автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Чугунные поршневые кольца непрерывно-циклического литья

'J ) -МИНИСТЕРСТВО П/ТЗА СООБЩЕНИЙ РФ

р Г (ВС£?03ЭД1СЬЖ НАУЧНО-ИССЛДДОВАТйЛЬСКИЛ ИНСТИТУТ ШтЗНОДОРОдНОГО ТРАНСПОРТА

• •":мпс; • •

На правах рукописи Српоакакоз Сергей Алексеевич

ч/г/явыз по?!.::1^з кольца неттшугцшичзскэго

ллтьл

Спь::гстз С5402.01 - «атерлалэгедокпо

"л^лкостм с :;:*";

(.транспорт.)

ДЗТОРЛ-^гА?

у

Работа выполнена во Всероссийском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследователь-ком институте железнодорожного транспорта

Научный руководитель доктор технических наук

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук

Ведущая организация

В.М.Асташкевич Всероссийский научно-исследовательский иь-т жельзно-дорожн. транспорта

A.Н.Минкевич Московский Государственный Университет путей сообщения

B.Г! Девяткин Всероссийский на-■ учно-исследователь— скгй ин-т железнодорожного транспорта ■

Оренбургский локоме тиворешгтный завод

Защита диссертации состоится " 9 " июня 1594 т.

10 часов на заседании 'Диссертационного Совета

Д 114.01,04. при Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта по адресу; 129851, Москва, 3-я !,!ш'ищинскаг. ул., 10 в кокфереиц-зале института

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке инсти,-тута.

•с"

ОЬ

Автореферат разослан Отзывы на автореферат в двух экземплярах, гззеренные ■'ербоБой печ&тьс, проси.! направлять б адрес Диесеотсциоц-ного Совета Д 114.01.04.к

Учений секретарь Диссертационного ¿о в г-а Д '114,01.0-'!. ' ^

Макдида? технических наук ^.'/¿'///уц

Г. И.Пены:ова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМ. Надежность тепловозного дизеля, его тех-нико-зкономнческие характеристики во многом зависят от работоспособности поршневых колец.

G увеличением удельной мощности, форсирования ABC необходимо постоянно позывать требования к материалу порзневых колец, его служебных характеристик. Чугун, как основной материал, используемый в настоящее зрокя для изготовления поршневых колец должен обеспечивать необходимую износостойкость, статическуэ и ццк-лнческуэ прочность, упругие свойства, сопротивление задиру :: термостойкость. , 1

Завода, рыпуокавщие порпневы-з кольца, в России и .^apyJeKOM кспользупт для дизелей с ди метром втулок цилиндров более 150 мм неохотные заготозкл отлитые в сухуз песчано-гланястую oopuv пли центробежный способом з облицованнуп аэдоаиицу*

Примекяемив методы имеют ряд существенных недостатков: малуй производительность, использований больз:« производственных плоца-

дзфиц:г:1'ах формоьсчлнх rt. стзрг.пегпх материалов, низкие еапхтгрво-г'отабвичезглв уелотруда» lipo':'-., того, каолоты, полученные r>r;:t.:;! метода::;-; .кие а? л:;теиЕ;:о дефекты резко снк.г.: -гдно Олгк-о-механкчеакзз свойства, лоркздчх колец.

Одним пу?о.1 ряаения чроблегд! аозаггенкя качества тагзгорок :: слу: зб ха~актернст;п: сторвцезах колец кокет быть пр'лйоа»аяе два «зготезген:» заготовок метода э гфс-рц^зо-цшсл и ч ео кого лить л • (ИЩИ),

Лгпо~во:г-2.кге НЦЛН, благодаря цкгекекзпнк окерозт".'.' охлазде-

ну.г. кзталла и бгагоарактикм узлов::.!!:-кристаллизации поз-

волит су;:".'зтг.-зи'ло снизить брак по лктеЛннм дезэкта::, получить г:гсо~}'5 дксглзгиссть ;:':;:рострукт}р:: л покоить ¡:ехики-

чсог:.» згсЛстгз norswrax колгц» Од.чако спзц:;фи"га::«э особенности злтдордевгплл. г^-алла up:: Kii.iK с^рлкате.::.;:^J влкякке

«г .panuTiccrsasse rpainTT-oi: (ази чугуна к его пгясссотсЯкосгь.

Ezy.a эт^лелогзш'Д г-сдагтагзт, что тгл.ч'.о сгтг;:.ч..з2ицг кого ссст-л~л " г:р::нец;:-;::э ко':плз;:о::сго модк^'нирэванич пс-;2зл..-зт получить ^c6w::i!iyo структуру чугуна ::аолст HUJ1H,

¡'ПС; Г-х'. /О ' .■-о.чл';ррсм1.т.!п'!. 3 разработке rrxKOjroru-rssnoro ссору-

•

дования, создании участков и доводко процесса Н4)Ш в промышленных условиях принимали участка Могилевский институт технологии металлов Академии наук. Беларуси;!, ПКТБ ¿ЛС Р^ по вагонам, работники Великолукского и Оренбургского Л?3.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Обоснование целесообразности выбора нетода непрерывно-циклического литья чугунных маслот намораживанием, обеспечивающего повышение надежности поршневых *олец тепловозных дизелей.

Для достижения поставленной цели были решены следуюние задачи.

I. изучена структура и свойства поринеьых колец, изготовленных из матлот различных методов литья.

1'.. .[соледогаь Похаьнзм действия комплексных кодификаторов на струхтурообразованив металлической основы к графитовой ^азы при внепочиой обработке жидкг "■о чугуна,

3. Лсследовако влияние комплексного кодифицирования чугуна на механическ .е и триботахничеекпе характеристики поршневых колец.

Изучена износостойкость, тонкая структура и химический состав поверхностных активных слоев на по раневых кольцах, изго-* товлеиных методой КЩБ, ' .

5. Разработаны методики к установки для оценки циклической прочности, остаточной деформации поршневых колец. .

б. Проведена оценки методов поверхностного упрочнения по,-пневых ..колец,

7, Проведены пкечлуагационные испытания поринзвих колец, • изготовленных методом нанораакванля в сравнении с традиционней летодои литья г. сухуг песча;;у& форму (СПГ4) и центробежным оаособок СЦЬ)»

Ь» Разработана технологические рекомендации и технические условия на маслохы дли поркчевцх колец, отливаемых методом НЦЛК'.

с'. Определена технлк.о-окономгческе : эффективность примеизная нового метода литья яазлот иоршнеинх колец тепловозных дизелей.

ЬАУЧ^л ИОБЛЗНА.

- Устаговлико влияние структурных составляющих мэталллчгс-'¡■'.оЛ оз'.юзы к гранита на механические свойства и износостойкость чугугог- пор':кчзых колец, изготовленных методом НЦЛН}

- зг.ервхс дч«5 теоретическое и экспериментальное обоснование г,р. .".енгкая «:;оаого чодэдпырояаяде для деткх чугунных загс-

товок поршневых колец;

- установлено влияние углеродного эквивалента на эффективность моди^мирозания комплексными модификаторами;

- исследовано влияние микроструктура «4 механических свойств ионно-плазменных покрытий на выносливости прочность и износс-стой. ость поршневых колец;

- разработана технологическая документация на отливку мао-лот для пориневых колец методом ПЩ;Н, обеспечивавцего получение чугуна высокого качества, уменьшение стоимости отливок, расхода ресурсов и загрязнения окружающей средн,

ЛРАКТЛЧцСаО£ ЗНАЧДШ

Разработка и опробован з производственных условия.-; Вслихо-лукского и Оренбургского ое юдов нозцй знсокопроиззодительный процесс непрериБно-аикличоского литья применительно к маелотаи для поршневых колец ич серого и высокопрочного ¡угунов.

Результаты научного анализа и зксплуатацнонны} испытаний явились основой для разработки технологического процесса и технических условий на отливку иаоло? методом НЦШ.

АПР05А4/а РАБОТЫ.

Озмоегоз материалы дкооортацкоккой работе долояоии и оСоук-лена на: ■ '

Отраслевой ¡юушо-тех шгческой кэвферекцял ?;элодых ученых и специалистов яедезнодорокнего транспорта (.чоскез,13ь4);

НаучйО'.^ехначесксй кс&^еренцик кафедр Омского института ин-:-:ене_.оз аелезнодорсавого транспорта (ОкокДЙА);

Научно-технической конференции "Соьерзсчствование технологии изготовлеш-я ы контроля, узлоз и деталей подзимнего состава" (Харьков, ХРЗс);

Республиканской коифзрсн"и:' "Под'^сенлз г.ь-честв^ непрерывно-» лигах заготовок и эффективности процзооа" (Могилев,1991);

Ьсевоизный научно-технической конференции ^Износостойкость ..впкн" (Брянск, 1991);

Научном семинара аПрсбло::у транспортного наториодовзденил" (;{с:ква, 1991,199-,;.

ПУВЛИКАЦЛЛ. материалы диссертации изложены е 9-тк научных статьях.

СТРУКТУРА Л 0БЪЦ.1 дЛСС-ОТАЦЛЛ. диссертация состоит из введения, / разделов, общих выводов, техникэ-эхономнческого обоснования.

Изложена на /> 0 страницах машинописного текста, содержит таблиц, ^ рисунка, список используемой литературы, включает <?5~ наименований,

С0ДЕР1£АШ1Е РАБОТЫ

30 ВЗд£5НаЛ обоснована актуальность выбранной теки, сфориули-рсзана цель и основные задачи исследования.

В ПаРЗОл РЛДЗЗ дай анализ условий работы поршкзгих колец и определены требования, предъявляемые к. эти;: оТЕетствянним деталяк. Показано, что :рг работе поракззые кольца тепловозных дизеле;: подвергаются гнахспсронсшшм нагрузка:*, у,,езьнак дазлзнлял и на-, греву до енооких гомператур. Сксдькен::е колец по зеркалу цилиндра часто происходит при частичном или полном отсутствии >.идкоГ: • смазкнг .воздействии продуктов сгорания топлива и абразивов.

3 особо тягзлых температурных и силовых условиях находится гзрхисс :-:0::г.рсссз10ШЮ0 кольцо, В стой зона цилиндра секпература колец достигает 250--300° С. именно здесь ргзааваигс.а хахеюдоь-нае уделькке давления и усиливается процесса кикооохгагаЕаккя псвзрхностей трения гольца п. втулки.

Слозиьыв условия рабогн определяй« требования кагоркаду ко раневых колец. К кли относятся: высокая износостойкость и за-даросгсйюеть, достаточная упругость, гасокгл статнчгояая и циклическая прочность. Иатериал аорзнозого кольца долг.ен обладать стабильность:.' Сизикс-механических свойств при поваленных температурах, йот кочолекг ьзаагезгазг.зиых сзоИста во многом определяет долговечность и надежность рабсти поршвзшх колец.

Получение колец с зисокши; служебным,: свойствах;: во многом зь^иент с.т качества материала в способа стлизхи заготовок.

ч.унд&чз1г?йдьазе работы по исследования из наливания похдае-

.¡алелнсстл работы деталей цПГ двигателей внутреннего сго-рячяя выполнены £,.4. Чумаковы«, Г.Рнкардо, Е. М.Ас-г&акевкчем, .• Л, Григорьевич, ;1.Б.Гурв<:чем., 'г.Н.Аьдонькання, „.Г.Вшьянбом

и. др. Лсследовакия показали, что наиболее рациональным материалом по антифрикционным свойствам, термической стабильности и технологичности являются чугуны с пластинчатым а глобулярным гранитом .

Покаэаьо, что повышение качества пср"кевих кольд из чугуна полностью неисчерпаио.

Важным резервом является получение дисперсной неталлической основы с оптимальной величиной, формой и распределением гранитовых включений. Это может быть достигнуто применением специальных методов литья с интенсивным охлаждением и внепечной обработкой жидкого чугуна модиушарузэдии дсеазкамч.

Нарубе-яные и отечественные предприятия успешно применяют индивидуальную л маслстнуо отливку для изготовления поринов-х колец. гыбир рационального метода литья определяется необходимыми служебными свойствам: материала» технико-зконс.-мчеокики ¿производительность, зхход годного нехалла) я экономкче^хнмн факторами.

Ha сормирозакпз необходимых свойств металла оказывает скорость охлагдеьия оглкзхл, легирование и обработка «одифацир/еща-¡¡л дсбгз^зх;:. В сгяз!. о эткп приведена хлаасисикацая различных иегодоэ лг.-гъя з за-нсимост;: . •„' геометрических разкероэ заготовок., оптииглькогэ соотнсзен'/Л л-згирупенх элементов.

Общепризнано, что налив.^дулльинм способом рационально изготовлять тпгэсевх:: не более 150 ми, что позволяет ма:.с.;::алько пользовать прзичудзгтва кн.-; пкцуалькогэ способа - относительно 2ысс:::!о смрост;: охлаг^де-;:;: гглигм: пра раэномз-рпо?: геллоохзодс в процесс- .'ср^сталлизацпп з сотке,

Маслитн с дагкегром 150 до '¿20 у.и, па;, правило* - стл^завг. цек-трсб :-аын споссэ:!. больших размеров пргкекякг стац;:-

онаписе литье л песаао-гллк;:32 и о

Анализ различгл;:: иетсдг-_. литья показал, что легирование чугуна осус,еотвлл;;т в зап!1,:::озт:1 от "азначь^ид дэрстезых колец, при этом немалоЕГлноз з?~чеклв им-зет ::cKcas;ve::s:i лнгья.

г ао с мог река особенное?:: техазлогаческ.'-х процессов получения заготовок .<слеа. Ярогяглкзярэьзт ¡гедостоп и ярзнмущзотга л-ь-» толов литья,

ОбсбцзЕне сантг производств;,. загототз;: для aop::!:ei:;x колод

::ыто seapspsbcrc литья иамора/^аннем, с; оснулпроь^ть ц-ль и опрелсл;:ть ¿ьдчч;. нселедозанп.-..

6.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассматриваются методические аспексы по' изучению физико-механических и триботехнических свойств чугуна поршневых колец. Представлены методики оценки усталостной прочности, остаточной деформации, термостойкости и износостойкости чугуна.

Исследованию подвергались серые и высокопрочные чугунв заготовок, изготовленные методами НЦЛН, СПГг и ЦЛ, а такке натурные поршевые кольца из серого и высокопрочного чугунов.

Изучение микроструктуры проводилось на оптических и электронных fiHKiocKonax» микрорельеф поверхностей трения, микростроение структурах составляющих матрицы чугуна и поверхностных слоев наследовали на растровом электронном микроскопе "Tesía BS-300".

Исследования фазового состава осуществлялись методом рентгеновской дилатометрия на установке ДРОН/ЗП в железном излучении.

шероховатость поверхностей натурных деталей и образцов поршневых колец оценивалась на профилометре модели 20i завода "Калибр". ...

Оценка усталостной прочности осуществлялась на специальной установке методом создания заданного номинального напряжения в кольце при знакопеременном цикле нагруяения. Испытания позволили изучить влияние качеств? металла'на усталостную прочность HüTjpunx поршневых колец.

Интенсивность изнашвания оценивалась потерей массы образцов в миллиграммах за !Ь0 и 100 часов работы машины. При испытании соблюдался принцип постоянного контртела, имеющего одинаковый химический состаз, механические свойства и микроструктуру. 3 ка-.естве контртела использовали образцы из чугуна вту.ок ци- ' ликдров.

Поверхности тренья образцов порлневах колец и втулок цилик- ' древ подвергали металлографическому, кикротвердоотному, иигеро-реьтгеноспектральному и рептгеноструктурному ап лизам.

Осгатснак деформация изучаль-ь на поршневых хольцах с использованием усганоЕХя, позволяющей имитировать удельные давления и зазор в замко при работе в дизеле.

' м.тодпкей испытания на теплоустойчивость предусматривался нагрев пог-неьых колец г. эталонных чугунных цилиндрических справках до ¿00. 2СО, 300, АС€, 5СС°С выдержкой .4 час. После

каждого цикла испытания определяли упругие свойства и'коэффициент сохранения упругости поршневых колец различных методов отливки.

Оценка износостойкости проводилась на лапине тр°ния МТВ-0 с возвратно-поступательным движением, ш итируащей характер взо-имоде '.ствия и изнашивания, наблюдаемые, в цилиндре дизеля. Условия испытания на этой машине позволяют получать результаты, хорошо коррелирующие с данными эксплуатации.

3 ТРЗТЬШ ГЛАЗЕ; изучено влияние химического состава и модифицирования на структурные превращения и свойства серого чугуна порзневкх колец.

Углерод и кремний яллявтея осиог>икки компонентами чугуна, которые способствуют.грашитизации, как при эвтектическом, так и при ззтектонднои превращен! 1х.

Показано, что с повышением содержания кремния сзыие 1,и углерода 3,0£ снижается прочность и твердость чугуна. Это вызвано образованием грубых графитовых включений, кац правило» веточного распределения ориентированных в видо сопрягающихся цепочек. Изменение строения матрица о повышением содержания углерода и креишгд характеризуемся укевьавгжем ее дисперсности и появлением структурно-свободного феррита.

Установлено, что погашение 2(С + й£) овияе 5,05 вызагас? постепенное увеличение количества графита в металлической основе чугуна и удлинение гргс::товых включений,, Выявлено, чти ом-зэнне 5Г(С пнхэ зизвзгог появление крупных включении

структурчо-олободного цементита и увеличение его количества дс ЦЮ, Ц25. С точки зреш:я получения оптимальной микроструктуры-чугуна порзнег:ас колец наиболее рационально иметь содержа«!!* уг-лер .да и кремния в пределах 4,6 - 5.0.2,

Легирупциэ элементы ( ¿т, , У2 , ¡'о, Оа. ) существенное влияние оказывают на дисперсность фаз матрицы, образованна слоеных карбидов и твердых раствороз, упрочдавдих чугун, В мэкызей степени ото отражается на размерах графитовых включений.

Отмечена суцуестззнкая разница з действии каждого гчемента на твердость а прочность чугуна. Общим, является повышение прочности и твердости. При увеличении концентрации злемектоз до определенного предела з структуре чугуна псязлязтся карбиды, за-трудЕ1ЛЕГ{е механическую обработку порлневих колец, .

ю.-

Исследования позболили определить рациональный уровень и соотношение легирующих элементов. Наиболее благоприятнее сочетание служебных свойств достигается при использовании £ к С X +//<■ ) и £40^ Мо + С"). Соотношение этих элементов в чугуне

поршневых колец долено находиться соответственно в пределах 1 Г 2,5 к I : 1,25 : 3 : 2,5. Оптимальное сочетание показателей механических своисте обеспечивается при сумме легирующих элементов от 2,чЯ* до 2,Ыь.

Пзуекие влияния обработки жидкого расплава различными добавками на структурообразсванпе в чугуне маслот позволило установить взаимосвязь эффективности модифицирования от исходного химического состава.

По результатам опытных плавок установлено, что ме^ду углеродным эквивалентом [ Со = С! + и,3 + Р^ и элективное .'ью мо~ дп^-лцирования существует определенная зависимость !).

Р.:с. 1. ¿лпяние углеродного эквивалента на твердость СКВ), члссгь ), и выносливость чугуна ко раневых колец.

и.

3 качестве критериев эффективности были приняты прочность и твердость чугуна. При ни:кои углеродной эквиваленте (.С ^ ¿,56,4^ кодифицирование не дает положительных результатов, т.е. чугун кристаллизуется белим, для второй зоны С С 2,56/1--3,2/а) характерно образование половинчатого чугуна. Наиболее эффективно модифицирование при углеродном эквиваленте от 3,2% до 3,5л', когда имеет место формирование мелкопластинчатоги графита разномерного распределения и однородного перлита.

Таким образок, химический состав чугуна для порскегих колец должен иметь сравнительно низкий углеродный эквивалент, пои которой модн'.-кцирусцие присадг..: обеспечивает благоприятные условия для кристаллизации чугуна с высоких!, механическими свойствами.

При рассмотрения различных теории па обработке :г/гко13 чугуна ноди^цчрувцанл аобавкан'« неми прздлокека гипотеза воздействия модификаторов на грдфитсо бра з оваш! з з чугуна. Она ос кодака на комплексной зллян:^ химических элементов (Ва, Са, Се), вхсд:-;;лнх в модификатор на механизм образования к роста гранитовой фазы,

5 первую очередь, вводимые ъ глдкий чугун кодификаторы, реагируя с окисло».: и газани образуют тугоплавкие иедкодпсперсиуо неметаллические включения, которые служат дополк::тэлы:^::л цект-раи:1 кристаллизации з процессе затвор,г^занна чугуна-. При о"Г'Ео:: охлдх'ерасплава, когда диффузия огратачзна во зрсие-пч, наличие больного количества центров имеет вогнео значение, ди?руп"иру:::,::Л углерод бег особого труда закрепляется !:а пов-р-хисст:: включения., теп саккм способствуя росту графитовой фазы»

Адсорбируюсь на поверхности яерастворзнкнх з расплаве грау-тов::х эклзчеа::Л, сера , а.кслсред, азот и др, пркос-танавлнвапг рост пластин, ,-езактизаруя их как зародив:» графитовой фазы. Модифицирован::: способствует полному или частичному устранению воздействия элементов, ппег--тствуг:г;их гвао;*тообраззвакип,

По-видимому, пемалогагнуг роль модифицируй::.: элемента:; следует отвеет:! в разблокирован!;:-: и атомов углерода от вредного

воздействия 0 , _// н Др:? этом повасается активности углеродных кош:.: ::ссэ в направлении образования новых граЧ'Чтов-х вилл-чокш: и их позледукцого роста.

Таким образом, граехтизирупцее модифицирование г^одктс:: икон-но воздействии на процессы зароздешш граачтових фгз, а на по-оледугки" процесс гранитизации влиявт благодаря сопрасон;:?) диффузионных путей и пом'ггаиио активности углерода •.

i2.

Изучено влияние различных добавок на микроетроение и механические свойства чугуна порииеаых колец. Отмечено, чт^ наиболее удачное сочетание .метростроения. металлической основы, гранита и механических свойств может быть получено при модифицировании снликобарием з комплексе с ферросилицием или силикокальцием. Установлено5 что СБа 30 имеет наибольшую длительность модифицирующего за.;а;:кта, который сохраняется после ввода модификатора в течение 25 мин. Позтому введение оилчкобария является нс-об :о-дзиы" для получения оптимального строения чугуна НЦйй.

Лучл/'-i результаты дает комплексное модифицирование; сочетание 0,15-0,2/» СБа 30 с 0,2% CK 30 или 0,1$ lC 30 Рол 30. Б зтом случаз достигается высокая однородность металлической основы: Л; ii^J,3--IUi.0,5. i ракитовые включения приобретают пластинчатую ¿ор-му с сравнительно небольшой величиной пластин длиноЛ 15-65 мкм и равп'омерным кеориентированнгч их расположением в матрице чугуна: ilTu-i; ЛГрХ; ПГд25-ПГд90.

4iT3£?YAi x'JL'üjА содержит результаты комплексного исследования качества чугунов маслом различных методов литья и оценки физико-механических свойств натурных пор'лневых колец.

Исследованием микростроекия серого чугуна маслот НЦ.Ш выявлен. пластинчатым грабит кисолько завихренной формы, Количество и длина зкличешй: умекьлаьтоя от наруянсй зоны к внутренней, а з зоне работы коилкезого кольца (.середина маслоты) кластнкы имеют длину ог 15 до 65 мкм; ЩЪХ; ПГдч5-ПГд90; IH'pi; ПГб. ддя катрлця серого чугунь. характерно перлитное строение с небольпим количество:» раз померил распределенного структурно-свободного цгисиА'кга: Пт£; П; йц0,5; Ц2; Цп20Ш.

Гранитовые включения прочного чугуна прл нкз^т

пароьздну* Чсрму с гагарой гдобудсй от 15 до ¿0 ущ - LiF¿-'¿, Кч-5; Ь\хМ5, !»Г6, :.з~алличес;:г.л ескэза прздстагллот toCo'.i мелкодисперсный перлит с аз?ельники со гл:одг,;н дх-лсче структурно-свободного -ул/.бнтпта и иьррисз. - Lri; !u*o; ЦН.

Оценка прочностных характеристик озлдог^льстзует с зтгс*'.са статпчеокой к устелостноГ: прочное?:! чугунов хаодот, изготовленных методом НцлН. .¿лагодаря дисперсное металлической основы и л г: . распределении, длнкь и количеству граилтопои чазч,

цроДйЛ грочыоотп при рлстяг:зкйа для серого чугуиа достигал

'¿,и, "л.1 в^зоксг.рочпсг;) - 7iU .Sa, Усталостная прочность с: сто ^.i."дл •. ü-iXh - IH5 дд.» H'iÄn}^ - НЯа.

Определены оптимальные соотношения размера графитовых значений, их распределение и количество ка упругие свойства серого и высокопрочного чугунов. Установлено, что на упругие характеристики порзневых колец: упругость, модуль упругостя и сстаточнуз) деформация оказывает влияние строение металлической основы - ее дисперсность и наличие структурно-свободного цементита и феррита.

Нанчучшими упругими свойствами обладали порзЕегне кольца из ЗЧХК-и, изготовленный методом намералнзания:

0. -- У О Н, ¡3 - кПа'Ю3 , еоот = 2,8^.

Уровень упругих свойств ?о много:: определяется -елитлиой зазора б свободном состоянии поранезого кольца, который обуславливается режимом термофиксации. 3 связи с отш-5 ярозздено исследование по влиянию различных ре-тииоз термической обработан при фиксации на yпpvгиe свойства порзнсзих колец. "ерей напряженное^;: заготовки кольца служила степень фиксации (К,,),. т.е. отношение фактической зелкчинц замка, полученной з результате тзрмофихса-ции к ширине сухаря на оправке. Когофлцлент лзу.экет'Я ггдхчииа зазора в замке в пределах 0,99-1,0 езндотр-зегзозг:: с почтя полном снятии напряге ник в заготовке кольца,

Рез^льтаты показали, что оптикальшт.'. реан^зи тозмофпхегцлн заготовок поршневых колец из СЧХИ при НЦШ б::ть пр:-:';:.1т з

интервале 550-55й°С. Для заготовок из высокопрочного чугуне, с-тст интервал находится з пределах

Установлено з.:::£к;:з нагрева на. стабильности упругих сзэ.'Ътз поршневых колец различных методов отливки. Показано, что резкое из не некие упругих свойств происходит при'''температура;: о дня г

Уменьзезпе уг:р;тсст:г пораяез:?;: колец лз-серого чугуна обусловлено дз/ул рлхаясацяаЗ папсггхеьиЯ ползучестью. Пен каггелэ до ¿СО00 доенндрупдп-л ягдязсся рела.чсгг;;:т, при позн~ оекля тьнлзратурн преобладает .язлзкиз ползучести.

долговечность натурных поршневых колец тесно связана с морфологией графита, их количеством, фзр.чей и рас-.ре-делением в натрлце чугуна. Пораневые кольца с разном*-,рным :•;■ неор.1е-чт::г.г.Еслгнк-' распределением гсафитодкх пластин, небо лх размерами (ПГд = 40-20 мгд<) к 'пдодадь: зклвче-шА (о =7,7 на - с:-:') -.тработали максимальное количество циклоз до разеуез-ния, иир'.х еаибсльЕуп усталостнуэ прочность.

В П1Т0Л ГЛАВЕ представлена результаты оценки стойкости к износу и задиру чугуна маолст, изготовленных различными методами литья и исследования тонкой структуры активных поверхностей трения.

Аз результатов испытания следует ¿таблица I), что ьаиболь-пеР. изиооостойкостью обладает чугун СЧХК непрерывно-циклической отливки с оптимальной микроструктурой: Hlyi; ПГд90; ПГрХ; Пт1; НДС, 5; £Эп20и0; ¿-Эр! и коханичаскик* свойствами: б"0 -320 .-.Па, НВ = 241*

Таблица 1

Результаты испытания на износ образцов порлнезых колец

Парка Метод Твгрдость. о^Лзпрс.,кг/1С0ч___ Сопрстиэле-

чугука лвгья НВ Кольцо втулка Hire задиру,

счхн сиг* 242 <=5,5 69,7 20,3

счхн кдн 247 51.-0 21,2

счхн д 235 53,0 74 „5 15,2

вчхнмд СПГО 26 9 45,6 62 ¿5 16,5

ьчищ нцлн 271 52,3 90, 2 17,9

Влсохопрочкий чугун с глобулярной формой графита, несмотря !~:а выссгл'.е характеристики механических свойств, не имгэт преимуществ в кзкосостойкосгк перед серым чугуном с плазтккчатой формой графита^ чго свидетельствует о вадной роли форны графитовых зкквчеки?. ка из паи: яванке чугуна.

Графит пластинчатой '¿.юрми в лучпоГ; стопок;, чем »срокуяшЛ, обсспсчквает фрикционный ..онтапт твердей смазкой, Образуглнеся ка поверхности разделянцлэ слои эффективнее предотвращает развитие крупных очагов адгезионного взаимодействия. Это пологецлс подтверждается результатами •. оценки задирсстойкоста трущихся пар ¿см, табл. I).

При испнтайидх выявлена большая износостойкость вцсокопроч-нсго чугуна иаслот, изготовленных в СПГэ, чем чугуна непрерывной отлнв;;и5 а тar.se невысокая прирабативаемость и стойкость ЕЧХН.Ч'* г. задпрообразаваккл.

;;икроструктург:нм анализом поверхностей треккя иоракесих коле:1 подтвержден механизм изнашивания деталей ЦЛГ тепловозных дизели;

за счит микроконтактного схватывания и абразивного воздействия продуктов износа.

Применяя методы рентгенографии, микрорентгеносп.ектрального анализов выявлена физическая и химическая неоднородность позерх-ностнкх слоев трения поршневых колец. Определены параметры тонкого строения активных приповерхностных слоев: микроискажения кристаллической решетки и изменения размеров блоков мозаики.

Оценка плотности дислокаций по глубине вторичных структур позволила выявить зоны разупрочнения у самой поверхности трения поршневых колец и на глубине 2-3 мкм о минимальной плотностью дислокаций,

пежду разупрочненными слоями находились слои вторичных структур с высоким уровнем плотности дислокаций. Это связано с воздействием процесса трения и цилиндровой срзды на поверхностные слои поршневых колец. Судя по значениям плотности дислокаций в металлической матрице чугуна различных методов литья, процессы кристаллизации отлизок оказа-л влияние на топку у структуру материала колец. Наибольшая плотность дислокаций н пэлкодксперсность фаз отмечена у колец ЫЦЯК.

Установлена химическая неоднородность прнг.овзр.снсстннх слоев на глубине до 2,5 мкм. Показано, что отклонения от базового химического состава имел:: марганец, хоом, никель, медь» Поверхностные слои, обогащенные зтими элементами, обладают повезенной твердость?) и износостойкость»,

В и СО ТОЛ ГЛА5Й! приведен сравнительный анализ эффективности применения методов поверхностного упрочнения лоряневых колец,

Исследованы хромовые гальванические' покрытия, получившие наибольшее распространение для упрочнения колец тепловознгх дизелей, Хромовые покрытия толщиной 195-200 мки, твердость?) 850— 1010 имел.: хорошее сцепление с основой чугуна. Анодным"травлением хрома в гальванической ванне получена пористость 2с-35;5 с глубиной каналов 20-30 мкм. Однородно^ строение хрома, зосга-течно высокая твердость, адгезионная прочность и износостойкость определяют надежную работу хромированных повааегых колец,

Сдндхо низкая производительность гальванического хромирования, потребность в больших производственных плоцадях и необходимое; :ь использования специальных очистных сооружений требует из:,--екания эко ".сгически чистых прогресснзннх._цро:десссв упрочнения пореневг : колец»

. • к,.

Изучена возможность использования для повышения износостойкости колец НЦЛН ионно-плазменных покрытий'.

Сущность метода ионно-плазиенного напыления состоит в катодном копарзнии в вакууме осажденного материала и переноса его в плазме на обрабатываемую поверхность поршневого кольца. Покрытие накосилось в 2 этапа. На первом этапе поверхность кольца очищается от окисних и адсорбированных пленок ионами осаждаемого материала. Одновременно поверхностные слои детали разогревается до требуемой температурь, что способствует активации поверхностей и развитие диффузионных процессов.

Ка втором этапе происходит осаждение покрытий при непрерывной бомбардировке конденсата. При этом энергия ионов снижается до уровня, сбеспечпвапдего создание покрытий с заданной структурой, фазовым составом и свойствами. Напыление осуществляли послойно,. Сг и СьЛг . В качества реакционных газов применяли Нр 5 к /, з различных соотношениях, а катодом использовали молибден.

Микроисследовакия показали, что ионно-плазменные покрытия представляет собой столбчатые кристаллы, растущие в направлении, обратном отводу тепла при конденсации, поэтому образует ка поверхности ячеистую структуру.

Исследованием поверхности поршневых колец с иокно-плазменны-ми покрытия;.:;: С?. , СО г -т Сь^) и {О-и^ + Сг-) установлено, что покрытии Сг. + С"/' имеет наиболее дисперсную, однороднудз

микроструктуру с наименьшим числом поверхностных дефектов,

¿рактографический анализ изломов поршневых колец'свидетельствует о белее высокой адгезионной прочности покрытия Сг, + Сг//".

Оценка параметров механических свойств (таблица 2) показала, ч'аО твердость и прочность ИПП вы^е, чем гальванического хрома. Высокий уровень показателей определяется микроструктурой, фазовым составом, степенью искажения кристаллической решетки к уровне к благоприятных напряжений.

Схикасщие напряжения, возжказцие в ионно-плазменных покрытиях оказывает пологктелькоз влияние'на прочностные свойства поршневых хслец.

Таблица 2.

механические свойства и износ образцов поршневых колец из B4XH;<UL с гальваническими и ионно-плазиенными покрытиями.

Покрытие

¡<!етод Толщина, Прочность

Твердость,

упрочнения мкм Н5С>

Износ, нк3,Ю~Э

ВЧХНкд без покр. - 565 360-430 29,4

СТ/ Л1Ш 12 609 920-1050 24,5

С -v/'f+Сг ипп 17 5ЬЗ 1160-1340 9 Л

С г- +СгУ ляп 18 699 1250-1470 7,2

С г. электролит. 54 406 850-1010 16,4

Анализ результатов испытания ка изнашивание на мапине трения Шкода-Сазика показал, что наибольшей сопротивляемостью истиранию обладает композиционное покрытие (Сг + СгУ) твердостью 12501470 H^q. Его износостойкость в 4,раза выше сопротивления износу кеупрочненного высокопрочного чугуна ЗЧХНМД и в 2,3 раза зыае износостойкости гальванического хрома.

Установлены достаточно высокие показатели упругих свойств париковых колец о нонно-плазме.нными покрытиями, что обеспечит им хоропув уплотняецуа способность в цилиндре двигателя.

В СЗдЬ.ЧОЛ ГМВВ представлены результаты реостатных испытаний и эксплуатационной проверки.пораневых колец, изготовленьях методом НШШ з сравнении с СПРИ? и

Лспитания, проведенные на тепловоза.* 2T3I0JI и дизель-поездах типа д?-1 показали удовлетворительную прирабатываем:сть опытных поранешх .;олец.к втулкам цилиндров. '

Контролируемые параметры, давление сжатия, температура выхлопных газов и модность дизелей находились з соответствии с установленными нормами.

окоплуатацнсиной проверкой работы порпиовых колец на дизель поезде установлено, что кольце» НЦЛН имели минимальней износ; падение упругости з свободном состоянии-на визе, чем ь сравнен:! о кольцами серийного производства; не имели поло"ок и повреждений поверхностей трения. ■/-'■'

.Оовидс-гельотАпчанив дизелей 10д10й-похазало, что изменению

а

ta

радиальной ширины колец в большей степени (на Ь-аОд,) подвержены кольцг, изготовленные серийным методом лить »..Средние значения износа для серийных колец составил 1Ü мкм на ДС^ км, а для опытных - 9 мкм на lo*4 ки. Одновременно осуществлялась оценка износостойкости втулок цилиндров. Установлено, что средни.' пзкос и овальность втулок, работавших в паре с опытными кольцами, находились на уровнэ средних значении интенсивности пзнаиизакня втулок с серийными кольцами.

Удельная расход топлива и касла за период эксплуатации дизеля ЮДЮО и дизель-поезда ДР-i не превнлал средних значений расхода топдизосмазэчных материалов в локомотивных депо Оренбург и Выборг.

ВОСЬМАЯ I'JiABA ооовяцона оценке экономической эффективности применения НЦЛН для изготовления маслот из серого и высокопрочного чугуков.

Технико-экономическая эффективность рассматриваемых в работе технологических репеннп складывается в повышении срока службы пор-невах колец к экономического эасекта от знедрекая ЕДИН ьза-меп Cíir¿.

Скинесиз себестоимости изготовления колец методом КцдН находит слое отражение в укевьзенак затрас на фермееочныз материалы» уменьшение припусков на механическую обработку, увеличение выхода годного металла, сокращение числа рабочих, сбслу;сивающнх технологический процесс отливки масло?. Кроме того, предлагаемый метод позволит повысить производительность труде., улучшить санитарно-гигиенические условия труда в литейеых цйхгх» что снизит заболеваемость рабочего персонала.

Техиико-з?.снэяичзекда зк-ект ст внедрения Hiüíí при производстве порлязвых колец днзоле2 типа ¿¿00 составит 226 tt¡c.¿yC. Л в дзка;: ÍS2Ü г.)«

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнены комплексные исследования по обоснованию выбора метода непрерывно-циклического литья маслот для порпнезкх колец тепл:возных дизелей, включающие: металлографический анализ, оценку износостойкости, физико-механических свойств, производственную и эксплуатационную проверку,,

2. Впервые для поргчевых колец непрерывно-циклической отливки наследовано злчяние комплексных модификаторов и легирующих элементов На строение металлической основы, графитовой фазы чугуна, Установлены оптимальнее соотношения элементов химического состава и модифицирующих добазск_, обеспечивающих повцаекиуз прочность и износостойкость колец»

3. Показано,, что наилучшей модифицирующей способностью и стабильностью действия обладает склихсбаркм в комплексе с сиди-кокальцием или PS'-í.

•iо Установлено, что серий чугун НШШ со структурой пластинчатого слегка завихренного графита (;!Гф1, ПГф2, ИГд^З) и однородней мелкозернистом перлитной металлической. секотч Ш» Пд0,3: 'ЗЗрх, '¿33) имеот показатели мекан-чесних слоиста вчпе, чем соркй чугун; изготовленный в СИГ--1, благодаря более дисперсной матрице и оптимальной морфологии гранита,

5, Оценка чзханичозкнх свойств гнсоьспрочпогэ комплекснолегм-зеванного хромом, никелем, лолибденом и медъв чугуна HüSIi показала. что оптимальна;! (:.орма и размеры графитовых зкл:зче;^й 0-Гф';, иГд-^З) с дисперсной перлитной матрицей (Пт17 HS?, ГШ,С: Ц-V) сбес-ночитаэт БЧХНЛД повыпзкне усталостной статической прочности на [G-15/о, 1

о. Лоследованы .изпко-мзханпчгекпе свойства натурных поршневых колеи гЫЛН. Установлено, что упругость колец H¿£ii на 20-30,^ 'ams, а остаточная деформация в л,1-1,25 раза жшз,. ч-зи на кольцах серийного производства,

7. Определены рациональные рс~имы термоаккоацки порлкезых колец. Для г. sporo чугуна принята температура в интервала f>50-5Üü°C, для лысокспронного чугуна ~ 6i0...630VC,

8. Сравнительные испытан;« ка мамиках vcohíui с зэзвиатнй-' поступательным движение:;, имитирующих характер взаимодействия и основной вид изнашивания ДЦПГ показывает, что чугун Н1ПК обладает на 1С-15;1 больсей износостойкостью и сссротнвлдо'постьп

задиру, нам материал колец, отлитых в СЛГ*.

S. Исследованием тонкой структуры материала поршневых колец, облитых методами НЦЕН, СПГ£ и ЦЛ установлено, что наибольшую плотность дислокаций и минимальные размеры блоков имеет чугун НЦЛН. Выявлена физическая и химическая неоднородность поверхностных слоев трения.

10. Изучена возможность использования ионно-плазм.'.нкого метода нанесения износостойких покрытий на поршневые кольца из высокопрочного чугуна ЩШ, как экологически чистого процесса.

Установлено, что ионао-плазмэнные покрытия Ci , (Сх + Сг$ и СОгМ+ Сг ) с ультрадиспероной ячеистой структурой обладает высокой твердостью, прочностьв оцепления с основным металлом поршневых колец и достаточно высокой стойкостью к износу,

Износостойкость компс зицаокныя покрытий (С7. + С"//) в 2,3 раза выше сопротивление износу гальванического хрома.

11. Эксплуатационными испытаниями на тепловозных дизелях IQiiOO и двигателях дизель-поездов ДР-I показано, что износостойкость порпнзвых колец, изготовленных из маслот непрерыЕно-циклнчсского литья, на 1.0-15% вылз колец серийного производства. Степень падения упругости колец в 1,1-1,3 раза конька аналогичных колец, полученных в CIIIN2.

12. Разработана технология, технические условия ц опробована ъ проьаллекнцх условиях Оренбургского локонотиворемонтного завода установка для литья заготовок поршневых колец методой НЦДН« Применение кепрорызно-циклнческого литья в серийном производств:, заготовок поршневых колец дизелей типа Д100 позволит существенно повысить производительность, выход годного металла до 90я, удучиить санитарно-гигиенические условия труда и даст годовой экономический эофект 226 тыс.руб. (в ценах J.&20 г.).

ОСНОВНОЕ СЦЦЕРЗАКИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО Б СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Асташкевич Б.М., Сапожников С.А,, Галль V.E., Дуков-скиЯ J1.U. Чугунные маслоты для поршневых колец, отлитые различными способами. // Литейное производство, 1963,№ 3, с. 26-27.

Р. Сапожников С.А. Исследование новых методов отливки заготовок поршневых колец тепловозных дизелей. Сб.трудов ВН'^ЗТ, Москва, 1984, с. 123-124.

3. сапожников С.А,, рауба A.A. Трубные заготовки поршневых колец для тепловозных дизелей. Сб.докладов научно-технической конференции кафедр Омского t/1*ST.-0mck, 19Э43с.?~3.

4. Асташкевич Б.М.,Сапожников С.А. , Бевза Ф.В.,"азько B.C. Получение чугунных заготовок поршневых колец методом намораживания // Литейное производство, 1988, ¡Pi,с.22—23.

5. Астагпкевич 3.!Л. , Сапожников С. А. Новые методы литья заготовок для поршгэвых колец тепловозных дизелей. Сборник научных трудоз ХиП'Та - Харькоз, 198S, с.27-32.

6. Сапожников С.А., Асташкевич Б.М. Нзпрорывнс-цикли-ческое литье заготовок для поршневых колец тепловозных дизелей /'/ Повышение качества непрерывно-литых заготовок и эффективности процесса. Сб.докладов республиканской конференции - Могилев, 1991, с. 31-32.'-- /

?. Сапожников С.А. Новый метод литья заготовок из высокопрочного чугуна для поршневых колец тепловозных д'*зелей, Вестник БКадг, П91, №2, с.29-30.

3. Асташкевич B.U., Сапожников С.А., Кондратьев н.С. 'Ьнно-плазмеиные покрытия-для поршневых колец.//üöcthvk ъШ^АГГ, 1991, №5, с.46-47.

9. дстагакевич Б.М. , Егондрат ьзв d.U., Сапожников С. А. Износостойкость кок-то зицпояных ионно-плазменных покрытий (1.1Г!) для' поршневых колец, '/зноссстойхость мэшин. Сборник докладов, т.П, Брянск, 1991, и.4-5. -