автомобільно-дорожній університет

УДК 621.431-2

Олійник Олександр Купріянович

ПІДВИЩЕННЯ ДОВГОВІЧНОСТІ ДЕТАЛЕЙ ДИЗЕЛЬНИХ

ДВИГУНІВ НАСИЧЕННЯМ РОБОЧОГО ШАРУ

ВИСОКОДИСПЕРСНИМИ ДОМІШКАМИ

05.02.01 – Матеріалознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харьков – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті Міністерства освіти і науки України та в Центральній лабораторії ДП „Завод ім.. В.О. Малишева”.

Науковий керівник: - кандидат технічних наук, професор Мощенок Василь

Іванович, Харківський національний автомобільно-

дорожній університет, завідувач кафедри технології

металів та матеріалознавства

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Скобло Тамара

Семенівна, Харківський національний технічний

університет сільського господарства, професор

кафедри ремонту машин;

- кандидат технічних наук, доцент Александров

Микола Григорович, Харківський національний

педагогічний університет ім. Г.С. Сковороди, доцент

кафедри фізики.

Захист відбудеться 13.12. 2007 р. о 14 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.01 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою:

61002, м. Харків, вул. Петровського, 25

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету. 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25

Автореферат розісланий 12.11.2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради І.В. Кияшко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток сучасного машинобудування визначається конкуренцією на світовому ринку та безперервним зростанням законодавчих вимог щодо екологічних показників продукції та виробництва. Аналіз проблеми екології, енергозбереження, підвищення надійності та довговічності машин і механізмів показує, що їх вирішення тісно пов’язані із зносостійкістю матеріалів, надійністю та ресурсом роботи деталей.

Вирішення багатьох задач економії енергоресурсів також залежить від техніко – економічних показників роботи двигунів внутрішнього згоряння, їх подальшим форсуванням, що призводить до підвищенню навантажень та потребує розробки заходів, направлених на забезпечення працездатності, службових якостей матеріалів деталей і їх робочих поверхонь. Підвищення зносостійкості металічних матеріалів, їх антифрикційних показників традиційно досягається термічною, хіміко-термічною обробками, нанесенням покриттів, поверхневою пластичною деформацією, а також сучасними методами зміцнення робочих поверхонь концентрованими потоками енергії. Однак резерви використання багатьох засобів в значній мірі вже вичерпано.

Аналіз різних шляхів досягнення найбільш високих показників зносостійкості матеріалів (ефекти Б.І. Костецького, Д.М. Гаркунова, принципи сумісності і моделі припрацювання М.О. Буше) показує, що різке поліпшення тріботехнічних властивостей робочих поверхонь деталей має місце безпосередньо в період їх роботи, але тільки за певних умов навантаження, навколишнього середовища, складу контактуючих матеріалів, мастил та інш. В останні роки все більше поширення набуває додаток різноманітних домішок до мастил для підвищення показників роботи машин і механізмів з метою зменшення енерговитрат, збільшення часу безремонтної експлуатації, а також для відновлення деталей в процесі експлуатації. Однак механізм дії та характер змін структури та властивостей поверхонь при використанні різних домішок на цей час недостатньо вивчено, що стримує їх використання в промисловості та двигунобудуванні. Тому тема дисертаційної роботи є важливою і, безумовно, актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Напрямок дисертаційної роботи відповідає держбюджетній та госпдоговірній тематиці ХНАДУ, що виконувалася в 2003-2007р.р., крім того, є складовою частиною науково-дослідних робіт ДП “Завод ім. Малишева” щодо відновлення та підвищення працездатності матеріалів транспортних засобів - дизельних тепловозних двигунів. Робота виконувалася згідно з Державною програмою розвитку двигунобудування в Україні в період 2000-2005р.р.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є підвищення довговічності деталей додатковим легуванням робочого шару шляхом введення високодисперсних домішок.

Досягнення поставленої мети вимагало вирішення наступних основних задач:

- науково-експериментального обгрунтування метода підвищення зносостійкості важконавантажених деталей тепловозних дизельних двигунів;

- розробки методики випробувань та досліджень матеріалів і натурних деталей на зношування з імітацією умов їх експлуатації та збереженням їх робочих поверхонь;

- проведення комплексу досліджень по впливу високодисперсних домішок різноманітних сполук на особливості структуроутворення та властивості робочого шару деталей;

- розробки фізичної моделі створення робочих шарів поверхонь з найбільш високими експлуатаційними показниками;

- пошуку нових складових твердофазних домішок для припрацювання та підвищення довговічності деталей двигунів в експлуатації.

Об`єкт дослідження: підвищення зносостійкості та антифрикційних властивостей робочих поверхонь важко навантажених деталей дизельних двигунів.

Предмет дослідження: підвищення довговічності деталей дизельних двигунів насиченням робочого шару високодисперсними домішками.

Методи дослідження. При обґрунтуванні та виборі фізичної моделі процесів, що відбуваються при формуванні робочих шарів важко навантажених деталей двигунів з підвищеними властивостями проведено дослідження таких деталей: поршньових кілець, гільз циліндрів, вкладишів підшипників колінчастих валів. Моделювання роботи матеріалів здійснено при лабораторних та стендових випробуваннях з використанням спеціальних зразків та реальних деталей з імітацією їх експлуатаційних умов. Формування робочих шарів деталей з необхідним рівнем працездатності здійснено шляхом насичення їх високодисперсними домішками різних сполук.

Для визначення структури та властивостей робочих шарів використані сучасні методи досліджень: металографічний, хімічний, рентгеноструктурний та рентгеноспектральний аналізи, виміри мікротвердості, шорсткості поверхонь тертя та електронографічні дослідження.

При розробці фізичної моделі утворення вторинних захисних структур аморфного типу в процесі зношування деталей і впливу високодисперсних домішок на їх утворення, окрім одержаних результатів досліджень, було використано металофізичну модель твердофазного плавлення металів Я.І. Френкеля, результати радіоізотопних і теоретичних досліджень дифузії елементів А.П. Любченко, моделі утворення вторинних захисних структур поверхонь тертя Б.І. Костецького і Д.М. Гаркунові а також основні положення принципів сумісності та моделі припрацювання матеріалів пар тертя, розроблені М.О. Буше.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

- встановлено механізм впливу високодисперсних домішок на формування структури і властивостей робочого шару деталей, які працюють в умовах зношування;

- оцінено роль високодисперсних домішок як активаторів формування і стабілізаторів дисперсних аморфно-кристалічних структур поверхонь тертя із підвищеним рівнем властивостей міцності та пластичності;

- отримані дані про вплив високодисперсних домішок оксидів кремнію, алюмінію та магнію на особливості формування структури, зносостійкість та задиростійкість поверхонь у процесі припрацювання деталей та надані рекомендації щодо їх оптимального складу;

- розроблено фізичну модель утворення вторинних захисних структур в процесі експлуатації важконавантажених деталей, що дає змогу обґрунтовано керувати процесом утворення таких структур.

Практичне значення одержаних результатів включає:

- нову схему розрізненого введення дисперсних домішок до робочих шарів деталей на різних етапах обкатки двигунів;

- визначення ефективного складу мастила для використання під час обкатки двигуна;

- встановлену можливість керування процесом утворення вторинних структур на поверхні деталей у експлуатації, що дозволяє одержувати необхідний комплекс експлуатаційних властивостей;

- впровадження технології насичення робочого шару деталей високодисперсними домішками оксидів, що надає змогу збільшити зносостійкість в експлуатації у 2 – 4 рази, зекономити пальне при стендовій обкатці двигунів на 25%, а в експлуатації - на 5 – 7%.

Річний економічний ефект від використання рекомендованих заходів становить 90000 грн.

Виробничі дослідження і впровадження результатів роботи проведені на ДП „Завод іменні В.О. Малишева”, м. Харків, мають комплексний характер і передбачають рекомендації виробництву наукового та технологічного характеру по використанню високодисперсних домішок оксидів металів під час обкатки та експлуатації дизельних двигунів тепловозів типу Д100 та Д80.

Особистий внесок здобувача: Всі результати, що виносяться на захист, отримані автором або при його безпосередній участі. У роботах, опублікованих у співавторстві, особистий внесок полягає в проведенні комплексних досліджень по визначенню впливу додатку високодисперсних домішок різної природи на створення вторинних захисних структур, характеристик їх тертя та зношування в умовах роботи пар тертя двигунів. Автором сформульовано положення про вплив високодисперсних домішок як активаторів створення і стабілізаторів вторинних захисних дисипативних структур аморфного типу в умовах роботи важко навантажених деталей. Запропоновано склад додатку високодисперсних домішок різних оксидів металів під час припрацювання на початкових та завершаючих етапах обкатки та випробувань тепловозних дизельних двигунів. Розробки автора дозволяють скоротити термін припрацювання деталей та забезпечити збереження дизельного пального.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи були представлені на щорічних (2003-2006 рр.) науково-методичних конференціях ХНАДУ, а також на IX та XI міжнародних конференціях “Нові конструкційні метали та сплави і методи їхньої обробки для підвищення надійності і довговічності виробів” (м. Запоріжжя, 2003 р., 2005 р.), четвертому і п`ятому науково-технічному симпозіумах “Устаткування і технологія термічної обробки металів і сплавів” ОТТОМ-5, (м. Харків, 2004 р.), ОТТОМ-7, (м. Харків, 2006 р.); п`ятій, десятій та дванадцятій Міжнародних науково технічних конференціях “Фізичні та комп`ютерні технології в народному господарстві” (м. Харків, 2002 р., 2004 р., 2006 р.).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи викладено в 15 публікаціях (12 - у фахових виданнях), у тому числі в 3-х одноосібних.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 171 найменування. Загальний обсяг дисертації складає 150 с. Основна частина викладена на 130 с. тексту, у тому числі містить 25 таблиць і 27 рисунків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, приведені основні наукові результати, що отримані автором, визначена їх практична і наукова значимість.

В першому розділі проведено аналіз методів поверхневого зміцнення важконавантажених деталей тепловозних двигунів, які виробляє ДП „Завод ім. Малишева”. Прийняті технології характеризуються високими швидкостями формування зміцненого робочого шару, а також структурно-неоднорідною будовою матеріалів, що сприяє утворенню під час роботи вторинних захисних структур з високими показниками працездатності. Для зміцнення відповідальних деталей використовують сучасні методи поверхневого зміцнення – лазерне гартування, електроіскрове поверхневе зміцнення та легування, термічні дифузійні покриття, композиційні електролітичні та твердозмащувальні покриття. Завдяки цьому та використанню оптимально легованих і високоміцних матеріалів досягнуто високих показників по зносостійкості деталей. Ресурс роботи серійних високофорсованих двигунів 10Д100М сягає 1 - 1,2 млн. пробігу тепловоза. Проте вимоги сучасного машинобудування щодо економічності та довговічності техніки потребують подальшого суттєвого підвищення зносостійкості відповідальних деталей та вузлів. Вирішенням цієї проблеми може бути використання сучасних досягнень в галузі формування зносостійких захисних структур робочих поверхонь деталей.

Розглянуто різні методи підвищення зносостійкості деталей. Вони свідчать, що найбільш високі експлуатаційні показники роботи матеріалів досягаються тоді, коли поверхневі шари мають аморфізований стан. Це обумовлено специфічними особливостями матеріалів у склоподібному стані, які характеризуються однорідною структурою, що не накопичує дефектів при пластичній деформації, підвищеними показниками твердості при відносно великій пластичності та низьких показниках модуля пружності. Матеріали в аморфному або в аморфоподібному стані мають високі показники корозійної стійкості та відрізняються малою схильністю до втомних пошкоджень, що має суттєве значення у роботі деталей дизельних двигунів.

Аналіз засобів одержання матеріалів у аморфному вигляді показує, що вони можуть бути одержані на поверхнях у вигляді тонкого шару при надшвидкій лазерній термообробці у режимі глянцювання, при вакуумному напиленні методом КІБ на охолоджену підкладинку та інш. Однак використання їх для реальних деталей сучасного виробництва проблематично, оскільки потрібне припрацювання деталей, що зумовлює необхідність деякого первинного зношування зі зміною розмірів та шорсткості поверхонь. Найбільш перспективним є одержання аморфізованого стану поверхонь тертя на останніх стадіях припрацювання деталей та початкових періодів експлуатації двигунів.

Вивчення різноманітних за природою та характером впливу домішок показало, що найбільш перспективними для покращення роботи двигунів внутрішнього згоряння можуть бути так звані геомодифікатори тертя на базі природних мінералів та штучні діаманти детонаційного синтезу. Проте механізм дії та характер змін властивостей поверхонь при використанні цих домішок досі ще недостатньо вивчено і це стримує їх раціональне використання в промисловості. В той же час, в зв’язку з проблемами енергозбереження, використання таких домішок може бути корисним, особливо в двигунобудуванні.

В другому розділі розглянуто методологію, матеріали та методи досліджень. Обґрунтовано вибір хімічного складу досліджуваних матеріалів та високодисперсних домішок. Визначено хімічний склад часток домішок та їх взаємодію з моторним мастилом. В якості високодиперсних домішок випробовували склади типу НІОД-2 та НІОД-5, які виробляє НПФ „Еніон-Балтика” (м. Санкт-Петербург) по ТУ 0254-002-23124986-96; ремонтно-відновлюваний склад (РВС) на базі природних серпентенітів, високодисперсні діаманти вибухового синтезу та подрібнені оксиди Al2O3, SiO2, MgO. Концепція досліджень полягала у визначенні характеру взаємодії домішок з матеріалами найбільш навантажених відповідальних деталей циліндро-поршньової та кривошипно-шатунної груп дизельних двигунів (гільза-кільце, гільза-поршень, коленвал-вкладиш) під час експлуатації, розкриття механізмів такої взаємодії. Метою було одержання результатів, які б дали змогу прогнозовано використовувати досліджувані домішки для підвищення експлуатаційних характеристик деталей двигунів.

Характеристики зношування визначали на машинах тертя СМЦ-2, 2070СМТ-1 та на спеціально розробленій та виготовленій 4-х позиційній машині із зворотньо-поступовим рухом (МТ ЗПР), яка приведена на рис.1.

1 2 3 4

Рис.1 4-х позиційна машина МТ ЗПР для випробувань гільз циліндрів та поршньових кілець на зношування

1 – механізм приводу; 2 - кривошипно – шатуний механізм;

3 –шток навантаження; 4 – випробувальна камера.

Контртіла пар тертя виготовляли із матеріалів досліджуваних деталей, а також із натурних деталей тепловозних дизельних двигунів типу 10Д100 та Д80.

Характеристики тертя та антизадирні властивості оцінювали при ступінчастому навантаженні (діапазон загальних навантажень 0,1-5,0 кН). Величини зносу оцінювали ваговим методом та методом вирізаних лунок на приборі УПОІ-6. Як мастильний матеріал використовували моторну олію М14В2.

Структуру робочих поверхонь до та після випробувань комплексно досліджували металографічними методами, вимірами мікротвердості, рентгеноструктурним та електронографічним аналізами. Проведено фрактографічні дослідження поверхонь та продуктів зношування. Це дало змогу оцінити механізм зношування, створити уявлення про утворення та руйнування вторинних захисних структур.

Третій розділ присвячено теоретичним та експериментальним дослідженням впливу високодисперсних домішок на базі серпентинітів на зношування. Досліджували зміну задиростійкості, коефіцієнта тертя і зношування при додаванні 0,2% складу РВС до моторного мастила та обробці робочих поверхонь складами НІОД. Результати цих випробувань наведено в табл. 1, 2. Одержані результати показують, що високодисперсні домішки на базі серпентинітів можуть суттєво впливати на підвищення зносостійкості деталей, зокрема, поршньових кілець двигунів, а також знижувати коефіцієнт тертя і підвищувати задиростійкість у припрацьованому стані.

Таблиця 1

Результати випробувань на зношування зразків деталей спряження (гільза-поршньове кільце)

Матеріал гільзи | Матеріал

кільця | Мастило | Знос гільзи, г | Знос кільця, г

Гільзовий чавун з лазерним гартуванням | ВЧКГ з хромовим покриттям |

М14В2 |

0,0201 |

0,0089

Гільзовий чавун з лазерним гартуванням | ВЧКГ з хромовим покриттям |

М14В2+

РВС |

0,0324 |

0,0015

Примітка: Випробування проводили на машині тертя МТ ЗПР; Р = 1,0 кН; V = 1,3 м/с; ? = 10 ч.

Для визначення коефіцієнтів тертя при різних навантаженнях та для виявлення впливу домішки РВС на характер зміни їх значень в процесі припрацювання випробування проводили на машині тертя МТ ЗПР при максимальній швидкості зворотньо-поступового руху V=1,3м/с в режимі ступеневого навантаження. Навантаження підвищували після 30 хв. роботи на кожному ступеню. Результати випробувань наведені у табл. 2.

Отримані дані свідчать, що при роботі в оливі М14В2 з додатком 0,2% складу РВС істотно знижується коефіцієнт тертя та підвищується навантажувальна здатність спряження гільза-поршньове кільце. Незначне зниження коефіцієнта тертя виявляється вже наприкінці першого ступеню навантаження. Зі збільшенням навантаження в інтервалі 100-400 кг при випробуванні з оливою коефіцієнт тертя зростає, а в оливі з РВС в інтервалі 200-500 кг – знижується. Зі збільшенням навантаження зростає також і різниця значень коефіцієнтів тертя.

Таблиця 2

Результати випробувань зразків деталей спряження (гільза-поршньове кільце) на припрацьовуваність

Матеріал гільзи | Матеріал кільця | Мастило | Стан поверхні | Навантаження Р, кг | Коеф.

тертя

Чавун

СЧ ХНМД з лазерним гартуванням |

ВЧКГ

з хромовим покриттям |

В14В2 |

Без

Обробки | 10

100

200

300

400 | 0,20

0,16

0,17

0,20

0,25

передзадирний стан

Чавун

СЧ ХНМД з лазерним гартуванням |

ВЧКГ

З хромовим покриттям |

М14В2+

РВС |

Обробка

0,2% РВС | 10

100

200

300

400

500 | 0,18

0,11

0,13

0,12

0,12

0,11

Поршньові кільця (ПК) дизельних двигунів працюють в важких умовах знакозмінних циклічних навантажень. Значний вплив серпентинітів на підвищення зносостійкості поршньових кілець створює деякі проблеми по їх використанню при припрацюванні виготовлених двигунів. Робота двигуна в експлуатації визначається перш за все припрацюванням поршньових кілець. При недостатньому припрацюванні поверхонь деталей ЦПГ вихід двигуна на повну потужність може супроводжуватись пошкодженнями у вигляді задирів з інтенсивним зносом та втратою працездатності. На початкових етапах заводської обкатки двигунів деталі зношуються в місцях найбільших навантажень, які виникають внаслідок відхилень їх від заданої геометричної форми. Підвищення зносостійкості окремих частин поверхонь на цьому етапі приведе до затягування періоду припрацювання або до пошкоджень у вигляді задирів при збільшенні навантажень. Отже впровадження методів зменшення зношування деталей циліндро-поршньової групи за рахунок добавок на основі серпентинітів при виробництві має свої особливості, які треба враховувати.

Металографічні та металофізичні дослідження робочих поверхонь (рис.2,3) показали, що в присутності високодисперсних домішок в зоні контакту утворюються вигладжені площинки однорідної будови. Вони відрізняються підвищеною пластичністю, про що свідчать так звані „хвилі пластичності” ( рис.2в).

Розглянуто особливості структурного стану досліджених робочих поверхонь та продуктів зношування. Виконано аналіз причин і характеру руйнування під час випробувань матеріалів на зношування із досліджуваними домішками на основі серпентинітів. Встановлено, що оптимізацію мікроструктури можливо досягти методами її формування у вигляді мікродисперсного та аморфного стану, що і є резервом підвищення експлуатаційної стійкості деталей. Виконано аналіз властивостей матеріалів, які перебувають у аморфному стані в порівнянні з кристалічним станом. Проаналізовано здатність металевих матеріалів до переходу у аморфний стан. Вивчено мікротвердість робочих поверхонь та приповерхневих шарів зразків матеріалів та безпосередньо деталей.

Методом рентгеноструктурного аналізу вивчено характер зміни параметрів кристалічної гратки в приповерхневих шарах гільзового чавуну, що дало змогу встановити кінетику утворення вторинних захисних структур при насиченні робочих поверхонь досліджуваними домішками. Металографічні дослідження приповерхневих шарів проведено з використанням методу косих шліфів. Характерні структури наведені на рис.4.

При металографічних дослідженнях виявлено виділення відносно більшої кількості графіту при випробуваннях з додаванням складу НІОД-5, який може утворюватися внаслідок графітизації зерен цементиту в умовах інтенсивної пластичної деформації в процесі зношування. Одночасно в робочому шарі зростає схильність до пороутворення, що свідчить про нерівноважний стан структури та вірогідність накопичення в ньому надлишкової кількості вакансій. Це збігається з результатами рентгеноструктурного аналізу, яким виявлено збільшення параметрів гратки ?-Fe після випробувань з додаванням в мастило складів РВС та НІОД.

Четвертий розділ присвячений випробуванням впливу високодисперсних домішок діамантів (ВД) вибухового синтезу на зношування матеріалів деталей циліндро-поршньової та кривошипно-шатунної груп двигунів. Одержані результати, показують, що високодисперсні домішки на базі діамантів відрізняються своєю дією від серпентинітів. Вони можуть суттєво впливати на підвищення зносостійкості спряження колінчастий вал – вкладиші підшипників двигунів. Їх більш доцільно використовувати при виготовленні деталей двигунів внутрішнього згоряння. Результати випробувань наведені в табл. 3.

Таблиця 3

Результати випробувань спряження (колінчастий вал-вкладиш) при введені ВД до моторної оливи

Олива

та домішки | Інтенсивність зношування вала,

JG, г/м | Інтенсивність зношування зразків вкладишів,

JG, г/м

М14В2 |

3,4.10-7 | 0,9.10-6

М14В2+ ВД |

2,5.10-7 | 0,2.10-6

Примітка: Випробування проводили на машині тертя СМЦ-2; Р=50кг/см2; V=1,3м/с; ?=10час.

Високодисперсні діаманти доцільно використовувати для підвищення робочих характеристик зносостійких та припрацювальних покриттів деталей пар тертя. В першу чергу це стосується вкладишів колінчастих валів, виготовлених з антифрикційного алюмінієвого сплаву АМО1-20, які забезпечують найбільший ресурс роботи, але потребують підвищених зазорів в спряженнях, що призводить до зниження тиску мастила, порушенню умов охолодження поршньової групи, перегріву деталей і мастила, та передчасному його старінню. Введення домішок діамантів в припрацювальні покриття вкладишів дасть змогу скоротити зазори в спряженнях за рахунок формування вторинних захисних структур. Таким чином вирішується комплексна проблема покращення якості виробництва двигунів. Це має особливо велике значення для нових перспективних двигунів типу Д80.

У п’ятому розділі розглянуто вплив високодисперсних частин оксидів кремнію, алюмінію і магнію на процеси зношування та формування вторинних захисних структур робочих поверхонь пари гільза-поршньове кільце. Випробування проводили на машині тертя 2070 СМТ-1 при швидкості ковзання V=1,3м/с. Навантаження підвищували ступенево до різкого зростання коефіцієнту тертя та початку задироутворення. Для змащування використовували моторну оливу М14В2 одноразово на початку випробувань. Результати випробувань при введенні домішок оксидів в моторну оливу М14В2 приведено в табл. 4.

Таблиця 4

Вплив різних оксидів на fтер. пари тертя гільза – поршньове кільце

№ | Вміст, % | Значення fтер.при навантаженні Р, кН

SiO2 | Al2O3 | MgO | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1,0 | 1,2 | 1,4

1 | - | - | - | 0,120 | 0,105 | 0,093 | 0,092 | 0,096

2 | - | - | 0,1 | 0,110 | 0,105 | 0,098 | 0,120

3 | - | 0,1 | - | 0,140 | 0,120 | 0,110 | 0,115 | 0,112

4 | 0,1 | - | - | 0,130 | 0,110 | 0,100 | 0,105 |

5 | - | 0,033 | 0,067 | 0,100 | 0,100 | 0,103 | 0,100 | 0,098 | 0,093

6 | 0,033 | - | 0,067 | 0,114 | 0,097 | 0,093 | 0,090 | 0,096

7 | 0,025 | 0,025 | 0,050 | 0,106 | 0,100 | 0,100 | 0,105

8 | - | 0,067 | 0,033 | 0,110 | 0,100 | 0,100 | 0,095

9 | 0,033 | 0,067 | - | 0,126 | 0,105 | 0,096 | 0,100 | 0,094

10 | 0,025 | 0,050 | 0,025 | 0,120 | 0,100 | 0,090 | 0,085

11 | 0,067 | - | 0,033 | 0,104 | 0,100 | 0,103 | 0,102 | 0,096 | 0,090 | 0,09

12 | 0,067 | 0,033 | - | 0,120 | 0,100 | 0,093 | 0,100

13 | 0,050 | 0,025 | 0,025 | 0,110 | 0,100 | 0,096 | 0,102 | 0,104

14 | 0,033 | 0,033 | 0,033 | 0,110 | 0,105 | 0,103 | 0,105

Одержані результати свідчать, що роздільне введення оксидів Al2O3, SiO2 та MgO (при навантаженні 0,6 – 0,8 кН) призводить до підвищення коефіцієнтів тертя, в найбільшій мірі це стосується оксиду Al2O3. Але введення цього оксиду, на відміну від введення оксидів SiO2 та MgO, не призвело до зменшення навантажень задироутворювання в умовах випробувань, що має значення для використання його на початкових етапах обкатки двигунів.

При введенні сумішів оксидів SiO2 та Al2O3 з MgO відбувається зниження коефіцієнтів тертя до значень, відповідно одержаним при випробуваннях з чистою оливою і навіть нижчих при деяких навантаженнях. Додаткове введення до оливи, що містить домішки SiO2 і Al2O3, оксидів MgO супроводжується помітним зниженням коефіцієнтів тертя при деяких навантаженнях до значень, менших за одержані при випробуваннях з оливою та з домішками оксидів MgO. Проте навантаження задироутворювання при цьому не підвищуються. Отримані залежності свідчать про взаємодію досліджених оксидів в зонах фактичного контакту при терті, а також про вплив компонентного складу домішок на цю взаємодію. В найбільшій мірі підвищує навантаження задироутворення склад з 0,67% SiO2 і 0,33% MgO, який доцільно використовувати на завершальних етапах обкатки двигунів для оптимізації мікроструктури до мікродисперсного та аморфного стану.

Розглянуто умови та механізми переходу матеріалів поверхні деталі у аморфний стан, вплив мікроструктури, хімічного складу матеріалів і зовнішнього середовища на формування вторинних захисних дисипативних структур в процесах припрацювання. Побудовано модель переходу приповерхневих шарів металів у аморфізований стан. Загальна схема моделі приведена на рис. 5.

До аморфізації призводить накопичення зверхрівноважного рівня вакансій, збільшення параметрів гратки кристалів, та відповідний рівень надходження енергії тертя у вигляді теплової енергії і запасенної енергії розтягуючих силових напружень. Стабілізації аморфного та дрібнокристалічного бездіслокаційного стану приповерхневих шарів в процесі тертя сприяє локалізація зони силового дискретного контакту та відсутність деформаційного зміцнення, які впливають на зменшення коефіцієнту тертя і, отже, тепловиділення в контакті. З другого боку, стабільні високодисперсні домішки, включені в структуру аморфізованного приповерхневого шару, перешкоджають термічній дифузії атомів матеріалу основи і рекристалізації.

Встановлено роль різних елементів - аморфізаторів структури (H, C, Si, O, S, P, F, Cl та інш.) і високодисперсних домішок у механізмах переходу до аморфного стану та у стабілізації аморфної і високодисперсної структури поверхневого шару матеріалів у експлуатації.

На основі виконаних досліджень рекомендовані основні напрямки заходів по забезпеченню процесів аморфізації приповерхневого шару важконавантажених деталей в термін завершальних етапів обкатки тепловозних дизельних двигунів.

Економічний ефект від впровадження розробок у виробництво на ДП „Завод ім. Малишева” склав 90000 грн.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Дисертаційна робота направлена на вирішення науково-технічної проблеми підвищення довговічності та характеристик працездатності деталей дизельних двигунів шляхом насичення робочого шару високодисперсними твердими домішками стабільних сполук. Їх використання для підвищення характеристик працездатності та зменшення енерговитрат в останні роки поширюється, але механізм дії на цей час ще достатньо не вивчено, тому такий напрямок досліджень є важливим і актуальним. В роботі вивчається взаємодія робочих поверхонь деталей з високодисперсними домішками на основі природних серпентинітів (НІОД, РВС), діамантів вибухового синтезу та оксидів кремнію, алюмінію і магнію.

2. Вивчено вплив різних високодисперсних домішок на зношування матеріалів деталей двигунів. Запропоновано модель утворення вторинних захисних структур аморфного типу при їх використанні - шляхом активації дифузійних та мікропластичних процессів, накопичення зверхрівноважного рівня вакансій і розтягуючих напружень під час тертя, які сприяють аморфним перетворенням в приповерхневих шарах.

3. Запропоновано нову модель утворення вторинних захисних структур аморфної та мікрокристалічної будови, яка обумовлює доцільність введення в зону контакту декількох високодисперсних домішок. Дослідження показали, що введення в зону контакту двох чи більше домішок призводить до їх взаємодії, внаслідок чого, вторинні захисні структури утворюються переважно за рахунок матеріалів домішок при мінімальній участі у зношенні основного матеріалу деталі.

4. Проведено моделювання роботи деталей дизельних двигунів в умовах лабораторних та стендових випробувань на серійних машинах тертя типу СМЦ-2 та 2070 СМТ-1, а також на спеціально сконструйованій та виготовленій машині зі зворотно-поступовим рухом для випробувань на зношування деталей циліндро-поршньової групи дизельних двигунів. Показано формування робочих шарів поверхонь деталей з підвищеним рівнем працездатності шляхом насичення їх високодисперсними домішками. Насичення домішками типу НІОД та РВС на основі природних серпентинітів суттєво, більш ніж в 4 рази, підвищує зносостійкість хромованих поршньових кілець, при цьому у 1,5 – 2 рази зменшується коефіцієнт тертя.

5. Дослідження робочих поверхонь показали, що при випробуваннях з введенням високодисперсних домішок в моторну оливу утворюються робочі поверхні з підвищеним рівнем твердості та пластичності. На поверхнях тертя виявлені гребневидні утворення, так звані „хвилі пластичності”, які свідчать про підвищену рухомість тонкого приповерхневого шару, що призводить до зменшення сил тертя та підвищення зносостійкості внаслідок відсутності накопичення енергії деформування.

6. Введення високодисперсних діамантів вибухового синтезу в електролітичне хромове покриття поршньових кілець призводить до підвищення його зносостійкості у 2 рази, при цьому дещо знижуються значення коефіцієнту тертя, а також зношення поверхні зразків гільз циліндрів. Випробування спряження колінчастий вал – вкладиш підшипника тепловозних двигунів показали, що високоефективним засобом підвищення їх зносостійкості є домішки високодисперсних діамантів. Зношування зразків вала зменшується в 1,4 раз, вкладишів в 4,5 раз. Виявлено також скорочення терміну стабілізації і значень моментів тертя при припрацюванні вкладишів підшипників із бабіту Б2, та із алюміній-олов`яного сплаву АМО1-20.

7. Зважаючи на те, що додатки випробуваних високодисперсних домішок суттєво підвищують зносостійкість робочих поверхонь деталей, їх використання на початку заводської обкатки тепловозних двигунів слід вважати недоцільним, оскільки це призведе до стабілізації відхилень від форми, затягуванню, а то й до неможливості виходу двигунів на номінальну потужність. Але на завершальних етапах обкатки, для формування аморфної структури і вторинних захисних структур робочих поверхонь, такі додатки є корисними.

8. Випробування по визначенню впливу додатків високодисперсних оксидів– SiO2, Al2O3 та MgO на задиростійкість та значення коефіцієнтів тертя деталей спряження: гільза циліндра – поршньове кільце показали, що порізне їх введення призводить до підвищення коефіцієнтів тертя. Але сумісне їх використання в деяких пропорціях покращують показники тертя та задиростійкість. Одержані результати випробувань дали змогу впровадити рекомендації щодо скорочення терміну обкатки тепловозних дизельних двигунів на 30% з використанням високодисперсних домішок оксидів, та запропонувати состави до моторної оливи на початкових та завершальних етапах обкатки.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1. Береснев В.М., Борушко М.С., Любченко А.П., Мацевитый В.М., Олейник А.К. О фрикционных свойствах и износостойкости вакуумно – плазменных покрытий на основе нитрида титана // Электронная обработка материалов.- 1981, (99), №3, С.22-24

2. Мацевитый В.М., Береснев В.М., Борушко М.С. Журахович И.А., Олейник А.К., Романова Л.М. О влиянии нитридотитановых покритий на локализацию температурного поля при трении // Трение и износ.- 1981, (2), №6, С.1118 - 1120

3. Любченко А.П., Мацевитый В.М., Бакакин Г.Н., Береснев В.М., Олейник А.К. Исследование износа вакуумно – плазменных покрытий при трении по металлическим материалам // Трение и износ.-1983, (4), №5, С.892 – 897

4. Гуйва В.А., Кафтанова О.Н., Любченко А.П., Олейник А.К. Влияние лазерной закалки поршневих колец на антифрикционные свойства деталей ЦПГ дизеля 10Д100 // Износ в машинах и методы защиты от него. – Тезисы докладов Всесоюзной научн. Конф., Брянск, 1985, С.94

5. Левченко А.А., Гуйва Р.Т., Тананко И.А., Гуйва В.А., Олейник А.К., Ситцевая Е.Ю. Лазерное упрочнение поршневых колец дизеля // Вестник машиностроения.- 1991, № 2, С.61-63

6. Пат.1776348 RU, МКИ 7 С23 С26/00 В23 Р6/00. Способ обкатки транспортного двигателя. Волченков А.В., Буше Н.А., Никитин А.П., Зайончковский В.Н, Пивоваров В.И., Белогор В.М., Олейник А.К. №4916176 Заявл.05.03.91. Опубл. 15.07.92. Бюл. № . 7 с.

7. Любченко А.П., Гаркуша П.Н., Олейник А.К., Нечуйвитер Л.И. Об особенностях лабораторных и стендовых испытаний триботехнических пар поршневых двигателей // Информационные технологии: Наука, техника, технология, образование, здоровье. Сб. научн. Трудов ХГПУ. Вып. 6. – Харьков. – 1998, С.153-157

8. Лобанов В.К., Пашкова Г.І., Олійник О.К. Підвищення працездатності колінчастих валі з високоміцного чавуну електроіскровим легуванням // Металознавство та обробка металів.-2003, №2, С.49-52

9. Иващенко В.Н., Олейник А.К., Бородин В.Г. О влиянии ультрадисперстных алмазов на износостойкость пар трения ДВС // Автомобильный транспорт. – Сб. научн. тр. ХНАДУ, вып.13, Харьков – 2003, С.98 – 100

10. Олейник А.К. Особенности приработки высокопрочного чугуна при насыщении поверхностей трения ультрадисперсными частицами // Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве. –10 -я Международн. конф., Харьков - 2004

11. Пат. 72117 UA, МКИ 7 G01N19/02 Спосіб визначення коефіцієнта тертя / П.М. Гаркуша, М.О.Жук, А.П. Любченко, В.Ю. Меланчук, Л.І. Нечуйвітер, О.К. Олійник, С.І. Чернишов - №20031211353; Заявл. 05.12.03 Опубл. 17.01.05, Бюл. № 1, 2005р. – 5 с.

12. Мощенок В.И., Глушкова Д.Б., Олейник А.К. Исследование триботехнических характеристик вакуумно-плазменных покрытий для подшипников коленвалов тепловозных дизелей // Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів. – ?І Міжнар. наук. – техн. конф., Запоріжжя, 2005, С.81 – 83

13. Мощенок В.И., Глушкова Д.Б., Олейник А.К., Тарабанова В.П., Чигрин А.А.Влияние баббитового покрытия на триботехнические свойства подшипников // Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов. – 7-я Международн. конф., Харьков - 2005, С.177 - 178

14. Олейник А.К. Влияние ультрадисперсных окислов на характеристики трения деталей двигателей // Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве. –12-я Междунар. научно - техн. конф., Харьков - 2006, С.201 – 203

15. Олейник А.К. Влияние различных окислов на характеристики трения деталей двигателей//Вісник ХНТУСГ ім.Петра Василенка. Вип.42–Харків – 2006, С.155-158

АНОТАЦІЇ

Олійник О.К. Підвищення довговічності деталей дизельних двигунів насиченням робочого шару високо дисперсними домішками.

Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – матеріалознавство. Харківський національний автомобільно – дорожній університет. Харків, 2007.

Дисертація спрямована на підвищення довговічності деталей дизельних двигунів шляхом насичення робочого шару їх поверхонь високодисперсними домішками на основі природних серпентинітів, діамантів вибухового синтезу та оксидів кремнію, алюмінію і магнію.

Виконані комплексні дослідження, які дозволили визначити ефективність використання високодисперсних домішок для підвищення зносостійкості деталей двигунів та запропонувати модель утворення вторинних захисних структур аморфного типу при їх використанні. Формування таких структур проходить шляхом активації градієнтів хімічного потенціалу, мікропластичних та дифузійних процесів, що підвищують концентрацію вакансій і сприяють аморфним перетворенням в приповерхневих шарах. Вивчено особливості структурно-фазового складу досліджених робочих поверхонь, продуктів зношування. Досліджені причини і характер руйнування матеріалів під час випробувань на зношування.

Дослідження робочих поверхонь показали, що при випробуваннях з введенням високодисперсних домішок в моторну оливу утворюються робочі поверхні з підвищеним рівнем твердості та пластичності. На поверхнях тертя виявлені гребневидні утворення, так звані „хвилі пластичності”, які свідчать про підвищену рухомість тонкого приповерхневого шару, що призводить до зменшення сил тертя та підвищення зносостійкості внаслідок відсутності накопичення енергії деформування.

Запропоновано нову модель утворення вторинних захисних структур аморфної та мікрокристалічної будови, яка обумовлює доцільність введення в зону контакту декількох взаємодіючих між собою високодисперсних домішок.

Результати випробувань дали змогу впровадити рекомендації щодо скорочення терміну обкатки тепловозних дизельних двигунів з використанням високодисперсних домішок оксидів, та запропонувати состави до моторної оливи на початкових та завершальних етапах обкатки.

Ключові слова: довговічність, високодисперсні домішки, оксиди, вторинні аморфні структури, зносостійкість, задиростійкість, обкатка двигунів.

Олейник А.К. Повышение долговечности деталей дизельных двигателей насыщением рабочего слоя высокодисперсными добавками.

Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 – материаловедение. Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет. Харьков, 2007.

Диссертация направлена на повышение долговечности деталей дизельных двигателей путем насыщения рабочего слоя их рабочих поверхностей высокодисперсными добавками на основе природных серпентинитов, алмазов детонационного синтеза, окислов кремния, алюминия, магния.

В работе изучено влияние высокодисперсных добавок на свойства материалов сопряжения „гильза – поршневое кольцо” тепловозных дизелей типа Д100 и Д80, которые изготавливает ГП „Завод им. В.А. Малышева”. Полученные результаты свидетельствуют о том, что введением ультрадисперсных добавок в зону фрикционного контакта можно регулировать характер процесса изнашивания, а также влиять на формирование вторичных защитных структур рабочих слоёв.

Выполнены комплексные исследования, которые позволили определить эффективность использования высокодисперсных добавок для повышения износостойкости деталей двигателей и предложить модель образования вторичных защитных структур аморфного типа. Их формирование, происходит путем активации микропластичных и диффузионных процессов, что повышает концентрацию вакансий и способствует аморфным превращениям в приповерхностных слоях.

Изучены особенности структурно-фазового состава исследованных рабочих поверхностей, продуктов изнашивания и выполнен анализ причин и характера их разрушения во время испытаний. Предложена модель образования вторичных защитных структур аморфного и микрокристаллического строения, которая обусловливает целесообразность введения в зону контакта нескольких взаимодействующих между собой высокодисперсных добавок, в результате чего вторичные защитные структуры аморфного и микрокристаллического типа образуются преимущественно за счет материалов добавок при минимальном участии в изнашивании основных материалов деталей.

Показано формирование рабочих слоёв поверхностей деталей с повышенным уровнем работоспособности путем насыщения их высокодисперсными добавками. Насыщение добавками типа НИОД и РВС существенно, более чем в 4 раза, повышает износостойкость хромированных поршневых колец, при этом в 1,5 – 2 раза уменьшается коэффициент трения.

Исследования рабочих поверхностей показали, что при испытаниях с добавлением высокодисперсных добавок в моторное масло создаются рабочие поверхности с повышенным уровнем твердости и пластичности. На поверхностях трения выявлены гребневидные образования, так называемые „волны пластичности”, что сидетельствует о повышенной подвижности тонкого приповерхностного слоя, что приводит уменьшению сил трения и повышению износостойкости вследствие отсутствия накопления избыточной энергии деформации.

Введение высокодисперсных алмазов детонационного синтеза в электролитическое хромовое покрытие поршневых колец приводит к повышению его износостойкости в 2 раза, при этом несколько снижаются значения коэффициента трения, а также изнашивание поверхности образцов гильз цилиндров. Испытания образцов материалов и деталей сопряжения: коленчатый вал – вкладыш подшипника тепловозных двигателей Д100 и Д80 показали, что добавки высокодисперсных алмазов являются высокоэффективным способом повышения их износостойкости. Учитывая то, что введение исследованных высокодисперсных добавок существенно повышают износостойкость рабочих поверхностей деталей, их использование на начальных этапах заводской обкатки следует считать нерациональным, поскольку это приводит к стабилизации отклонений от правильной формы, затягиванию, а то и до невозможности выхода двигателя на номинальную мощность. Однако на завершающих этапах обкатки для формирования вторичных защитных структур поверхностей трения и структур аморфного типа такие добавки должны быть полезными.

Результаты испытаний позволили внедрить рекомендации по сокращению времени обкатки тепловозных дизельных