CC BY
12УДК 621.822:629.5.03
Р.В. Кузнецов
ПАО «ЗВЕЗДА», Санкт-Петербург, 194295 e-mail: kuznetsovrv@zvezda.spb.ru
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗДЕЛИЙ СУДОВОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ
В работе предложена методика и аппаратура для испытаний на гидравлическую герметичность биметаллических узлов и соединений, имеющих антифрикционное назначение, проведена оценка герметичности опытных образцов состава «литейный алюминиевый сплав + спеченный порошковый материал» и серийных подшипниковых узлов состава «литейный алюминиевый сплав + литейный бронзовый сплав». Проведена оценка влияния технологии получения биметаллических соединений на степень его гидравлической герметичности.
Ключевые слова: биметалл, подшипниковый узел, масляный насос, гидравлическая герметичность, порошковый материал, штамповка жидкого металла.
R.V. Kuznetsov
PJSC«ZVEZDA », St. Petersburg, 194295 e-mail: kuznetsovrv@zvezda.spb.ru
DEVELOPMENT OF METHODS FOR TIGHTNESS CONTROL OF BIMETALLIC ELEMENTS OF SHIP ENGINEERING PRODUCTS
In this work we propose a methodology and equipment for testing the hydraulic tightness of bimetallic assemblies and joints having an antifriction purpose, evaluate the tightness of prototypes of cast aluminum alloy + sintered powder material, and serial bearing assemblies of cast aluminum alloy + bronze cast alloy composition. The impact of the technology for producing bimetallic compounds on the degree of its hydraulic tightness is assessed.
Key words: bimetal, bearing assembly, oil pump, hydraulic tightness, powder material, liquid metal stamping.
На протяжении последних лет на предприятии ПАО «Звезда» проводятся работы по повышению качества и ресурса серийных узлов и агрегатов высокооборотистых судовых дизелей и входящего в их состав гидравлического оборудования. Одним из таких направлений является повышение ресурса шестеренчатых масляных насосов в силовых установках размерностью 16/17 и 18/20. На практике добиться этого представляется возможным следующими способами: заменой материалов заготовок для подшипниковых узлов, развитием новых технологий производства и изменением конструкции изделий, однако последнее в условиях серийного производства практически не представляется возможным.
В работах [1-3] авторами была предложена перспективная технология производства корпусных фасонных заготовок с подшипниковыми узлами на этапе заготовительного производства для деталей судовых насосов, заключающаяся в создании биметаллического соединения алюминиевого сплава АК9ч и спеченного порошкового материала на основе железа. Апробированная технология штамповки жидкого металла при наличии порошковой втулки позволила создать устойчивую адгезионную связь между материалами как за счет проникновения алюминия в поры втулки, так и за счет диффузионного образования интерметаллидов типа AlFe или AlFeSi на границе материалов, которые в малых количествах существенно повысят адгезионную прочность. Однако гидравлическая герметичность такого соединения остается под вопросом.
Так, в работе [4] авторы исследовали влияние параметров сварки методом «короткого замыкания» на прочность соединения сплава алюминиевой бронзы и стальной основы (использовался сплав ASTM 1045), металлографическую микроструктуру алюминия, межфазные явления диффузии на границе алюминиевая бронза - железо. Адгезионная прочность при этом составила от 430 до 528 МПа, что было обусловлено различными параметрами сварки. Также авторы выявили, что для такого биметаллического узла на границе материалов возникает устойчивое химическое соединение в виде различных твердых фаз, гидравлическая герметичность данного соединения была в пределах нормы.
В работе [5] авторы выполнили попытку создания биметаллического подшипникового узла из низколегированной стали (материал основы) и баббитовых сплавов (антифрикционный материал) методом МЮ-сварки, при этом конструкция подшипника предполагала торцевую сварку баббита и низколегированной стали. Прочность адгезии материалов при этом составила от 66 до 83 МПа, наблюдалось взаимное проникновение материалов за счет перемешивания и диффузии отдельных компонентов баббита, авторы не проводили испытания на герметичность.
В работе [6] автор предложил технологию изготовления биметаллического подшипника для топливного насоса с целью снижения затрат на производство. Разработанная технология основана на изостатическом прессовании порошковых материалов и сплавов алюминия. Высокие адгезионные свойства, по мнению автора, были получены за счет формирования интерметалли-дов в зоне контакта материалов, гидравлическая герметичность проверялась избыточным давлением и была на необходимом уровне.
Исследования адгезионной прочности и механических свойств опытных биметаллических образцов АК9ч-порошковый материал доказали преимущества данной технологии в сравнении с существующими серийными способами производства [2]. Однако при определении возможности внедрения биметалла в технологическую цепочку предприятия важным является определение эксплуатационных характеристик полученных изделий, в частности гидравлической герметичности [7].
Целью данной работы являлась разработка методики и аппаратуры для оценки гидравлической герметичности биметаллического подшипникового узла, определение влияния технологии получения биметаллического соединения на степень его герметичности. Традиционная методика испытаний предполагает стендовые испытания всего изделия в сборе, при рабочих режимах на-гружения в течение определенного времени. При этом возможность определить герметичность отдельных отсеков насоса или перемещения (деформации) подшипниковых втулок отсутствует, повышение давления сверх номинального не всегда возможно.
Решение поставленных задач было реализовано на специально спроектированном испытательном стенде, представленном на рисунке.
Схема испытания герметичности подшипникового узла: 1 - материал основы, 2 - паронитовая прокладка, 3 - плита, 4 - порошковый антифрикционный материал, 5 - штуцер, 6 - насос, 7 - источник масла
При проектировании стенда учитывались следующие основные требования:
- простота и понятность механической и гидравлической конструкции;
- легкий съем-установка образца для обеспечения осмотра подшипникового узла на месте;
- возможность воспроизведения условий, близких к серийным испытаниям;
- соответствие требованиям ГОСТ 24054-80 и Российского морского регистра судоходства (РС).
Конструкция стенда состояла из: рабочего стола (плиты) пресса, уплотнительной сменной
паронитовой прокладки, штуцера с внутренним диаметром 3 мм, маслонагнетающего насоса мощностью 40 л/мин и резервуара с маслом. Дополнительно имелась возможность установки часового индикатора перемещений (на рисунке не показан) для определения выдавливания порошковой втулки из алюминиевого корпуса подшипника. Фиксацию образца на плоскости стола производили нагружением с помощью лабораторно-испытательного пресса ПСУ-125. Усилие герметичности создавалось на прессе ПСУ-125 путем создания осевого усилия P, которое измерялось механическим динамометром сжатия и воспроизводилось в диапазоне, необходимом для деформационного уплотнения паронитовой прокладки. Внутренняя рабочая полость всех образцов выполнялась путем механической обработки (фрезерования) на глубину h = 35 мм.
Степень герметичности образцов оценивали жидкостным гидростатическим методом. Для проведения компрессионной опрессовки изготавливались образцы, аналогичные [3] c наружным диаметром 0 61 мм, высотой Н = 70 мм из литейного доэвтектического силумина АК9ч (ГОСТ1583-93). В качестве антифрикционной заготовки использовали цилиндр диаметром 0 27 мм, высотой Н = 36 мм из порошка марки АНС100.29 и ПА-БрОГр (ГОСТ 26719-85) с пористостью, равной 15%. Опытную партию биметаллических заготовок получали при следующих постоянных технологических параметрах: Тзал = 700 ± 10°С, Tжн = 450 ± 10°С, Tобр = 25 ± 5°С, ^р = 20 с. Давление прессования в процессе штамповки жидкого металла (ШЖМ) варьировали в диапазоне от 0 до 170 МПа. Всего было получено 4 группы опытных образцов:
1) Рш = 0 МПа - литейное плакирование;
2) Рш = 1^3 МПа - литье под низким давлением;
3) Рш = 75^80 МПа - ШЖМ в интервале оптимального давления;
4) Рш = 165^171 МПа - ШЖМ в интервале избыточного давления.
С целью повышения достоверности исследования наряду с опытными образцами испытывались биметаллические заготовки аналогичного размера состава «литейный алюминиевый сплав + литейный бронзовый сплав». Серийные образцы получали путем последовательной механической обработки литых заготовок с последующей запрессовкой с натягом цилиндра из оловянно-свинцовой бронзы в алюминиевую обойму.
Опрессовку производили по серийному технологическому процессу ПАО «Звезда». В качестве пробной жидкости использовалось масло МС-20 (ГОСТ21743-76) с t = 75^850С. Давление опрессовки P = 20 ± 1 кг/см2 выдерживали в течение 5 мин. Температуру масла оценивали с помощью лазерного пирометра КБ «ПИРОЦЕЛЬС» Диполь.
О негерметичности подшипникового узла судили по наличию (отсутствию) течей, пятен и запотевания на внешней поверхности образца.
Технологические испытания показали следующие результаты. Во всех образцах, полученных литейным плакированием, независимо от используемого антифрикционного порошкового материала при давлении свыше 1 кг/см2 происходит капельная течь рабочей жидкости в зоне контакта биметаллического соединения. Применение незначительного давления прессования (1^3 МПа) в процессе ШЖМ позволяет компенсировать усадку литейного сплава и практически полностью ликвидировать воздушный зазор на границе «жидкий металл-порошковый материал». Образцы, полученные при таком режиме, показали герметичность соединения в пределах 5-7 кг/см2, после чего проявлялась капельная или струйная течь в районе сопряжения материалов. Повышение давления до заданного значения, как правило, приводило к разрушению образца в зоне контакта.
Образцы, полученные методом ШЖМ в интервале давления прессования P = 75^171МПа, не проявили признаков негерметичности, что свидетельствует о высокой адгезионной прочности полученного биметаллического соединения.
Интересным является результат опрессовки образцов, полученных по серийной заводской технологии. На двух из пяти таких образцов при наборе рабочего давления в течение 2-3 мин после начала испытания наблюдалось местное запотевание на наружной поверхности материала
основы, что, вероятнее всего, объясняется более низкой плотностью и неравномерностью структуры литого материала в сравнении с аналогичным сплавом, полученным методом ШЖМ [8, 9].
Практическая реализация разработанной методики и аппаратуры для оценки гидравлической герметичности биметаллических узлов изделий судового машиностроения делает его рекомендованным для применения в условиях промышленного производства для проведения периодических технологических испытаний.
Предложенная методика качественной оценки герметичности биметаллических антифрикционных соединений судового машиностроения подтвердила перспективность применения технологии совместной ШЖМ и спеченного порошкового материала для получения подшипниковых узлов для деталей масляных насосов судовых дизелей.
Литература
1. Кузнецов Р.В. Технология изготовления биметаллических подшипников с бронзо-оловянными вкладышами / Р.В. Кузнецов, П.А. Кузнецов // Неделя науки СПбГПУ. Секция «Технология конструкционных материалов и материаловедение»: Материалы научно-практической конференция с международным участием (19-24 ноября). - СПб., 2018.
2. Кузнецов Р.В. Штамповка биметаллических подшипников из жидкого алюминия и спеченных порошковых вкладышей / Р.В. Кузнецов, П.А. Кузнецов // Металлообработка. - 2019. -№ 3 - С. 27-32.
3. Кузнецов Р.В. Эластостатическое прессование спеченных рабочих вкладышей с градиентной структурой для биметаллических подшипников скольжения / Р.В. Кузнецов, П.А. Кузнецов, И.Д. Карачевцев // Современное машиностроение: наука и образование: Материалы VIII Международной научно-практической конференции / Под ред. А.Н. Евграфова и А.А. Поповича. -СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2019.
4. Zhang X.M. et al. Microstructure and Bonding Strength of Aluminum Bronze on ASTM 1045 Steel by CMT welding // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - IOP Publishing, 2018. - Vol. 436, № 1. - P. 012019.
5. Wei M. et al. Microstructure and bonding strength of tin-based Babbitt alloy on ASTM 1045 steel by MIG arc brazing // Journal of Adhesion Science and Technology. - 2018. - Vol. 32, № 19. -P.2150-2161.
6. Murray P.J. Hotisostatic pressing for the production of bimetallic fuel pumpbearings: Dissertation / University of Birmingham. - 2016.
7. Шец С.П. Критерий работоспособности магнитожидкостного смазочного материала в трибосопряжениях подшипниковых узлов / С.П. Шец // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2011. - № 1. - С. 29.
8. Батышев А.И. Штамповка жидкого металла: Литье с кристаллизацией под давлением / А.И. Батышев, Е.М. Базилевский, В.И. Бобров и др. - М.: Машиностроение, 1979. - 200 с.
9. Халикова Г.Р. Влияние режимов кристаллизации при жидкой штамповке на структуру и свойства высокопрочного алюминиевого сплава - 1960 / Г.Р. Халикова, В.Г. Трифонов // Письма о материалах. - 2012. - Т. 2, № 3. - С. 147-151.
