автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Повышение износостойкости поршневых колец из высокопрочного чугуна среднеоборотных дизелей в судоремонтном производстве с использованием лазерного термоупрочнения

9 15-5/174

На правах рукописи

Казаков Сергей Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ В СУДОРЕМОНТНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРНОГО ТЕРМОУПРОЧНЕНИЯ

Специальность: 05.08.04 «Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2015

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Волжский государственный университет водного транспорта»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Эксплуатации судовых энергетических установок» ФГБОУ ВО «Волжский государственный университет водного транспорта»

Матвеев Юрий Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Технология материалов и материаловедения» ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота им. адм. С.О. Макарова»

Погодаев Леонгард Иванович

кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет»

Рубан Анатолий Рашидович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный

технический университет им. Р.Е. Алексеева»

Защита состоится 27 мая 2015 г. в 12-00 на заседании диссертационного совета Д223.009.04. при ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота им. адм. С.О. Макарова» по адресу: 198035 г. Санкт-Петербург, ул. Двинская 5/7, ауд. 235а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова: http://gшnгf.nl/naudejat_dissov_ztl223(Ю904.html

Автореферат разослан « /•ЗЪ/г/ы/ГЛ? » 2015 г. Ученый секретарь

диссертационного совета, Д223.009.04. В.А. Жуков

доктор технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАБООД;СИЙСКаЯ

Актуальность работы. В системе водного АИИР

монтными предприятиями стоят задачи повышения к 1чест^П^кмшрн№ьсрс ремонта судового оборудования, изготовления гмпн^оляг^У^/j ^Vrmii n ir ходимом количестве, снижение затрат на сырье, энергию и материалы.

Сложные условия эксплуатации судовых дизелей вызывают повышенный износ деталей, что приводит к значительным потребностям в запасных частях и соответственно денежных средствах на ремонт. Эксплуатация судовых двигателей внутреннего сгорания различных типов и модификаций предопределяет необходимость содержать на складе судоремонтных предприятий значительные объёмы запасных деталей двигателей. Опыт эксплуатации судовых дизелей показывает, что сроки проведения текущих и средних ремонтов, экономичная и надежная работа двигателей определяются техническим состоянием деталей цилиндропоршневой группы. Эти детали, особенно поршневые компрессионные кольца, работают в экстремальных условиях граничного и сухого трения, высоких температур, значительной механической и тепловой напряженности, при воздействии агрессивной среды. Высокие скорости износа наблюдаются в двигателях, работающих на тяжелых сортах топлива. Действительный ресурс серийно выпускаемых в настоящее время запасных деталей оказывается ниже нормативных значений, что вынуждает исследователей искать пути, методы и технологии, способствующие решению актуальной проблемы - повышению действительного ресурса грибосопряжепия «поршневое кольцо - втулка цилиндра».

Прикладным проблемам трибологии и триботехники, которые являются актуальными и для деталей цилиндропоршневой группы посвящены работы Д.Н. Гаркунова, И.В. Крагельского, JI.И. Погодаева, A.B. Чичинадзс и др. Повышению эффективности ремонтного производства посвящены работы H.H. Кондратьева, М.М. Тененбаума, Ю.Н. Цвегкова и др. Вопросы теории и практики повышения работоспособности деталей машин освещены в работах В.М. Андрияхина, A.B. Асташксвича, O.A. Борчевского, Н.Ф. Голубева, А.П. Ермакова, Ю.Е. Ежова, A.B. Криулина, В.В. Кудинова, В.А. Скуднова, А.Д. Соколова. Решение данных задач невозможно без комплексного подхода, учитывающего современные достижения трибологии, материаловедения, теории и практики ремонтного производства.

Цель работы : повышение работоспособности деталей цилиндропоршневой группы судовых среднеоборотных дизелей с использованием лазерного теромоупрочнения рабочих поверхностей поршневых компрессионных колец, изготовленных из высокопрочных чугунов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести аналитический обзор способов повышения износостойкости деталей цилиндропоршневой группы;

- на основании анализа научных исследований и экспериментальных работ, с учетом конструктивных и технологических разработок обосновать способ лазерного теромоупрочнения поршневых колец, изготовленных из высокопрочного чугуна;

- установить закономерности изменения механических свойств в зоне лазерной обработки поверхностного слоя поршневых колец из высокопрочного чугуна;

- построить математические зависимости, позволяющие определить режимы лазерной обработки рабочих поверхностей поршневых колец из высокопрочного чугуна с учетом его химического состава, структуры и механических свойств;

- разработать методику испытаний для исследования работоспособности поршневых колец и втулок цилиндров с приближением к судовым условиям;

- выполнить экспериментальные исследования по определению работоспособности поршневых колец на лабораторном стенде, приближенным к натурным испытаниям в судовых условиях;

- разработать промышленную технологию лазерного термоупрочнения поверхностей компрессионного кольца из высокопрочного чугуна.

Предметом исследования является повышение износостойкости три-босопряжения поршневое кольцо - втулка цилиндра судовых среднеоборотных дизелей.

Объект исследования: поршневое компрессионное кольцо судовых среднеоборотных дизелей.

Теоретической и методологической основой исследования пос.гужили труды отечественных и зарубежных ученых по вопросам, связанным с повышением надежности, восстановлением работоспособности деталей машин и механизмов. Аналитически, основанные на анализе современных представлений о трибологии, термической обработки металлов и сплавов; экспериментальные - с использованием математического анализа и теории планирования эксперимента. Результаты аналитических исследований получены с использованием методов математического анализа, математической теории планирования эксперимента, корреляционно-регрессионного анализа.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

- теоретически обоснована целесообразность метода лазерного термоупрочнения поршневых компрессионных колец из ВЧ;

- получены математические зависимости механических свойств ВЧ от исходной структуры и химического состава в зоне лазерного термоупрочнения. Определены основные закономерности структурных и фазовых превращений в зоне лазерного воздействия высокопрочных чугунов поршневых колец судовых среднеоборотных дизелей;

- определено влияние режимов лазерной обработки на механические свойства поверхностных слоев ВЧ поршневых колец судовых дизелей;

- установлены математические зависимости, позволяющие выбрать оптимальные режимы лазерной обработки ВЧ с целью получения заданных механических свойств в зоне лазерной обработки ВЧ;

построены математические зависимости изменения физико-механических характеристик по глубине поверхностного слоя ВЧ;

- разработан комплекс регрессионных зависимостей, позволяющий оценить работоспособность поршневых колец из ВЧ, упрочненных лазерной обработкой.

Практическая ценность.

1. Разработана методика, спроектирован и изготовлен и стенд для ускоренных испытаний деталей ЦПГ (втулка цилиндра - поршневое кольцо), с приближением к реальным условиям эксплуатации судовых ДВС

2. Даны практические рекомендации по выбору технологических режимов лазерной обработки поршневых колец изготовленных из высокопрочных чугунов в судоремонтном производстве.

3. Разработан технологический процесс лазерной термообработки поршневых колец применительно к действующему производству ООО «Метмаш» (ранее «Нижегородский Теплоход»), акт внедрения приводится в диссертации. Внедрение результатов диссертационной работы в производство позволит повысить ресурс деталей цилиндропоршневой группы СДВС, сократить потребность в запасных деталях

4. Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «ВГАВТ» и ГБОУ ВПО «НГИЭИ» при подготовке инженеров-механиков.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на 12-ом международном научно-практическом форуме "Великие реки' 2010" ( 18-21 мая 2010, г.Н.Новгород), научно-практической конференции студентов и молодых ученых Нижегородского государственного инженерно-экономического института (2009, 2010, 2011, 2012), международной научно-практической конференции "Инновационное развитие транспортпо-логистического комплекса Прикаспийского макрорегиона"(г. Астрахань, 23 мая 2013 г.), III международной научно-практической конференции "Проблемы транспортного обеспечения развития национальной экономики" (г. Пермь, 14 ноября 2013 г.), II международной научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные науки сегодня" (г. Москва, (9-20 декабря 2013), XII международной научно-практической конференции "Террия и практика современной пауки" (г.Москва, 29-30 декабря 2013 г), на кафедре «Эксплуатация судовых энергетических установок» ФГБОУ ВО ВГАВТ (г. Нижний Новгород), на кафедре «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» ФГБОУ ВПО АГТУ (г. Астрахань, 14 марта 2014 г.)

Личный вклад. В диссертации представлены результаты исследований, полученные автором самостоятельно.

Автору принадлежат:

- обоснование направления исследований и постановка цели и задач;

- проведение и систематизация теоретических исследований;

- планирование и проведение экспериментальных исследований;

- обобщение экспериментальных исследований, установление основных закономерностей исследуемых процессов.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных методов исследования структуры и свойств материалов, подтверждена значительным объемом экспериментальных данных. Результаты аналитических исследований получены с использованием методов математического анализа, математической теории планирования эксперимента, корреляционно-регрессионного анализа. Часть исследований проведена в специализированных лабораториях Волжской государственной академии водного транспорта и Нижегородского государственного технического университета. Достоверность результатов подтверждена промышленным апробированием разработанных технологических процессов, испытаниями приближенными к реальным, а также положительными решениями и рекомендациями по обсужденным докладам автора на конференциях.

Диссертация соответствует пунктам 1.18; 2.4; 2.5 специальности 05.08.04 «Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства» (технические науки).

Публикации по теме диссертации. Основные положения диссертации опубликованы в 23 печатных работах, из них 6 работы в изданиях, входящих в перечень ВАК, 3 патента РФ на полезную модель.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Содержит 134 страницы машинописного текста, включает 23 рисунка. Список библиографических источников содержит 124 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена актуальность работы, показана ее научная и практическая значимость, определены объект и предмет исследования, поставлены цели и задачи исследования, апробация результатов исследования.

В первой главе представлен анализ работоспособности поршневых колец судовых среднеоборотных двигателей внутреннего сгорания, аналитический обзор работоспособности деталей цилиндропоршневой группы, конструкторские средства и технологические методы повышения ресурса поршневых колец среднеоборотных дизелей. Проведен аналитический обзор литературы по лазерной обработке высокопрочного чугуна, определены цель и задачи исследования.

Прикладным проблемам трибологии и триботехники, которые являются актуальными и для деталей цилиндропоршневой группы посвящены работы Ю.М. Виноградова, Б.И. Костецкого, Н.М. Михина, Л.И. Погодаева, A.C. Прони-кова, Э.В. Рыжова, Д. Тейбора, М.М. Хрущева и др. Повышению эффективности ремонтного производства посвящены работы таких ученых как М.А. Елизавети-на, В.А. Кожевникова, H.H. Кондратьева, Н.Ф. Рукавишникова М.М. Тененбау-

ма, Л.С. Цеснек н др. Вопросы теории и практики повышения работоспособности деталей машин освещены в работах В.М. Андрияхина, В.Ф Большакова, Б.Б. Гембом, М.А. Григорьева, O.K. Зяблова, В.А. Скуднова.

Большое внимание деталям цилиндропоршневой группы в своих работах уделяют O.E. Андрусенко, С.Ю. Ефремов, Ю.И. Матвеев, П.П. Мордвинкип, Л.И. Погодаев, А.Н. Устинов, К. Энглиш.

Износ компрессионных поршневых колец характеризуется повышенным износом верхних колец, односторонним износом колец по высоте и, как правило, большим износом кольца относительно износа канавки. В процессе работы дизеля внутри поршневой канавки образуется нагар который защищает ее от износа, но ухудшает триботехнические свойства и увеличивает односторонний износ кольца по высоте. Ресурс поршневых колец судовых среднеоборотных дизелей (СОД) к настоящему времени составляет (7,5...8) тыс.ч. Причины повышенного износа ПК: электрохимическая коррозия, водородное изнашивание, абразивный износ. К основными мероприятиям по снижению износа поршневых колец можно отнести, прежде всего, совершенствование конструкции, а также выбор для деталей ЦПГ материалов с высоким уровнем физико-механических свойств. Важное значение имеет также износостойкость рабочих поверхностей этих деталей. Из рассмотренных вариантов повышения износостойкости деталей ЦПГ наиболее перспективным будет лазерное упрочнение рабочих поверхностей. В отличии от обычной термической обработки на поверхностных слоях деталей возможно получить уникальные свойства, которые будут находиться в зависимости от режима лазерной обработки и от типа лазерного луча. Исходя из этого были сформулированы цель и задачи комплексных исследований.

Во второй главе представлены оборудование и методы исследования поршневых колец судовых дизелей

В диссертационном исследовании лазерной обработке подвергали ПК для судовых среднеоборотных дизелей. Были выбраны ПК производства ООО «Метмаш», ОАО «ЯМЗ» и кольца изготавливаемые ОАО «РУМО».

Лазерную обработку ПК проводили на двух лазерных установках. Первая установка включает в себя твердотельный лазер ЛТН-103 мощностью до 500 Вт и станок с ЧПУ ТПК-125ВП, позволяющий изменять скорость лазерной обработки (V) от 1 до 12 мм/с. Вторая установка состоит|из комплекса «Комета-2» (СОг - лазер непрерывного действия) мощность которого изменялась от 500 до 1700 Вт, скорость лазерного излучения может изменится от 2 до 110 мм/с. Для того чтобы качественно оценить влияние лазерного луча на упрочнение поверхностей ПК были выбраны следующие параметры:

- микротвердость поверхности - HV;

- глубина зоны лазерного воздействия - h, мм;

- значение микротвсрдости по глубине обработки - /,мм;

- значение износа - 6, мм, мг;

- микроструктура в диапазоне регулируемых факторов;

- регулируемые факторы (скорость - V, мм/с; мощность лазерного излучения - Р, Вт).

Первый этап исследований был посвящен изучению антифрикционных свойств, а также износостойкости упрочненных 1 (К с помощью машины трения 2070 СМТ-1. Использовалась классическая схема нагружения исследуемых образцов. Верхние и нижние образцы иготавливались из разных материалов. Неподвижные образцы из материала поршневых колец (ВЧ 45-5), материал подвижных образцов СЧ25. При помощи термопары контролировали температуру в местах трения,применяя потенциометр ПСР-01. С помощью тен-зометрического узла измеряли силу трения. Перед началом испытаний проводили тарировку тензодатчиков. Смазочным материалом было моторное масло МЮВг. Диски-образцы шлифовались до Я*- (0.63...0.80) мкм, образцы-колодки шлифовались до Яа= (1,25... 1,60) мкм. Обазцы для исследований проходили приработку в течении полутора часов со скоростью скольжения 1,31 м/с под нагрузкой 2,5 МПа. Испытания проводились со ступенчатой нагрузкой в интервале от 1 до 10 МПа, промежуточное увеличение происходило с интервалом в 0,5 МПа. Скорости скольжения пар трения составляли (0,78; 1,31; 2,61) м/с.

Износостойкость образцов определялась по величине снижение их массы. Втечении 3 ч испытаний на образцы передавалось усилие равное 7,0 МПа, скорость сколжения образцов составляла 2,5 м/с. Взвешивание проводилось через каждый цикл испытаний. Измерения проводились на весах ВЛР-200.

Для пдготовки образцов к испытаниям их пропитывали моторным маслом МЮВг продолжительностью около 2 ч, температура масла составляла 150°С. После чего образцы промывали при помощи бензина с растворителем, а затем их сушили в электрической печи 10 минут с температурой 120°С. После чего проводили охлаждение образцов до комнатной температуры. Следующим этаном было взвешивание и исытание на износостойксть. После проведения испытаний оба образца взвешивали, предварительно промыв и высушив такимже образом.

Для второю этапа испытаний, приближенного к натурным, т.е. к судовым условиям работы деталей ЦИГ, определяли износостойкость материалов поршневых колец, обработанных лазером. Для выполнения этой задачи был спроектирован и изготовлен стенд, представляющий собой машину трения возвратно-поступательного действия рис.1.

Возвратно-поступательное движение осуществляется при помощи кри-вошипно-шатунного механизма, вращение на который передается от электродвигателя мощностью 7 кВт. Исследование проводили при различных частотах вращения коленчатого вала, используя редуктор. Приработку проводили в течении 3 ч. Общая длительность испытаний составляла 100 ч с интервалом в 25 ч. На рабочие поверхности подавалось масло М10В2 - штатной системой смазки. Контроль за температурой зоны трения исследуемых образцов, осуществлялась тер-

мопарами и составляла 90 °С. Для имитации нагрузки на поршневые кольца со стороны камеры сгорания подавался воздух под давлением 8 МПа.

Для проведения металлографических исследований использовали микроскопы МИМ-8, №ОРНОТ-32 и растровый электронный микроскоп РЭМ-200.

а) б)

Рисунок 1. - Машина трения возвратно-поступательного действия а) Схема экспериментальная установки: 1 - электродвигатель; 2 - редуктор четырехступенчатый; 3- редуктор двухступенчатый: 4 - кривошипно-шатунный механизм; 5 - цилиндр; 6 - поршень; 7 - манометр; 8 - невозвратный клапан; 9 - редукционный клапан; п1 .п2,п3.п4 - частота вращения; К - компрессор; Р - ресивер; 8 - ход поршня.

б) Экспериментальная установка:

1 - ДВС (ЯМЭ-236); 2 - электродвигатель; 3 - понижающий редуктор;

4 - четырехступенчатый редуктор С помощью «Дрон-2» определяли фазовый анализ методом ренттенов-ской дифрактометрии. В режимах постоянного ускорения регистрировали спектры на спектрометре, записывая их анализатором ЬР - 4840. Характер распределения химических элементов (Сг, Мп, С и др.) в зоне лазерной обработки высокопрочного чугуна ПК изучали на микрорентгеноепектральном анализаторе М8-46 (Сашеса) используя антиконгаминационное устройство. Микротвердость по упрочненным слоям определяли методом Викксрса. С целью точного определения механических характеристик микроструктуры поршневых колец из ВЧ были использованы устройства «1)иптеЪ> и ПМТ-3. Согласно ГОСТ 3443-77 определяли структурные составляющие высокопрочных чугунов ПК до и после лазерного упрочнения.

В третьей главе представлены результаты исследования лазерного термоупрочнения высокопрочных чугунов поршневых колец. Приведены теоретические основы лазерной обработки высокопрочных чугунов, влияние химического состава на механические свойства высокопрочных чугунов поршневых колец в зоне лазерного воздействия, взаимосвязи структур и свойств высокопрочных чугунов в зоне лазерного термоупрочнения, структурообразование высокопрочного чугуна в зоне лазерной обработки, а также исследования механических

свойств поршневых колец высокопрочного чугуна в зоне лазерного воздействия. Получены и проанализированы результаты ускоренных испытаний на износостойкость поршневых колец из высокопрочного чугуна.

Рентгенографическими исследованиями установлено, что по периферии в направлении отвода тепла кристаллизуется высокоуглеродистая фаза в виде крупных дендритов аустенита, а ближе к ядру расплава - аустенитно-цементная смесь (ледебурит). Структура упрочненного при лазерной обработке чугуна с шаровидным графитом представлена на рис.2.

Рисунок 2 - Структура зон лазерной обработки ВЧ(хбОО)

1 - оплавленный слой;

2 - полуоплавленный слой со структурой остаточного шаровидного графита;

3 - слой продуктов превращения в твердом состоянии;

4 - переходная прослойка.

После обработки лучем газового лазера микротвердость феррита повышается до 1 [V (250...275). Повышение твердости феррита, очевидно, обусловлено наличием большого количества дефектов, искажений тонкой структуры и напряжений, вызванных высокой скоростью охлаждения. Твердость аустснита достигает НУ (470...850), а твердость аустенитно-цементитной смеси достигает НУ (960... 1100). Как правило такие чугуны имеют в структуре составляющие перлит, ледебурит и цементит. Влияние термоциклирования на изменение твердости обработанного слоя и матрицы не однозначно и требует проведения дальнейших исследований. Оплавленная зона обладает наибольшей износостойкостью. Относительная толщина каждой зоны может регулироваться параметрами лазерной обработки. Отработка режимов лазерного упрочнения высокопрочного чугуна выполнена на образцах по различным режимам. Лазерная обработка чу-гунов с оплавлением поверхности приводит к растворению графита в расплаве, вследствие чего в зоне оплавления формируется структура отбеленного чугуна. Оплавленная прослойка обладает наибольшей износостойкостью, на втором месте прослойка продуктов превращения н твердом состоянии. Относительная толщина каждой прослойки может регулироваться параметрами лазерной обработки ВЧ. Лазерное оплавление ВЧ с поперечным перемещением луча приводит к повышению твердости и не вызывает растрескивание, причем увеличение твердости сложным образом зависит от скорости перемещения луча.

Наиболее выраженное влияние на микротвердость ВЧ имеет хром. Это объясняется увеличением содержанием углерода в поверхностных слоях чугуна

ПК (рис.3), приводящее к возникновению в зоне лазерного воздействия карбидов СГ3С2.

Наличие марганца концентрацией выше 0,9 % приводит к снижению микротвердости слоев зоны лазерного воздействия, пониженное содержание Мп так же приводит к снижению микротвердости.

ып»

VI

Рисунок 3 - Влияние углерода на микротвердость зоны лазерной обработки высокопрочного чугуна поршневых колец

1 - ЯГ "/(С) на глубине 0.07 мм;

2 - Н\'=/(С) на глубине 0,1 мм;

Определены закономерности влияния режимов лазерной обработки на свойства слоев чугунов Г1К. Ширина и глубина зоны лазерного воздействия уменьшается при увеличении скорости перемещения лазерного луча. Самое большое влияние режимов лазерного упрочнения оказывают на И зоны лазерного воздействия (рис.4). При снижении мощности лазерного луча и повышении скорости обработки в слоях зоны лазерного воздействия наблюдается снижение микротвердости. Стоит отметить, что микротвердость слоев зоны оплавления ВЧ ПК несколько снижается. Происходит это по причине увеличения концентрации остаточного аустенита при полном растворении графита в зоне оплавления, возникающей при этих режимах упрочнения. Вследствие снижения скорости охлаждения зоны оплавления происходит снижение наличия мартенсита, а при уменьшении углерода его количество увеличивается. Существенное влияние на микротвердость слоев зоны лазерного воздействия оказывает не только метод получения, но и структура заготовок поршневых колец.

, «35

Рисунок 4 - Влияние мощности лазерного излучения на глубину Изо и микротвердость НУ-Ю зоны оплавления при V = 4,5мм/с (СОг -лазер «Комета-2») Мтю. 2-НУзо

700 г.Вт »66 НОв

В процессе обработки СОг-лазером на режимах мощностью менее 500 В г и скоростью перемещения луча лазера менее 5 мм/с оплавление в зоне лазерного воз-

действия отсутствует. Тоже самое наблюдается и в процессе обработки лазером ЛТН-103. Однако, в структуре ВЧ наблюдается зона из твердой фазы глубиной около 0,25 мм. При скоростях обработки лазерным лучем от 1 до 2 мм/с и мощностью луча до Р=900 Вт на поверхностях ПК появляется зона оплавления с шероховатостью Ят= (100... 160 ) мкм, при этом лазерная дорожка неравномерна по ширине. Ширина и глубина зоны лазерного воздействия уменьшается при увеличении скорости перемещения лазерного луча. Самое большое влияние режимов лазерного упрочнения, оказывают на /? зоны лазерного воздействия.

Наиболее желанным условием для получения микроструктуры повышенной износостойкой, является понижение твердости поверхностных слоев зоны лазерного воздействия (рис.5). Из-за чего процесс прирабатывания материала поршневых колец будет осуществляться за меньшее время. Вместе с этим снижается трудоемкость процедуры притирания ПК после лазерного упрочнения. Рост износостойкости деталей ЦПГ обеспечивается постепенным выходом рабочих поверхностей, в ходе эксплуатации на слои, имеющие более высокую твёрдость.

Для получения графических зависимостей и математических взаимосвязей использовалась компьютерная программа для обработки статической информации 8ТАТОЯАРН1С8.

Рисунок 5 - Изменение микротвердости НУ по глубине "Г зоны лазерного воздействия

1 - У=8 мм/с, Р=1100 Вт;

2 - У=10 мм/с, Р=1100 Вт; 3- У=12 мм/с. Р=1100 Вт

На ее основе построены графические зависимости изменения микротвердости по глубине обработки (/) на разных режимах лазерного воздействия: Р - мощности излучения Вт, V- скорости движения луча (образца) мм/с, а также определение изменение глубины зоны лазерной обработки - Ь, мм и ширины - Ь, мм.

Результаты исследований износостойкости материалов ПК, обработанных лазерным приведены на рис. 6.

Установлено, что лазерная упрочнение существенно влияет на рост износостойкости поршневых колец, а так же приводит к снижению интенсивности износа внутренних поверхностей втулок цилиндров. Все это говорит о том, что чередование упрочненных дорожек со структурой белого чугуна и зон необработанного чугуна с включениями графита положительно отразится на долговечности и износостойкости деталей Ц1II, а именно поршневых кольцах и втулках цилиндров.

НУ.ЫП»

3000

5000

7000

5000

11000

Рисунок б - Износ упрочненных поршневых колец из ВЧ45-5 на испытательном стенде

1 -/ = 0,02 мм;

2 -7=0,07 мм;

3 -/ = 0,12 мм;

4 поверхность зоны оплавления

Исследованиями на машине трения установлено, что ПК обработанные лазером имеют более высокую износостойкость но сравнению с хромированными кольцами. Кроме того лазерное упрочнение ПК снижает износ ЦВ (рис. 7).

Установлено, что для того чтобы получить заданные физико-механические свойства поверхностных слоев поршневых колец СОД необходимо проводить лазерную обработку придерживаясь:

- для комплекса «Комета-2» рекомендуемая мощность луча от 950 до 1000 Вт, скорость перемещения луча от 4,5 до 6 мм/с;

- для твёрдотельного лазера ЛТН-103 рекомендуемая мощнос ть луча от 250

до 300 Вт, скорость перемещения луча от 6 до 13 мм/с.

Для получения регрессивных уравнений и взаимосвязей использовалась компьютерная профамма для обработки статической информации БТАТОЯАРШСБ Достоверность полученных уравнений подтверждена критерием Фишера (Р-критерием).

Рисунок 7 Износ образцов пар 8.г _ трения втулка-кольцо на машине

трения:

(1) - кольцо покрытое хромом в работе с ЦВ (СЧ25);

(2) - упрочненное ПК (ВЧ45-5) в работе с ЦВ (СЧ25);

(3) - ЦВ (СЧ25) при работе с хромированным поршневым кольцом;

т (4) - ЦВ (С.Ч25) при работе с упрочненным поршневым кольцом 'ВЧ45-5).

Построенные адекватные регрессивные уравнения можно использовать для прогнозирования результатов лазерной обработки чугунов ПК.

Уравнения регрессии процесса лазерной обработки пор! ювых колец: Микротвердость поверхности ЧНУп) и зоны лазерной тработ ки -(НУ ию): НУ„= 5210 - 8,524 Р + 0,00394 Р2 (1)

0,07 0.06 0.05 0.04 0,03 0.02 0.01 0 -

- ■ .........

10

20

30

40

50

60

НУ™- 4526 - 7,187- Р + 0,00341 • Р2 (2)

НУ,,- -951,7 + 462,1 V -г 28,9У2 (3)

НУзл<Г-678 + 415 У-24,9 V2 (4)

Изменение микротвердости НУ но глубине зоны лазерной обработки при различных режимах обработки: Р= 1100 Вт, У= 8 мм/с:

НУ= 1130,121 ехр(-2,930 /) (5)

Р=1100 Вт, У= 10 мм/с:

НУ= 740,022 + 2448,0717- 5296,389(6) Р= 1100 Вт, V- 12 мм/с:

НУ-828,130- 1975,899 /+ 1630,059 /2 (7)

Микротвердость поверхности: НУ„= 400,9 - 600,2 С + 338,8 81 + 862,57-Мп - 4706 8 - 2839 /^ + +2916 М§ + 0,5766 о.+37,88-5+ 1,543 НВ +3,88- Пп-0,5421-Р + +40,138 У + +866,5711 (8)

Ь= 0,3222 + 0,326 • 10'3 • Р - 0,03189 • V (9)

НУ„= 0,137-Р- 9,767-У + 1,9517-НВ- 64,267 (10)

Скорость движения лазерного луча -(V): у= -5,44 + 0,0164-Р - 9,52-Ь + 0,00549-НУп - 0,0064-НУ™ (11)

Мощность лазерного излучения (Р): Р- 333 + 61,2-У + 583-Ь - 0,336 НУ„ -Ю,393 НУ1„„ (12)

Глубина обработанного слоя: Ь= -0,572 + 0,00171 -Р- 0,105 • V + 0,00057■ НУП-0,000673 • 11Узло (13)

Глубина зоны лазерной обработки - (И): Ь — -9,77-10"2 +4,28-10"'-С - 3,84-10"'-81 -1,13 -10"'-Мп + 5,478-Б + +6,28 \<У[ Р + 2,28-М§ + 3,42- Ю"4-«!»- 1,81 • 10"2-5 - 3,744- Ю-'-НВ -+5,935- 10-3 Пп + 4,856- Ю^Р - 4,9-10"2-'У (14)

Полученные регрессионные уравнения увязывают параметры лазерной обработки с желаемыми характеристиками поршневых колец из ВЧ. Это позволяет рассчитывать и выбирать для лазерного упрочнения поршневых колец такие режимы, которые приведут к получению заданных физико-механических свойств.

В четвертой главе представлена технология лазерного упрочнения высокопрочных чугунов поршневых колец в судоремонтном производстве, дана технологическая подготовка лазерного термоупрочнения рабочих поверхностей ПК судовых дизелей, которая состоит из нескольких этапов: теоретическое обоснование применения лазерных технологий для обработки ПК и выполнение целого ряда исследований; практическое применение исследовательских результатов лазерного

упрочнения деталей в условиях лаборатории с разработкой опытной технологии ЛО для получения реальных закаленных образцов; проведение стендовых испытаний, приближенных к реальным условиям эксплуатации ПК; разработка производственной технологии для внедрения лазерной линии в действующие производство судоремонтных предприятий.

В процессе работы решали следующие задачи:

- первоначально для трущихся поверхностей ПК из ВЧ определяли режимы лазерного упрочнения;

- для лазерной закалки поверхностей ПК разрабатывался и выбирался рисунок армирующей поверхности;

- для передачи вращения поршневому кольцу' была спроектирована и изготовлена специализированная оснастка;

- было определено наиболее эффективное светопоглащающее покрытие для обрабатываемых поверхностей ПК лазерным лучем, а также способ его нанесения;

- для получения наибольшей производигельности лазерных комплексов были получены оптимальные режимы лазерной обработки.

Используя результаты испытаний поршневых колец на стенде возвратно-поступательного действия и машине трения установлено, что кольца упрочненные лазером но износостойкости превосходят хромированные и сульфоцианированные при одинаковой наработке. Поршневые кольца обработанные лазером по износостойкости превосходят ПК ОАО «ЯМЗ» и ООО «Метмаш» в 1,3 и 1,5 раза соответственно. При использовании технологических комплексов ЛТН-103 и «Комета-2» для лазерного упрочнения поверхностей ПК рекомендуется наносить лазерные дорожки по предложенной схеме рис. 8.

Рисунок 8 - а) Расположение лазерных дорожек на рабочей поверхности поршневых колец б) Форма кольца приобретенная в процессе эксплуатации в СДВС

Необходимо отметить, что для каждой плавки чугуна требуется корректировать технологические режимы лазерного упрочнения ПК с учетом химического состава, структуры и физико-механических свойств. Все эти данные получают

в

а)

б)

в центральной заводской лаборатории предприятия. На последнем этапе разрабатывалась производственная технология для внедрения лазерной линии в действующие производство рис.9.

Рисунок 9 - Алгоритм технологического процесса изготовления ПК СОД с внедрением лазерной линии в действующее производство

После лазерной обработки поверхности ПК охлаждаются на открытом воздухе. Далее проводят удаление светопоглощающих покрытий и осуществляют контроль поверхностей с лазерной обработкой. Какие либо дефекты на упрочненных поверхностях не допускаются. В конце процесса упрочнения рабочих поверхностей ПК проводится заключительная механическая обработка поверхностей. Поршневые кольца, в соответствии с действующим технологическим процессом на изготовление, подвергаются притирке.

Годовой экономический от использования лазерного комплекса «Комета-2 » для упрочнения поршневых колец судовых дизелей при программе в 2000 штук в условиях ООО «Метмаш» составляет 154000 руб. Следует отметить, что экономический эффект будет значительно выше, если учесть сокращение времени стоянки судов, при вынужденных простоях и экономию от снижения трудоемкости при выполнении судоремонтных работ, связанных с заменой поршневых колец при повышении их ресурса.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Основные результаты исследований сводятся к следующему:

1. Проведен аналитический обзор способов повышения износостойкости деталей цилиндропоршневой группы. Установлено, что наибольшее предпочтение следует уделять современным экологически безопасным ресурсосберегающим упрочняющим технологиям, позволяющим довести ресурс деталей цилиндропоршневой группы до нормативных значений. Особое внимание следует уделять методам локального термоупрочнения. I

2. Обоснована целесообразность лазерного термоупрочнения рабочих поверхностей поршневых колец из ВЧ судовых среднеоборотных ДВС для условий судоремонтного и дизелестроительного производства т.к. в отличии от других способах обработки в поверхностных слоях деталей возможно получить уникальные свойства, которые будут определяться в зависимости от режима лазерной обработки и от типа лазерного луча.

3. Получены математические зависимости (НУ =/(С, Сг, Мл, 8, 81), НУ = ДР, V), 8 = ЛР, НУ, V)), связывающие технологические режимы лазерной обработки с механическими свойствами и химическим составом ВЧ поршневых колец, позволяют определить и спрогнозировать изменение микротвердости в зоне лазерной обработки.

4. Построены регрессионные модели, позволяющие выбрать оптимальные режимы лазерной обработки рабочих поверхностей поршневых колец из ВЧ при минимизации износа пары трения: втулка цилиндра - поршневое кольцо. Минимальный износ сопряжения поршневое кольцо - втулка цилиндра наблюдается при твердости поверхности кольца НУ(6000...7500) МПа.

5. Разработана методика и изготовлен стенд-машина трения на базе двигателя ЯМЭ-236 для ускоренных испытаний деталей цилиндропоршневой группы с приближением к судовым условиям эксплуатации дизелей.

6. Выполнено экспериментальное исследование износостойкости поршневых колец с лазерной обработкой на лабораторном стенде и машине трения 2070 СМТ-1. Установлено, что по сравнению с серийными поршневыми кольцами производства ОАО «ЯМЗ» и ООО «Метмаш» износостойкость упрочненных колец повышается в ] ,3 и 1,5 раза соответственно.

7. Разработана оснастка и технология лазерного термоупрочнения поршневых колец из высокопрочного чугуна применительно к действующему ггроиз-водству ООО «Метмаш» (ранее «Нижегородский Теплоход»), Результаты дис-

сертационной работы приняты к внедрению на предприятии ООО «Метмаш». Годовой экономический эффект от использования лазерного комплекса «Комета-2 » для упрочнения поршневых колец из высокопрочного чугуна для условий ООО «Метмаш» составляет 154000 руб. Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «ВГАВТ» и ГБОУ ВПО «НГИЭИ» при подготовке инженеров-механиков.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Матвеев, Ю. И. Особенности лазерной обработки поршневых колец судовых среднеоборотных дизелей / Ю. И. Матвеев, С. С. Казаков // Вестник Астраханского государственного технического университета. Сер.: Морская техника и технология. - 2010. - № 2. С. 34-38.

2. Коченов, В. А. Конструирование приработанных трибосопряжений двигателей внутреннего сгорания / В. А. Коченов, С. С. Казаков // Вестник Астраханского государственного технического университета. Сер.: Морская техника и технология.-2010. - № 2. - С. 134-138.

3. Матвеев, Ю. И. Исследование износостойкости поршневых колец с лазерной обработкой на основании ускоренных испытаний / Ю. И. Матвеев, С. С. Казаков // Вестник Астраханского государственного технического университета. Сер.: Морская техника и технология. - 2011. - № 1. - С. 41 -44.

4. Коченов, В. А. Совершенствование методов экспериментального исследования работоспособности трибосопряжений цилиндропоршневой группы и способа измерения компрессии ДВС / В. А. Коченов, С. С. Казаков, В. В. Гоева, Н. Е. Гришин // Тракторы и сельхозмашины, 2012, №8. С. 40-41.

5. Коченов, В. А.Форсирование ДВС, модернизация производства, долговечность и износостойкость деталей / В. А. Коченов, С. С. Казаков, В. В. Гоева, Н. Е. Гришин//Тракторы и сельхозмашины, 2013, №13. С. 42-43.

6. Коченов, В.А. Зависимость долговечности и износостойкости трибосопряжений от формы поверхностей пары трения. Совершенствование измерения компрессии ДВС / В.А. Коченов, С.С. Казаков, В.В. Гоева, Н.Е. Гришин // Вестник машиностроения.: Проблемы трибологии - трения, изнашивания и смазки.- Москва, 2013-№8.С-34 36.

Публикации в других изданиях:

1. Казаков, С. С. Выбор режимов лазерного упрочнения чугунов поршневых колец судовых среднеоборотных дизелей на основании ускоренных испытаний трибосопряжения втулка цилиндра - поршневое кольцо / С. С. Казаков // Вестник НГИЭИ. - Княгинино. Сер.: Технические науки. - 2010 № 2. - С. 56- 60.

2. Казаков, С. С. Формирование структур серого чугуна в зоне лазерного воздействия / С. С. Казаков, Ю. И. Матвеев // Вестник НГИЭИ. - Княгинино. Сер.: Технические науки. - 2011 № 1. - С. 40- 53.

3. Казаков, С. С. Математические модели и взаимосвязи параметров процесса лазерной обработки высокопрочных чугунов поршневых колец / С. С. Казаков, Ю. И. Матвеев // Сборник материалов международной научно-практической конференции "Инновационное развитие транспортно-логистического комплекса Прикаспийского макрорегиона". - Астрахань. - 2013. - С. 188-185.

4. Коченов, В.А. Проектирование узлов скольжения двигателей внутреннего сгорания / В.А. Коченов, И.И. Черемохина, С.С. Казаков // Труды конгресса: Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. - H.H. - 2010. - С. 349 - 351.

5. Коченов, В.А. Развитие проектирования трибосопряжений двигателей внутреннего сгорания / В.А. Коченов, И.И. Черемохина, С.С. Казаков// Вестник НГИЭИ. - Княгинино. Сер.: Технические науки. - 2010 № 1. - С. 47- 52.

6. Матвеев, Ю.И. Влияние режимов лазерной обработки на физико-механические свойства серых чугунов / Ю.И. Матвеев, С.С. Казаков // Труды конгресса: Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. - H.H. - 2010. - С. 358 - 360.

7. Матвеев, Ю.И. Лазерные технологии в судовом машиностроении // Ю.И. Матвеев, С.С. Казаков // Труды конгресса: Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. - H.H. - 2010. - С. 360 - 362.

8. Матвеев, Ю.И. Повышение ресурса цилиндропоршневой группы среднеоборотных дизелей с использованием лазерной обработки поршневых колец в судоремонтном производстве / Ю.И. Матвеев, С.С. Казаков // Труды конгресса: Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. - H.H. - 2010. - С. 343 - 346.

9. Матвеев, Ю.И. Повышение эффективности лазерной обработки деталей судового энергетического оборудования / Ю.И. Матвеев, С.С. Казаков // Труды конгресса: Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. - H.H. - 2010. - С. 355 - 356.

10. Матвеев, Ю.И. Технологическая подготовка лазерного термоупрочнения рабочих поверхностей цилиндровых втулок и поршневых колец судовых дизелей / Ю.И. Матвеев, С.С. Казаков // Труды конгресса: Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. - H.H. - 2010. - С. 353 -354.

11. Казаков, С.С. Исследование влияния химических элементов на свойства высокопрочных чугунов поршневых колец судовых среднеоборотных дизелей, обработанных лазером / С.С. Казаков // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. - Н.Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ»,- 2013. - С. 158-163.

12.Казаков, С. С. Влияние химических элементов на свойства чугунов поршневых колец судовых среднеоборотных дизелей обработанных лазером / С.С. Казаков, К.Н. Сахно // Сборник материалов II международной научно-

практической конференции "Фундаментальные и прйкфще^алпмепдф". -М. - 2013. - С. 144 -156. 1 U Ü О I

13. Казаков, С. С. Износостойкость поршневых колец судовых дизелей после лазерного термоупрочнения / С.С. Казаков, Ю.И. Матвеев, К.Н. Сахно // Сборник материалов XII международной научно-практической конференции "Теория и практика современной науки", Том1 / Науч.- инф. издат. центр «Институт стратегических исследований». -Москва: Изд-во «Спецкнига», 2013. С.120 -123.

14. Kochenov, V. A. Life and Wear of Frictional Couplings and Improved Compression Measurements in Internal Combustion Engines / V.A. Kochenov, V.V. Goeva, N.E. Grishin, S.S. Kazakov // Russian Engineering Research, 2013, Vol. 33, No. 11, pp. 625-627.

15. Патент на полезную модель № 100142 РФ. Цилиндропоршневая группа / Коченов В.А., Матвеев Ю.И., Казаков С.С., Миронов Е.Б. // Опубл. 10.12.2010 Бюл. № 34.

16. Патент на полезную модель № 141300 РФ. Расширитель для измерения компрессии / Коченов В.А., Козлов A.B., Жамалов P.P., Казаков С.С. //Опубл. 29.05.2012. Бюл. № 15.

17. Патент на полезную модель № 141165 РФ. Цилиндропоршневая группа деталей / Коченов В.А., Гоева В.В., Гришин Н.Е., Казаков С.С. // Опубл. 27.05.2014. Бюл. № 15.

Подписано в печать 26.03.2015 Усл. печ. л. 1.00. Тираж 100 экз. Заказ 23.

Отпечатано в ИПЦ НГИЭУ с оригинал-макета 606340, Нижегородская обл., г. Княгинино ул. Октябпьмгя* 12а

2015676720

2015676720