автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Диффузионное борохромирование как метод восстановления и упрочнения деталей топливной аппаратуры дизелей (на примере плунжерных пар топливных насосов типа УТН)

Московский ордена Трудового Красного Знамени институт инженеров сельскохозяйственного производства имени В.П.Горячкина

На правах рукописи

БОЛДИН Николай Иванович

УД1( 621.43.038.5-2.004.67

ДИФФУЗИОННОЕ БОРОХРОМИРОВАНИЕ КАК МЕТОД ВОССТАНОВЛЕНИЯ

И УПРОЧНЕНИЯ деТАЛЕЙ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДИЗЕЛЕЙ (НА ПРИ!,ЕРЕ ПЛУНЖЕРНЫХ ПАР ТОПЛИВНЫХ НАСОСОВ ТИПА УТН)

Специальность 05.20.03 - Эксплуатация, восстановление

и ремонт сельскохозяйственной техники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1991

И /

: ? / V.-"' V.' 1

Работа выполнена на кафедре ремонта и надежности машин Московского ордена Трудового Красного Знамени института инженеров сельскохозяйственного производства им.В.П.Горячкина и Ногинском ордена Октябрьской Революции заводе топливной аппаратуры имени 50-летия СССР.

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор БУГАЕВ В.Н.

доктор технических наук, профессор ПОЛЯЧЕНКО A.B.,

кандидат технических наук, доцент КЕРШМАНОВ Е.С.

Ведущее предприятие

- Министерство сельского хозяйства и продовольствия РСФСР.

Защита состоится

Ч-ii^it/1991 г. в -УЗ часов, на

заседании специализированной Ученого Совета К.120.12.03 Московского ордена Трудового Красного Знамени института инженеров сельскохозяйственного производства имени. В.П.Горячкина.

С диссератцией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 127550, Москва, И-550, ул.Тимирязевская, д.58, МИИСП, Учёный Совет.

Автореферат разослан сС^/^Аг/' 1991 г.

Ученый секретарь *

специализированного Совета .

кандидат экономических //

наук, доцент ^^г^'л'/у.-г^Ч'- В.И.Осинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективность использования дизелей в . сельском хозяйстве во многом определяется уровнем надежности топливной аппаратуры.

В настоящее время недостаточная надежность и низкий уровень эксплуатации топливных насосов высокого давления типа УТИ вызывают высокие затраты на их обслуживание и ремонт.

Большая доля отказов топливных насосов приходится на прецизионные элементы, в том числе до 30% на плунжерные пары. По данным Ногинского завода топливной аппаратуры, ресурс новой пари находится на уровне 6...8 тыс. мото-ч, В условиях рядовой эксплуатации он составляет 2...4 тыс.мото-ч, что вынуждает завод изготовитель ежегодно поставлять в запчасти до 1,5 млн плунжерных пар.

Невысокий ресурс плунжерной пары обусловлен низкой износостойкостью ее деталей в абразивных и коррозионных средах.

Актуальность темы отражена в поставленной перед машиностроением задаче увеличения ресурса топливных насосов типа УТН до 12...14 тыс.мото-ч. Достичь намеченного уровня можно путем минимизации абразивной формы изнашивания прецизионных деталей, что осуществимо применением методов диффузионной металлизации'как при их изготовлении, так и при восстановлении.

Применяемый метод должен обеспечивать толщину наращиваемого слоя, достаточную для компенсации совокупного износа деталей плунжерной пары и припусков на последующую механическую обработку.

В настоящей работе эта задача решена разработкой технологического процесса газофазного диффузионного борохромирования, принятого для восстановления и упрочнения плунжерных пар топливных насосов .типа УТН.

Цель работы - исследовать возможность восстановления и упрочнения плунжерных пар топливных насосов типа УТН диффузионным борохромированием.

Объект исследований -'Плунжерные пары топливных насосов УТН-5 и 4УТНМ.

Общая методика исследований включает анализ отказов топливных насосов, изучение характера и механизма изнашивания плунжерных пар с обработкой статистической информации на ЭВМ; оценку применяемых способов восстановления и упрочнения прецизионных

пар, анализ путей увеличения толщины диффузионного слоя и величины приращения линейных размеров деталей с обоснованием предлагаемого способа; теоретический анализ механизма фрикционных связей в системе "деталь-абразив-детзль" и обоснование возможности повышения ресурса плунжерной пары упрочнением одной детали; опытно-промышленную проверку Метода упрочнения плунжерных пар; теоретическое обоснование возможности получения комплексных диффузионных покрытий на стальных изделиях при борохромиро-вании; разработку состаба порошковой смеси для комплексного насыщения и отработку режимов борохромирования; исследование физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств восстановленных деталей; разработку технологического процесса восстановления плунжерных пар борохромированием и его технико-экономическую оценку.

Научная новизна. Для восстановления и упрочнения плунжерных пар применен новый способ диффузионного борохромирования. Разработан новый состав насыщающей смеси (положительное решение по заявке № 4860743/2). для одновременного борохромирования из порошков, обеспечивающий достаточную толщину диффузионного слоя.

Доказана возможность повышения ресурса плунжерной пары до 12 тыс.мото-ч упрочнением одной детали.

Практическая ценность работы. Разработан технологический процесс газофазного диффузионного борохромирования, позволяющий восстанавливать весь объем ремфонда"плунжерных пар топливных насосов типа УГН наращиванием плунжеров и обработкой втулок под ремонтный размер с повышением из послеремонтного ресурса до 12 тыс. моТо-ч.

Предложен состав.насыщающей смеси и режимы борохромирования изделий ИЗ сталей 45, ХВГ, 111X15, I8X2H4BA, У8А, ЗОХГСА, 25Х5МА, PI8. '

Реализация результатов исследований. Разработанный технологический процесс принят к внедрению ПО "Ногинский завод топливной аппаратуры" для восстановления и упрочнения плунжерных пар топливных насосов УТН-5 и 4УТНМ.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на:

- научных конференциях профессорско—преподавательского состава, научных работников и аспирантов Московского ордена Трудового Красного Знамени института инженеров сельскохозяйственного производства имени В.П.Горячкина в 1988...1990 гг;

- УШ научно-лрактической конференции молодых ученых и специалистов "Вклад молодых ученых и специалистов в научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве" (4-6 апреля 1989 г., г.Оренбург);

- научно-технической конференции "Пути повышения качества машиностроительной продукции" (13-14 июня 1989 г., г.Саранск, Мордовская АССР);

- областной научно-технической конференции "Методы и средства повышения надежности машиностроительных изделий" (25-26 декабря 1989 г., г.Саранск,Мордовская АССР);

- заседании кафедры ремонта и надежности машин МИИСП имени В.П.Горячкина в декабре 1990 г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в семи статьях и двух отчетах по научно-исследовательской работе, зарегистрированных в ЦЕНТИ. Получено одно положительное решение на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных литературных источников и приложений. Изложена на 243 страницах машиносписного текста, содержит 67 рисунков, 33 таблицы, библиографию из 119 наименований и 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ • I. Состояние вопроса и задачи исследования.

Имеющиеся исследования по надежности дизельной топливной аппаратуры и анализ отказов топливных насосов типа УТН показывают, что основной причиной снижения их ресурса является недостаточная .долговечность плунжерных пар, подверженных механохимическому абразивному изнашиванию.

В работах В.Н.Бугаева, К.А.Ачкасова, Ю.В.Мазаева, В.З.Сергеева, Б.А.Богачепа, А.Г.Гусейнова и др. доказана принципиальная возможность повышения ресурса прецизионных пар топливной аппаратуры при восстановлении их диффузионной металлизацией. Нанесение высокотвердых диффузионных покрытий на поверхности деталей способствует переходу изнашивйЪцего воздействия абразива из области пластического передеформирования к упругому оттеснению материала. В результате ресурс восстановленных плунжерных пар повышается в два раза по сравнению с новыми. '

По данным У.М.Тененбаума минимизировать абразивную форму изнашивания можно увеличением твердости одной из сопрягаемых де-

талей выше твердости кварцевого абразива. Повышение ресурса рассматриваемого узла упрочнением одной детали позволило бы сократить затраты на диффузионную металлизацию и механическую обработку при восстановлении. Однако, для компенсации совокупного износа плунжерной пары за счет наращивания одной детали и гарантирования достаточного припуска на последующую механическую обработку»применяемый метод должен обеспечивать приращение линейных размеров деталей не менее 100___НО мкм при общей толщине диффузионного слоя 100...120 мкм на сторону.

Получение покрытий с требуемыми характеристиками возможно при комплексном насыщении двумя или несколькими элементами.

Анализ существующих методов комплексного насыщения показал, что достаточная толщина покрытия.достигается диффузионным боро-хромированием стальных изделий. Однако вопрос :о возможности применения газофазного борохромирования для восстановления деталей топливной аппаратуры -дизелей до настоящей ¡работы рассмотрен не был.

Исходя, из вышеизложенного, в работе были'поставлены следующие задачи:

- теоретически 'обосновать и экспериментально доказать возможность повышения ресурса 'плунжерной пары золотникового типа до 12 тыс.мото-ч диффузионной металлизацией одной из ее деталей;

- исследовать возможность диффузионного борохромирования как метода восстановления плунжерных пар и разработать состав порошковой смеси для (комплексного насыщения плунжеров бором и хромом;

- исследовать 'влияние состава насыщающей смеси и режимов борохромирования на изменение линейных размеров деталей и толщины износостойкого покрытия, а также на фцрико-механические, эксплуатационные и другие свойства комплексных диффузионных покрытий;

- провести ускоренные стендовые и эксплуатационные испытания топливных насосов с плунжерными парами, восстановленными диффузионным борохромированием плунжеров;

- дать технико-экономическую оценку метода восстановления и разработать рекомендации производству

2. Теоретические предпосылки к вопросу восстановления и упрочнения плунжерных пар.

С целью установления возможности повмпения ресурса плунжер-

ной пары был проведен теоретический анализ механизма фрикционных связей в системе "деталь-абразив-деталь". Установлено, что в схеме (Д^-А^), соответствующей серийному варианту комплектации, при равной твердости деталей ^ = Н2, разрушение защемленного абразивного зерна происходит одновременно б контакте его с обеими деталями по достижению напряжениями в зо-

нах контакта критической для данной марки абразива величины

^а) . Величина нагрузки Ркр на абразивное зерно радиуса К. к моменту его разрушения в этом случае может быть определена из выражения

Ркр. - ^т

Н

(I)

Замена детали Д^ в серийной схеме на упрочненную деталь Дд

(Н3> Н£ в схеме Дд-А-Д^) способствует переконцентрации контактных напряжений. Согласно теории упругости Герца, скорость роста напряжений в зоне контакта шарового индентора. с более твердой деталью Дд будет значительно выше, чем в контакте с неупрочнен-. ной деталью Д^. Увеличение концентрации напряжений в контакте абразивной частицы с более твердой поверхностью сопровождается ее разрушением со стороны детали Дд при меньшей 'нагрузке Ркр!, как показано на рис. I.

В момент разрушения абразивного зерна со стороны твердой поверхности детали Дд, напряжения в зоне контакта его с деталью Д2 будут ниже критических фа), следовательно величина разрушающей нагрузки в этой схеме определяется твердостью упрочненной детали и может быть выражена соотношением

Рис.

I. Схема зависимости величины контактных напряжений б и разрушающей нагрузки Ркр от твердости сопрягаемых деталей

ри1.

Снижение нагрузки к моменту разрушения абразивного зерна во второй схеме контакта очевидно будет сопровождаться уменьшением глубины его внедрения IV в неупрочненную деталь Для приближенных расчетов глубины внедрения абразивного зерна в деформируемую поверхность М.М.Тененбаум предлагает пользоваться формулой

Ь--Ркр .„ . (3)

С целью определения глубины'внедрения абразивной частицы в поверхность детали Д£ в первой и во второй схемах контакта

»ЬЧ )» подстевим поочередно в формулу (3) зависимости (I) и (2), получим

Н1Н1 НзНо.

При совместном решении уравнений (4) и (5) получим соотношение , Пи

Ьа_ж, (б) , или-Ь^Иа-гг • (7)

"ЯГ" Из "

Формула (7) демонстрирует относительное снижение глубины знедрения абразивного зерна в поверхность неупрочненной детали при повышении твердости сопрягаемой с нею поверхности.

Учитывая, что при абразивном изнашивании, сопровождающемся микрорезанмэм или пластическим передеформйрованием материала деталей, величина их износа (И) прямопропорциональна глубине внедрения в их поверхности абразивного зерна, справедливой будет запись

Иа-Иа• ев)

Полагая, что работоспособность плунжерной пары определяется степенью износа ее деталей, исходя из формул.I (8) можно записать

где Ту и Тс - соответственно ресурс упрочненной и серийной плунжерных пар;

Ну и Не - поверхностная твердость упрочненных и серийных деталей.

Решением зависимости (9) относительно плунжерной пары топливного насоса типа УТН, при известном ресурсе и твердости деталей в серийном исполнении, установлено, что повышение ее ресурса до 12 тыс.што-ч возможно при увеличении твердости одной из деталей до 16 ГЛа. Требуемая твердость обеспечивается методами диффузионного насыщения стальных изделий, в том числе и борохромированием.

Анализом химических реакций, протекающих в реакционном пространстве контейнера при газофазном борохромировании, установлено, что при насыщении из порошкобых смесей, содержащих карбид бора (З^С), буру С Л/а£В^07), хром (Сг ), активатор (КР) и оксид алюминия (А?йОз), по достижению.темпйратуры 850...950°С в контейнере активно происходят процессы термической диссоциации буры и окисления карбида бора по известным реакциям. Образование при этом фаз В*", ВРд, В£0д способствует тому, что коэффициент массопереносэ атомов бора при этчх температурах значительно превышает коэффициент его диффузии в насыщаемую поверхность. Уравнение диффузии в таких случаях решается при'граничных •условиях'первого рода, а лимитирующей стадией насыщения является диффузия бора.'

Образование галлогенидов второго насыщающего элемента -хрома, при наличии в реакционном пространстве активатора и кис-.лорода, возможно по реакции

ЗСг+ЯКР + ЕОг -1°с + км0а. СгГг+КеО + СггОз (га)

Как видно из уравнения СЮ), реакция разложения металлического хрома сопровождается образованием термостойкого оксида ( 0*203 )> который является своеобразным ингибитором процесса хромирования, связывая атомы насыщающего-элемента. Вследствие' этого концентрация атомов хрома на насыщаемой поверхности' мала и лимитирующей стадией процесса является их массоперенос к поверхности.

Для восстановления оксида хрома предложено в насыщающую смесь вводить цинк, что при температуре 900...950°С может способствовать протеканию реакции

CrjOs + iZn Hn20!5+ . (Ш

Повышение в реакционном пространстве концентрации атомов хрома, образующихся по реакциям (10) и (II)', служит предпосылкой к увеличению толщины наращиваемого слоя и образованию в диффузионном покрытии на стальных изделиях сложных боридов железа и хрома типа (Fe,Cr ){6 , (Fe,Cr)ft, (Cr,F,e Jgft, С Cr^Fe)6, обладающих высокими физико-механическими качествами.

3. Программа и методика экспериментальных исследований.

Исследование топографии износа деталей плунжерных пар производили .с помощью оптических систем приборов ПМТ-ЗМ и МБС-1. Для измерения величины местного износа на торцах плунжеров использовали переоборудованный оптикатор модели 02П с точностью измерений 0,0002 мм. Местный износ у впускных и перепускных окон втулок измеряли прибором ЦКИТА 8243 с точностью до 0,00025мм. Шероховатость поверхности деталей исследовали з соответствии с . ГОСТ 2789-73 по параметрам К ft и Rz с помощью профилографа-про-филометра модели 253 завода "Калибр". Контроль размеров цилиндров плунжеров и отклонение их от заданной геометрической формы осуществляли на оптикаторе 0П286 с ценой деления 0,0002 мм. Линейные размеры опытных деталей и контрольных образцов определяли с помощью рычажной скобы CP 0-25 с.точностью до 0,002 мм. Размеры, конусообразность и овальность втулок оценивали на ротаметре Е 92IA, кривизну осей отверстий - на приборе ЦНИТА 92I27-I. Измерение высоты плунжеров и величины износа уплотнительных торцов втулок производили на стойке с индикаторной головкой IK (Г0СТ-18833-73) с ценой деления 0,001 мм. Макрогеометрию прецизионных поверхностей деталей плунжерных парчдо и после ускоренных испытаний, а также'.в процессе механической обработки контролировали с помощью прибора " ТАШОА/Д".

Упрочнение опытно-промышленной партии плунжерных пар диффузионным хромированием в вакууме проводили на промышленной вакуумной установке " ГР5ЕА/ " при остаточном давлении в нагревательной камере не выше 1,33-Ю-^ Тогг . Детали устанавливали в контейнеры из листовой стали в вертикальном положении. При упаковке контейнеров, порошок хрома X 97 (ГОСТ 5905-"9) с грануляцией 0,4...О,6 мм засыпали в отверстия втулок, контейнеры с плунжерами засыпались хромом полностью.

Диффузионное борохромирование осуществляли газофазным мето-

дом на шахтной лабораторной установке СШОЛ-IЛ,6/12-МЗ в окислительной атмосфере. Исходными материалами для насыщающих смесей служили порошок хрома X 97 (ГОСТ 5905-79) с фракцией 0,07...О,2 мм, порошок шлифовальный из карбида бора В^С марки ЗН(ТУ2-036-879-81), бура ^а2В407(Г0СТ 4199-76), порошок цинка ПЦ-2 (ГОСТ 12601-76), фтористый калий КРСГОСТ 20848-75), оксид алюминия Al203(ГОСТ 813676). Перед смешиванием компоненты просушивали и взвешивали согласно процентному содержанию в смеси. Натурные детали плунжерных пар и образцы-свидеуели из сталей 45, ХВГ, 111X15, ЗОХГСА, У8А.18Х2Н4ВА, 25Х5МА, PI8 упаковывали в контейнеры из жаропрочной стали, которые герметизировали плавким затвором. Температуру борохромирова-ния варьировали в пределах 950...1050°С при времени выдержки 2...6 ч.

Металлографические исследования деталей и образцов проводили на микрошлифах с помощью микротвердомера ПМГ-ЗМ и металлографических микроскопов 9ИМ-8 и МИМ-9. 1.

Твердость замеряли на твердомере TKCM-IM по ГОСТ 9013-79, а микротвердость - на микротвердомере ПМГ-ЗМ по ГОСТ 9450-76.

Фазовый состав покрытий изучали на установке УРС-70 фотографическим методом. Распределение элементов по глубине диффузионного слоя исследовали на растровом электронном микроскопе "CnmScun" фирмы " AlnfeSYST Ens ».

Хрупкость диффузионных покрытий определяли нз приборе ПМГ-ЗМ посредством вдавливания алмазной пирамиды при нагрузках 0,981... 4,905 Н.

Коррозионную стойкость деталей исследовали по ГОСТ 9.041-74 при повышенных значениях температуры (40°С) и относительной влажности (95...100%) с периодической конденсацией влаги на образцах.

Испытания комплексных диффузионных покрытий на »износостойкость проводили на машине трения СМЦ-2 по схеме "ролик-колодка" согласно ГОСТ 23.224-86. .

Механическую обработку деталей плунжерных йар производили на серийном оборудовании НЗТА с использованием абразивных паст из. синтетических алмазов, эльбора и карбида титана.

Ускоренные испытания топливных насосов с опытными плунжерными парами проводили на вибродинамическом стенде модели ЩИТА 5I3I9 в соответствии с ОСТ 23.1.364-81 (коэфффициент ускорения 100) в режиме дизеля Д-240. Контроль параметров испытываемых насосов и их периодическую подрегулировку осуществляли fi стенде

» МОТОР РА Ь "Л/С 100.

Эксплуатационные испытания топливных насосов 4УТНМ и УТН-5 с восстановленными плунжерными парами проводили на транспортных и сельскохозяйственных работах в условиях Оренбургской и Терно-< польской областей.

Статистическую информацию обрабатывали методами теории вероятности и математической статистики с использованием ЭВМ "Электроника ДЗ-28".

Экономическую эффективность предлагаемых мероприятий рассчитывали по методике АН СССР в соответствии с рекомендациями кафедры "Экономика и организация сельскохозяйственного производства" МИИСП им. В.П.Горячкина.

4. Результаты экспериментальных исследований.

Исследования топографии износа плунжерных пар-ТНВД типа УТН показали, что в результате мехянохимического воздействия абразива местный износ в нагнетательной части плунжеров достигает 21,6 мкм, втулок - 18 мкм.

Оптимальные режимы парофазного хромирования в вакууме на промышленной установке "IPSiN " (для плунжеров Т = 1200°С, Т= 8 ч; для втулок Т = II70°C, Т = 8 ч) обеспечивают приращение линейных размеров деталей на 40...60 мкм при толщине диффузионно- . го покрытия 25.'. .35 мкм.

Увеличение толщины диффузионного покрытия до 170 мкм достигается газофазным борированием из порошковой смеси состава,мае.: 44% в4с+ 6% а/ а^В^Оу+Ж KF+47$ atgog при температуре насыщения Ю00°С и времени выдержки 4 ч. Однако, при значительной хрупкости боридного покрытия, толщина наращиваемого слоя относительно невелика.

Экспериментально установлено, чте диффузионное насыщение в порошковом составе, содержащем кроме перечисленных выше компонентов порошок хрома до 15% по массе, способствует улучшению физико-механических свойств, получаемых покрытий (см.рис.2). Хрупкость диффузионных покрытий при комплексном насыщении снижается в 2...3 раза, величина приращения линейных размеров деталей возрастает с б0;до 90 мкм. Увеличение содержания хрома в насыщающей смеси свыше 15% сопровождается значительным снижени- ■ ем толщины диффузионного слоя, что экспериментально подтверждает теоретические предпосылки.

Активизация процесса борохромирования наблюдается при дополнительном введении в насыщающую смесь порошка цинка до 4% по

menneparrwpa, 'С, Т-ЮОО Ьремв1 ч, С-4

1 vT ж» Сэ г i Í ш ni te I t ■ч § •8. i Л § «

"I 4 1 ? j

— Г r-J

М tí и ¡S 3Í Н 2Ü Oí lí 15 20 Ъ Cr

содержание цепе я тс ó, hriacc.

Рис. 2. Влияние соотношения карбида бора и

хрома в насни^щей смеси на характеристики диффузионных покрытий

массе. Показатель хрупкости диффузионного покрытия при этом снижается с 15-Ю2 до 6-Ю2ед (рис 13), величина приращения линейных размеров деталей возрастает до 120 мкм, толщина покрытия увеличивается со 120 до 140 кйш.

Увеличение содержания, цинка в насыщающей 'смеси свыше 4% снижает технологичность порошкового состава и качество поверхности обрабатываемых деталей.

Методом математического планирования ДФЭ, в котором за параметры оптимизации были приняты хрупкость диффузионного слоя, величина прираще-нйя лйнейных размеров деталей и

толщина диффузионного покрытия, выбран оптимальный состав насыщающей смеси, включающий, мае.: 30% В^С+15^Сг + 4% ^+ 4 %2 и + 3% KF + 44% At• Варьированием режимов борохромиро-вания в пределах Т = 950...I050°C, t = 2...6 и установлено, что интенсивность наращивания диффузионного покрытия над поверхностью детали достаточно высока з первые четыре часа наскщзн'/?!. Толщина наращиваемого слоя в этом интервале нэ стали ХВГ составляет

температура,'С,7*1000 6peMt,t,T-4

I >J f V» S Э ? 1 iH 13! nt its, (to X ы Í llüt < ur$ •> i 3 J CJ ■J-l л и e[ .1 a § i x

. — Г —^

a г содержание чинка ,%мае с.

Рис. 3. Влияние содержания цинка в насыщающей смеси на характеристики диффузионных покрытий

_4 ¿1

бремя {орох(опи.ройаии>,ч

(

Рис. 4. Зависимость толщины наращиваемого слоя и глубины диффузии насыщающих элементов от режимов борохро-мирования стали ХВГ

половину общей толщины диффузионного слоя (рис.4). С увеличением времени выдержки скорость наращивания размеров деталей снижается, возрастает доля диффузионного слоя, образующегося в глубине детали.

. Оптимальным для восстанозления плунжеров является боро-хромирование при тем. пературе Ю00°С и времени выдержки 4 ч, обеспечивающее величину приращения раз-

меров деталей 112...130 мкм и толщину диффузионного покрытия НО... 140 мкм.

В ходе экспериментов установлены аналогичные корреляционные зависимости для борохромированных сталей 45, IÍ1XI5, ЗОХГСА, У8А, I8X2H4BA, 25Х5МА и PI8.

Рентгеноструктурным и микроспектральным анализом комплексных покрытий на сталях 45, ХВГ, ШХ15 установлено, что основной структурной составляющей диффузионного слоя являются бориды железа и хрома низшего порядка (Fe,Cr )q.B текстурированного строения. В покрытии присутствуют бор до 12%, хром до 4/6, железо до 85/5. Углерод оттесняется насыщающими элементами вглубь детали..

Поверхностная твердость борохромированных плунжеров достигает 19...21 ГПа и сохраняется по всей эффективной толщине покрытия. Между показателями поверхностной твердости и хрупкости по глубине покрытия наблюдается удовлетворительная корреляция..

Шероховатость прецизионных поверхностей после борохромиро-вания составляет Rtt = 0,2 мкм, на необрабатываемых достигает Ко. = 2 мкм.

Коррозионные испытания показали, что стойкость борохромированных деталей в условиях атмосферной коррозии выше стойкости . серийных. ,

Испытания на машине трения подтвердили теоретические положения. Абразивная износостойкость ролика из стали ХВГ повышается в 2,5 раза при работе в паре с борохромированной колодкой.

Ускоренными испытаниями зафиксировано двухкратное повышение ресурса плунжерных пар, восстановленных борохромированием одной детали. Цикловая подача топлива на режиме пуска у опытах насосов в течение 120-ти часов испытаний превышает минимально допустимую величину (140 мм^/цикл) (рис.5). Перетекание топлива в картер вставляет в среднем 2...3 г/ч (допустимая величина I 15 г/ч). Развиваемое опытными парами давление после 120-ти ча<?ов испытаний превышало 50,0 Ша.

У серийных насосов названные пя-

о

раметры нарушаются после 60-ти часов испытаний. 0 запасе ресурса восстановленных плунжерных пар гвидетельствзда-ла зафиксированная у них остаточная гидроплотность.

Микрометраж •деталей восстанов-ле ных плунжерных пар. после 120-ти часов испытаний показал, что износ упрочненных деталей находится в пределах 0,1...0,5 мкм, неупрочненных - 1,4...6,4 мкм, в то время как в серийной комплектации он достигает'II...13 мкм за 80 ч испытаний.

Ускоренные испытания также показали, что увеличение толщины диффузионного покрытия при борохромировании способствует повыше' нию его несущей способности, в результате отпадает необходимость дополнительной термообработки тяжело нагруженных подпятников плунжеров.

В ходе эксплуатационных испытаний опытных топливных насосов при наработке до 1456 мото-ч отказов по вине восстановленных плунжерных пар не наблюдалось.

мм

КС

Я

1»

/

0

!

1— Ч/.'

20 40 50 ВО МО про1й1.жи.те/ьнаапь испытаний

а ^

I

по

т«

Рис. 5. Динамика изменения пусковых подач и перетекания топлива у опытных (I) и серийных (2) насосов

15

. 5. Внедрение результатов исследований и их экономическая оценка.

На основе проведенных исследований разработан технологический процесс газофазного диффузионного борохромирования, позволяющий восстанавливать ремфонд плунжерных пар в полном объеме диффузионным наращиванием плунжеров и обработкой втулок под ремонтный размер,с повышением послеремонтного ресурса пары до 12 тыс.мото-ч.

Результаты исследований приняты к внедрению ПО "Ногинский завод топливной аппаратуры". Сравнительный экономический эффект от внедрения нового технологического процесса за расчетный период превысит 700 тыс.рублей.

ощие вывода

1. Детали плунжерных пар топливных насосов типа УТН в процессе работы подвергаются механо'химическому абразивному изнашиванию, что является основной причиной низкой надежности насосов в эксплуатации.

2. Теоретическим анализом механизма фрикционных связей в системе "деталь-абразив-деталь" установлено, что повышение ресурса плунжерной пары до 12 тыс.мото-ч возможно при увеличении поверхностной твердости одной из ее деталей до 16 ГПа с целью минимизации абразивной формы изнашивания.

Достаточная для упрочнения твердость технологически просто обеспечивается методами диффузионной металлизации.

3. Для восстановления плунжерных пар за счет нанесения износостойкого покрытия на плунжеры необходимо, чтобы изменение их размеров после диффузионной металлизации было не менее 100... ПО мкм, что компенсирует износ в прецизионных сопряжениях и обеспечивает необходимый припуск на механическую обработку деталей.

4. Теоретически показано, что необходимое изменение линейных размеров деталей может быть достигнуто диффузионным бориро-ванием при введении в состав насыщающей смеси хрома и цинка.

5. Экспериментально подтверждены теоретические положения и установлено, что борохромирование деталей следует вести газовым способом в смеси состава, % мае.: В^С - 30, Сг - 15, А/~ 2п - 4, КГ - 3, А^Од - 44 при температуре 950.. Л050°С и времени выдержки 2...6 ч. ,

• •«»

Наличие хрома и цишф в смеси способствует увеличению толщины наращиваемого слоя, снижению его хрупкости и ускорению процесса диффузии.

6. Борохромирование плунжеров, изготовленных из стали ХВГ, при температуре Ю00°С в течение 4 ч обеспечивает изменение их линейных размеров на 112...130 мкм при толщине диффузионного слоя ПО...140 мкм и микротвердости 19...21 ГПа.

7. Установлены корреляционные зависимости толщины диффузионного слоя и приращения линейных размеров от режимов насыщения и состава насыщающей смеси при борохромировании сталей 45, ХВГ, 111X15, У8А, ЗОХГСА, I8X2H4BA, 25Х5МА, PI8.

8. Введение в борирующую смесь хрома и цинка способствует увеличению коррозионной стойкости покрытий и снижению их хрупкости до у = (6...7)10^ ед.,что позволяет проводить «лифование восстановленных деталей на типовых режимах без разрушения покрытия.

9. Рентгенострущурный анализ покрытий на сталях 45, ШХ15

и ХВГ показал, что на глубине до 120 мкм они содержат бор'иды железа и хрома низшего порядка С Fe,Сг ) Q.В текстурированного строения. На глубине от 120 до 130 мкм в покрытии присутствуют сС -фаза и карбиды железа Fe 3 С .

10. Содержание бора и хрома на поверхности борохромированных . сталей 45,ХВГ и 111X15 составляет соответственно 2% и 12$,4% и 10%, 4%и 11%. Углерод в покрытиях на сталях ХЗГи ШХ15.отсутствует до глубины 90 мкм, повышение его содержания до 10...11/6 отмечено в слое на глубине от 90 до 150 мкм. На стали 45 концентрация углерода изменяется от 2% на поверхности до 11% на глубине 150 мкм.

11. С увеличением толщины диффузионного слоя при борохромировании возрастает его несущая способность, что позволяет исключить дополнительную термообработку подпятников плунжеров, подвергающихся динамическим нагрузкам, и устпнавливать большие припуски на механическую обработку деталей.

12. Ускоренные стендовые испытания подтвердили возможность увеличения ресурса плунжерных пар до 12 тыс.мото-ч упрочнением одной детали при их восстановлении. Износостойкость неупрочнен-ных втулок, работающих в сопряжении'с упрочненными Плунжерами,

в 2...Ч раза выше, чем в серийных плунжерных парах.

13. В течение длительных эксплуатационных испытаний, проводившихся на транспоргных и сельскохозяйственных работах в условиях Оренбургской и Тернопольской областей, отказов по вине восстановленных плунжерных пар, при наработке дб 1456 мото-ч; не наблюдалось.

14. Разработанный технологический процесс принят к внедрению ПО "Ногинский завод топливной аппаратуры". Экономический эффект от его внедрения на участке восстановления плунжерных пар взамен базового варианта за расчетный период(19У1...96гг) превысит 700 тыс.рублей.

о По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Перспективные методы восстановления плунжерных пар насоса У1'Н-5//Тез.докл. на Всесоюзной УШ научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Вклад молодых ученых и специалистов в научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве". -Оренбург, 1989.-С.14...15.

2. Применение упрочняющих технологий в производстве топливной аппаратуры/Дёз.докл.' на научно-технической конференции "Пути повышения качества машиностроительной продукции".-Саранск, 1989.-C.I8...I9 (соавтор Бугаев В.Н.).

3. Комплексные диффузионные покрытия на сталях/Дез.докл.на Областной научно-технической конференции "Методы и средства повышения надежности машиностроительных изделий".-Саранск, 1989.-С.25 ... 26.

4. Упрочнение плунжерных пар и других деталей топливного насоса производства НЗТА диффузионной металлизацией//Научный отчет ( часть D.-M.: МИИС11, 1989.-86 с.№ Гос.регистрации 01860053205, инв.№ 02890065366 (соавторы Ачкасов К.А., Бугаев В.Н. и др.).

5. Анализ работоспособности упрочненных плунжерных пар//Энерго-технологические средства сельскохозяйственного назначения и их технические системы. Сб.научн.тр.МШСП.- М.1989.-С.49...52 (соавтор Чечнев В.А.).

6. Упрочнение деталей плунжерных пар в условиях серийного производства//Динамика и прочность конструкций сельскохозяйственных машин. Сб.научн.тр.МИИСП.-М.,1989.-С.29...33 (соавтор Мошкович А.Д.)

7. Упрочнение прецизионных деталей топливной аппаратуры боро-хромированием.- М.: АгроНШТЭИИТО,№1,1990.- С.4...7 (соавтор Бугаев В.Н.).

8. Упрочнение плунжерных пар и других деталей топливного насоса производства НЗГА диффузионной метаПлизацией//Научный отчет (часть 2). - М.:МИИСП,1990.-с.№ Гос.регистрации 01860053205, инв.№ 02900047603. (соавторы Бугаев В.Н., Ачкасов К.А. и др).

9. Повышение абразивной износостойкости плунжерных пар//Меха-низация и электрификация сельскоко хозяйства.-1990.-№9.-С.47...48' (соавтор ьугаев В.Н.). '

10. Состав для борохромирования стальных изделий.*- Положитель-

ное решение Госкомизобретений СССР по заявке № 4660743/2 (соавторы Бугаев В.Н., Мошкович ¿1.Д.).

Подписано в печать /Я 3 Л.-.

Тираж 100 экз. Объем I п.л. Заказ

Ротапринт Московского ордена Трудового Красного Знамени института инженеров сельскохозяйственного производства имени В.П.Горячкина.

127550, Москва, И-550, Тимирязевская ул., 59.