Підвищення працездатності чавунних колінчастих валів потужних транспортних дизелів комбінованими методами зміцнення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний автомобільно-дорожній університет

УДК 621.7: 620.178: 669

Підвищення працездатності чавунних колінчастих валів потужних транспортних дизелів комбінованими методами зміцнення

Спеціальність 05.02.01 - Матеріалознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Пашкова Галина Іванівна

Харків 2008

Дисертацією є рукопис

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

Захист дисертації відбудеться “ 20 ” березня 2008 р. о 1400 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 університету за адресою: 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25

Автореферат розісланий “13” лютого 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради І.В. Кияшко

АНОТАЦІЯ

Пашкова Г.І. Підвищення працездатності чавунних колінчастих валів потужних транспортних дизелів комбінованими методами зміцнення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - Матеріалознавство. - Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків, 2008 р.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі підвищення працездатності чавунних колінчастих валів потужних транспортних дизелів шляхом комбінованого зміцнення, яке базується на поєднанні локальних термічних обробок з наступним поверхневим пластичним деформуванням.

Встановлено, що працездатність таких валів визначається зносостійкістю їх шийок і опором втомі, що обумовлює вибір способів їх зміцнення. В роботі виявлено основні закономірності впливу локальних термічних обробок та поверхневого пластичного деформування (ППД) обкочуванням роликами на структуру, твердість, зносостійкість, рівень залишкових напружень і опір втомі зразків та колінчастих валів з високоміцного чавуну з кулястим графітом. Показано, що отримана в процесі зміцнення гартуванням СВЧ, ЛТО або ЕІЛ структура забезпечує істотне підвищення твердості та зносостійкості поверхні, однак призводить до зниження характеристик втоми за рахунок формування розтягувальних або неоднорідних по довжині зміцненої поверхні залишкових напружень. Експериментально встановлено, що ППД обкочуванням роликами високоміцного чавуну забезпечує підвищення втомних характеристик при оптимальному зусиллі обкочування, однак спричиняє утворення на обкоченій поверхні дефектів (“шипів”), що скорочує можливість використання цього методу для підвищення зносостійкості поверхні деталей. Запропоновано способи усунення негативного впливу “шипів”.

Рекомендовано застосування для зміцнення колінчастих валів комбінованих способів, проаналізовано їх вплив на структуру та експлуатаційні характеристики високоміцного чавуну. Запропоновано практичні рекомендації зі зміцнення великих колінчастих валів транспортних дизелів, які реалізовані у виробничих умовах. На підставі експлуатаційних випробувань проведена оцінка ефективності розроблених способів зміцнення. Встановлено, що використання комбінованого зміцнення великих колінчастих валів з високоміцного чавуну з кулястим графітом забезпечує підвищення їх зносостійкості в 2,3-3,9 рази залежно від виду локальної термічної обробки, і збільшення опору втомі в 1,9-2,5 рази. Економічна ефективність від реалізації запропонованих комбінованих методів зміцнення на ДП “Завод імені В.О. Малишева” становить 156,7 тис. грн. на річну програму випуску.

Ключові слова: зносостійкість, опір втомі, локальні термічні обробки, обкочування роликами, залишкові напруження, комбіноване зміцнення.

АННОТАЦИЯ

Пашкова Г.И. Повышение работоспособности чугунных коленчатых валов мощных транспортных дизелей комбинированными методами упрочнения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - Материаловедение. - Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков, 2008 г.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научно-технической задачи повышения работоспособности чугунных коленчатых валов мощных транспортных дизелей путем комбинированного упрочнения, базирующегося на сочетании локальных термических обработок (ТВЧ, ЛТО, ЭИЛ) с последующим поверхностным пластическим деформированием. Установлено, что работоспособность таких коленчатых валов определяется износостойкостью поверхности шеек и сопротивлением усталости, что обусловливает выбор способов их упрочнения.

В работе выявлены основные закономерности влияния локальных термических обработок на структуру, твердость, износостойкость, уровень остаточных напряжений и сопротивление усталости образцов и натурных коленчатых валов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Показано, что полученная в процессе упрочнения закалкой ТВЧ, ЛТО или ЭИЛ структура обеспечивает существенное повышение твердости (в 1,8-3 раза) и износостойкости поверхности (в 2-5 раз в зависимости от способа обработки, схемы испытаний и материала контртела). Однако формирование при этом растягивающих либо неоднородных по длине упрочненной поверхности остаточных напряжений приводит к снижению характеристик усталости на 3-23 %. Показана возможность восстановления либо повышения сопротивления усталости путем применения поверхностного пластического деформирования. Экспериментально установлено, что ППД обкаткой роликами высокопрочного чугуна вызывает повышение твердости поверхности, формирование сжимающих остаточных напряжений и обеспечивает существенное повышение усталостных характеристик при оптимальном усилии обкатки - предел ограниченной выносливости увеличивается в 1,87-2,2 раза. Выявлено образование на обкатанной поверхности дефектов (“шипов”), являющихся результатом наклепа металлической матрицы чугуна в зоне включений графита, расположенных в приповерхностном слое, что сокращает возможность использования процесса обкатки для повышения износостойкости поверхности деталей. Предложены способы устранения отрицательного влияния “шипов”. Рекомендовано применение для упрочнения коленчатых валов комбинированных способов, включающих локальную термическую обработку и ППД обкаткой роликами. Разработаны схемы комбинированного упрочнения, проанализировано их влияние на структуру и эксплуатационные характеристики высокопрочного чугуна. Рентгеноструктурным анализом напряженного состояния показано, что ППД после локальных термических обработок создает высокий уровень сжимающих остаточных напряжений и приводит к более равномерному их распределению по длине упрочненной поверхности. Сочетание ТВЧ, ЛТО или ЭИЛ с последующим пластическим деформированием галтелей и шеек коленчатых валов позволяет обеспечить их высокую износостойкость при одновременном увеличении сопротивления усталости. На основании полученных экспериментальных результатов выявлена возможность дальнейшего усовершенствования процесса ППД обкаткой роликами чугунных коленчатых валов. Разработан способ упрочнения, защищенный двумя патентами Украины. Предложены практические рекомендации по упрочнению крупных коленчатых валов транспортных дизелей, которые реализованы в производственных условиях. На основании эксплуатационных испытаний проведена оценка эффективности разработанных способов упрочнения.

Установлено, что использование комбинированного упрочнения крупных коленчатых валов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом обеспечивает повышение их износостойкости в 2,3-3,9 раза в зависимости от вида локальной термической обработки, и увеличение сопротивления усталости в 1,9-2,5 раза. Экономическая эффективность от реализации предложенных комбинированных методов упрочнения на ГП “Завод имени В.А. Малышева” составляет 156,7 тыс. грн. на годовую программу выпуска.

Ключевые слова: износостойкость, сопротивление усталости, локальные термические обработки, обкатка роликами, остаточные напряжения, комбинированное упрочнение.

ABSTRACT

Pashkova G.I. Serviceability Increase of Cast Iron Crankshafts of Powerful Transport Diesel Engines by Combined Strengthening. - Manuscript

Thesis on scientific degree of Candidate of Technical Sciences on specialty 05.02.01. - Material science. - The Kharkov National Automobile and Highway University, Kharkov, 2008.

The thesis is devoted to the decision of an actual scientific and technical problem - the serviceability increase of high-strength cast iron crankshafts combining the local heat treatment (LHT) with following surface plastic deformation (SPD) by roller spinning.

It is established that the serviceability of such crankshafts is controlled by journal wear resistance and fatigue endurance which causes the choice of their strengthening processes. This work gives the basic principles of LHT and SPD effect on the structure, hardness, wear resistance, a residual stress level and fatigue endurance of samples and real crankshafts made of high-strength cast iron with spheroidal graphite. It is shown that the structure received by surface induction and laser quenching or electromachining treatment ensures essential hardness and wear resistance increase but the fatigue endurance decreases because of nonuniform tensile stresses appearing. It is experimentally found that under optimal pressure SPD increases the fatigue endurance but this is accompanied by surface defects (“thorns”) formation which reduces the wear resistance. The technological decision is proposed for this negative effect elimination. Combination of LHT and SPD makes it possible to reach high wear resistance as well as to increase fatigue endurance. The practical recommendations of massive crankshafts strengthening realized in manufacturing are proposed. As a result the crankshafts wear resistance is increased by 2,3-3,9 times (depending of the Kind of LHT) and fatigue endurance by 1,9-2,5 times. Economic efficiency from realization of the offered combined methods of on the state enterprise “The Malyshev Plant” gives 156,7 thousand grn. on the annual program.

Key words: wear resistance, fatigue endurance, local heat treatments, roller spinning, residual stresses, combined strengthening.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема підвищення довговічності і надійності роботи двигунів внутрішнього згоряння в сучасних умовах є однією з найбільш важливих. Вона стає особливо актуальною у зв'язку зі створенням потужних транспортних двигунів, працюючих в умовах високих швидкостей і навантажень. Такі дизелі широко використовуються на залізничному транспорті (для магістральних і маневрових тепловозів), у суднобудуванні, як силові установки для електростанцій, енергоагрегати ракетних установок, на станціях газоперекачування і т. ін.

Ресурс роботи і надійність потужних транспортних дизелів тісно пов'язані з працездатністю колінчастих валів - найбільш відповідальних і дорогих деталей двигунів. Значна частина транспортних дизелів оснащається литими чавунними колінчастими валами, які є найбільш технологічними у виробництві. Встановлено, що у зв'язку з експлуатаційними умовами строк служби таких валів визначається зносостійкістю їх шийок і опором втомі.

Існує велика кількість способів поліпшення робочих характеристик валів, аналіз яких показує, що найбільш ефективними з них є комбіновані методи, які включають поверхневе пластичне деформування в поєднанні зі способами підвищення зносостійкості. Використання комбінованих методів дозволяє отримати високу зносостійкість поверхні шийок і одночасно забезпечити достатній рівень опору втомі. Проте матеріалознавчі аспекти застосування таких методів для зміцнення великих колінчастих валів з високоміцного чавуну розроблені недостатньо. Крім того такі методи використовуються для деталей з високоміцного чавуну, зокрема для великих колінчастих валів, значно менше, ніж для сталевих виробів. Тому тема дисертаційної роботи є важливою і безумовно актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Матеріали дисертаційної роботи є узагальненням результатів багаторічних досліджень, проведених автором. Робота виконувалась на ДП “Завод імені В.О. Малишева” в межах науково-дослідної роботи по темі “Утворення наукових принципів розробки нових засобів регулювання залишкових напружень з метою покращення робочих характеристик, довговічності та надійності деталей” (№ Д/Р 0195U004042, 1994-1997 р.р.), науково-технічних програм “Новітні технології в енергетиці, промисловості, агропромисловому комплексі” (ст. 7, п. 6 Закону України за пріоритетним напрямком розвитку науки та техніки в Україні), а також згідно з Державною програмою розвитку двигунобудування в Україні в період 2000-2005 р.р. Напрямок дисертаційної роботи відповідає держбюджетній та госпдоговірній тематиці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційного дослідження є підвищення працездатності чавунних колінчастих валів потужних транспортних дизелів комбінованими методами зміцнення, що базуються на поєднанні локальних термічних обробок з наступним поверхневим пластичним деформуванням галтелей і шийок вала.

Досягнення поставленої мети вимагало вирішення таких задач:

1. Вивчення особливостей зносу та руйнування великих чавунних колінчастих валів потужних транспортних дизелів і обґрунтування основних напрямів досліджень.

2. Вивчення впливу локальних зміцнювальних термічних обробок - гартування струмами високої частоти (СВЧ), лазерної термічної обробки (ЛТО), електроіскрового легування (ЕІЛ) - на структурно-фазові перетворення в приповерхневих об'ємах, твердість, зносостійкість, рівень залишкових напружень і опір втомі високоміцного чавуну.

3. Дослідження впливу пластичного деформування поверхні обкочуванням роликами на структуру, твердість, зносостійкість, рівень залишкових напружень і опір втомі високоміцного чавуну.

4. Розробка схем комбінованого зміцнення колінчастих валів транспортних дизелів і аналіз їх впливу на структуру та експлуатаційні характеристики високоміцного чавуну.

5. Розробка практичних рекомендацій щодо зміцнення великих чавунних колінчастих валів транспортних дизелів, реалізація їх в промислових умовах.

6. Проведення експлуатаційних випробувань зміцнених комбінованими методами колінчастих валів і визначення ефективності запропонованих способів зміцнення.

Об'єкт дослідження: колінчасті вали потужних транспортних дизелів, що виготовлені з високоміцного чавуну, та процеси їх термічного і механічного зміцнення.

Предмет дослідження: підвищення працездатності чавунних колінчастих валів потужних транспортних дизелів шляхом зміцнення їх комбінованими методами.

Методи дослідження: для вивчення структурно-фазового складу використовували методи металографічного, рентгеноструктурного, рентгеноспектрального аналізів, електронної мікроскопії. Для оцінки службових характеристик визначали механічні властивості та зносостійкість високоміцного чавуну. Експериментальні дослідження виконували з використанням оригінальних методик вивчення напруженого стану і втомних характеристик. Методи математичної статистики застосовували для обробки результатів випробувань. Опір втомі і зносостійкість зміцнених натурних колінчастих валів оцінювали шляхом експлуатаційних випробувань.

Наукова новизна одержаних результатів:

- запропоновано нове рішення науково-технічної задачі підвищення працездатності колінчастих валів потужних транспортних дизелів, які виготовляються з високоміцного чавуну з кулястим графітом, шляхом комбінованого зміцнення, що базується на поєднанні локальної термічної обробки (СВЧ, ЛТО або ЕІЛ) з наступним поверхневим пластичним деформуванням (ППД);

- встановлені залежності експлуатаційних характеристик високоміцного чавуну (зносостійкість та опір втомі) від структурно-фазового стану, розподілу твердості та рівня залишкових напружень, сформованих в процесі комбінованого зміцнення;

- виявлені закономірності формування рівня залишкових напружень в колінчастих валах з високоміцного чавуну на різних стадіях комбінованих зміцнювальних обробок;

- обґрунтовано принципи вибору оптимальної схеми ППД обкочуванням роликами колінчастих валів, яка забезпечує рівномірність розподілу залишкових напружень по зміцненій поверхні и задані характеристики зміцнення.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблені комбіновані методи, що базуються на поєднанні локальної термічної обробки з наступним ППД обкочуванням роликами, забезпечують суттєве підвищення зносостійкості при достатньому рівні опору втомі чавунних колінчастих валів потужних транспортних дизелів. На підставі одержаних експериментальних даних виявлено можливість подальшого удосконалення процесу поверхневого пластичного деформування обкочуванням роликами колінчастих валів з високоміцного чавуну, розроблено спосіб зміцнення, який захищено двома патентами України.

Розроблені та використані при проведенні досліджень оригінальні методики визначення залишкових напружень та характеристик втоми відсіків колінчастих валів, що дозволяють підвищити достовірність отриманих даних. Показана можливість використання способів комбінованого зміцнення, які, залежно від експлуатаційних вимог, базуються на різних видах локальної термічної обробки. Використання розроблених способів комбінованого зміцнення колінчастих валів з високоміцного чавуну забезпечує (за оптимальними режимами) підвищення їх зносостійкості у 2,3-3,9 рази, залежно від виду застосованої локальної термічної обробки, і збільшення опору втомі у 1,9-2,5 рази. Економічна ефективність від реалізації запропонованих комбінованих методів зміцнення на ДП “Завод імені В.О. Малишева” складає 156,7 тис. грн. на річну програму випуску.

Промислове впровадження розроблених способів зміцнення колінчастих валів з високоміцного чавуну дозволяє підвищити ресурс до першого перебирання у 2 рази (з 200 тис. км пробігу тепловозу до 400 тис. км), ресурс до капітального ремонту більш ніж у 1,5 рази (з 800 тис. км пробігу до 1,2-1,5 млн. км), забезпечує зниження вартості ремонтних робіт за строк служби дизеля більш ніж у 2 рази.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, отриманих результатів і висновків, сформульованих у дисертації, забезпечена коректною постановкою задачі, використанням сучасних положень матеріалознавства, високим рівнем експериментальних досліджень, виконаних з застосуванням сучасних методів та обладнання, великим обсягом лабораторних та промислових випробувань в експлуатаційних умовах, які підтверджують зроблені висновки і рекомендації.

Особистий внесок здобувача. В публікаціях особистий внесок автора складає від 50 до 100 % обсягу статей. Основні результати теоретичних та експериментальних досліджень, що виносяться на захист, отримані автором самостійно або при його безпосередній участі.

У роботах, що написані у співавторстві, автору належить ідея досліджень та обґрунтування їх напрямку [2,10,14,15,20], розробка деяких оригінальних методик досліджень та випробувань [1,4,9,11,14], проведення комплексних досліджень з визначення впливу локальних зміцнювальних обробок, поверхневого пластичного деформування та комбінованих методів зміцнення на структурно-фазові перетворення і твердість в приповерхневих об'ємах високоміцного чавуну [5-8,12,22], характеристики зносостійкості [5-7,14,22,27], рівень залишкових напружень [5,6,21] та опір втомі зразків і натурних колінчастих валів [2,5-7,9,11,12,14-16,20-22,27]. Виконана статистична обробка, узагальнення і аналітична оцінка отриманих результатів [1,2,4,6,8-11,16,19-22,27,28], сформульовано висновки [1,6-8,14-16]. Автором розроблено схеми комбінованого зміцнення великих колінчастих валів з високоміцного чавуну [15,16,19,21,27,28], проведено експлуатаційні випробування дослідних партій зміцнених колінчастих валів [19,28], запропоновано оптимальні параметри зміцнення [15,16,19,21] і здійснено впровадження розроблених способів у виробництво [19,28].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи були представлені та обговорювались на Всесоюзній та Міжнародних конференціях: “Остаточные напряжения - резерв прочности в машиностроении” (м. Ростов-на-Дону, 1991 р.), 8-й, 9-й, 10-й, 11-й, 12-й и 13-й “Физические и компьютерные технологии” (м. Харків, грудень 2003 р., червень 2004 р., вересень 2004 р., червень 2005 р., червень 2006 р., травень 2007 р.), X-й и XI-й “Машиностроение и техносфера XXI века” (м. Севастополь, вересень 2003 р., вересень 2004 р.), “Технические и экономические перспективы развития автотранспортного комплекса и дорожного строительства” (м. Харків, травень 2005 р.), “Сучасні технології виробництва деталей: досягнення та проблеми”, (м. Харків, жовтень 2006 р.), “Фізика конденсованих систем та прикладне матеріалознавство” (м. Львів, жовтень 2007), на щорічних науково-методичних конференціях в ХНАДУ (2005, 2006, 2007 р.р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладено у 28 наукових працях, в тому числі у 18 статтях в фахових журналах та збірниках наукових праць, які входять до переліку, затвердженого ВАК України; у 2 патентах України; у 8 тезах доповідей на Міжнародних наукових конференціях і семінарах.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 6 розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел з 207 найменувань і додатку. Повний обсяг роботи 203 сторінки, у тому числі 160 сторінок основного тексту, 80 рисунків, 31 таблиця.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі висвітлено сучасний стан проблеми, обґрунтовано актуальність теми роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено наукову новизну, практичну цінність отриманих результатів, їх реалізацію в промисловості, особистий внесок здобувача та апробацію дисертаційної роботи.

У першому розділі вивчені умови роботи колінчастих валів - найбільш навантажених, відповідальних і коштовних деталей ДВЗ, розглянуто різні технології та матеріали для їх виготовлення. Встановлено, що одним з найбільш перспективних матеріалів для виробництва колінчастих валів є високоміцний чавун з кулястим графітом.

Більша частина транспортних дизелів оснащується великогабаритними литими чавунними колінчастими валами, які є найбільш технологічними у виробництві. Для дизелів із циліндровою потужністю до 120 кВт найчастіше застосовується високоміцний низьколегований чавун з кулястим графітом, а для дизелів з підвищеною циліндровою потужністю (до 240 кВт) - легований чавун з кулястим графітом. Технологія виготовлення литих колінчастих валів, яка використовується у цей час у промисловості, як правило, базується на застосуванні операцій лиття з наступним раннім вибиванням виливків, що істотно знижує витрати на їх виробництво. Така технологія забезпечує заданий рівень міцності матеріалу валів, однак у процесі експлуатації відзначається ступінчасте зношування шийок валів, що викликає нерівномірний розподіл навантажень по довжині вала, зародження втомних тріщин і руйнування валів. Аналіз діаграм розподілу ушкоджень по довжині валів, характеру зношування шийок і руйнування колінчастих валів дозволив встановити, що основними показниками, які характеризують працездатність валів, є зносостійкість поверхні їх шийок і опір втомі.

Вивчення літературних джерел свідчить про те, що існує велика кількість технологій зміцнення, спрямованих на поліпшення експлуатаційної надійності деталей, у тому числі колінчастих валів, найбільш ефективними з яких є гартування СВЧ, зміцнення лазерним опромінюванням, нанесення на поверхню валів хромових, детонаційних, газотермічних покриттів, вібродугове наплавлення, іонно-плазмова обробка, електроіскрове легування, обробка струменем висококонцентрованої плазми, а також механічне зміцнення обкочуванням роликами, наклепом дробом, чеканенням і т. ін. Роботами в даному напрямку займалися багато дослідників, такі як І.В. Кудрявцев і представники його школи, Ю.М. Лахтін, Г.Ф. Головін, Ф.І. Яковлєв, Н.Н. Рикалін, О.О. Углов, В.С. Коваленко, Л.І. Дехтяр, А.Д. Верхотуров, Н.І. Лазаренко, Л.Г. Одинцов, С.В. Усов, А.П. Любченко, М.А. Балтер, В.А. Гуйва, Р.А. Новік, М.Л. Туровский і багато інших.

Відзначені способи зміцнення досить добре досліджені й реалізовані для виробів зі сталей і легких сплавів, але істотно менше використовуються для зміцнення деталей з чавуну, особливо високоміцного, і зокрема, таких відповідальних деталей як колінчасті вали. Крім того, відомі методи обробки найчастіше не забезпечують комплексного підвищення характеристик зносостійкості і опору втомі деталей. У цьому випадку доцільно застосування комбінованих методів зміцнення, які включають поверхневе пластичне деформування в поєднанні зі способами, що забезпечують підвищення зносостійкості поверхні. Але матеріалознавчі аспекти застосування таких методів для зміцнення великих чавунних колінчастих валів розроблені недостатньо. Тому викликає інтерес розробка і дослідження комбінованих методів зміцнення великих колінчастих валів з високоміцного чавуну. Найбільш раціональними способами зміцнення таких валів, спрямованими на підвищення зносостійкості поверхні шийок, є гартування СВЧ, лазерна термічна обробка, електроіскрове легування.

Дослідження можливості застосування комбінованих методів зміцнення, що базуються на використанні локальної термічної обробки і поверхневого пластичного деформування галтелей і шийок вала, для одержання високої зносостійкості поверхні шийок при достатньому рівні опору втомі валів і обумовило мету і задачі дисертаційної роботи.

В другому розділі розглянуті використані матеріали та методики проведення досліджень. Як матеріал при проведенні роботи використали модифікований магнієм високоміцний чавун з кулястою формою включень графіту такого хімічного складу (мас. %): 2,8...3,8 C; 1,8...2,2 Si; 0,5...1,45 Mn; 0,4…0,6 Ni; ? 0,15 Cr; ? 0,1 P; ? 0,025 S; 0,04...0,1 Mg. Крім того, вивчали високоміцний легований Ni й Mo чавун (мас. %: 3,4...3,9 C; 1,9...2,5 Si; 0,8...1,25 Mn; 0,5...1,0 Ni; ? 0,1 Cr; 0,2...0,5 Mo; 0,05...0,1 Mg; ? 0,05 P; ? 0,02 S), якій використовується для виготовлення колінчастих валів транспортних дизелів з підвищеною потужністю (до 2950 кВт). Для досліджень обрали стандартні й напівнатурні (з діаметром робочої частини 50 мм) зразки та реальні колінчасті вали дизелів типу 10Д100 і Д80 у вихідному стані (після лиття з раннім вибиванням виливків), зміцнені локальними термічними обробками (гартування СВЧ, ЛТО, ЕІЛ), поверхневим пластичним деформуванням або комбінованими методами, що базуються на поєднанні локальних обробок і ППД. Всі перелічені види обробки здійснювали за оптимальними режимами.

Для вивчення структурно-фазового складу і твердості застосовували методи металографічного, рентгеноструктурного аналізу та електронної мікроскопії. Мікроструктуру досліджували за допомогою металографічних мікроскопів МІМ-7, МІМ-8, “Neophot-21” у діапазоні збільшень Ч 100…1000. Структурно-фазовий аналіз проводили за допомогою дифрактометра ДРОН-3 (FeКб - випромінювання). Твердість поверхні визначалася за методом Віккерса на приладі ТП-7р при навантаженні 490 й 980 Н, а також стандартними методами Брінелля і Роквелла. Мікротвердість вимірювали на приладі ПМТ-3 при навантаженні 0,98 Н за стандартною методикою на поперечних мікрошліфах і безпосередньо по поверхні зразків. Мікрорентгеноспектральний аналіз зразків з ЕІЛ здійснювали за допомогою рентгенівського мікроаналізатора МАР-3.

Випробування на зносостійкість виконували в парі з матеріалами підшипників: свинцевистою бронзою (БрС30 з покриттям Pb - Sn - Cu) і алюмінієвим сплавом АО20-1. При проведенні досліджень використали машину тертя СМЦ-2 (схема “ролик - колодка”) і спеціальний стенд ИПС-2 (схема “вал - вкладиш”).

Рівень залишкових напружень у поверхневих шарах зразків і деталей визначали методом рентгенівської дифрактометрії з використанням багаторазових похилих зйомок (sin2ш-метод), що дає можливість вимірювати будь-яку складову залишкових напружень у локальних зонах. Оцінювали рівень осьових і тангенціальних напружень. Зйомки здійснювали на дифрактометрі ДРОН-3М у фільтрованому випромінюванні Cr-аноду. Паралельно напружений стан вивчали з використанням розробленої автором оригінальної методики на основі механічного методу “отворів” й електротензометрії.

Опір втомі оцінювали за результатами циклічних випробувань зразків і натурних валів на машинах типу МУИ-6000 і МУП. Крім стандартних, використовувалася запропонована автором оригінальна методика випробувань на втому відсіків колінчастих валів. Обробку результатів випробувань виконували із застосуванням методів математичної статистики. Опір втомі і зносостійкість зміцнених натурних колінчастих валів оцінювали шляхом експлуатаційних випробувань.

Третій розділ присвячено вивченню впливу локальних зміцнювальних термічних обробок (гартування СВЧ, ЛТО, ЕІЛ) на структурно-фазові перетворення в приповерхневих об'ємах, твердість, характеристики зносостійкості, рівень залишкових напружень та опір втомі високоміцного чавуну, якій застосовується для виготовлення колінчастих валів. Відзначається, що подібні комплексні порівняльні дослідження зразків і великих колінчастих валів з високоміцного чавуну зроблені вперше. Ідентичність умов випробувань (однотипові методики, те саме устаткування, однакова технологія виготовлення зразків і деталей) дозволили провести достовірне порівняння отриманих результатів досліджень.

Мікроструктура високоміцного чавуну після раннього вибивання виливків і наступного відпуску при температурі 680 єС наведена на рис. 1, а. Дані металографічного аналізу свідчать про те, що матриця має перліто-феритну структуру металевої основи із площею перліту від 70 до 96 %, характеризується великопластинчастою будовою перлітної складової, невеликою кількістю (3...5 %) структурно вільного цементиту. Ферит присутній у вигляді оторочки навколо включень кулястого графіту. Твердість 217…229 НВ.

В результаті проведених досліджень виявлено, що гартування СВЧ викликає утворення в приповерхневих об'ємах зміцненої зони мартенсито-перлітної будови глибиною 4,5…5 мм (рис. 1, б) і збільшення твердості поверхні в 1,8 рази у порівнянні з чавуном після раннього вибивання виливків (HRCэ 42...49). Застосування лазерної термічної обробки без оплавлення поверхні забезпечує формування в зоні гартування мартенсито-аустенітної структури на глибину до 1,1 мм (рис. 1, в) та підвищення твердості поверхні в 2,5-3 рази (690...780 HV). Зміцнення поверхні шийок валів електроіскровим легуванням сталлю 12Х18Н10Т забезпечує виникнення структур вторинного гартування і “білих” шарів глибиною до 0,25 мм (рис. 1, г) з підвищенням твердості до 2,1 разів (480...680 HV).

Результати випробувань на зношування показують, що локальні термічні обробки забезпечують істотне (в 1,4-3,9 рази залежно від схеми випробувань і матеріалу контртіла) підвищення зносостійкості поверхні (табл. 1, 2).

Таблиця 1 Результати випробувань на зношування за схемою “ролик - колодка” пари тертя: чавун - сплав АО20-1 (ф - 10 ч, V - 1,3 м·с-1, Pконт - 5 МПа, мастило М14В2)

В роботі встановлено, що досліджені зміцнювальні обробки призводять до формування в поверхневих шарах чавуну залишкових напружень розтягування або неоднорідних по довжині зміцненої поверхні й, як наслідок, - до зниження опору втомі як зразків, так і натурних колінчастих валів (табл. 3).

Таблиця 2 Результати випробувань на зношування за схемою “вал - вкладиш” зразків з високоміцного чавуну (ф -50 ч, V - 8 м·с-1, P - 500 Н, мастило М14В2)

Таблиця 3 Значення границь обмеженої витривалості відсіків колінчастих валів з високоміцного чавуну, зміцнених локальними термічними обробками

Отримані експериментальні результати дослідження свідчать про ефективність використання локальних зміцнювальних обробок (ЛТО, СВЧ та ЕІЛ) для підвищення зносостійкості шийок великих колінчастих валів з високоміцного чавуну, однак встановлена необхідність їх наступної обробки для відновлення або підвищення опору втомі. Відомо, що найбільш перспективним способом підвищення втомних характеристик є поверхневе пластичне деформування (ППД).

У четвертому розділі досліджено вплив пластичного деформування поверхні обкочуванням роликами на структуру, твердість, зносостійкість, рівень залишкових напружень і опір втомі високоміцного чавуну.

Встановлено, що ППД обкочуванням роликами за оптимальними режимами супроводжується деформацією графітних включень та їх феритних оторочок, які розташовані у зоні зміцнення. Глибина зони змін форми графіту невелика і становить 90...200 мкм при зусиллі обкочування 9 кН. Зміна структури металевої основи в приповерхневих шарах характеризується подрібненням та деформацією перлітних пластин під дією контактних тисків, що відзначається при электронномікроскопічному дослідженні.

Визначено закономірності зміни твердості, шорсткості поверхні та глибини зміцненої зони зразків залежно від зусилля обкочування. Показано, що максимальне значення твердості для зразків з високоміцного чавуну знаходиться на поверхні, для зразків з високоміцного легованого чавуну - на глибині 0,3-0,4 мм незалежно від зусилля обкочування. Глибина зміцненої ППД зони зростає при зменшенні величини профільного радіуса роликів і підвищенні зусилля обкочування. Однак при зусиллі понад 10 кН спостерігається злущування поверхневого шару. Вивчення виду поверхні зразків свідчить про те, що обкочування роликами, особливо при високих зусиллях, супроводжується утворенням на поверхні дефектів (“шипів”), які є результатом наклепу металевої матриці чавуну в зоні включень графіту, що розташовані у приповерхневому шарі (рис. 2, а). Запропоновано схему утворення “шипів”. Показано, що їх негативний вплив при роботі пари тертя аналогічний дії абразивних зерен або виступів, які є ніби мікрорізцями, що руйнують поверхню контртіла.

Для виключення негативного впливу зазначених дефектів необхідна фінішна операція зміцненого ППД поверхневого шару така, як шліфування, полірування або суперфінішна обробка. При дослідженні зносостійкості зразки зміцнювали не тільки профільними роликами, але й роликами зі спіральною формою деформуючого виступу. Випробуваннями на зношування встановлено, що оптимальною схемою зміцнення зразків з високоміцного чавуну є обкочування роликами зі спіральним робочим профілем з наступною суперфінішною обробкою (знімання металу 0,03-0,04 мм на сторону), що забезпечує створення сприятливого змащуванню мікрорельєфу поверхні (рис. 2, б).

Рентгенівський аналіз розподілу напружень за глибиною зміцненого шару зразків, які обкочені роликами з зусиллям від 0,6 до 2,0 кН, показує, що найбільше значення стискувальних напружень (до 830 МПа) реалізується при зусиллі обкочування рівному 1,0 кН. Максимальна глибина їх розповсюдження (близько 200 мкм) досягається при зусиллі 2,0 кН.

Результати випробувань на втому свідчать про те, що зміцнення обкочуванням роликами з зусиллям 0,85...0,95 кН стандартних гладких зразків з високоміцного чавуну забезпечує підвищення їх границі витривалості при згині з обертанням на 43...57 %. Зміна величини зусилля обкочування зменшує ефективність зміцнення. Обкочування роликами з оптимальним зусиллям (7-8 кН) напівнатурних зразків також приводить до істотного збільшення значень границі обмеженої витривалості при знакопостійному згині (в 1,87-2,2 рази залежно від варіанта виготовлення).

На підставі результатів проведених досліджень встановлено, що обкочування роликами високоміцного чавуну з кулястим графітом приводить до підвищення твердості поверхні, формування в поверхневих шарах стискувальних залишкових напружень та істотного збільшення характеристик втоми деталей, однак внаслідок утворення “шипів” можливість застосування його для підвищення зносостійкості обмежена. Тому для зміцнення колінчастих валів з високоміцного чавуну запропоновано застосування комбінованого зміцнення, що базується на поєднанні локальної термічної обробки з поверхневим пластичним деформуванням обкочуванням роликами.

У п'ятому розділі запропоновано схеми комбінованого зміцнення, що включають локальну обробку поверхні СВЧ, ЛТО або ЕІЛ і наступне ППД обкочуванням роликами, проведено аналіз впливу комбінованого зміцнення на структуру і експлуатаційні характеристики високоміцного чавуну.

Експериментальні дослідження показали, що таке зміцнення приводить до невеликих змін мікроструктури високоміцного чавуну в порівнянні з матеріалом валів, підданим гартуванню СВЧ, ЛТО, ЕІЛ, без наступного ППД: при металографічному дослідженні відзначається лише деяке спотворення форми графіту поблизу поверхні зразків, підданих комбінованому зміцненню, і видавлювання окремих графітних включень. Така формозміна графіту аналогічна тій, що спостерігається при пластичній деформації в процесі обкочування роликами зразків з високоміцного чавуну без локальних термічних обробок. Встановлено підвищення значень поверхневої твердості зразків після комбінованого зміцнення на 50-80 HV і зносостійкості пари тертя (роликів на 3-5 %, колодок зі сплаву АО20-1 на 15-38 %) у порівнянні зі зразками після локальних термічних обробок без наступного ППД.

Рентгеноструктурний аналіз напруженого стану показав, що ППД після термічних обробок створює високий рівень стискувальних залишкових напружень у зразках, приводить до більш рівномірного розподілу їх по довжині зміцненої поверхні та забезпечує внаслідок цього підвищення опору втомі напівнатурних зразків в 1,8 рази.

Результати проведеного комплексу досліджень використані для зміцнення реальних колінчастих валів. На підставі отриманих експериментальних даних виявлена можливість подальшого вдосконалення процесу поверхневого пластичного деформування обкочуванням роликами. Встановлено, що оптимальною схемою зміцнення колінчастих валів з високоміцного чавуну поверхневим пластичним деформуванням є обкочування перехідних галтелей різнопрофільними роликами та роликами з похилим профілем, а циліндричної частини шийок спеціальними роликами з деформуючим виступом у вигляді спирали. Така обробка забезпечує формування стискувальних залишкових напружень у шийках валів, більш рівномірний і однорідний їх розподіл по довжині зміцненої поверхні (див. табл. 4), що приводить до подальшого зростання характеристик втоми (рис. 3).

Таблиця 4 Результати визначення величини залишкових напружень у колінчастих валах з високоміцного чавуну

* - напруження на загартованих доріжках,

** - напруження між доріжками

Проведені дослідження свідчать про високу ефективність комбінованого зміцнення колінчастих валів, яке базується на поєднанні локальної термічної обробки і поверхневого пластичного деформування обкочуванням роликами. Такий спосіб зміцнення забезпечує істотне підвищення характеристик зносостійкості при одночасному досягненні необхідного рівня опору втомі.

Позитивні результати експериментальних досліджень, які проведені у лабораторних умовах, дозволили приступитися до розробки промислових технологічних схем комбінованого зміцнення натурних колінчастих валів дизелів типу Д100 (потужність 2200 кВт), а також дизелів з підвищеною потужністю (до 2950 кВт) типу Д80.

У шостому розділі наведено результати експлуатаційних випробувань колінчастих валів транспортних дизелів, зміцнених комбінованими методами за розробленими практичними рекомендаціями (табл. 5), представлено параметри процесів локальних термічних обробок, схеми установок для їх реалізації у виробничих умовах і характеристики зміцнених шарів.

На підставі результатів промислового впровадження встановлено, що якість виготовлення колінчастих валів з гартуванням СВЧ істотно залежить від наявності ливарних дефектів у приповерхніх об'ємах виливків; зміцнення валів ЛТО з наступним ППД є найбільш ефективним способом обробки, який забезпечує високу зносостійкість поверхні деталей при одночасному підвищенні опору втомі; електроіскрове легування поверхні шийок колінчастих валів забезпечує задовільні характеристики зносостійкості та підвищення моторесурса дизелів до 1,2 млн. км пробігу тепловоза, однак невелика глибина зміцнених шарів викликає необхідність повторного зміцнення ЕІЛ валів при капітальних ремонтах.

Зміцнення обкочуванням роликами перехідних галтелей і циліндричної поверхні шийок валів, які були піддані локальним термічним обробкам (гартування СВЧ, ЛТО, ЕІЛ), забезпечує збільшення величин границь витривалості в 1,9 - 2,5 рази в порівнянні з варіантами без зміцнення ППД.

Таблиця 5 Результати експлуатаційних випробувань деталей на розгорнутих дизелях

Обслуговування дизелів зі зміцненими колінчастими валами в депо виявило, що витрати на проведення ремонтних робіт за термін служби дизелів знижені більш ніж в 2 рази. Сумарна економічна ефективність від реалізації запропонованих комбінованих методів зміцнення на ДП “Завод імені В.О. Малишева” становить 156,7 тис. грн. на річну програму випуску, що підтверджено актом промислового використання.

чавунний вал гартування

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена рішенню важливої науково-технічної задачі підвищення працездатності чавунних колінчастих валів потужних транспортних дизелів шляхом застосування комбінованих методів зміцнення.

1. Вперше для колінчастих валів потужних транспортних дизелів, виготовлених з високоміцного чавуну, розроблені та реалізовані схеми комбінованого зміцнення, що базуються на поєднанні локальних термічних обробок з наступним ППД обкочуванням роликами, які дозволяють істотно підвищити зносостійкість поверхонь шийок при достатньому рівні опору втомі вала.

2. Встановлено, що гартування ТВЧ високоміцного чавуну викликає утворення в приповерхневих об'ємах зміцненої зони мартенсито-перлитної будови глибиною 4...5 мм і збільшення твердості поверхні в 1,8 рази у порівнянні з чавуном після раннього вибивання виливків; застосування лазерної термічної обробки без оплавлення поверхні забезпечує формування в зоні гартування мартенсито-аустенітної структури на глибину до 1,1 мм та підвищення поверхневої твердості в 2,5-3 рази; зміцнення поверхні шийок валів електроіскровим легуванням сталлю 12Х18Н10Т забезпечує виникнення структур вторинного гартування і “білих” шарів глибиною до 0,25 мм з підвищенням твердості до 2,1 разів.

3. Показано, що локальні термічні обробки (СВЧ, ЛТО, ЕІЛ) забезпечують істотне (в 1,4-3,9 рази) підвищення зносостійкості поверхні шийок чавунних колінчастих валів, однак призводять до формування в поверхневих шарах розтягувальних або неоднорідних по довжині зміцненої поверхні залишкових напружень і, як наслідок, зниження опору втомі на 7-30 %.

4. Встановлено, що для підвищення втомних характеристик високоміцного чавуну з кулястим графітом ефективним є процес поверхневого пластичного деформування обкочуванням роликами при оптимальній величині зусилля обкочування та наступній фінішній обробці, що забезпечує створення необхідного мікрорельєфу поверхні й нівелювання негативного впливу дефектів (“шипів”), які є результатом наклепу металевої матриці чавуну в зоні включень графіту, розташованих у приповерхневому шарі.

5. Виявлено, що ППД обкочуванням роликами за оптимальними режимами супроводжується деформацією графітних включень та їх феритних оторочок, які розташовані у зоні зміцнення. Глибина зони змін форми графіту невелика і становить 90...200 мкм при зусиллі обкочування 9 кН. Зміна структури металевої основи в приповерхневих шарах характеризується подрібненням та деформацією перлітних пластин. Показано підвищення величини твердості поверхні й формування у тонкому поверхневому шарі стискувальних залишкових напружень, що приводить до збільшення характеристик втоми зразків в 1,4-2,2 рази.

6. Встановлено, що комбіноване зміцнення, що включає поєднання локальної термічної обробки (СВЧ, ЛТО, ЕІЛ) з наступним пластичним деформуванням обкочуванням роликами, забезпечує підвищення величин поверхневої твердості зразків з високоміцного чавуну на 50-80 HV і зносостійкості пари тертя (роликів на 3-5 %, колодок зі сплаву АО20-1 на 15-38 %) у порівнянні зі зразками після локальних термічних обробок без наступного ППД, і приводить до формування високого рівня стискувальних залишкових напружень на поверхні зразків і більш рівномірному їх розподілу по довжині зміцненої поверхні.

7. Запропоновано оптимальну схему комбінованого зміцнення колінчастих валів з високоміцного чавуну, яка включає обробку шийок СВЧ, ЛТО або ЕІЛ і наступне ППД обкочуванням роликами галтелей і циліндричної частини шийок, що забезпечує формування стискувальних залишкових напружень, а також більш рівномірний та однорідний розподіл їх по довжині зміцненої поверхні і приводить до росту характеристик втоми (значення обмежених границь витривалості підвищуються в 1,9 - 2,5 рази в порівнянні з варіантами без зміцнення ППД).

8. Розроблено промислові технологічні схеми виготовлення колінчастих валів транспортних дизелів, що включають комбіноване зміцнення, яке базується на поєднанні гартування СВЧ, ЛТО або ЕІЛ з наступним ППД обкочуванням роликами. Запропоновано види технологічного оснащення та устаткування для реалізації зазначених процесів у виробничих умовах.

9. На основі результатів експлуатаційних випробувань встановлено, що: якість виготовлення колінчастих валів, загартованих СВЧ, істотно залежить від наявності ливарних дефектів у приповерхневих об'ємах виливків; зміцнення валів ЛТО з наступним ППД є найбільш ефективним способом обробки, що забезпечує високу зносостійкість поверхні деталей при одночасному підвищенні опору втомі; електроіскрове легування поверхні шийок колінчастих валів забезпечує задовільні характеристики зносостійкості та підвищення моторесурса дизелів до 1,2 млн. км пробігу тепловоза, разом з тим невелика глибина зміцнених шарів викликає необхідність повторного зміцнення ЕІЛ валів при капітальних ремонтах.

10. Промислове впровадження розроблених способів зміцнення колінчастих валів з високоміцного чавуну дозволяє підвищити ресурс роботи дизеля до першого перебирання в 2 рази, ресурс до капітального ремонту більш ніж в 1,5 рази. Обслуговування дизелів зі зміцненими колінчастими валами в депо виявило, що витрати на проведення ремонтних робіт за термін служби дизелів знижені більш ніж в 2 рази. Сумарна економічна ефективність від реалізації запропонованих комбінованих методів зміцнення на ДП “Завод імені В.О. Малишева” становить 156,7 тис. грн. на річну програму випуску.

Результати проведеної роботи показують доцільність широкого впровадження у виробництво досліджених способів комбінованого зміцнення при виготовленні великих дизелів з колінчатими валами з високоміцного чавуну.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

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

2. Лобанов В.К., Пашкова Г.И. Оптимизация испытаний на усталость коленчатых валов транспортных дизелей // Механіка та машинобудування. - 2004. - № 1. - С. 32-35.

3. Пашкова Г.И. Работоспособность валов из высокопрочного чугуна с дискретным упрочнением шеек // Технічний сервіс АПК, техніка та технології у сільськогосподарському машинобудуванні: Вісник ХДТУСГ. - Харків, 2004. - вип. 26. - С.256-261.

4. Любченко А.П., Лобанов В.К., Пашкова Г.І. Про ефективність нормалізації великих колінчастих валів з високоміцного чавуну // Металознавство та обробка металів. - 2005. - № 1. - С. 49-54.

5. Лобанов В.К., Пашкова Г.И. О закалке токами высокой частоты крупных коленчатых валов из высокопрочного чугуна // Високі технології в машинобудуванні: Збірн. наук. пр. - Харків: НТУ „ХПІ”, 2005. - вип. 1 (10). - С. 44-48.

6. Лобанов В.К., Босин Е.Е., Пашкова Г.И. Комбинированное упрочнение - эффективный способ повышения долговечности коленчатых валов мощных транспортных дизелей // Резание и инструмент в технологических системах: Межд. научно-техн. сб. - Харьков: НТУ “ХПИ”, 2004. - Вып. 66. - С. 83-88.

7. Любченко А.П., Пашкова Г.И. Повышение работоспособности коленчатых валов мощных транспортных дизелей путем комбинированного упрочнения. // Машиностроение и техносфера XXI века: Сб. тр. научно-техн. конф., г. Севастополь, - Донецк: ДонНТУ, 2004. - т. 2. - С. 180-183.

8. Лобанов В.К., Пашкова Г.И. Исследование влияния упрочнения обкаткой роликами на характеристики поверхностного слоя деталей из высокопрочного чугуна // Механіка та машинобудування. - 2005. - № 1. - С. 241-245.