 163

¿2 298 305 348 282 171 183 197 160

1*2 284 252 225 246 151 236 199 209

¿3 312 260 227 317 300 214 182 200

I* 239 259 224 219 206 161 211 197

Ьср 295 267 311 273 236 187 187 181

Ьср 252 250 237 235 164 204 200 187

Примечание: в сечениях ¿1, Ь2, ¿3 указаны микротвердости образцов без покрытия; в сечениях I*, Ь2 , I* — микротвердости образцов с покрытием.

Рис. 10. Изменение значений микротвердости поверхнос- Рис. 11. Изменение значений микротвердости поверхности образца шейки коленчатого вала ЗМЗ: ти образца шейки коленчатого вала ЗИЛ:

а - без покрытия; б - с покрытием; 1, 2, 3, 4 - условные а - без покрытия; б - с покрытием; 1, 2, 3, 4 - условные точки измерений точки измерений

Из приведенных профилограмм видно, что на некоторых участках поверхностей образцов наблюдается своеобразное выравнивание участков профиля поверхности. Линии профилограмм образцов с покрытием становятся более горизонтальными в отношении наклонности линий профилограмм образцов без покрытия.

Изменение характера наклона кривых (некоторые участки становятся более горизонтальными) несущей поверхности образцов шеек с покрытием в исследуе-

мых зонах указывает на фрагментальное увеличение опорной длины профиля.

Зонное снижение и повышение величины R по окружности, изменение характера наклона линий про-филограмм, относительной опорной длины профиля указывает на то, что в приповерхностных слоях материала образцов происходят процессы, связанные с пластическим передеформированием и изменением свойств микроструктуры материала шеек и покрытия в слоях толщиной и 6 мкм.

аб

Рис. 12. Профилограммы поверхностей образцов шеек ЗИЛ в сечении в условной точке 1: а - образец шейки без покрытия; б - с покрытием

Рис. 13. Профилограммы поверхностей образцов шеек ЗМЗ в сечении Ь2 в условной точке 1: а - образец шейки без покрытия; б - с покрытием

Таблица 3 - Значения параметра шероховатости К

б

а

Сечение Численные значения параметра Яг в условных точках сечений, мкм

Образец шейки ЗИЛ, сталь 45 Образец шейки ЗМЗ, ВЧ50

1 2 3 4 среднее 1 2 3 4 среднее

Ь2 4,8 4,26 3,4 3,2 3,9 5,8 4,7 4,2 4,2 4,7

Ь2 3,6 4,0 3,8 4,6 4,0 6,1 5,1 5,9 5,1 5,5

Примечание. В сечении Ь2 указаны высоты неровностей профиля образцов без покрытия; в сечении Ь — с покрытием.

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

100

-для 1 точки

»Р,%

-для 2 точки —*—для 3 точки

-для 4 точки

а

б

Рис. 14. Кривые несущей поверхности образца шейки коленчатого вала ЗМЗ: а - без покрытия; б - с покрытием

а

0 20 40 60 80 100

ЪУо

♦ для 1 точки —■—для 2 точки А для 3 точки —щ— для 4 точки

б

Рис. 15. Кривые несущей поверхности образца шейки коленчатого вала ЗИЛ: а - без покрытия; б - с покрытием

Выводы

В целом результаты измерений могут свидетельствовать о том, что при использовании предлагаемого медьсодержащего покрытия для реализации ИП, в тонких поверхностных слоях материалов шеек и покрытия:

- развивается интенсивная пластическая деформация, которую можно связывать с зарождением, размножением, перераспределением дефектов кристаллической решетки, прежде всего дислокаций и вакансий;

- происходят процессы перемешивания дефектов, что обуславливает их неравновесную концентрацию на локальных участках поверхности.

Полученные численные значения микрометрических характеристик элементов трибосопряжения «шейка-покрытие-вкладыш», косвенно выражающие предполагаемые процессы, могут рассматриваться как основа для последующих структурно-фазовых превращений, свойственных эффекту ИП.

Микрометрические отклонения, локальные значения микротвердости, параметра шероховатости, изменяемые по поверхности образцов шеек в результате нанесения покрытия такого типа, могут быть использованы в качестве исходных данных для моделирования процессов в локальных зонах фрикционного контакта покрытия, но уже с материалом вкладыша при работе данного трибосопряжения.

Рассмотренный подход позволит получить определенные представления в отношении проявления ИП в рассматриваемом трибосопряжении. Исходя из полученных результатов, ИП может проявляться в данном случае фрагментально по зонам контакта. Для этого необходимо провести ряд исследований, связанных с физическим моделированием процессов работы три-босопряжения «шейка-покрытие-вкладыш» в лабораторных условиях и оценкой структурных параметров пленочных образований в нем.

Перечень ссылок

1. Кубич В.И. Ивщенко Л.И. К методике исследования избирательного переноса в трибосопряжении // Новi ма-терiали i технологи в металургй та машинобудуваннi. -2007. - № 2 - С. 134-138.

2. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: Машиностроение, 1985. - 411 с.

3. Д.Н. Гаркунов. Триботехника. Износ и безызносность. -М.: МСХА, 2001. - 627 с.

4. Колчаев А.М., Степанов В.Б. Способ фрикционно-ме-ханического нанесения антифрикционного покрытия. Патент РФ № 2060300. - 1996. - 13 с.

5. Харитонов Л.Г. Определение микротвердости. - М.: Металлургия, 1967. - 36 с.

6. Балабанов В.И. Повышение качества отремонтированных двигателей внутреннего сгорания путем реализации избирательного переноса при трении. - М.: Вестник машиностроения. - 2001. - № 8. С. 14-19.

7. Куксенова Л.И. и др. Методы испытаний на трение и износ. - М: Интермет инжиниринг, 2001. - 274 с.

Поступила в редакцию 16.10.2008

Розглянуто змти euxidnuxмжрометричниххарактеристик поверхонь зразюв шийок колтчастих eanie, ят обумовлет використанням мiдьутримувaльним антифрикцшним покриттям з застосуванням адгезионного середовища гaлiй-iндiй для моделювання проце^в вибiркового переносу у трибоз 'eднaннi «шийка-покриття-вкладиш».

The changing of initial micrometric characteristics of crankshafts neck surfaces caused by application of copper-bearing antifriction coating using adhesive gallium-indium environment as a basis for selective transfer processes modelling in «neck-coating-insertion »junction is studied.

УДК 539.374

Канд. техн. наук Ю. В. Мастиновский, А. В. Паршуков Национальный технический университет, г. Запорожье

УПРУГОПЛАСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В СТЕРЖНЕ, СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА КОТОРОГО ЗАВИСЯТ ОТ СКОРОСТИ

ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Рассматривается распространение продольных волн в упругопластическом стержне, полубесконечном или закрепленном на неударяемом торце, при действии удара с постоянной или зависящей от времени скоростью и с конечным временем приложения нагрузки. Движения стержня описываются квазилинейным уравнением гиперболического типа, к которому присоединяются соотношения деформация-перемещение и определяющие соотношения, в которых предполагается, что скорость деформации можно разложить на упругую и пластическую составляющие. Задача решается численно с помощью приведенных уравнений характеристик и условий на них.

Основные задачи о распространении упругоплас-тических волн в средах, обладающих нелинейной зависимостью напряжения от деформации, при продоль-

ном и поперечном ударах рассмотрены в работах [13]. Нелинейные дифференциальные уравнения движения стержня и некоторые модели линейно-вязкоупру-

© Ю. В. Мастиновский, А. В. Паршуков, 2008 126