Повышение срока службы чугунных деталей гидроцилиндров


Веселовский А. А.





                ПОВЫШЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ ЧУГУННЫХ ДЕТАЛЕЙ ГИДРОЦИЛИНДРОВ





Монография








Инфра-Инженерия Москва — Вологда 2019

УДК 621.793:539.374:669.056.9(043.5)
ББК 34.2
   В 38



ФЗ № 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке в соответствии сп. 1ч.2ст. 1

Рецензенты: профессор Южно-Уральского государственного университета, доктор физ.-мат. наукД. А. Мирзаев; генеральный директор ОАО ПО «САРМАТ» (г. Орск) В. Г. Леонтьев




     Веселовский А. А.
В 38 Повышение срока службы чугунных деталей гидроцилиндров: монография / А. А. Веселовский. — М.: Инфра-Инженерия, 2019. — 140 с.
ISBN 978-5-9729-0289-7

     Рассматривается новый способ повышения срока службы направляющих для телескопических гидроцилиндров, сквозных втулок и поршней для одноступенчатых гидроцилиндров, изготовляемых из чугуна СЧ 20. Работоспособность чугунных деталей повышается за счет термодиффузионного упрочнения алюминием и ванадием из порошковой среды контактным способом.
     Проанализированы структуры алюмованадированных слоев в зависимости от содержания в шихте алюминия. Представлены результаты фазового и микрорентгеноспектрального анализов. Приведены результаты исследований кинетики формирования алюмованадированных слоев и испытаний на износ в различных условиях истирания и коррозионную стойкость.
     Книга предназначена для студентов машиностроительных специальностей высших учебных заведений, аспирантов и инженерно-технических работников, занимающихся вопросами повышения ресурса работы деталей машин и механизмов.




© Веселовский А. А., автор, 2019
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2019



ISBN 978-5-9729-0289-7

    ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.....................................................5
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА.....................................7
    1.1. Спектр применения деталей из серого чугуна..........7
    1.2. Анализ способов повышения долговечности деталей из серого чугуна..................................................13
    1.3. Влияние легирующих элементов на формирование износостойкой структуры в белых чугунах...............................19

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
ПО СОЗДАНИЮ И ИССЛЕДОВАНИЮ АЛЮМОВАНАДИРОВАННЫХ СЛОЕВ.......................................................22
    2.1. Выбор компонентов и агрегатного состояния насыщающих сред для термодиффузионного упрочнения.......................22
    2.2. Используемые порошковые реактивы...................24
    2.3. Установка для проведения термодиффузионного упрочнения..............................................25
    2.4. Алюмованадирование образцов из серого чугуна.......28
        2.4.1. Подготовка образцов и компонентов шихты......28
        2.4.2. Методика проведения термодиффузионного ванадирования серого чугуна..........................28
        2.4.3. Методика алюмованадирования серого чугуна....29
    2.5. Методы исследования алюмованадированных покрытий...31
        2.5.1. Методика проведения металлографического анализа упрочненных образцов.........................31
        2.5.2. Методика проведения микрорентгеноспектрального и количественного фазового анализа упрочненных образцов.................................31
        2.5.3. Методика испытаний на коррозионную стойкость.32

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАСЫЩЕНИЯ.............36
      3.1. Результаты ванадирования серого чугуна...........36
      3.2. Результаты алюмованадирования серого чугуна......39
      3.3. Кинетика совместного диффузионного насыщения серого чугуна алюминием и ванадием....................................42
      3.4. Определение температуро-временных зависимостей процесса насыщения...............................................49

3

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ, СОСТАВ И СВОЙСТВА ДИФФУЗИОННЫХ АЛЮМОВАНАДИРОВАННЫХ СЛОЕВ НА СЕРЫХ ЧУГУНАХ...........54
   4.1. Карбидные диффузионные слои..................54
   4.2. Алюминидные диффузионные слои................80

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА СВОЙСТВ ПОЛУЧЕННОГО ПОКРЫТИЯ
ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА ИЗНОС И КОРРОЗИЮ В ЖИДКИХ СРЕДАХ....94
   5.1. Оценка остаточных напряжений в покрытии......94
   5.2. Исследование износостойкости покрытия в условиях сухого трения скольжения..............97
       5.2.1. Методика проведения испытаний..........97
       5.2.2. Результаты проведенных испытаний.......99
   5.3. Исследование износостойкости покрытия в условиях трения со смазкой, содержащей абразивный материал......103
5.4. Износостойкость алюмованадированного слоя в условиях абразивного истирания................107
5.5. Результаты испытаний коррозионной стойкости в модельных средах..............................109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................116
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................118
ПРИЛОЖЕНИЕ 1........................................124
ПРИЛОЖЕНИЕ 2........................................133
ПРИЛОЖЕНИЕ 3........................................135
ПРИЛОЖЕНИЕ 4........................................136
ПРИЛОЖЕНИЕ 5........................................137

4

    ВВЕДЕНИЕ


     Развитие многих отраслей современной техники, повышение надежности машин и механизмов, увеличение производительности оборудования и труда в значительной мере зависят от разработки и практического использования различных типов защитных покрытий. Нанесение защитных покрытий позволяет увеличить твердость, износо- и окалиностойкость, улучшить коррозионные свойства, а также придать специфические эксплуатационные характеристики рабочим поверхностям деталей машин, приборов, производственного оборудования, инструмента. Это обеспечивает повышение срока службы и надежность соответствующих деталей и узлов, снижение трудоемкости и металлоемкости производства, дает возможность заменить дорогие и дефицитные материалы более дешевыми и доступными.
     Важные научные исследования в области защитных покрытий выполнены в вузах, отраслевых научно-исследовательских институтах и на заводах страны. Большое внимание при этом было уделено вопросам теории диффузионного насыщения, реакционной диффузии, структуре и эксплуатационным свойствам диффузионных покрытий (Одесский политехнический институт, Воронежский технологический институт), особенностям плазменного, денота-ционого и других видов покрытий (УралНИИЧермет, Калининский политехнический институт). Особое внимание уделено многокомпонентному насыщению (Белорусский политехнический институт, Воронежский технологический институт).
     Разработке и промышленному применению различных методов и типов защитных покрытий уделяется большое внимание в США, Японии, Англии, Франции.
     Программы работ в этой области финансируются правительством и частными компаниями многих отраслей промышленности.
     В США свыше 50 крупных научно-исследовательских центров и лабораторий занимаются разработкой и практическим применением высокотемпературных покрытий для тугоплавких металлов и сплавов. Особое внимание при этом уделяется методам термического напыления.
     В Великобритании с 1964 года функционирует Комитет по коррозии и защите от нее. По данным комитета, на основе обработки информации из 1 650 источников, показано, что потери от коррозии в промышленности оцениваются суммой 1 365 млн фунтов стерлингов в год. Только одно лишь правильное

5

применение известных методов защиты от коррозии без дополнительных исследований в этом направлении может уменьшить потери на 310 млн фунтов стерлингов.
     В США, Великобритании, Японии и др. странах широко используются тонкие покрытия (5-10 мкм) из карбидов и нитридов тугоплавких металлов, осаждаемых из газовой фазы на рабочую поверхность стального и твердосплавного инструмента для обработки металла.
     В области диффузионных защитных покрытий уже создана теория диффузии в многокомпонентных системах, позволяющая понимать природу особенностей диффузионных процессов при наличии взаимодействия и количественно описать эти закономерности.
     При анализе диффузионных явлений широко и успешно применяются принципы и методы термодинамики неравновесных процессов и положения теории электронного строения вещества, в том числе в рамках конфигурационной модели. Успехи теории многокомпонентной диффузии позволяют разработать методы прогнозирования долговечности диффузионных защитных покрытий.
     В настоящее время накоплены обширные экспериментальные данные по свойствам материалов с диффузионными защитными покрытиями, в частности по влиянию диффузионных покрытий на кратковременную статическую и усталостную прочность защищенных изделий на воздухе и в различных средах. Изучена роль остаточных напряжений, возникающих в процессе диффузионного насыщения, и предложена их классификация. Работы в этой области имеют большое значение для раскрытия механизма деформации и разрушения металлов с покрытиями, для создания теории прочности таких материалов.
     Анализируя выше изложенное, можно сказать, что успешное решение всего комплекса сложных практических задач возможно лишь на основе достаточно обоснованных теоретических предпосылок и поисковых исследований. Поэтому, наряду с совершенствованием существующих типов покрытий и методов их нанесения, а также организации их внедрения в народное хозяйство, необходимо постоянно вести поисковые исследования по синтезу новых типов соединений, перспективных в качестве материалов для покрытий, и разработке новых высокопроизводительных методов их нанесения, основанных на новейших технических возможностях.

6

    ГЛАВА 1.
    СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА

1.1. Спектр применения деталей из серого чугуна
     Серый чугун — широко применяемый конструкционный материал. Его расплав обладает хорошей жидкотекучестью, малой склонностью к образованию усадочных дефектов по сравнению с другими видами чугунов. Из него можно изготавливать отливки самой сложной конфигурации с толщиной стенок от 2 до 500 мм.
     Физико-механические и служебные свойства чугуна определяются прежде всего особенностями микроструктуры: пластинчатый графит, содержащийся в структуре серых чугунов, нарушает сплошность металлической основы, в результате чего серый чугун имеет сравнительно не высокие значения временного сопротивления разрыву при растяжении и очень низкую пластичность. Однако, именно благодаря пластинчатому графиту в сером чугуне уникально сочетаются хорошие антифрикционные свойства, высокая износостойкость, малая чувствительность к концентраторам напряжений. Серый чугун имеет высокую демпфирующую способность и эффективно гасит вибрации [1].
     Учитывая выше приведенные свойства серых чугунов, его детали находят широкое применение в конструкциях автомобилей и тракторов, при этом масса литых деталей из серого чугуна составляет 15-25 % от общей массы. Основная номенклатура — это ответственные детали: блоки двигателей, головки, гильзы цилиндров, крышки коренных подшипников двигателей, тормозные диски и диски сцепления, тормозные барабаны, а также направляющие, поршни и другие детали гидроцилиндров.
     Для блоков и головок цилиндров тяжело нагруженных дизельных двигателей (автомобильных и судовых) применяют специальные легированные чугуны, а для головок цилиндров — высокоуглеродистые (более 3,5% С) легированные термостойкие чугуны [2]. Гильзы цилиндров карбюраторных и дизельных двигателей изготавливают главным образом из серого чугуна [3]. Только гильзы крупных транспортных дизелей иногда изготавливают из высокопрочного чугуна.
     Преимущественное применение серого чугуна обусловлено тем, что в нем сочетаются высокая износостойкость и противозадирные свойства [8] при трении с ограниченной смазкой.

7

      Для гильз цилиндров применяют чугуны, марки СЧ20 и СЧ25. Гильзы цилиндров дизельных двигателей закаливают для получения твердости на зеркале [12] не менее 42HRC. Основными требованиями к чугуну для гильз являются [3] перлитная структура матрицы (не более 5 % феррита), графит среднепластинчатый, неориентированный, твердость в пределах 200-250 HB.
      Тормозные диски, барабаны и нажимные диски сцепления, работающие в условиях сухого трения с высокими скоростями скольжения, должны обеспечивать в паре с фрикционной пластмассой стабильный коэффициент трения и износостойкость [9].
      Для тормозных барабанов и дисков средней нагруженности чаще всего применяют серый чугун марки СЧ20 и СЧ25.
      Для грузовых автомобилей, тракторов, погрузчиков и др. специальной техники применяются гидроцилиндры (поршневые и телескопические), в которых сквозная крышка, поршень и направляющая выполнены из серого чугуна, марки СЧ 20 (ГОСТ 1412-85). Основные виды гидроцилиндров, выпускаемых на предприятии ОАО ПО «САРМАТ», представлены на рис. 1.1.
      Из приведенных сборочных чертежей поршневого ГцА01.000 (рис. 1.2) и телескопического 55102-8603010А (рис. 1.3) гидроцилиндров видно, что такие детали как крышка сквозная, поршень (рис. 1.2, поз. 6, 12), а также направляющие (рис. 1.3, поз. 13-18), работают в тяжелых условиях статических и динамических нагрузок на износ трением со смазкой в системе «чугун — сталь».

Рис. 1.1. Виды гидроцилиндров, выпускаемых на ОАО ПО «САРМАТ»

8

Рис. 1.2. Поршневой гидроцилиндр ГцАО 1.000

(ход932)

|M0d11 J

Рис. 1.3. Телескопический гидроцилиндр 55102- 8603010A

      Гидроцилиндры с номинальным давлением 10 МПа и более должны иметь коэффициент полезного действия более 90 %. При эксплуатации гидроцилиндры должны нагружаться вдоль своей оси. Если гидроцилиндры крепятся при помощи проушин, цапф, сферических опор и др. и в таких конструкциях ось под нагрузкой меняет свое положение, то согласно ГОСТ 16514-96 такие гидроцилиндры должны воспринимать боковую нагрузку, не превышающую 10%от силы гидроцилиндра.
      Наработка в 90 % (до отказа) должна быть, согласно ГОСТ 16514-96:

      • для одноступенчатых гидроцилиндров, рассчитанных на номинальное давление до 16 МПа при ходе до 500 мм не менее 0,8 • 10⁶ циклов

         нагружения (двойных ходов), в случае если ход гидроцилиндра превы
шает 500 мм — не менее —

0,8 -10⁹ 2 • S

циклов (S — ход гидроцилиндра);

      • для телескопических гидроцилиндров — не менее 10⁴ циклов.

     Критерием отказа гидроцилиндра является переход его в нерабочее состояние, требующее остановки работы гидроцилиндра для устранения неисправности.
     Критерием предельного состояния гидроцилиндров является уменьшение общего КПД или (и) увеличение удельного объема выносимой рабочей жидкости более чем в 1,2 раза от установленного значения для гидроцилиндров конкретного типа, не устраняемое заменой уплотнителей и опорных колец.
     Допустимый удельный объем выносимой жидкости для различных типов гидроцилиндров приведен в таблице 1.1.
Таблица 1.1
Удельный объем выносимой жидкости из гидроцилиндра

      Тип         Удельный объем выносимой жидкости см2/м2,      
 гидроцилиндра  не более по классу герметичности гидроцилиндра   
                  А        в                     с              
Одноступенчатый 0,003    0,005        0,02 для Рном. < 16 МПа   
                                      0,05 для Рном. > 16 МПа   
Телескопический 0,006    0,010                 0,12             

Предельное состояние наступает для одноступенчатых цилиндров с но
минальным давлением до 16 МПа при ходе цилиндра до 500 мм через

2,5 • 10⁶ циклов, а при ходе цилиндра более 500 мм — через

2,5 •Ю⁹ 2 • S

(S — ход

гидроцилиндра) циклов нагружения.

11

     В случае использования одноступенчатых гидроцилиндров с номиналь


ным давлением более 16 МПа при ходе цилиндра до 500 мм. Критерий предельного состояния наступает через 10⁶ циклов, в случае хода гидроцилиндра

1,^             10⁹
более 500 мм — не менее —— циклов.
                2 • S

     Для телескопических гидроцилиндров такое состояние наступает минуя отметку 0,5 • 10⁵ циклов.
     Из выше изложенного можно заключить, что минимальную эксплуатаци

онную выносливость из всех видов гидроцилиндров имеют телескопические (0,5 • 10⁵ циклов), а самой быстро изнашиваемой деталью в таких цилиндрах является направляющая, изготавливаемая из серого чугуна СЧ 20.
     Направляющие гидроцилиндров (рис. 1.4) работают в тяжелых условиях статических и динамических нагрузок на износ трением с контртелом из чугуна и из стали при наличии смазки. В качестве смазки выступает масло И20, И30 (ГОСТ 20799).
     Анализируя выше изложенное, можно заключить, что ресурс работы телескопических гидроцилиндров, которыми оснащена современная техника, постоянно занятая работой является недостаточным. Выход из строя гидроцилиндра влечет за собой остановку всего агрегата.
     Поэтому увеличение срока службы направляющих позволит продлить срок эксплуатации гидроцилиндров и сократить количество текущих и капитальных ремонтов техники, оснащенной телескопическими гидроцилиндрами.

Рис. 1.4. Направляющие телескопических гидроцилиндров

12