Повышение износостойкости внутренних цилиндрических поверхностей деталей машин методом электрохимического осаждения композиционных покрытий

Известно, что уже со второй половины XX века надёжность, экономичность и экологичность машин, приборов, аппаратов, транспортных средств и технологического оборудования начали определяться в основном не показателями прочности, а трибологическими показателями узлов и деталей, работающих в условиях трения.

Анализ специальных комитетов Международного совета по трибологии показал, что за полный цикл эксплуатации машин эксплуатационные расходы в несколько раз превышают затраты на изготовление новой техники. Потери средств от трения и износа в развитых государствах достигают 4.5% национального дохода. ^.

Повышение долговечности машин непосредственно связано с повышением износостойкости деталей машин. Таким образом, повышение износостойкости деталей машин является актуальным направлением исследований. Долговечность многих машин определяется износостойкостью деталей имеющих внутренние цилиндрические поверхности, работающие в условиях трения скольжения.

Известно, что задача повышения износостойкости конкретного изделия часто не предусматривает качественной модификации структурного состава используемого материала во всем его объеме, а переносится на видоизменение поверхностного слоя материала, поскольку защита сопрягаемых деталей от износа в ряде случаев решается поверхностным упрочнением. В общем случае под поверхностным упрочнением понимается повышение твердости поверхности и других механических характеристик.

Повышению механических характеристик трущихся поверхностей посвящено большое число работ, в результате которых предложены различные способы упрочнения. Перспективные направления развития поверхностно-упрочняющих технологий предполагают использование новых методов получения износостойких покрытий, в основном с использованием износостойких материалов, т. е. покрытий на основе соединений типа оксидов, нитридов и карбидов. Образование упрочняющих покрытий из разнородных материалов приводит не только к модификации поверхностного слоя, но и к образованию, в ряде случаев, принципиально нового композиционного материала поверхностного слоя, обладающего как высокой прочностью и достаточной пластичностью, так и повышенной износостойкостью. В наибольшей степени этим условиям соответствуют композиционные электрохимические покрытия, состоящие из металлической матрицы и размещённых в ней частиц дисперсной фазы. Такие покрытия могут отвечать практически всей совокупности требований эксплуатационного и технологического характера в части твердости, износостойкости, теплостойкости, прочности сцепления с основой, коррозионной стойкости. Анализ литературных источников, отражающих результаты научно-исследовательских работ, показал, что широкое применение композиционных электрохимических покрытий для повышения износостойкости внутренних цилиндрических поверхностей деталей машин сдерживается вследствие того, что в настоящее время недостаточно изучены взаимосвязи содержания и размеров частиц дисперсной фазы, их устойчивости в металлической матрице с характеристиками контакта трущихся поверхностей, не исследована возможность осаждения на внутренние поверхности деталей машин композиционных электрохимических покрытий с заданным содержанием дисперсной фазы.

Исследование этих вопросов позволит расширить применение композиционных электрохимических покрытий для повышения износостойкости деталей машин и определяет актуальность работы.

Целью настоящей работы является повышение износостойкости внутренних цилиндрических поверхностей деталей машин методом электрохимического осаждения композиционных упрочняющих покрытий.

Поставленная цель достигается в результате решения следующих задач: 6.

1. Анализ существующих способов достижения высокой износостойкости деталей машин.

2. Выявление взаимосвязи концентрации и размеров частиц дисперсной фазы, их устойчивости в металлической матрице с характеристиками контакта.

3. Обоснование возможности осаждения композиционных электрохимических покрытий (КЭП) с заданным содержанием дисперсной фазы на внутренние цилиндрические поверхности деталей машин.

4. Разработка технологии и оборудования для осаждения КЭП с заданными характеристиками на внутренние цилиндрические поверхности деталей машин.

5. Экспериментальные исследования структуры и износостойкости КЭП.

Большое разнообразие деталей современных машин, работающих в условиях трения (подшипники, колёса, зубчатые колёса, корпуса насосов, детали гидро и пневмораспределителей, детали цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания и т. д.), обуславливает не только различные условия трения, но и различные требования к трущимся поверхностям. В этой связи невозможно применить одни и те же подходы к повышению износостойкости самых различных деталей, т. к. методы, эффективные для одних деталей, не позволят получить требуемый результат для других.

Большая часть машин приводится в действие двигателями внутреннего сгорания (ДВС), имеющими различные конструкции, размеры и условия эксплуатации. Общим является наличие в этих двигателях деталей цилиндро-поршневой группы (цилиндр, поршень, поршневые кольца) между которыми реализуется процесс трения. Износостойкость цилиндра определяет долговечность работы двигателя и, как правило, долговечность машины.

Условия, в которых реализуется процесс трения в двигателях различных типов и размеров неодинаковы, однако, вводя соответствующие граничные условия, можно результаты, полученные для двигателей одного типоразмера, использовать для других двигателей. Это делает целесообразным выбор в 7 качестве объекта исследования цилиндры двигателей мототехники. Предметом исследования является износ внутренней поверхности цилиндра, контактирующей в процессе эксплуатации с поршневыми кольцами и поршнем, т.к. износ основной процесс, влияющий на изменение состояния объекта исследования.

Методика проведения исследований. Теоретические исследования базируются на основных положениях адгезионно-деформационной теории изнашивания, теории контактного взаимодействия трущихся поверхностей, теории осаждения электрохимических покрытий, гидродинамики суспензий, на использовании методов математического анализа, применении информационных технологий. Экспериментальные исследования базируются на применении методики однофакторного эксперимента и метода малых выборок, использовании современных контрольно-измерительных приборов и оригинальных экспериментальных установок.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование концентрации и размеров частиц дисперсной фазы в упрочняющем КЭП;

2. Обоснование условий устойчивости частиц дисперсной фазы в металлической матрице.

3. Обоснование возможности осаждения КЭП с заданным содержанием дисперсной фазы на внутренние поверхности деталей машин.

4. Алгоритм расчёта износа внутренней поверхности цилиндра ДВС с КЭП.

5. Технология осаждения КЭП с заданными характеристиками на внутренние поверхности деталей машин и оборудование для её реализации.

6. Результаты экспериментальных исследований структуры и износостойкости КЭП.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе выявленных взаимосвязеймежду износостойкостью и характеристиками контакта доказано, что наибольшая износостойкость КЭП в условиях упругого контакта достигается при размерах частиц дисперсной фазы, сравнимых с размерами пятна фактического контакта и относительном содержании частиц в покрытии 4−13%.

2. Получена математическая зависимость, связывающая угловую скорость вращения электролита-суспензии с относительным содержанием частиц дисперсной фазы в покрытии на внутренних цилиндрических поверхностях деталей машин, параметрами анодной и катодной поверхностей, технологическими параметрами, характеристиками частиц и параметрами электролита суспензии.

Практическая значимость.

1. Разработаны технология и оборудование для получения КЭП на внутренних цилиндрических поверхностях деталей машин с заданным содержанием ДФ.

2. Разработаны алгоритм и программа расчёта износа цилиндра ДВС с КЭП для автоматизации прогнозирования износа.

3. Проведены опытно-промышленные испытания гильз цилиндров ДВС мототехники с КЭП (М-ЭЮ и №-А120з) на поверхностях трения, которые показали повышение износостойкости в 1,8.2,8 раза по сравнению с гильзами из чугуна ЧХНМД и 1,2. 1,6 раза по сравнению с хромированными гильзами.

Результаты работы могут быть реализованы при изготовлении ДВС с улучшенными эксплуатационными характеристиками, в том числе безгильзовых, а также других деталей, работоспособность которых определяется износостойкостью внутренних цилиндрических поверхностей.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Гальванотехника, обработка поверхности и экология», Москва, РХТУ им. Менделеева, 9.

2002;Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы автомобилестроения в России» — Ижевск, 2008; Научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление». -Ковров: КГТА, 2007, 2008, 2009, 2010; V международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» — Пенза, 2009; Всероссийской межвузовской научной конференции «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России» -МИВлГУ, 2010, 2011, 2012; Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении» — ИМАШ, 2010; Всероссийской научно-практической конференции «Машиностроение: проектирование, конструирование, расчет и технологии ремонта и производства" — Ижевск, ИжГТУ, 2012; на заседаниях кафедр прикладной математики и САПР (КГТА им В. А. Дегтярёва, 2009,2010 г.), колёсных машин (КГТА им В. А. Дегтярёва, 2010, 2011, 2012, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы, в том числе 5 статей в журналах рекомендованных ВАК, 3 патента РФ, а также 1 отчёт по хоздоговорной НИР.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 129 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, общих выводов и рекомендаций, содержит 26 рисунков, 3 таблицы и список использованной литературы из 128 наименований.

Результаты работы могут быть использованы в дальнейших исследованиях, направленных на разработку технологии и оборудования для повышения износостойкости внутренних цилиндрических поверхностей глубоких отверстий, а также внутренних цилиндрических поверхностей работающих в условиях пластического контакта.

Заключение

.

На основе выполненных исследований решена научно-техническая задача повышения износостойкости внутренних цилиндрических поверхностей деталей машин, имеющая важное народнохозяйственное значение.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Впервые доказано, что наибольшая износостойкость КЭП в условиях упругого ненасыщенного контакта достигается при размерах частиц ДФ сравнимых с размерами пятна фактического контакта и относительном содержании частиц в покрытии 4−13%.

2. На основе анализа сил, действующих в зоне контакта металла матрицы покрытия и частицы дисперсной фазы, установлено, что устойчивость частиц ДФ в металлической матрице сохраняется при максимальных давлениях реализуемых в двигателях внутреннего сгорания 5−20МПа .

3. На основе анализа скорости электрохимического осаждения металла матрицы покрытия и скорости осаждения частиц дисперсной фазы из вращающегося электролита, впервые получена математическая зависимость, связывающая угловую скорость вращения электролита суспензии с относительным содержанием частиц дисперсной фазы в покрытии, параметрами анодной и катодной поверхностей, технологическими параметрами, характеристиками частиц и параметрами электролита суспензии. Эта зависимость позволяет определить скорость вращения ЭС для получения композиционного покрытия на внутренних цилиндрических поверхностях деталей машин с заданным содержанием дисперсной фазы.

4. Для реализации возможности для получения КЭП на внутренних поверхностях деталей машин с заданным содержанием ДФ разработаны технология и оборудование.

5. На основе использования усталостной модели изнашивания И. В. Крагельского, для автоматизации прогнозирования износа, разработаны алгоритм и программа расчёта износа цилиндра ДВС с КЭП.

6. Проведены опытно-промышленные испытания КЭП (№-8Ю и №-А1203) на поверхностях трения гильз цилиндров ДВС мототехники, которые показали повышение износостойкости в 1,8.2,8 раза по сравнению с гильзами из чугуна ЧХНМД и 1,2. 1,6 раза по сравнению с хромированными гильзами.

Научная новизна теоретических результатов и экспериментальных исследований заключается в том, что наибольшая износостойкость КЭП в условиях упругого контакта достигается при размерах частиц дисперсной фазы, сравнимых с размерами пятна фактического контакта и относительном содержании частиц в покрытии 4−13%, которое можно получить, придавая электролиту-суспензии вращение с угловой скоростью, определяемой из зависимости, учитывающей относительное содержание частиц дисперсной фазы в покрытии, параметры анодной и катодной поверхностей, технологические параметры, характеристики частиц и параметры электролита суспензии.

Практическая полезность полученных результатов подтверждается техническим актом внедрения в производство опытной партии цельнолитых цилиндров двигателей мототехники с КЭП и актом внедрения в учебный процесс специальности 190 201.