CC BY
98
УДК [621.9.048.7:621.373.826]: [621.436-242:629.5]
Ю. И. Матвеев, С. С. Казаков
ОСОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ СУДОВЫХ СРЕДНЕООБОРОТНЫ1Х ДИЗЕЛЕЙ
Лазерные методы обработки материалов и покрытий относятся к новым перспективным технологиям, широкое внедрение в производство которых датируется началом 80-х гг. XX в. Однако, несмотря на то, что к настоящему времени проведено достаточно большое количество исследований, способ лазерного упрочнения недостаточно изучен для конкретных материалов и условий изготовления деталей машин, особенно в области судо- и машиноремонта.
Возможность лазерного упрочнения деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) судовых дизелей водного транспорта впервые исследовалась специалистами кафедры «Технологии конструкционных материалов и машиноремонта» Волжской государственной академии водного транспорта (ВГАВТ) [1, 2]. В ходе исследований установлено, что лазерное термоупрочнение является перспективным для судового дизелестроения и машиноремонта. Один из недостатков лазерного нагрева - значительные потери электроэнергии вследствие отражений лазерного луча от поверхности. Металлы, имеющие гладкую, блестящую поверхность, отражают 80-96 % лазерного излучения.
Известно несколько способов повышения поглощательной способности металлов: изменение шероховатости поверхности, образование оксидных пленок при обработке в окислительной среде, нанесение специальных поглощающих покрытий и др. Были проведены исследования по поиску новых веществ, которые можно было бы использовать в качестве поглощающих покрытий и которые могли бы отвечать предъявляемым к ним основным требованиям: высокая поглощательная способность излучения с длиной волны 10,6 мкм, хорошая теплопроводность и термическая стойкость, высокая адгезия с металлом, легкость снятия с поверхности, технологичность применения в условиях массового производства (недефицитность, противопожар-ность, неядовитость, растворимость в простых растворителях) и т. д.
Нами рассматривались две группы покрытий. Первая (черная гуашь, полиграфическая краска, грунтовка, черная паста) содержала сажистые пигменты. Вторая группа покрытий (цветные гуаши) представляет собой пастообразные суспензии неорганических пигментов и наполнителей в водноклеевом связующем на основе декстрина с добавками пластификаторов, антисептиков и других компонентов. Композиции первой и второй группы изготавливаются серийно отечественными предприятиями. Покрытия можно наносить с помощью пульверизатора. Толщина покрытий составляет 10...20 мкм. Была использована также копоть, условно названная сажей, которую получали при сжигании вакуумного масла. В качестве эталона сравнения выбран традиционный фосфат марганца.
Лазерную обработку чугуна с покрытиями и без покрытия проводили в аналогичных условиях в режиме оплавления поверхности при мощности 1... 5 кВт и скорости перемещения образцов 0,5 и 1,5 м/мин.
В сравнении с покрытиями второй группы поглощательная способность фосфата марганца и покрытий первой группы оказалась несколько ниже. Так, при мощности облучения 1 кВт глубина зоны лазерного воздействия увеличилась по сравнению с вариантом без покрытия на 180 % при использовании опытной гуаши, на 175 % - желтой гуаши, на 165 % - белой гуаши, на 165 % - фосфата марганца. Применение сажи практически не давало эффекта.
Наиболее эффективными по-прежнему оказались композиции, содержащие оксиды металлов: опытная и желтая гуаши. Фосфат марганца при данных условиях облучения по своим свойствам близок к черным покрытиям (паста и гуашь).
Именно поэтому для дальнейших исследований лазерной обработки поршневых колец (ПК) использовались поглощающие покрытия на основе гуаши.
Нами проводились исследования лазерного упрочнения деталей (ПК) ЦПГ судовых среднеоборотных дизелей (СОД), изготавливаемых на предприятиях ОАО «РУМО» и ОАО «Завод «Нижегородский теплоход». Отличительной особенностью изготовления заготовок на данных предприятиях является то, что в первом случае ПК получают центробежным способом литья, а во втором случае - литьём в землю.
Исследования лазерного упрочнения чугунов ПК судовых СОД осуществлялись на С02-лазере непрерывного действия «Комета-2» при мощности излучения Р = (530...1 700) Вт и скорости обработки V = (2,0... 110) мм/с.
Поршневые кольца подвергались лазерному упрочнению по двум вариантам: на СО2-лазере «Комета-2» и на спроектированном нами лазерном технологическом комплексе, включающем твердотельный лазер ЛТН-103 и станок с ЧПУ ТПК-125ВН. Мощность излучения твёрдотельного лазера изменялась от 200 до 500 Вт, а скорость обработки V составляла (1...12) мм/с. Для увеличения коэффициента поглощения энергии луча лазера на рабочие поверхности исследуемых образцов и натурных деталей наносили углеродные и оксидные покрытия.
Металлографические исследования осуществляли на микроскопах Неофот-32; МИМ-8М; РЭМ 200. Механические характеристики микроструктуры чугунов определяли на приборах «Дуримет» и ПМТ-3. Измерение микротвёрдости по толщине упрочнённых слоев проводили по Виккерсу.
Износостойкость материалов ПК, обработанных лазерным излучением, определяли по методикам, описанным в [3]. Интенсивность изнашивания определяли по результатам исследования царапин, нанесённых алмазной пирамидой при нагрузке 1 Н. Исследуемые образцы при этом закрепляли на предметном столике профилографа-профилометра-201. Державка с алмазной пирамидкой перемещалась относительно образцов со скоростью 10 мм/мин под разными углами (0°, 30°, 45°, 90°).
Для лазерной обработки с целью упрочнения поверхностных слоев исследовали серый чугун, имеющий перлитную основу с пластинчатыми включениями графита и небольшим количеством феррита и цементита.
Лазерной обработке подвергались образцы различных плавок ПК, химический состав чугуна которых приведён в таблице.
В качестве оценки воздействия лазерного излучения при обработке чугунов ПК были приняты: твёрдость поверхностного слоя, изменение микротвёрдости по слоям I зоны лазерного воздействия (ЗЛВ), глубина Н ЗЛВ, микроструктура и износ во всём диапазоне варьируемых факторов (мощность Р и скорость V лазерной обработки). При лазерной обработке на СО2-лазере «Комета-2» диаметр пятна лазерного луча, воздействующего на исследуемые образцы, составлял 2 мм, а с использованием твёрдотельного лазера ЛТН-103 - 1 мм. Данные значения а?п были выбраны из условия, чтобы полностью использовать рабочие режимы лазерных установок и возможного дальнейшего расчёта плотности мощности лазерного излучения [4].
Химический состав чугуна поршневых колец судовых ДВС, %
Завод-изготовитель Химико-термическая обработка, упрочняющая покрытие Содержание элементов, %
С 8І Мп Сг 8 Р №
ОАО «РУМО» Г альваническое хромирование 2,8-3,2 3 8 0,9-1,2 0,2-0,3 0,1 0,6 0,6
ОАО «Завод «Нижегородский теплоход» Сульфоцианирование 3,0-3,2 2,0-2,2 1,2—1,4 0,2-0,3 0,09-0,12 0,3 0,4-0,6
Упрочняющая лазерная обработка направлена в основном на повышение твёрдости поверхностных слоев ПК. В этом случае сопротивление абразивному изнашиванию существенно повышается. В то же время твердость не является достаточным критерием оценки износостойкости трущихся поверхностей. Это связано с тем, что процессы деформирования и разрушения поверхностного слоя при изнашивании отличаются от того процесса, который происходит при внедрении в испытуемый материал алмазной пирамиды (абразива). Действие абразивного зерна или продуктов изнашивания можно условно разделить на две стадии: внедрение на определённую глубину и процарапывание, которое, собственно, и определяет изнашивание материала.
Первая стадия в количественном отношении характеризуется твёрдостью материала, в то время как вторая определяется его структурой. Структурные изменения при лазерной обработке, вызывающие повышение микротвердости слоев ЗЛВ, свидетельствуют об улучшении износостойкости чугунов, но эта связь непропорциональна. Сопротивление абразивному изнашиванию в результате лазерного воздействия возрастает в 2-4 раза [5]. Следует отметить, что в [6] приводятся данные исследований, согласно которым лазерная обработка чугунов с оплавлением значительно повышает их коррозионную стойкость в агрессивных средах.
В ходе исследований установлено, что микротвердость при лазерной обработке чугунов деталей ЦПГ возрастает более чем в 4 раза по сравнению с исходной. Изменение микротвердости по глубине ЗЛВ непосредственно зависит от мощности лазерного излучения и скорости перемещения лазерного луча относительно обрабатываемой поверхности детали.
Максимальное значение микротвёрдости при обработке чугунов СО2-лазером «Комета-2» при Р = (500...700) Вт и V = (2...5) мм/с достигает НУ 13 900 МПа, а с использованием лазера ЛТН-103 при Р = (250...600) Вт и V = (1...6) мм/с - НУ 9 800 МПа. Для структур, полученных при этих режимах, характерны минимальные диаметры дендритных осей и наименьшие расстояния между ними.
Твёрдость поверхностных и подповерхностных слоев зоны оплавления (ЗО) при увеличении содержания углерода от 2,9 до 3,2 % изменяется незначительно. На глубине I > 0,07 мм, с увеличением содержания углерода, твёрдость слоев возрастает. Существенное влияние на увеличение твёрдости оказывает содержание в чугуне хрома. Его воздействие на твёрдость НУ также связано с увеличением содержания углерода. Это можно объяснить образованием в зоне ЗЛВ карбидов хрома. Марганец, наоборот, способствует уменьшению твёрдости слоев ЗЛВ при его содержании в чугуне более 0,9 %. Изменение количества кремния в составе чугуна на твёрдость ЗЛВ оказывает меньшее влияние.
По результатам исследований характера распределения микротвердости по глубине упрочнённого слоя чугунов ПК видим, что с увеличением скорости лазерной обработки и уменьшением мощности лазерного излучения микротвердость слоев ЗЛВ уменьшается. Однако при определённых режимах лазерной обработки чугунов ПК наблюдается некоторое снижение микротвердости поверхностных и подповерхностных слоев ЗО. Это объясняется тем, что при данных режимах обработки графит в ЗО полностью растворён и происходит увеличение содержания остаточного аустенита. Количество мартенсита при этом уменьшается из-за снижения скорости охлаждения ЗО, а также из-за обезуглероживания. Следует отметить, что на распределение микротвердости по слоям и глубину ЗЛВ существенно влияет структурное состояние чугунов ПК.
Наблюдаемое снижение микротвёрдости у поверхности ЗЛВ является благоприятным условием формирования износостойкой микроструктуры. Так, процесс приработки материала ПК будет протекать за меньший промежуток времени. При этом уменьшается трудоёмкость операций притирки ПК после лазерной обработки. Выход же в процессе эксплуатации трущейся поверхности на слои повышенной твёрдости обеспечит повышение износостойкости данных деталей. На таких режимах в ЗО формируется аустенитно-мартенситная структура с тонкодисперсными включениями аустенита.
Износостойкость ПК с лазерной обработкой исследовали в сравнении с хромированными кольцами судовых дизелей 6 ЧРН 36/45 на испытательном стенде при возвратно-поступательном движении. Нагрузка на контактирующие поверхности образцов составляла 1 кН, время приработки - 3 ч, суммарное время испытаний соответствовало 25, 50, 100 ч. В зону трения подавалось масло М14В2 - 6 капель в минуту при скорости скольжения образцов 1,3 м/с. Температура рабочей зоны трения образцов контролировалась термопарами и составляла 90 °С.
По результатам исследований установлено, что лазерная обработка ПК не только повышает износостойкость, но и снижает износ серийных втулок цилиндра (ЦВ). Это дополнительно подтверждает, что на рабочей поверхности ПК чередование износостойких лазерных дорожек, имеющих структуру отбелённого чугуна повышенной твёрдости, и областей чугуна с графитными включениями благоприятно сказывается на работоспособности пары трения ЦВ - ПК. Поршневы кольца СОД следует упрочнять на следующих режимах:
- СО2-лазер «Комета-2»: Р = (950... 1 000) Вт, V = (4,5...6) мм/с;
- твёрдотельный лазер ЛТН-103: Р = (250...300) Вт, V = (6... 13) мм/с.
Сопоставление структур и свойств обработанных лазерным излучением чугунов ПК определённого химического состава показывает, что правильный выбор режимов лазерной обработки невозможен без всестороннего анализа системы «состав чугуна - структуры - режим лазерной обработки, структура ЗЛВ - свойства ЗЛВ». Именно поэтому были проведены дальнейшие исследования с построением соответствующих математических моделей, которые можно использовать как в научном, так и в практическом плане для оперативного прогнозирования результатов лазерной обработки серых чугунов.
Для обработки экспериментальных данных и результатов исследований был использован ряд программ, а также компьютерная система обработки и анализа статической информации
StatgrapЫcs. Влияние мощности Р лазерной обработки на микротвердость НУ, кгс/мм2, поверхностных и подповерхностных слоев ЗЛВ можно описать следующими математическими зависимостями (при скорости перемещения лазерного луча V = (5.10) мм/с и изменяющейся мощности Р = (530...1 700) Вт):
Изменение микротвердости НУ по глубине слоя I лазерной обработки:
Р = 930 Вт, V = 4,5 мм/с: НУ = -/---------——----------- —V,
(0,601-10-3 + 0,77 -10"2 • I)
Р = 1570 Вт, V = 4,5 мм/с; НУ = 801,4 - 1506 /2.
Зависимость микротвердости НУЗЛВ от мощности Р лазерной обработки при Р = (930.1 700) Вт,
V = 10 мм/с:
Р
НУ = 7------------------2---1.
(0,691 + 0,2023 -10"23 • р)
Математические модели при обработке чугуна ПК на ЛТН-103 при Р = (200.250) Вт,
V = (8.13) мм/с:
Изо = -4,78 + 0,33 ■ 10-2 ■ Р - 0,357 ■ 10-2-V, I = 0,02 мм:
НУ = 41,6 + 3,59 ■ Р +19,6 ■ V - 433 ■ И.
Характер изменения микротвердости НУ по глубине /, мм, ЗЛВ чугуна ПК:
Р = 200 Вт, V = 8 мм/с: НУ = 1003 - 4,48 ■ 102 / + 102 ■ /2,
Р = 200 Вт, V = 13 мм/с: НУ = 880 - 3,06 ■ 102 ■ I + 3,61 ■ 102 ■ /2,
Р = 250 Вт, V = 8 мм/с: НУ = 828 - 8,56 ■ 102 ■ I - 4,48 ■ 102 ■ /2.
Полученные регрессионные уравнения с достаточной достоверностью описывают взаимосвязь параметров процесса лазерного упрочнения со свойствами чугунов ПК СОД и позволяют использовать их при расчёте и выборе оптимальных режимов лазерной обработки рабочих поверхностей.
Приведённые в работе математические модели можно использовать для прогнозирования работоспособности деталей машин, изготовленных из серых чугунов, при разработке технологических процессов их изготовления с использованием метода лазерного упрочнения.
Существенное влияние на физико-механические свойства поверхностных слоев при лазерном упрочнении ПК оказывают следующие факторы: химический состав чугуна, микроструктура.
Установлено, что ширина Ь и глубина И лазерных дорожек (ЗЛВ) увеличиваются с повышением мощности лазерного излучения. С увеличением скорости лазерной обработки значения Ь и И ЗЛВ уменьшаются. Режимы лазерного упрочнения серых чугунов в большей степени влияют на глубину ЗЛВ.
При определенных режимах лазерного излучения наблюдается снижение микротвердости у поверхности ЗЛВ серых чугунов. На данных режимах в поверхностных слоях формируется износостойкая аустенитно-мартенситная структура с тонкодисперсными включениями остаточного аустенита. Износостойкость слоев ЗЛВ зависит не только от микроструктуры и физикомеханических свойств чугуна, но и от ориентации дендритов в объеме сплава, что обусловливает анизотропию свойств металла в ЗЛВ. Установлено, что с увеличением размеров дендритов абразивный износ слоев ЗЛВ повышается.
На рабочие поверхности ПК следует наносить кольцевые лазерные дорожки, поскольку изнашивание упрочнённого слоя в поперечном направлении меньше, чем в продольном. Лазерная обработка повышает износостойкость трибосопряжения в целом: ПК и серийных ЦВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коченов В. А., Матвеев Ю. И., Маринин А. Ю. Формирование износостойких структур лазерной обработкой чугуна поршневых колец дизелей // Совершенствование средств механизации и мобильной энергетики в сельском хозяйстве: сб. науч. тр. - Рязань, РГСХА, 2000. - С. 83-85.
2. Матвеев Ю. И., Мордвинкин П. П. Формирование износостойких структур на рабочих поверхностях деталей машин лазерной обработкой // Материалы науч.-техн. конф. проф.-преп. состава. Вып. 283. -Н. Новгород: ВГАВТ, 1999. - С. 77-80.
3. Матвеев Ю. И. Повышение ресурса цилиндровых втулок и поршневых колец судовых среднеоборотных дизелей с использованием метода плазменного напыления. - Н. Новгород: ВГАВТ, 2002. - 128 с.
4. Анализ зависимости глубины упрочненного слоя от плотности энергии лазерного излучения / Д. М. Гуреев и др. // ФиХОМ. - 1985. - № 2. - С. 18-19.
5. Акулина Г. А., Цырлин С. Э. Лазерная закалка деталей машин. - М.: НИИмаш, 1984. - 216 с.
6. Влияние лазерной обработки на коррозионные свойства чугуна СЧ 24-44 и стали У10 / В. Ю. Васильев, Н. В. Еднерал, Т. Т. Кузьменко, Н. Т. Чеканова // Защита металлов. - 1982. - № 3. - С. 45-53.
Статья поступила в редакцию 28.09.2010
FEATURES OF LASER PROCESSING OF PISTON RINGS OF SHIP MEDIUM-REVERSE DIESEL
Yu. I. Matveev, S. S. Kazakov
Complex researches of laser hardening of details of sleeve assembly of marine medium-reverse diesel engines are described. Strengthening laser processing is directed, basically, to increase of surface hardness of piston rings. The method of distribution of microhardness on the depth of the strengthened layer of piston rings is given. The mathematical models which can be used for calculation and a choice of optimum modes of laser processing of working surfaces of piston rings are received.
Key words: laser processing, sleeve assembly, a piston ring, hardening.
