CC BY
73
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
УДК 621.431.74-233.2
Л.Б. Леонтьев, В.Н. Макаров, А.Г. Токликишвили
ЛЕОНТЬЕВ ЛЕВ БОРИСОВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры сварочного производства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: Leontyev.l.b@yandex.ru МАКАРОВ ВАСИЛИЙ НИКОЛАЕВИЧ - магистрант Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: makarov_vasily@mail.ru
ТОКЛИКИШВИЛИ АНТОНИНА ГРИГОРЬЕВНА - аспирант (Морской государственный университет им. адм. Г.И. Невельского, Владивосток). Е-mail: Toklikishviliggg@mail.ru
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ
ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВКЛАДЫШЕЙ
ПОДШИПНИКОВ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ СУДОВЫХ
СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
В работе приведены технология восстановления и изготовления вкладышей подшипников судовых среднеоборотных дизелей с использованием плазменного напыления (Л.Б. Леонтьев), а также авторские результаты сравнительных триботехнических испытаний стальных образцов различной твердости и элементов натурных вкладышей подшипников с различными типами антифрикционных покрытий; топология антифрикционных покрытий после триботехнических испытаний.
Ключевые слова: технология, напыление, вкладыш подшипника, износ.
Prospects for the use of plasma spraying to restore and manufacture bearing inserts for crankshafts of medium speed marine diesel engines. Lev B. Leontyev, Vasili N. Makarov, Antonina G. Toklikishvili, School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
The paper presents the technology of recovering and manufacturing bearing inserts of marine medium-speed diesel engines using plasma spraying as well as the results of comparative tribo-logical tests of steel samples having various hardness and those of the elements of natural bearing inserts with different types of anti-friction coatings. It presents the topology of anti-friction coatings made after the tribological tests.
Key words: technology, spraying, bearings, wear.
Надежность современных среднеоборотных дизелей (СОД) по мере их форсирования, снижения удельной массы и роста экономичности все в большей степени ограничивается надежностью подшипников скольжения коленчатых валов.
В последнее время многие предприятия как в России, так и за рубежом, изготавливают и восстанавливают подшипники скольжения гальваническими методами [6] и газотермического и
© Леонтьев Л.Б., Макаров В.Н., Токликишвили А.Г., 2013
ионно-плазменного напыления [2, 3, 5, 7]. При этом применяются различные материалы и оборудование. Однако исследований для определения оптимальной области их использования в зависимости от твердости шеек коленчатого вала и нагруженности дизеля в литературе недостаточно. Поэтому довольно часто возникают преждевременные отказы и аварии дизелей из-за отказов трибоузла «шейка вала-вкладыш подшипника» [4].
Цель работы - повышение надежности трибоузла «шейка вала - вкладыш подшипника» путем использования технологии нанесения антифрикционного покрытия на вкладыши, обеспечивающей получение оптимального сочетания эксплуатационных свойств материалов поверхностного слоя сопряженных деталей.
Долговечность работы подшипникового узла обеспечивается прежде всего износостойкостью его составляющих деталей, так как при износе деталей изменяются их геометрия и зазоры и как следствие - гидродинамические характеристики. Наиболее износостойким материалом в условиях высоких нагрузок (свыше 35 МПа) можно считать алюминиевые сплавы АО6 и А020 и канавчатые вкладыши типа Rillenlager (трехслойные стале-алюминиево-PbSnCu) [3, 7]. Однако на судах российского флота основным типом вкладышей на СОД остается гальванический с покрытием PbSn18Cu2,5.
Для нанесения покрытия используется плазменная установка УН-120 с источником АПР-404 и плазмотроном С2В3. Напыление вкладышей производят в специальном приспособлении, устанавливаемом в патроне токарного станка (рис. 1).
Для напыления вкладышей используются следующие порошковые материалы: ПТ-Ю5Н - в качестве подслоя, сплав АО6 - основного слоя и АО6 + (12-14 %) Sn - в качестве рабочего слоя.
1 2 3 4 5 6
Рис. 1. Схема напыления внутренней поверхности вкладышей подшипников: 1 - токарный станок; 2 - патрон; 3 - приспособление; 4 - вкладыш подшипника; 5 - плазмотрон; 6 - оснастка; 7 - суппорт станка
Сначала наносят покрытие порошком ПТЮ-5Н толщиной (0,05 ± 0,015) мм. Напыление основного слоя производят порошком сплава АО6, затем АО6 + (12-14%) Sn толщиной, обеспечивающей толщину рабочего слоя не более 0,05-0,08 мм после окончательной механической обработки, и припуск на механическую обработку 0,1-0,15 мм.
Для получения максимальной усталостной прочности напыленного антифрикционного слоя напыление проводили плазмотроном С2В3 с источником питания АПР-404. Установлено, что вкладыши со слоем, напыленным порошковым материалом АО6 + (12-14 %) Sn имеют циклическую прочность, достигающую 9 х 106 циклов при нагрузке 50 МПа [3].
Параметры режима напыления для плазмотрона С2В3 приведены в табл. 1.
Таблица 1
Режимы напыления
Параметры режима
Напыляемый материал Плазмо-образующий газ Напряжение на дуге, В Сила тока, А Расход газа, л/мин Давление газа, МПа Расстояние сопло— деталь, мм Скорость вращения, об/мин
АО20 Воздух 200—220 120— -140 45—50 0,4 80—100 25—100
ПТЮ-5Н Воздух 160—180 130— -150 45—50 0,4 80—100 25—140
Примечание. Для транспортирования порошка используется газ того же состава, что и плазмооб-разующий. Расход транспортирующего газа устанавливается в пределах 2-3 л/мин при давлении 0,15— 0,20 МПа.
Для внедрения технологии восстановления и изготовления вкладышей подшипников судовых СОД с использованием плазменного напыления и определения возможной области их использования были проведены сравнительные триботехнические испытания стальных образцов различной твердости, соответствующей твердости натурных коленчатых валов СОД и элементов натурных вкладышей подшипников с различными типами антифрикционных покрытий и методами их нанесения.
Основной целью проведения триботехнических испытаний является оценка фрикционной совместимости конструкционных и смазочных материалов, используемых в узлах трения. Совместимость оценивают по трибостойкости узла, т.е. способности данного сочетания материалов обеспечивать при переходных режимах работы приемлемо малые и стабильные значения сил трения, интенсивности изнашивания и вероятности заедания в заданном диапазоне рабочих давлений, скоростей и температур.
Триботехнические испытания проводили на универсальной машине трения модели УМТВК по схеме «ролик—колодка» в условиях граничного трения при постоянной скорости скольжения 0,628 м/с.
На судовых СОД шейки коленчатых валов имеют твердость в интервале от 164 НВ до 58 ИЯС [4], поэтому часть образцов изготавливали из стали 45 без дополнительной термообработки, их твердость была 223±10 НВ, часть образцов подвергали закалке с последующим отпуском для получения величин твердости и 44±1 и 54±1 ИЯС. В качестве неподвижного образца использовалась колодка, изготовленная из вкладышей подшипников СОД с различными антифрикционными покрытиями. Подача масла марки М 14ДЦЛ30 осуществлялась непосредственно в зону контакта пары трения капельным путем (5—6 капель в минуту), нагрузку изменяли в соответствии с режимами, приведенными в табл. 2. Для интенсификации процесса изнашивания каждые 5 мин осуществлялся процесс остановки и пуска машины.
В процессе испытаний определяли момент и коэффициент трения, температуру в зоне контакта регистрировали с помощью инфракрасного пирометра ОрШБ Mimisight (Германия). Величину износа определяли методом технических измерений с помощью микрометра с ценой деления 0,001 мм и взвешиванием на весах с ценой деления 0,1 мг марки AUW 220Б фирмы Shimadzu (Япония). Для каждого покрытия испытания повторяли 2—3 раза.
Режимы испытаний
Нагрузка, Н 40 100 200 400
Время, ч 0,5 0,5 1,0 2
Результаты сравнительных триботехнических испытаний пары трения «вал-вкладыш» при различных величинах твердости вала и материала антифрикционного слоя вкладыша приведены в табл. 3 и на рис. 2.
Установлено, что износостойкость напыленного сплава А020 наибольшая среди исследуемых антифрикционных покрытий. Наименьшую износостойкость имеют вкладыши с гальваническим антифрикционным покрытием. Современные канавчатые вкладыши типа ШПеп1а§ег (М!Ьа 336) занимают по износостойкости промежуточное положение между гальваническими и напыленным сплавом А020. При этом износ стального образца при любой твердости наименьший при использовании вкладышей с гальваническим антифрикционным покрытием, наибольший - у вкладышей с покрытием ШПеп^ег. Суммарный износ сопряжения «шейка вала-вкладыш подшипника» наименьший при использовании вкладышей с напыленным антифрикционным сплавом А020.
40 80 120 160 200 240 280 320 360 Р, Н
Рис. 2. Зависимости скорости изнашивания стали 45 от ее твердости и типа антифрикционного слоя вкладыша для пары трения: 1 - сталь 45 (212 НВ) - № 333 (гальванический); 2 - сталь 45 (54 НЯС) - А020; 3 - сталь 45 (45 НЯС) - № 33 (ЯШеп^ег); 4 - сталь 45 (212 НВ) - А020; 5 -сталь 45 (54 НЯС) - № 33 (ЯШеп^ег); 6 - сталь 45 (212 НВ) - № 33 (ЯШеп^ег)
Долговечность вкладышей определяется износостойкостью, которая зависит не только от физико-механических и триботехнических свойств антифрикционного материала, но и от топографии поверхностного слоя.
Морфологию покрытий исследовали на сканирующем зондовом (атомно-силовом) микроскопе SPM-9600 фирмы Shimadzu (Япония) с высоким пространственным разрешением. Разрешающая способность метода составляет примерно 0,1-1,0 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали.
Наименьшие параметры шероховатости после триботехнических испытаний имеет гальванопокрытие, наибольшие - покрытие вкладыша Rillenlager (табл. 4, 5). Оптимальную топографию после триботехнических испытаний имеет гальванопокрытие, топография поверхностей напыленного покрытия и покрытия вкладыша ШПеп^ег (рис. 3) примерно одинакова.
Кроме того, все покрытия характеризуются очень маленьким параметром среднего шага микронеровностей профиля ^ (всего 0,002 мкм), что обеспечивает малую удельную нагрузку на пики микронеровностей и высокую износостойкость.
Таблица 3
Результаты сравнительных триботехнических испытаний пары трения «вал-вкладыш» при различных величинах твердости вала и материала антифрикционного слоя вкладыша____
Пара трения Нагрузка, Время испытаний, ч k А.Тр t °С 1 max? ^ Средняя скорость изнашивания, мг/ч
диск колодка
A020 - сталь 45 (54 HRC) 40 0,5 0,08 - 1,4 0,8
100 1,0 0,012 - 1,7 0,2
200 3,0 0,023 - 1,2 0,2
400 3,0 0,026 - 1,7 0,3
PbSn18Cu2,5 -сталь 45 (54 HRC) 40 0,5 0,008 - 0,6 10,0 выход на бронзу
100 1,0 0,015 0,2
200 3,0 0,020 - 0,1
Канавчатый № 336 (Rillenlager) - сталь 45 (54 HRC) 40 0,5 0,005 24,1 1,8 5,6
100 1,0 0,004 26,8 1,0 4,4
200 3,0 0,007 35,4 3,9 3,9
400 3,0 0,012 55,7 2,6 4,0
Канавчатый № 336 (Rillenlager) -сталь 45 (45 HRC) 40 0,5 0,004 - 2,1 10,4
100 1,0 0,004 - 2,0 9,4
200 3,0 0,004 - 2,3 7,3
400 2,0 0,008 - 4,1 76,3*
PbSn18Cu2,5 - сталь 45 (42 HRC) 40 0,5 0,013 - 1,2 6,5 выход на бронзу
100 1,0 0,023 - 0,6
200 3,0 0,035 - 0,93
A020 - сталь 45 (223 HB) 40 0,5 0,004 - 2,8 1,2
100 0,5 0,011 - 4,8 1,6
200 1,0 0,018 - 3,4 1,1
400 2,0 0,018 - 3,0 3,3
Канавчатый № 336 (Rillenlager) - сталь 45 (223 HB) 40 0,5 0,004 27,6 4,6 3,0
100 0,5 0,006 28,7 6,1 3,4
200 1,0 0,015 36,9 6,3 3,1
400 2,0 0,008 66,4 8,9 19,7*
* Катастрофический износ.
Параметры шероховатости образцов из плунжерных пар, восстановленных нанесением различных износостойких покрытий
Материал и способ нанесения антифрикционного слоя вкладыша Параметры шероховатости
Среднее арифметическое отклонение профиля Яа, мкм Высота неровностей профиля по десяти точкам Я2, мкм Средний шаг неровностей профиля зт, мкм
РЬ8п18Си2,5 гальванический 0,028 / 0,029 0,177 / 0,221 0,002 / 0,002
Канавчатый № 336 (ШПеп^ег) 0,129 / 0,153 0,558 / 0,728 0,002 / 0,002
АО20 напыленный 0,045 / 0,109 0,288 / 0,563 0,002 / 0,002
Примечание. В числителе приведено значение параметра по направлению вращения образца, в знаменателе — перпендикулярно направлению вращения образца.
Таблица 5
Профилограммы микронеровностей поверхностей вкладышей с различными типами покрытий
По направлению вращения образца
Перпендикулярно направлению вращения образца
РЬ8п18Си2,5 гальванический
[РюидИпеБЗ А-В] 198 64 УММ4.13[ит]
[пт]
_ / "Л .. .-"х- /
-198.64
14.13 [ит]
№ 336 (ШПеп^ег)
АО20 напыленный
Рис. 3. Топография поверхностей вкладышей подшипников с покрытиями: а - РЬ8п18Си2,5 (гальванический); б - № 336 (ЫШеп^ег); в - А020 (напыленный)
Таким образом, наиболее перспективным методом восстановления и изготовления вкладышей подшипников судовых СОД является плазменное напыление материалом A020 для коленчатых валов с любой твердостью шеек, так как обеспечивает минимальные величины изнашивания как вала, так и трибосопряжения в целом. Данная технология может быть использована для восстановления и изготовления вкладышей подшипников судовых СОД.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гагарин А., Володин В., Хмелевская В., Зайцев И. Напыление без пыли // Двигатель. 1999. № 3. С. 20-21.
2. Леонтьев Л.Б., Бровченко С.В., Митюк H.A., Хмелевская В.Б. Восстановление и изготовление вкладышей подшипников судовых дизелей: проблемы и перспективы // Транспортное дело России. 2004. Спецвыпуск № 2. С. 67-72.
3. Леонтьев Л.Б. Технологическое обеспечение надежности судового оборудования. Владивосток: Мор. гос. ун-т им. Г.И. Невельского, 2009. 544 с.
4. Леонтьев Л.Б., Токликишвили А.Г. Причины отказов коленчатых валов судовых среднеоборотных дизелей и пути повышения их надежности // Вестн. Инженерной школы ДВФУ. 2012. № 3. С. 40-47. URL: http://vestnikis.dvfu.ru/vestnik/archive/2012/3/6/ (дата обращения: 12.04.2013).
5. Леонтьев Л.Б., Юзов А.Д. Подшипники коленчатых валов судовых дизелей. Владивосток: ДВГМА, 2000. 173 с.
6. Тымченко С.А., Борисенко П.П., Райкова Л.С. Применение гальванического антифрикционного покрытия в подшипниках дизелей // Двигателестроение. 1984. № 3. С. 35-37.
7. Kirsch H., Apfler G., Gaigg R. Applikation profile for new types of bearings, Technical information, Miba, 1993, 13 р.
