Упрочнение деталей сопряжения "верхняя головка шатуна – втулка верхней головки шатуна" двигателей термодиффузионным ферротитанированием как способ уменьшения процесса фреттинг-коррозии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им. В.М. Кокова

Упрочнение деталей сопряжения «верхняя головка шатуна - втулка верхней головки шатуна» двигателей термодиффузионным ферротитанированием как способ уменьшения процесса фреттинг-коррозии

Шекихачев Ю.А.

Батыров В.И.

Джолабов Ю.Ш.

Губжоков Х.Л.

Аннотация

В статье анализируются механизм возникновения фреттинга, кинетика развития повреждения поверхностей в условиях фреттинг-коррозии, основные факторы, влияющие на процесс фреттинг-коррозии. Показано, что одним из эффективных способов борьбы с фреттинг-коррозией является термодиффузионное ферротитанирование. В результате обработки экспериментальных данных получена математическая модель зависимости приращения линейных размеров исследованных образцов от параметров диффузионного насыщения. Установлен оптимальный режим диффузионного насыщения ферротитаном деталей.

Ключевые слова: ремонт, восстановление, упрочнение, диффузионное насыщение, ферротитанирование, фреттинг-коррозия

Основная часть

Втулки верхней головки шатунов устанавливают с натягом. При этом сопряженные детали работают, преимущественно, в граничной фазе трения, при высоких удельных давлениях и нагрузках при наличии абразива, что приводит к повышенному износу втулки верхней головки шатуна и поршневого пальца. В сопряжении «втулка верхней головки шатуна - верхняя головка шатуна», относящемся к несмазываемым поверхностям, происходит фреттинг-коррозия.

Упрощенная схема процесса фреттинг-коррозии в начальной фазе такова: перемещение и деформация поверхностей под действием переменных касательных напряжений > коррозия > разрушение окисных и других пленок > обнажение чистого металла и местами схватывание > разрушение очагов схватывания и адсорбция кислорода на обнаженных участках.

Фреттинг-коррозия - это процесс, возникающий при циклическом нагружении в зоне контакта плотно соприкасающихся, не смазывающихся поверхностей двух сопряженных деталей, приводящий к их разрушению при малых колебательных относительных перемещениях. Величина амплитуды относительных перемещений деталей в зоне контакта, достаточная для возникновения процесса, находится в пределах упругих деформаций поверхностного слоя детали.

Максимальная величина амплитуды может составлять до 200…300 мкм, а минимальная амплитуда, при которой уже наблюдается процесс, составляет около 100 А. Фреттинг-коррозия наблюдается как при контакте металлов, так и при контакте металлов с неметаллами, в частности, с целлюлозой [1]. Особенно ярко проявляется фреттинг-коррозия в малоподвижных и прессовых соединениях:

- болтовых, шлицевых, замковых, фланцевых;

- местах напрессовки подшипников на вал;

- на пригнанных поверхностях шпонок и их пазов;

- на заклепках и в отверстиях;

- в заклепочных соединениях между листами и т.п.

К наиболее тяжелым последствиям этого процесса относится усталостное разрушение (фреттинг-усталость) деталей, поврежденных фреттинг-коррозией. Предел выносливости в таком соединении может снижаться в 1,5…3 и более раз, т.е. влияние фреттинга на усталость, оцениваемое через эффективный коэффициент концентрации, сопоставим с величиной теоретического коэффициента концентрации напряжений для конструктивного концентратора детали, а зачастую намного его превышает. Механизм возникновения фреттинга и кинетики развития повреждения поверхностей в условиях фреттинг-коррозии относится к наиболее сложным по своей природе процессам.

Вследствие малой амплитуды перемещения соприкасающихся поверхностей повреждения сосредоточиваются на небольших площадках действительного контакта. Продукты изнашивания (мелкие язвы в виде налета, пятен и порошка, т.е. питтингов - мелких точечных разрушений) не могут выйти из зоны контакта. В результате возникает высокое давление и увеличивается их абразивное действие на детали сопряжения [2, 3].

Существенную роль в процессе фреттинг-коррозии играет окисление поверхностей трения или металлических продуктов разрушения.

Продукты фреттинг-коррозии накапливаются в виде порошков, содержащих металлические частицы. В случае удаления порошков из зоны трения происходит ослабление посадок с натягом. Повреждения поверхностей вследствие фреттинг-коррозии служат концентраторами напряжений и снижают предел усталости.

Основными факторами, влияющими на процесс фреттинг-коррозии, являются (рис. 1):

- род трения;

- расчетные нагрузки;

- скорость относительного перемещения;

- характер движения;

- расчетные зазоры и натяги;

- качество обработки сопрягаемых поверхностей;

- износостойкость материалов и т.п.

Процесс разрушения втулки верхней головки шатуна по наружному диаметру происходит от гидроабразивного и гидроэрозионного изнашивания в сочетании с фреттинг-коррозией. Это объясняется тем, что в пластичных материалах, обладающих способностью наклепываться, вначале накапливаются микродеформации отдельных участков, а когда способность к упрочнению исчерпывается, эти участки разрушаются, вымываются. Вследствие изменения величины и направления давления поршневой палец прилегает попеременно то к одной, то к другой стороне отверстия втулки верхней головки шатуна. При этом получается своеобразный «насосный эффект», т.е. поршневой палец с большим давлением выдавливает масло в смазочные отверстия. Жидкость (масло), внедряющаяся при ударах в микротрещины, ведет себя подобно клину, раздвигая боковые стенки. При этом происходит вымывание накопившихся продуктов фреттинг-коррозии.

Повреждения на втулках имеют вид явно выраженных канавок, равномерно расположенных относительно друг друга по окружности втулок на некотором расстоянии друг от друга. Износные канавки расположены посередине поверхности втулок и тянутся от одного смазочного отверстия к другому, причем канавки расположены почти симметрично по обе стороны смазочных отверстий втулок. Особенностью такого характера износа является то, что он проявляется только на втулках, которые смазываются разбрызгиванием. На втулках с принудительной смазкой износы наружной поверхности подобного характера отсутствуют.

Рис. 1. Факторы, влияющие на взаимодействие твердых тел при трении и износе

Фреттинг-коррозия, гидроабразивное и гидроэрозионное изнашивания могут протекать одновременно. Коррозионно-эрозионное изнашивание представляет собой разновидность коррозионно-механического изнашивания. Роль каждого из факторов зависит от соотношения механического и химического воздействия на материал. Фреттинг-коррозия может протекать как в условиях смазки, так и при сухом трении.

Фреттинг-коррозия протекает не по электрохимическому механизму. Важнейшим фактором является приложенная нагрузка, в результате которой происходит усиленное питтингообразование на контактирующих поверхностях. При колебательном скольжении (трении) образующиеся окислы не могут быть удалены с контактирующей поверхности. Это приводит к увеличению напряжения между контактирующими деталями, и фреттинг-коррозия в местах скопления окислов проходит намного интенсивнее.

Величина износа и коэффициент трения деталей машин зависят от внутренних процессов, протекающих при трении, а также от внешних факторов, влияющих на внутренние процессы при трении [4].

Внешние факторы, оказывающие влияние на процесс трения и износ деталей, могут быть изменены в нужном направлении в процессе изготовления и ремонта деталей двигателя.

Регулируемыми внешними факторами являются:

- условия смазки;

- свойства материала трущихся поверхностей;

- нагрузка;

- скоростной режим и др.

Такие внешние факторы, как нагрузка, скоростной режим и условия смазки, могут быть изменены в процессе проектирования двигателя. В процессе же ремонта основной фактор, с помощью которого можно регулировать внешние процессы при трении, а, следовательно, и износ деталей, - физико-механические свойства трущихся поверхностей. Эти свойства задаются в процессе восстановления и зависят от:

- способа восстановления;

- применяемых материалов;

- метода упрочняющей технологии.

Для предотвращения износа посадочных мест в шатуне, обусловленных тяжелыми условиями работы кривошипно-шатунного механизма, высокими действующими нагрузками и повышенной температурой, а также фреттинг-коррозией, применяют различные способы:

- сварочно-наплавочные мероприятия;

- нанесение гальванических покрытий и т.д.

Уменьшить повреждение от фреттинг-коррозии можно, повышая твердость одной детали, при этом уменьшается взаимное внедрение деталей, что снижает интенсивность изнашивания.

Одним из эффективных способов борьбы с фреттинг-коррозией является термодиффузионное ферротитанирование.

Выбор термодиффузионного ферротитанирования для восстановления и упрочнения втулки верхней головки шатунов по наружному диаметру и компенсации потери натяга при выпрессовке втулки объясняется тем, что при этом можно достичь следующих результатов:

- при взаимодействии диффундирующего элемента с основным металлом прочность межатомной связи увеличится, что вызовет повышение механических характеристик;

- в диффузионном слое возникают высокие сжимающие напряжения, что приводит к повышению прочности, особенно при циклических нагрузках, и является весьма благоприятным для деталей с концентраторами напряжения;

- при диффузионном насыщении залечиваются дефекты типа микротрещин;

- диффузионный элемент может связывать вредные примеси в металле или создавать защитный слой, что приводит к торможению или полному отсутствию коррозионного процесса.

Оптимальный режим диффузионного насыщения, при котором приращение линейных размеров достигает максимальной величины, установлен экспериментально. В качестве варьируемых факторов приняты температура и время диффузионного насыщения . Для получения математической модели зависимости приращения линейных размеров от параметров диффузионного насыщения выбрали оптимальный композиционный план типа при числе опытов = 8 и числе неизвестных коэффициентов = 6.

В результате обработки экспериментальных данных получена следующая модель зависимости приращения линейных размеров образцов из бронзы Бр О5Ц5С5 от параметров диффузионного насыщения, которая адекватно описывает область оптимума:

 (1)

Для бронзы Бр ОЦ10-2:

(2)

Оптимальный режим диффузионного насыщения ферротитаном деталей из бронзы: при =650⁰С время выдержки = 2 ч; при =700⁰С время выдержки = 1 ч.

Технологический процесс термодиффузионного ферротитанирования на примере бронзовых подшипниковых втулок приведен на рис. 2.

Рис. 2. Технологический процесс термодиффузионного ферротитанирования бронзовых подшипниковых втулок

После термодиффузионного ферротитанирования происходит изменение поверхностной твердости восстановленных и упрочненных бронзовых подшипниковых втулок до двух и более раз (рис. 3).

Ферротитанированные бронзовые подшипниковые втулки верхней головки шатунов, установленные на дизели, отработали от 4000 мото-часов и более. После выпрессовки втулок с поступивших на капитальный ремонт дизелей видимых следов фреттинг-коррозии не обнаружено.

ветроэлектростанция аккумулятор электрохимический

1 - до ферротитанирования; 2 - после ферротитанирования

Рис. 3. Изменение поверхностной твердости бронзовых подшипниковых втулок верхней головки шатунов до и после ферротитанирования

Таким образом, диффузионное ферротитанирование позволяет уменьшить фреттинг-коррозию и упрочнить поверхности деталей.

Список использованных источников

1. Гаркунов Д.Н. Триботехника. - М.: Машиностроение. - 1989. - 327 с.

2. Голего Н.Л., Алябьев А.Я., Шевеля В.В. Фреттинг-коррозия металлов. - Киев: Техника. - 1974. - 272 с.

3. Петухов А.Н. Механизм фреттинга и фреттинг-усталость высоконагруженных малоподвижных соединений ГТД и ЭУ // Труды ЦИАМ, №1338. - М.: ЦИАМ. - 2008. - 210 с.

4. Мухаметшина Р.М. Изнашивание деталей дорожно-строительных машин при фреттинг-коррозии. - Самара: Самарский НЦ РАН. - 2017. - С. 261-264.

Размещено на Allbest.ru