CC BY
42
УДК 621.793.
О. Г. Чернета, А. Н. Коробочка, Д. А. Шурыгин, И. Н. Поддубный, А. В. Загробский
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ЦИЛИНДРО-ПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ, ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО И КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Изложены результаты работы по упрочнению рабочей поверхности поршневых колец, клапанов и коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания с помощью лазерной обработки.
Введение
По данным информационного статистического анализа (рис. 1), автомобильный парк Украины распределен следующим образом. Первое место занимают автомобили марки ВАЗ, на втором месте -Daewoo, на третьем - ЗАЗ, на четвертом - Chevrolet, на пятом месте - Skoda. Шестую позицию занимают японские автомобили марок Mitsubishi, Mazda, Nissan и Toyota. Седьмая позиция принадлежит автомобилям марки Opel, доля которых приблизилась к 2,5 %.
Однако надежность и долговечность отечественных автомобилей значительно уступает мировым производителям автомобильной техники, данные по которым приведены в табл. 1.
Эти данные свидетельствуют о том, что по надежности автомобильного парка Украины только 78 % автомобилей соответствуют современным требованиям надежности и долговечности, и то этот процент приходится на автомобили импортного производства, ресурс работы двигателей которых в 3-4 раза выше двигателей отечественного производства.
Таблица 1 - Рейтинг надежности автомобилей по версии компании Warranty Direct:
1 Mazda 8,04 % 12 Hyundai 26,36 % 23 Volkswagen 31,44 %
2 Honda 8,90 % 13 Peugeot 26,59 % 24 Jaguar 32,05 %
3 Toyota 15,78 % 14 Ford 26,76 % 25 Skoda 32,12 %
4 Mitsubishi 17,04 % 15 Suzuki 27,20 % 26 Chrysler 34,90 %
5 Kia 17,39% 16 Porsche 27,48 % 27 Audi 36,74 %
6 Subaru 18,46 % 17 Fiat 28,49 % 28 Seat 36,87 %
7 Nissan 18,86 % 18 BMW 28,64 % 29 Renault 36,87 %
8 Lexus 20,05 % 19 Vauxhall 28,77 % 30 Alfa Romeo 39,13 %
9 Mini 21,90 % 20 Mercedes 29,90 % 31 Saab 41,59 %
10 Citroen 25,98 % 21 Rover 30,12 % 32 Land Rover 44,21 %
11 Daewoo 26,30 % 22 Volvo 31,28 % 33 Jeep 46,36 %
© О. Г. Чернета, А. Н. Коробочка, Д. А. Шурыгин, И. Н. Поддубный, А. В. Загробский, 2008 - 110 -
Рис. 1. Распределение автомобильного рынка Украины:
1 - автомобили марки ВАЗ; 2 - автомобили марки Daewoo; 3 - автомобили марки ЗАЗ; 4 - автомобили марки Chevrolet; 5 - автомобили марки Skoda; 6 - автомобили марки Mitsubishi, Mazda, Nissan и Toyota; 7 -автомобили марки Opel; 8 - автомобили китайских марок; 9 -автомобили других марок
60
н О vo О о^ Щ , 40
^ 'Я
Ч и a s и га 20
н 1 ЕС S S g 2 « К 0
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31
Марки автомобилей ведущих автопроизводителей (табл.1)
Рис. 2. Рейтинг надежности автомобилей по версии Warranty Direct
Режимы работы двигателя во многом определяют режимы работы других агрегатов и конструктив -ных элементов автомобиля.
Постановка задачи. Целью данной работы является разработка технологии лазерной обработки упрочнения рабочих поверхностей деталей двигателей автомобилей: поршневых колец, клапанов, шатунных и коренных шеек коленчатого вала.
Скоростной режим работы ДВС характеризуется постоянством нагрузки (Р кПа) и изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя (п, мин-1). С увеличением частоты вращения коленчатого вала повышается износ поверхностей трущихся деталей двигателей. Это связано с возрастанием инерционных сил и механических нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма, цилиндропор-шневой группы и температур поверхностей трения. При повышении частоты вращения коленчатого вала на 10 % износ в подшипниках скольжения коленча -того вала увеличивается на 20 %.
Для повышения износостойкости рабочих поверхностей деталей автомобилей ведущие автомобильные компании применяют новые материалы и технологии нанесения защитных покрытий на более нагруженные контактные поверхности сопрягаемых узлов трения. При этом спектр применяемых технологий весьма широкий: ионно-плазменное напыление, лазерное легирование, комбинированные методы упрочнения.
Для исследований были выбраны поршневые
кольца из стали 50ХФА, изготовленные путем волочения из профилированной ленты, клапаны и коленчатые валы.
Исходная микроструктура стали 50ХФА, подвергнутая азотированию в поперечном сечении на расстоянии от поверхности около 1мм, представляет собой феррит с дисперсными вкраплениями цементита. На рис. 3 представлены результаты исследований структуры и свойств поверхностных слоев образцов из азотированной стали, подвергнутых лазерной обработке концентрированным потоком энергии - лучом импульсного лазера.
Как показали проведенные исследования, лазерная обработка приводит к образованию на рабочей поверхности образцов из стали 50ХФА сложного микрорельефа с углублениями, впадинами и микротрещинами. Образование таких белых включений связано с локальным оплавлением объемов металла и их ускоренным затвердеванием.
Микротвердость центральной зоны светлого участка (рис. 3, в) довольно высока и составляет Н^ = 9277 МПа. Можно утверждать, что светлые включения и светлые зоны тоже имеют структуру гарде-нита - одной из разновидностей мартенсита, структуру которого при травлении в обычных стандартных реактивах методом оптической микроскопии выявить невозможно [1].
В процессе эксплуатации клапанов двигателей внутреннего сгорания при трении, когда реализуют-
Рис. 3. Исходная микроструктура: а., б. поверхностный слой стали 50ХФА, подвергнутый азотированию; в - поверхностный
азотированный слой, обработанный лазером
ся усталостное, коррозионное, адгезионное, эрозионное или другие виды изнашивания, важную роль имеет структура и комплекс физико-механических свойств тонкого поверхностного слоя материала. Наиболее эффективными и перспективными методами улучшения эксплуатационных свойств клапанов являются нанесение покрытий и модифицирование их рабочих поверхностей.
Для изготовления клапанов применяют стали 38ХС, 50ХН, 40ХН, 40ХН2МА, 40Х9С2, 40Х10С2М. Средняя температура головки выпускных клапанов в двигателях с искровым зажиганием достигает 800......850°С (500......600°С - в дизельных двигателях) [2].
Клапаны имеют такие дефекты: выработка рабочей фаски тарелки, выработка цилиндрической поверхности стержня и его торца, изгиб стержня.
На рисунке 4, а приведена фотография шлифа из стали 40Х10С2М без лазерной обработки с увеличением в 200 раз. Исходная структура микрошлифа - ферритно-карбидная. Микротвердость, равная 487,6 единиц по Викерсу на глубину около 140 мкм, постоянная. После отметки на глубине 140 мкм она постепенно уменьшается до НУ 370. Средняя микротвердость образцов равна НУ 450.
Изучение микроструктуры обработанного с помощью лазерного облучения слоя материала показывает, что на поверхности образуется достаточно однородный слой (гарденит) глубиной около 80 мкм (рис. 4), который имеет структуру с равномерно распределенными частицами упрочняющих фаз и слабо травится по сравнению с металлом основы.
Микротвердость подслоя незначительно от -личается от обработанной зоны - НУ 549. Микротвердость основной структуры составляет НУ 406.
Коленчатый вал относится к числу наиболее ответственных деталей двигателя внутреннего сгорания. Вектор сил, которые воспринимает коленчатый вал в процессе работы, создает значительные скручивающие и изгибающие напряжения. Кроме того, периодически изменяющиеся крутящие моменты
щшшшш
X 200
б
X 200
Рис. 4. Микроструктура поверхности фаски клапана: а - без лазерной обработки; б - с лазерной обработкой
вызывают крутильные колебания вала, которые значительно повышают напряжения кручения. Шейки вала подвергаются переменным динамическим и статическим нагрузкам, которые и вызывают износ шеек. Все выше перечисленные факторы обусловливают повышенные требования к износостойкости рабочих поверхностей деталей.
Коленчатый вал двигателя ИЭ-412 (сталь 45) до обработки лазером имел ферритокарбидную структуру. Лазерная обработка проводилась при энергии накачки, равной Ен = 10 кДж, с шагом перекрытия 3 мм. Образец находился на расстоянии I = 50 см от объективной линзы.
Поскольку исследуемая сталь имеет ряд легирующих элементов, то микротвердость зоны лазерного воздействия повышается в несколько раз из-за концентрации мартенсита, который образуется в поверхностных слоях детали, содержащих нитридные и карбидные образования. После лазерной обработки без оплавления поверхностного слоя была полу-
Рис. 5. Микроструктура образца (коренной шейки), после лазерной обработки (X 400): а - перлит (микроструктура основы); б - бейнит (зона под оплавленным слоем гарденита)
а
ООО £00 700 600 (00 400
эоо 200 100
Глубина обработанной поверхности, мкм
Рис. 6. Изменение твердости в слоях поверхностного слоя детали
H г/мм2
чена поверхность со следами лазерного упрочнения (пятна диаметром 5 мм). Для исследования микроструктуры поверхности были вырезаны фрагменты материала (микрошлифы) с характерными следами зон термического упрочнения.
Замеры твердости поверхностных слоев образцов осуществлялись с помощью твердомера модели ПМТ-3. Замеры твердости производились на образцах до и после лазерной обработки. Из полученных результатов можно сделать вывод, что мик-тротвердость после лазерного легирования повышается в среднем на 47 % так как до обработки твердость рабочего слоя в среднем составляла 701 г/мм2 (у шатунных шеек) и 706 г/мм2(у коренных) по сравнению с 350 г/мм2 и 380 г/мм2, соответственно.
Перечень ссылок
1. Петров С.В., Коржик В.Н., Горбань, Демидов В. Д., Новоселов А. В. Газотермические покрытия для упрочнения тяжело нагруженных деталей мощных дизелей // Упрочняющие технологии и покрытия. (Научно-технический и производственный журнал), 2005. - № 6. - C. 20-29.
2. Завьялов А.С., Теплухин Г.Н., Габеев К.В. Ус -ловия и механизм образования бесструктурно-
го мартенсита (гарденита). Металловедение и термическая обработка металлов. - № 10. -1979. - С. 11-12.
3. Крапошин В. С. Термическая обработка стали и сплавов с применением лазерного луча и прочих прогрессивных видов нагрева. Итоги науки и техники. Металловедение и термическая обработка. - М. - Т. 21. - 1987. - 144 с.
4. Попов А. А., Попова Л.Е. Изотермические и термокинетические диаграммы распада охлажденного аустенита. Справочник термиста. - М.: Маш-Гиз, 1961. - 480 с.
5. Леонтьев П. А, Н.Т. Чеканов, М.Г. Хан Лазерная поверхностная обработка металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1986. - 144 с.
6. Коваленко В.С., Головко Л.Ф., Меркулов Г.В., Упрочнение деталей лучом лазера. - Техника, 1981. - 131 с.
7. Малов М. А. Краткий справочник металлиста. -М.: Машиностроение, 1976. - 767 с.
8. Алексеев В.П. и др. Двигатели внутреннего сгорания, МашГиз, Ленинград, 1960. - 452 с.
Поступила в редакцию 12.05.2008
Викладено результати роботи 3i змщнення робочо'1 noeepxHi поршневих юлець, кла-naHie та колiнчастого вала двигуна внутрiшнього згорання за допомогою лазерной оброб-ки.
Results of work on strengthening of working surface ofpiston rings, valves and crankshaft of combustion engine by laser treatment are expounded.
