CC BY
38
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА_
УДК 530 (075.8)
Сравнительные исследования способов нанесения покрытий на поршневые кольца для уменьшения их износа
М. Б. Мяконьков, В. Б. Хмелевская
Ключевые слова: плазменное напыление, поршневое кольцо, трение.
Узел трения «поршневые кольца — втулка цилиндра»
При проектировании узлов механизма необходимо установить его физическую сущность и причины изнашивания деталей узлов механизма. Узел «поршневые кольца — втулка цилиндра» обеспечивает уплотнение камеры сгорания для того, чтобы исключить утечку рабочего тела в картер и проникновение масла и картерных газов в камеру сгорания. Герметичность камеры сгорания напрямую влияет на развиваемую мощность двигателя, его пусковые свойства, удельный расход топлива. Мощность, развиваемая двигателем, зависит от давления в камере сгорания, которое измеряется манометрическими датчиками. Изменение работоспособности узла «поршневые кольца — втулка цилиндра» зависит от износа колец, основной причиной которого является трение. На износ при трении влияют механические воздействия, коррозионная стойкость, сочетания энергетических параметров структур сопряженных материалов. Износ I при трении определяется по формуле
1 = f^ Т ^Л^ ак Тпл1/Тпл2, ^ ^тр^
где р — давление в узлах трения; Т — температура в узле трения; Sк — площадь контакта сопряженных пар; Рсх — нагрузка схватывания; ск — когезионная прочность; Тпл1, Тпл2 — температуры плавления сопряженных пар (материала покрытий поршневого кольца и материала втулки цилиндра); са — адгезионная прочность; Ктр — коэффициент трения. По энергетической теории трения износ определяется
I = const И/Рсхп,
где N — нагрузка; п — показатель степени (зависит от сопряженных пар).
Кольца изготавливают из стали 65Г, стали 45 и чугуна, на них наносят разные покрытия. На износостойкость влияют следующие параметры:
• давление;
• температура в узле сопряжения;
• коэффициент трения;
• нагрузка схватывания;
• когезионная прочность;
• соотношение адгезии покрытия с основным металлом и адгезии покрытия с сопряженной парой, определяемое с учетом нагрузки схватывания;
• соотношение структур покрытия и материала сопряженной пары;
• напряженное состояние;
• соотношение параметров шероховатости сопряженных пар в зависимости от когезион-ной прочности;
• отношение мощности воздействия к мощности поверхности детали.
На износ сопряжения «поршневое кольцо — втулка цилиндра» оказывают воздействие:
• геометрия кольца;
• материалы, из которых изготовлены кольца и втулки;
• конструкция кольца;
• материал покрытия.
Для работоспособности поршневых колец с втулками из чугуна СЧ 25, хромистого чугуна и стали 38ХМЮА применяются различные покрытия. В настоящее время для повышения износостойкости узла «поршневое кольцо — втулка цилиндра» используются гальванические покрытия, плазменные покрытия и покрытия лазерной наплавкой.
Метод гальванического нанесения покрытий
При использовании гальванического метода нанесения покрытия требуется изготовить специальные ванны. Кроме того, токсичность электролита и необходимость строительства
Таблица 1
Свойства плазменных покрытий
Параметр Материал покрытия
ПХ20Н80 С2Сг№ ПН85Ю15 + СгС
Сопряженная пара Чугун Чугун 38ХМЮА
Нагрузка схватывания Рсх, кг 300 350 300
Нагрузка разрушения Рр, кг 220 300 350
Когезионная прочность стк, МПа 220 200 350
Коэффициент трения Ктр 0,06 0,065 0,08
Кавитационный износ, мг 8 4 3
Коррозионная стойкость, мг 2,6 5,0 2,0
Напряженное состояние поверхности стн, МПа -150 -120 -100
Количество циклов до разрушения при нагрузке при термоциклировании N х 106, ед. 8 2 2
Количество циклов до разрушения при нагрузке до 200 кг N х 106, ед. 5 4 3
Твердость по Бринеллю НВ 42 60 42
Угол смачивания, град. 50 45 50
Износ I, мм 0,01 0,02 0,01
Износ сопряженной пары, мм 0,01 0,03 0,02
Теплопроводность X, кал/(см • с • град) 0,08 0,03 0,07
Пористость, % 10 5 5
очистных сооружении существенно ограничивают область применения данного метода. Наиболее широкое применение в области изготовления и ремонта колец нашли процессы хромирования. В Центральном научно-исследовательском дизельном институте (ЦНИДИ) для уменьшения износа колец разработан процесс плазменного напыления покрытия ПХ20Н80 и ПН85Ю15 с вводом молибдена, который использовался на заводе «РусскиИ дизель». В Волжской академии водного транспорта проводили исследования для повышения износостойкости поршневых колец с применением материалов ПН85Ю15, ПГСР-3 (ПН73Х16С3Р3) [2].
Как показали исследования в ЦНИДИ и Волжской государственной академии водного транспорта, основными причинами изнашивания поршневых колец являются:
• трение;
• фреттинг;
• свойства нагара;
• механические свойства покрытий колец;
• усталостная прочность [2, 5].
Теоретические основы трения показывают,
что на износ влияют:
• энергетические параметры сопряженных пар;
• нагрузка схватывания;
• коэффициент трения;
• момент трения.
Сравнительные исследования свойств покрытий на поршневых кольцах, нанесенных способом плазменного напыления, проведены в ЦНИИДИ, Волжской академии водного транспорта, Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций. При выборе материалов покрытия были использованы исследования свойств покрытий с сопряженной парой из чугуна и стали (табл. 1, 2) [3].
Профессор СПГУВК, д-р техн. наук Л. И. По-годаев провел исследования плазменных покрытий применительно к повышению износостойкости поршневых колец в условиях жесткого
Таблица 2
Исследования виброконтактного взаимодействия
Материал сопряженных пар Износостойкость при различных частотах, мкм
относительная
Частота колебаний оо = 150Гц Частота колебаний оо = 8кГц средняя
С2СГ№ — СЧ 25 6,4 5,45 ~6,00
ПН85Ю15 — СЧ 25 1,5 3,75 2,63
ПХ20Н80 — СЧ 25 1,3 1,45 1,37
П р и м е ч а н и е: Относительная износостойкость рассчитывается по формуле: &д<5сч = AGi/AGcч 25, где AGi — износостойкость покрытия; АОсч 25 — износостойкость чугуна СЧ 25. Условия испытаний: давление р — 0,05 МПа, амплитуда колебаний А — 100 мкм, продолжительность t — 4 ч.
Рис. 1. Процесс нанесения покрытия плазменным напылением
виброконтактного взаимодействия с чугунной втулкой (см. табл. 2). Процесс нанесения покрытий плазменным напылением приведен на рис. 1.
Процесс нанесения покрытий ОПФПС
В настоящее время для поверхностного упрочнения деталей в НПФ «Плазмацентр» и СПбГПУ разработана технология осаждения из паровой фазы плазменной струи (ОПФПС) кремнийсодержащих реагентов. Схема установки ОПФПС приведена на рис. 2. Под давлением аргона реагент из колбы подается в плазменную струю, испаряется и осаждается на поверхность детали.
Нами проведены сравнительные исследования триботехнических характеристик покрытий, нанесенных методом гальванизации, на базе ОАО «Клинцовский завод поршневых колец», покрытий, нанесенных плазменным напылением в СПбГПУ, и покрытий SiC2OH по технологии ОПФПС в лаборатории «Плазмацентра». Испытания проводились на машине трения СМЦ-2 со смазкой маслом М14В2 в количестве двух капель в минуту (ТУ 38.101807-80) (рис. 3). Из колец вырезались образцы и вставлялись в оправку. Данные испытания проводились в сопряжении исследуемого покрытия с роликом из чугуна 042 мм, образец показан на рис. 4. Данные триботехнических исследований приведены на графиках (рис. 5).
Эти исследования показали, что момент трения при нагрузке 50 кг у гальванического покрытия составляет 13-15 кг . см, при нагрузке 100 кг наблюдается схватывание. У плазменного покрытия момент трения при нагрузке 50 кг такой же, как у гальванического; при нагрузке
Рис. 2. Схема установки осаждения реагента из паровой фазы плазменной струи: 1 — баллон с аргоном; 2, 4 — ротаметр; 3 — колба с кремнеуглеродистым реагентом; 5 — плазмотрон; 6 — изделие
Рис. 3. Машина трения СМЦ-2
Рис. 4. Образец кольца 1 в оправке 2 для испытаний на машине трения
100 кг схватывания не наблюдается; при нагрузке 150 кг момент трения — 17 кг . см, проявлялось схватывание. При нагрузках 50
1
новые материалы и технологии производства
т, ч
б)
80
70
60
к 50
с
§ 40
ИР 30
20
10
0
в)
35 -
30 -
25 -
к о 20 -
1 15 -
Я
10 -
5 -
0
1 2 \ 3 4 \5 6
т, ч
2
4
6
8 т, ч
Рис. 5. Зависимость момента трения Мтр от нагрузки и времени воздействия: а — гальваническое покрытие; б — плазменное покрытие; в — покрытие по технологии ОПФПС; 1 — 50 кг; 2 — 100 кг; 3 — 150 кг
Рис. 6. Структура покрытий из разных материалов: а — гальванический хром; б — материал С2Сг№; в — материал SiC2OH
и 100 кг покрытие по методу ОПФПС имело момент трения 12-14 и 27 кг . см соответственно. Покрытие, нанесенное по технологии
ОПФПС, демонстрирует более высокие показатели. Ниже показаны структуры покрытий из хрома, нанесенного гальваническим методом (рис. 6, а), плазменным напылением материала С2Сг№ (рис. 6, б), а также покрытия SiC2OH (рис. 6, в).
На рис. 6, а приведена крупнозернистая структура. Рентгеноструктурный анализ показывает аморфизированную структуру с мелкозернистыми кристаллами SiC2OH (рис. 6, в).
Выводы
Данные испытаний показали, что покрытие из кремнийорганического вещества, нанесенное методом ОПФПС, проявляет более высокие триботехнические характеристики и износостойкость на машине трения, чем плазменное напыление ПХ20Н80 и хромистые покрытия. Как подтверждают данные исследований три-ботехнических характеристик, трение в основном зависит от структур сопряженных пар.
В настоящее врем в СПГУВК проводятся исследования покрытий, нанесенных плазменным напылением с ультразвуковой обработкой на образцы из стали 45. При испытании покрытий из порошка А0-20 образцы демонстрируют более высокие триботехнические характеристики. Рентгеноструктурный анализ показывает, что при определенной конструкции волновода можно получить плазменное покрытие с мелкодисперсной структурой или аморфизирован-ную структуру. Пока не удалось добиться стабильного получения наноструктурированных покрытий, но возможность образования мелкодисперсной структуры с характерным размером частиц 1-10 нм уже подтверждена на практике. В настоящее время в СПГУВК ведутся работы по совершенствованию процесса.
Литература
1. Кондратьев Н. Н. Отказы и дефекты судовых дизелей. М.: Транспорт, 1985. 150 с.
2. Матвеев Ю. И. Повышение долговечности деталей судовых дизелей с использованием плазменного напыления и лазерной обработки: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Н. Новгород: Изд-во ВГАВТ, 2003. 40 с.
3. Хмелевская В. Б., Кузьмин А. А. Принцип выбора технологий и материалов для повышения надежности судового оборудования. СПб.: Изд-во СПГУВК, 2005. 214 с.
4. Погодаев Л. И., Кузьмин В. Н., Дудко П. П. Повышение надежности трибосопряжений. СПб.: Академия транспорта РФ, 2001. 304 с.
5. Никитин М. Д. Теплозащитные и износостойкие покрытия деталей дизелей. М.: Машиностроение, 1974. 170 с.
3
2
1
3
