CC BY
208
УДК 621.787:621.891
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА
В.К. Лобанов, профессор, д.т.н., Г.И. Пашкова, к.т.н., ЦЛ ГП «Завод им. В.А. Малышева», г. Харьков
Аннотация. По результатам экспериментальных исследований и эксплуатационных испытаний установлена эффективность использования комбинированного упрочнения для повышения эксплуатационных характеристик чугунных коленчатых валов транспортных дизелей.
Ключевые слова: коленчатые валы, комбинированное упрочнение, сопротивление усталости, износостойкость.
Введение
Повышение эксплуатационной надежности и ресурса работы транспортных дизелей тесно связано с совершенствованием технологии изготовления коленчатых валов - наиболее ответственных, тяжелонагруженных и дорогостоящих деталей двигателя. Коленчатые валы дизелей типов Д100 и Д80 длиной до 4,5 м и массой до 1,7 т отливаются из высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита [1].
Используемая в настоящее время в промышленности технология изготовления литых коленчатых валов, как правило, базируется на применении операций литья с последующей ранней выбивкой отливок, что существенно снижает затраты на их производство. Такая технология обеспечивает заданный уровень прочностных свойств материала, однако в процессе эксплуатации отмечается ступенчатый износ шеек, вызывающий неравномерное распределение нагрузок по длине вала, зарождение усталостных трещин и разрушение деталей.
Таким образом, основными показателями, характеризующими работоспособность валов, являются износостойкость поверхности шеек и сопротивление усталости при действии циклических нагрузок [2].
Анализ публикаций
Изучение литературных источников свидетельствует о том, что существует большое количество упрочняющих технологий, направленных на улучшение эксплуатационной надежности деталей, в том числе коленчатых валов, наиболее эффективными из которых являются закалка ТВЧ, упрочнение лучом лазера, нанесение на поверхность валов гальванических, детонационных, газотермических покрытий, вибродуговая наплавка, ион-но-плазменная обработка, электроискровое легирование, обработка высококонцентрированной плазменной струей, механическое упрочнение обкаткой роликами, наклепом дробью, чеканкой и т. д.
Отмеченные способы упрочнения достаточно хорошо исследованы и реализованы для изделий из сталей и легких сплавов и существенно меньше используются для упрочнения деталей из чугуна, особенно высокопрочного, и, в частности, таких ответственных деталей как коленчатые валы. Кроме того, известные методы обработки зачастую не обеспечивают комплексного повышения характеристик износостойкости и сопротивления усталости деталей [3].
В этом случае целесообразно применение комбинированных методов упрочнения, включающих поверхностное пластическое
деформирование (ППД) в сочетании со способами упрочнения, обеспечивающими повышение износостойкости поверхности. Однако материаловедческие аспекты применения таких методов для упрочнения деталей из высокопрочного чугуна, в частности коленчатых валов мощных транспортных дизелей, разработаны недостаточно.
Цель и постановка задачи
Исходя из изложенного, целью настоящей работы являлось исследование влияния комбинированных методов упрочнения, базирующихся на сочетании одного из видов термической обработки (закалка с нагревом ТВЧ, лазерная термическая обработка (ЛТО), электроискровое легирование (ЭИЛ) поверхности) и последующего поверхностного пластического деформирования, на эксплуатационные характеристики чугунных коленчатых валов (износостойкость поверхности шеек и сопротивление усталости).
Методика исследований
В качестве материала для проведения исследований использовали высокопрочный чугун, модифицированный М§, следующего химического состава, масс. %: 3,4...3,9 С; 1,9...2,5 81; 0,8...1,25 Мп; 0,5...1,0 N1; 0,2...0,5 Мо; 0,05...0,1 Ме; < 0,1 Сг; < 0,05 Р; < 0,02 8. Основа - Бе.
Выполнение комплекса экспериментальных исследований позволило установить зависимость эксплуатационных характеристик (износостойкость и сопротивление усталости) образцов и натурных коленчатых валов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом от сформированной в результате термических обработок структуры материала и его прочностных свойств. По результатам испытаний на износ и усталость определены оптимальные параметры процессов упрочнения закалкой ТВЧ, ЛТО, ЭИЛ, обеспечивающие глубину упрочнения и поверхностную твердость в соответствии с техническими требованиями к коленчатым валам. Установлено, однако, что практически все исследованные варианты термического упрочнения приводят к снижению пределов ограниченной выносливости на 15 - 25% по сравнению со значениями этой характеристики для чугуна, отпущенного после ранней выбивки отливок (вариант, принятый в качестве ис-
ходного) [4 - 6]. Оптимизация параметров последующего упрочнения коленчатых валов обкаткой роликами привела к повышению характеристик усталости за счет создания высокого уровня остаточных напряжений сжатия и более равномерного распределения их по длине упрочненной поверхности [7, 8].
На основании положительных результатов исследований изготовлены опытные партии коленчатых валов, упрочненных закалкой ТВЧ, ЛТО и ЭИЛ с последующим ППД обкаткой роликами.
При изготовлении коленчатых валов выплавку чугуна осуществляли в электрической дуговой печи типа ДС-6Н1 емкостью до 6 тонн. В процессе плавки чугун модифицировали ферросилицием ФС-75 (л). Обработку чугуна металлическим магнием осуществляли в гермоковше ЛО-16 конвертерного типа. Отливку коленчатых валов производили в двухместных опоках при температуре начала заливки 1360 - 1340 °С. Через 7 ч после заливки формы раскрывали и осуществляли интенсивное охлаждение отливок аэраторами. После выбивки из формы отливки отпускали при температуре 680 ± 20 °С в течение 6 ч. Подвергнутые обрубке и очистке отливки направляли для у-графирования на установке «Гаммарид-192» с целью обнаружения внутренних дефектов, проводили исследование структуры и уровня механических свойств, после чего механически обрабатывали.
Закалку ТВЧ поверхностей коренных и шатунных шеек коленчатых валов дизелей типа 10Д100 осуществляли по технологической схеме, включающей предварительный подогрев поверхностного слоя металла до температуры 350 - 400°С (в течение 40 с при мощности генератора 40 кВт), нагрев токами высокой частоты до 955 - 990°С (мощность генератора 500 - 700 кВт, время 5 - 6 с) и охлаждение на воздухе за счет теплоотвода в массу детали и окружающую среду. Закалку производили с применением разъемных медных индукторов соответствующего размера с боковыми экранами. Постоянный зазор (3 мм) между индуктором и поверхностью шейки обеспечивали за счет использования тугоплавких вставок. Для предохранения кромок маслоподводящих отверстий от растрескивания и оплавления в процессе закалки применили фигурные медные вставки,
плотно установленные в каждое отверстие. С целью уменьшения остаточных напряжений в закаленном ТВЧ слое коленчатые валы подвергали отпуску при 370 ± 10°С в течение 12 ч.
Такая обработка обеспечивала получение заданных КД параметров. Глубина упрочненного слоя составляла 4,5 - 5 мм, твердость поверхности: после закалки ТВЧ 48...52 ИЯСЭ, после отпуска 42...49 ИЯСЭ. В приповерхностных объемах формировалась упрочненная зона мартенсито-перлитного строения.
Лазерную термическую обработку коленчатых валов осуществляли на специальном стенде с источником лазерного излучения в виде СО2-лазера (установка ЛТ1-2М). Мощность излучения - 2,6.2,9 кВт, скорость осевого перемещения - 15 мм-мин-1, частота вращения - 1,5 мин-1. Шероховатость поверхности шеек валов перед ЛТО составляла 2,0 мкм, для улучшения поглощения лазерного излучения все шейки обрабатывались персульфатом аммония. Упрочнение производили без оплавления поверхности по одно-заходной винтовой линии с замыканием колец в начале и конце спирали на расстоянии 4.6 мм от галтелей. Ширина дорожки лазерного упрочнения составляла 5 мм, расстояние между дорожками - 5 мм. При этом упрочняется 50 - 70 % поверхности шейки. После ЛТО валы отпускали при температуре 350±10°С в течение 2 ч.
Глубина упрочнения составляет ~ 1,1 мм, твердость закаленных участков 691...698 НУ, незакаленных - 233...229 НУ, в зоне закалки образуется мартенсито-аустенитная структура.
Реализацию процесса упрочнения ЭИЛ осуществляли с помощью установки, в которой зазор между дисковым электродом и деталью в процессе обработки сохраняется постоянным, а электрический разряд обеспечивается формированием в цепи импульсов тока, создаваемых генератором. Для электроискровой обработки поверхности шеек коленчатых валов использовали электрод из стали 12Х18Н10Т, выполненный в виде диска диаметром 450 мм. Мощность разряда составляла 1,5 кВт. Частота вращения вала 5,5 мин-1, продольная подача - 0,4 мм-об-1. После выполнения операции ЭИЛ поверхности коренных и шатунных шеек полировали до шероховатости 0,63 мкм.
Данная схема обработки обеспечила возникновение структур вторичной закалки и «белых» слоев глубиной до 0,3 мм. Твёрдость НУ > 500 и плотность упрочнения в пределах 75 - 80 % цилиндрической поверхности каждой шейки.
Упрочнение обкаткой роликами галтельного перехода по Я8 коренных и шатунных шеек производили с помощью универсального гидравлического приспособления с тремя парами роликов, что позволяло упрочнять одновременно обе галтели. Рабочее усилие сообщали одной паре роликов в радиальном направлении к центру обрабатываемого вала. Используемые ролики отличаются между собой по геометрии рабочего профиля и упрочняют различные участки галтели (разнопрофильные ролики). Диаметр роликов -75 мм, угол наклона плоскости роликов к оси вала 75°. Усилие обкатки - 16 кН на ролик. Частота вращения вала 15 - 20 мин-1. Упроч-неие данного участка галтели производится за 8 - 9 оборотов вала.
Обкатку по радиусу сопряжения галтели с образующей шейки (К2,5) осуществляли спаренными роликами с наклонным профилем с усилием 13 кН на каждый ролик. Профильный радиус используемых роликов -1,5 мм, диаметр - 75 мм. За 12 - 15 оборотов вала производится упрочнение данной поверхности.
Для упрочнения поверхности шеек в связи с тем, что общепринятая схема обкатки с осевой подачей в данном случае практически трудно реализуема, применили цилиндрические ролики с рабочим профилем в виде спирального выступа. Усилие обкатки находилось в пределах 42.48 кН, частота вращения вала - 10 - 15 мин-1. Один из роликов имел левое направление спирали, другой - правое. Третий ролик являлся поддерживающим. Обкатку выполняли, создавая одновременно по всей длине цилиндрической части шейки ряд упрочненных полос в виде витков, смещающихся с частичным перекрытием при каждом последующем обороте вала, при этом специально рассчитывали ширину упрочненной полосы [9].
После обкатки все шейки коленчатых валов подвергались суперфинишной обработке в окончательный размер со съемом поверхностного слоя не менее 0,03 + 0,01 мм на сторону.
Результаты исследований
При изготовлении коленчатых валов, упрочняемых ТВЧ с последующим ППД, на одноцилиндровых отсеках и развёрнутых изделиях установлено отрицательное влияние на качество валов литейных дефектов в виде пор и рыхлот, расположенных в приповерхностном слое. Это привело к высокому проценту брака закаленных валов: 13,6 % по литейным дефектам, 18,2 % по наличию закалочных и шлифовочных трещин, порядка 5 % по у-графированию, линейным размерам и биению шеек. Обкатка роликами галтелей и шеек валов не позволила полностью нивелировать отрицательное влияние литейных дефектов, хотя существенно повысила сопротивление усталости закаленных валов. Качественные валы, установленные на дизели, эксплуатирующиеся на железных дорогах, рекламаций не имеют.
В результате проведенной работы установлено, что промышленное использование закалки ТВЧ для локальной термической обработки шеек чугунных коленчатых валов транспортных дизелей в значительной степени зависит от качества отливок.
Коленчатые валы, упрочненные лучом лазера и обкаткой роликами, имеют более высокую работоспособность, поскольку влияние допускаемых литейных дефектов практически не сказывается. Получены положительные результаты эксплуатационных испытаний установленных на изделия валов с комбинированным упрочнением, базирующемся на ЛТО с последующим ППД, - несмотря на длительный срок эксплуатации, аварийных выходов из строя коленчатых валов опытной партии не зафиксировано.
Следует, однако, учесть, что промышленное освоение ЛТО для упрочнения изготовленных из высокопрочного чугуна коленчатых валов транспортных дизелей связано с необходимостью создания дорогостоящего лазерного технологического комплекса.
Внедрение в производство электроискрового легирования поверхности шеек коленчатых валов требует существенно меньших затрат и реализовано в серийном производстве при изготовлении тепловозных дизелей типа Д80.
Однако, несмотря на удовлетворительные характеристики износостойкости, небольшая глубина упрочненных слоев вызывает необходимость повторного упрочнения ЭИЛ поверхности шеек коленчатых валов при капитальных ремонтах.
Проведенная работа показывает эффективность применения термических обработок (ТВЧ, ЛТО, ЭИЛ) с последующим ППД обкаткой роликами по оптимальным режимам для повышения эксплуатационных характеристик коленчатых валов транспортных дизелей, изготовленных из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
Промышленное внедрение разработанных способов упрочнения коленчатых валов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом позволяет повысить ресурс работы дизеля до первой переборки в 2 раза, ресурс до капитального ремонта более чем в 1,5 раза (табл. 1). Обслуживание дизелей с упрочнёнными коленчатыми валами в депо выявило, что затраты на проведение ремонтных работ за срок службы дизелей снижены более чем в 2 раза.
Таблица 1 Результаты эксплуатационных испы-_таний валов на развернутых дизелях_
Ресурс(пробег
Техноло- Материал тепловоза) до
№ гия изго- подшип- и й го .с оы
п/п товления коленчатых валов ника скольжения первой пе борки, тыс. « н 5 § Й Е « тн ио и а ае кр
1 Ранняя выбивка, отпуск Бронзо-баббит Б2 200 800
По п. 1,
2 ТВЧ, ППД АО20-1 400 1200
По п. 1,
3 ЛТО, ППД АО20-1 400 1500
По п. 1,
4 ЭИЛ, ППД АМО1-20 400 1200
Использование комбинированного упрочнения позволило исключить случаи разрушения коленчатых валов в эксплуатации и установить на двигатели более износостойкие сталеалюминиевые подшипники скольжения
с антифрикционным слоем из сплава типа АМО 1-20.
Выводы
Анализ полученных результатов свидетельствует о высокой эффективности применения комбинированных методов упрочнения для коленчатых валов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Полученные закономерности подтверждены эксплуатационными испытаниями.
Наиболее эффективным способом обработки, обеспечивающим высокую износостойкость поверхности деталей при одновременном повышении сопротивления усталости, является упрочнение шеек валов ЛТО с последующим ППД галтельных переходов и поверхности шеек.
Результаты проведенной работы показывают целесообразность широкого внедрения в производство исследованных способов комбинированного упрочнения при изготовлении крупных дизелей с чугунными коленчатыми валами.
Литература
1. Кудрявцев И.В., Наумченков Н.Е., Савви-
на Н.М. Усталость крупных деталей машин. - М.: Машиностроение, 1981. -237 с.
2. Мишин И.А. Долговечность двигателей. -
Ленинград: Машиностроение, 1976. -288 с.
3. Усов С.В., Кокоулин М.М. Комбиниро-
ванные методы поверхностного упрочнения // Трибология и надёжность машин. - М.: Наука, 1990. - С. 93 - 98.
4. Лобанов В.К., Пашкова Г.И. О закалке то-
ками высокой частоты крупных колен-
чатых валов из высокопрочного чугуна // Висок технологи в машинобудуванш: Збiрн. наук. праць. - Харюв: НТУ «ХП1», 2005. - Вып. 1 (10). - С. 44 - 48.
5. Любченко А.П., Лобанов В.К., Пашко-
ва Г.1. Змщнення чавунних колшчастих валiв транспортних дизелiв лазерним опромшенням // Металознавство та об-робка металiв. - 2006. - № 2. - С. 43 - 48.
6. Лобанов В.К., Пашкова Г.1., Олшник О.К.
Пщвищення працездатносп колiнчастих валiв з високомщного чавуну електрою-кровим легуванням. // Металознавство та обробка металiв. - 2003. - № 2. -С.49 - 52.
7. 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.
8. Лобанов В.К., Пашкова Г.И. Оптимизация
параметров упрочнения крупных коленчатых валов из высокопрочного чугуна обкаткой роликами // Мехашка та машинобудування. - 2006. - № 1. -С.126 - 132.
9. Декларацшний патент 12480 МПК С21Б
1/09,В02С 19/6. Процес змщнення кол> нчастих валiв / А.П. Любченко, В.К. Лобанов, Г.1. Пашкова (Украша). - № и 200506828; Заявл. 11.07.05; Опубл. 15.02.06, Бюл. № 2.
Рецензент: И.П. Гладкий, профессор, к.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 12 июня 2009 г.
