автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Восстановление прецизионных пар трения электроискровым легированием

¿>7 : УУ" О/¿7 3 4 'Л

Амурский государственный университет

На правах рукописи

Ледвягин Владимир Павлович

Восстановление прецизионных пар трения электроискровым легированием

Специальность 05.02.01 - материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук профессор В.А. Ким

Благовещенск - 1999

Список принятых сокращений и основных условных обозначений

ТНВД - топливный насос высокого давления; ЭИЛ - электроискровое легирование; ДВС - двигатель внутреннего сгорания; ИПС - изменённый поверхностный слой; ПАВ - поверхностно- активные вещества; ДТ - дизельное топливо; ТС - трибосистема; ОП - обобщённая переменная; ЛС - легированный слой; ПС - поверхностный слой;

Еед - энергия единичного разряда (импульса) ЭИЛ; фсх - стационарный электрохимический потенциал; I - время установления фст; I - интенсивность износа; к - скорость коррозии; V - электропроводность; г\к, Г|а - коэффициенты перенапряжения катодного и

анодного процессов; Яь Я2 - сопротивления внешней и внутренней цепи микрогальванопар; - удельное количество адсорбированных компонентов среды; с - концентрация раствора; с8 - концентрация ПАВ на поверхности ЛС; О - коэффициент диффузии; Б* - коэффициент диффузии, учитывающий объём и форму пор;

5 - ширина пор;

сон - скорость роста оксида в пористой системе ЛС;

ёф/Л - скорость самопассивации ЛС;

1ЛЭ - ток локальных элементов (гальванопар);

1;п - время пассивации;

Улс - объём легированного слоя;

Д - размер блоков;

8 - величина микроискажений;

X - перемещение микронеровности при трении;

и - энергия активации;

ан - удельная работа, затрачиваемая на износ

единицы массы или объёма ПС;

р - плотность дислокаций;

а - напряжения в ЛС;

у - плотность материала (ЛС);

ос - коэффициент переноса;

Ь - вектор Бюргерса;

Дсрсх - приращение стационарного потенциала;

Ш; - масса микрочастицы износа;

5П П - кольцевой зазор плунжерной пары;

г) - коэффициент перенапряжения пластической деформации;

1ЭТ, фэт - интенсивность изнашивания и стационарный потенциал

структуры после ЭИЛ одноимённым электродом;

^ , ф; - то же разноимёнными электродами;

К3 - константа скорости внутренней диффузии.

Оглавление

Введение.............................................6

Глава 1. Состояние вопроса

1.1. Эксплуатационные требования к прецизионным парам трения............................8

1.2. Роль среды в процессах поверхностного разрушения.................................10

1.3. Анализ современных защитных и упрочняющих технологий............................15

1.4. Сущность процесса электроискровой обработки металлов..............................19

1.5. Коррозионные свойства слоев, сформированных в процессе электроискрового легирования.....26

1.6. Постановка задачи............................29

Глава 2. Общие вопросы методики исследования

2.1. Исследуемые материалы и используемое оборудование ...................................31

2.2. Методика коррозионных и триботехничес-

ких исследований............................38

2.3. Методика обработки полученных результатов ........................................39

2.4. Математическая обработка экспериментальных данных.................................41

2.5. Методика исследования структуры модифицированных поверхностей.....................42.

Глава 3. Влияние электроискрового легирования на коррозионное поведение материалов прецизионных пар трения

3.1. Коррозионные процессы модифицирован-

ных поверхностных структур...................46

3.2. Скорость коррозии и стационарный потенциал стали 25Х5М, упрочнённой ЭИЛ..........49

3.3. Влияние неоднородности поверхности плунжерной стали после ЭИЛ на локальную коррозию.................................. 56

3.4. Кинетика пассивации легированного

слоя плунжерной стали......................69

Глава 4. Влияние режимов ЭИЛ на триботехнические

свойства прецизионных пар......................79

4.1. Особенности контактных процессов в прецизионных трибосопряжениях на примере плунжерных пар..................................80

4.2. Обоснование модельных режимов трибологичес-ких процессов изнашивания прецизионных пар трения ...................................... 89

4.3. Развитие процесса изнашивания плунжера в принятой модели............................ 102

Глава 5. Практическая реализация результатов исследований

5.1. Прогнозирование эксплуатационных свойств прецизионных деталей, обработанных ЭИЛ.......115

5.2. Восстановление плунжерных пар электроискровым легированием....................... 122

Выводы...................................... 127

Список литературы................................... 130

Приложение......................................... 145

Введение

В современных сложных экономических условиях развития машиностроения меняются взгляды на роль и значение упрочняющих технологий. Особое внимание привлекают те из них, которые позволяют повысить уровень ремонтного производства, как экономически выгодного направления. Наибольший эффект достигается в случаях, когда осуществляется восстановление наиболее важных и трудоёмких элементов машин, таких как прецизионные пары трения.

По сложившейся производственно-эксплуатационной практике большинство прецизионных пар трения не подвергаются восстановлению. При этом их предельный износ составляет несколько микрометров.

Метод электроискрового легирования (ЭИЛ) относится к методам воздействия на металлические поверхности концентрированными потоками энергии и вещества и по характеристикам создаваемых им слоёв может рассматриваться как способ восстановления изношенных прецизионных пар. Поэтому за последнее время он приобретает всё большую значимость как простой и эффективный способ создания износостойких трибослоёв. Но для его широкого внедрения нет ясных представлений о характере поверхностного разрушения, роли коррозионных процессов при контакте сформированного слоя с коррозионно-активными компонентами среды, влияния материала легирующего электрода, архитектонике модифицированной структуры.

В связи с изложенным исследование роли коррозионных процессов при трении и изнашивании прецизионных пар, оптимизация технологии восстановления и упрочнения представляется актуальной.

Цель работы. Определить влияние различных факторов процесса ЭИЛ на износостойкость, коррозионную стойкость прецизионных пар трения в среде низкомолекулярного углеводородного дизельного топлива (ДТ) на примере плунжерных пар топливных насосов высокого давления (ТМВД) дизельных двигателей. При этом исследовать возможность потенциометри-

ческого прогнозирования триботехнических свойств прецизионных поверхностных структур, упрочнённых ЭИЛ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы.

В первой главе изложено состояние исследуемого вопроса, дан обзор литературных источников, раскрывающих особенности исследуемой трибо-системы и современных методов упрочнения конструкционных сталей.

Во второй главе определены объекты, методы исследований и обработки полученных результатов.

В третьей главе представлен комплекс экспериментально-теоретических исследований коррозионного поведения упрочнённых ЭИЛ поверхностных структур плунжерных пар при растворении их в водных 0,1 Н растворах Н2804 и их смесях (суспензиях) с ДТ. Исследованы кинетические процессы влияния энергии единичного разряда на адсорбцию, диффузию ПАВ, стационарный потенциал и пассивацию легированного слоя.

Четвертая глава посвящена теоретическим и экспериментальным модельным исследованиям упрочнённой ЭИЛ плунжерной стали. Показана взаимосвязь кинетики изнашивания поверхностных структур с электрохимическими параметрами при изменении режимов ЭИЛ.

В пятой главе рассмотрены пути практической реализации полученных результатов исследований. Предложены практические рекомендации по диагностированию триботехнических свойств упрочнённых ЭИЛ структур и организации производства восстановления плунжерных пар по методу ЭИЛ.

В заключении даны общие выводы по выполненной работе.

Автор благодарен доценту Благовещенского педагогического университета, кандидату химических наук В.П. Лунёвой и сотруднику АмурКНИИ г. Благовещенска, кандидату физико-математических наук Е.С. Астаповой за помощь при проведении исследований и экспериментов.

Глава 1. Состояние вопроса

1.1. Эксплуатационные требования к прецизионным парам

трения

Главной причиной потери работоспособности деталей машин и механизмов является изнашивание поверхностей, интенсивность которого определяется режимами трения и смазки, а также агрессивностью среды.

Точные детали топливной аппаратуры, в частности, плунжерные пары насосов высокого давления дизельных двигателей работают в условиях граничного трения. Смазка прецизионных поверхностей осуществляется топливом, которое подается плунжерными парами к форсункам дизельного двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

В соответствии с техническими условиями (ТУ) стандартов в дизельных топливах лимитировано содержание механических примесей и воды, концентрация которой не должна превышать 0.025% [137]. Однако, в реальных условиях эксплуатации дизельных двигателей содержание воды в топливе может быть больше. Это вызвано различными причинами, основная из которых - образование конденсата при хранении, транспортировке и эксплуатации.

Производство дизельного топлива всех марок не исключает присутствия в нем следующих примесей: минеральные кислоты, щёлочи, сера и сернистые соединения

Из минеральных кислот наиболее вероятно присутствие серной кислоты и продуктов ее взаимодействия с углеводородами (сульфокислот Я-БОг -ОН, кислых эфиров К0-802-0Н), которые могут остаться в недостаточно тщательно нейтрализованных нефтепродуктах, подвергшихся сернокислотной отчистке.

Минеральные кислоты и другие водорастворимые соединения кислого характера обладают высокой агрессивностью по отношению к черным металлам.

Несмотря на то, что материалы плунжерных пар отличаются прочностью, высокой твердостью и высоким качеством поверхности (таблица

1.1), они подвергаются коррозионному воздействию среды.

Характеристики материалов плунжерных пар

Таблица 1.1.

Завод-изготовитель Марка стали Термическая обработка Тверд. НКС

Санкт-Петербургский карбюраторный завод хромомолибдено-вая 25Х5МА после азотирования 62-67

Харьковский тракторный завод (ХТЗ) Ногинский завод топливной Аппаратуры (НЗТА) хромовольфрамо-марганцевистая . ХВГ после закалки 60-65

Ярославский завод топливной аппаратуры (ЯЗТА) хромомолибденовая (плунжерная) 25Х5М после азотирования 62-67

АО Алтайский завод топливных насосов (АО АЗТН) шарикоподшипниковая ШХ15 после закалки 58-65

АО Барнаульский завод топливной аппаратуры (АО БЗТА) шарикоподшипниковая ШХ15 после закалки 58-65

Высокие требования к поверхностям прецизионных плунжерных пар обусловлены их назначением, связанным с обеспечением равномерности подачи топлива в цилиндры двигателя. Так, диаметральный зазор после совместной притирки не должен превышать 3 -10"6 м., а давление подаваемого плунжерной парой топлива для автотракторных дизелей Р = 30 - 100 МПа [123]. При увеличении зазора от 5 до 8 мкм на регулировочном режиме дизельного ДВС коэффициент подачи топлива уменьшается на 8 % [112]. При малых подачах, когда уменьшается высота уплотняющей по-

верхности, коэффициенты подачи топлива падают ещё сильнее. Это приводит к уменьшению количества впрыснутого в цилиндры дизеля топлива при определённом положении регулирующей рейки ТНВД. Увеличение неравномерности подачи топлива секциями насоса вызывает повышение удельного расхода топлива и снижение максимальной мощности дизеля.

В этой связи, в прецизионных парах необходимо создать подвижные посадки с величиной диаметрального зазора в пределах 1-4 мкм., которые в условиях знакопеременных нагрузок, при значительных скоростях возвратно-поступательного движения и повышенной агрессивности среды должны обеспечить "мгновенную" подачу определенного количества топлива при высоком давлении.

1.2. Роль среды в процессах поверхностного разрушения

Влияние внешней среды при фрикционном взаимодействии начинается с адсорбции ее активных компонентов на поверхностях трения. Различают два вида адсорбции: физическую и химическую, или хемосорбцию. Физическая адсорбция обусловлена относительно слабыми силами межмолекулярного взаимодействия (действием сил Ван-дер-Ваальса). В основе внешней формы адсорбционного эффекта лежит чисто поверхностное взаимодействие металла со средой [88]. При хемосорбции, в отличии от физической, происходит перенос электронов между адсорбентом и адсорбируемым веществом (адсорбатом). Поэтому между молекулами адсорбата и поверхностью твердого тела возникает химическая связь. Это приводит к существенному перераспределению электронной плотности в адсорбированном комплексе, что вызывает ослабление или разрыв некоторых связей в хемосорбированной молекуле [58]. Возможно возникновение нескольких адсорбированных форм данного адсорбата, отличающихся типом и энергией связи с поверхностью катализатора. Например, при адсорбции водорода на поверхности плунжерной пары ТНВД, содержащей N1, образуются за-

ряженные и нейтральные формы адсорбированного атомарного и молеку-

• • 2 • 1 * 24-

лярного водорода: №-Н, №-Н , №-Н2 ,№-Н .Адсорбция кислорода на оксидах переходных металлов сопровождается образованием адсорбированных частиц О'адс, О2", а также незаряженных атомарных и молекулярных форм.

Адсорбция реагентов на кислотных катализаторах обусловлена главным образом донорно-акцепторным взаимодействием и образованием водородных связей. При этом на поверхности катализатора образуются протонированные формы реагентов типа карбоний-катиона с сильно выраженными электрофильными свойствами [11].

Поверхностные соединения, образующиеся при хемосорбции, как правило, обладают высокой реакционной способностью и участвуют в последующих стадиях каталитического процесса.

Адсорбционное понижение прочности обуславливает облегчение деформации твёрдых тел [31], что имеет существенное значение при финишных технологических процессах, увеличивает физико-химическую активность поверхностных слоев и проявляется в форме усиленного поверхностного диспергирования [88]. Активирование поверхности при трении способствует резкому ускорению диффузии (сверхдиффузия) всех элементов, заполняющих зону трения, независимо от их природы. В результате взаимодействия поверхностных слоёв металла с активными элементами среды - пассиваторами: кислород, сера, фосфор, хлор, азот и др., образуются новые однофазные или гетерофазные объекты - вторичные структуры [88].

Физико-химическое состояние поверхности металла, определяющееся образованием вторичных структур на поверхности трения и деформацией приповерхностных слоев, способствует адсорбции активных элементов среды [44]. С другой стороны, пластифицирование поверхностных слоёв и их насыщение активными элементами среды в результате адсорбции и диффузии приводит к образованию вторичных структур и

сверхпластичности материала. Так, закалённая сталь плунжерных пар ШХ15 может обладать свойствами сверхпластичной [12]. Связь пластической деформации и среды рассматривается в работах [5, 13, 22, 54, 69, 109, 138]. Специфические процессы, связанные с образованием поверхностных плёнок, вызываются преимущественно структурной активацией. Формы и механизмы разрушения определяются взаимодействием поверхностей трения с абразивной средой [54].

Вопросы действия абразива при трении отражены в литературе достаточно широко. Большой вклад в этой области внесли М.М. Хрущов [131, 132], Н. М. Тененбаум [111], М. А.Бабичев [130] и другие, а в области абразивного износа прецизионных пар В.В. Антипов[3], Р. М. Баширов[12], Н. М. Бахтиаров[9, 10].

Факторы, влияющие на процесс абразивного изнашивания, могут быть разделены на основные и второстепенные [111].

Основными факторами, связанными с действием абразива, являются:

1) вид абразива;

2) концентрация абразивных частиц в среде;

3) их размер;

4) твёрдость.

К второстепенным факторам можно отнести форму абразивных частиц и их скорость, снижение механических свойств материала в результате физико-химического действия среды. Сущность взаимодействия абразивных частиц с трибослоем заключается в их скольжении, пластическом деформировании металла, внедрением в местах контакта, разрушении поверхностных объёмов без отделения металла или со снятием микростружки. Однако, применительно к прецизионным плунжерным парам трения, необходимо отметить определённые особенности абразивного износа. Исследования, проведённые лабораторией кафедры ремонта машин Саратовского ин-

ститута механизации сельского хозяйства, показали, что суммарный износ плунжерных пар включает:

1) износ за счёт действия абразивных частиц с размерами, несколько меньшими величины зазора;

2) износ за счёт действия абразивных частиц, размер которых существенно превышает зазо�