О состоянии поверхностных слоев шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, подвергнутых антифрикционной обработке

9. Счастливцев В. М. Роль принципа метастабильности аустенита Богачева-Минца при выборе износостойких материалов / В. М. Счастливцев, М. А. Филиппов // Металловедение и термическая обработка металлов. -2005. - № 1. - С. 6-9.

10. Долговечность оборудования огнеупорного производства / [Попов В. С., Брыков Н. Н., Дмитриченко Н. С., Приступа П. Г]. - М. : Металлургия, 1978. - 232 с.

11. Филиппов М. А. Стали с метастабильным аустенитом / Филиппов М. А., Литвинов В. С., Немировский Ю. Р. -М. : Металлургия, 1988. - 256 с.

12. Садовский В. Д. Остаточный аустенит в закаленной стали / В. Д. Садовский, Е. А. Фокина. - М. : Наука, 1986. -113 с.

13. Мазель Ю.А. Классификация сплавов на основе железа для восстановительной и упрочняющей наплавки /

Ю. А. Мазель, Ю. В. Кусков, Г. Н. Полищук // Сварочное производство. - 1999. - № 4. - С. 35-38.

14. Пугачев Г.А. Исследование износостойкости сплавов при трении в абразивной массе и разработка наплавочных материалов : дис. ... канд. техн. наук : 05.16.01 / Г. А. Пугачев. - Запорожье, 1979. - 216 с.

15. Куликовский Р. А. Изменение способности сталей к упрочнению в процессе изнашивания в зависимости от структуры и химического состава / Р. А. Куликовский, М. И. Андрущенко, Н. Н. Брыков // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Проблемы механики горно-металлургического комплекса». - Д. : НГУ. - 2004. - С. 79-80.

16. Гуляев А. П. Металловедение / А. П. Гуляев. - М. : Металлургия, 1978. - 645 с.

Одержано 05.12.2008

До^джено здаттсть до змщнення поверхш тертя та onip абразивному зношуванню наплавленого металу за вiдсутнoстi або з незначною кшьюстю в ньому фази змщнення. Встановлено, що зносостшюсть матеpiалiв piзнoманiтних структурних груп визначаеться в основному мiкpoтвеpдiстю поверхт тертя. Показано, що резерви збтьшення знoсoстiйкoстi шляхом тдвищення здатнoстi наплавленого металу до змщнення в процеd зношування до цього часу не pеалiзoванi.

Hardening ability of a friction surface and hardfacing metal resistibility to abrasion wear without or with insignificant amount of a hardening phase was investigated. It is found, that wear resistance of different structural groups of materials is basically defined by friction surface microhardness. It is shown, that the reserves of wear resistance increase by rising the hardfacing up metal hardening ability during the wear process are not fully realized till present time.

УДК 539.26:621.891

В. И. Кубич, д-р техн. наук Л. И. Ивщенко Национальный технический угиверситет, г. Запорожье

О СОСТОЯНИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ШЕЕК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ПОДВЕРГНУТЫХ АНТИФРИКЦИОННОЙ

ОБРАБОТКЕ

Приведены результаты рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализа поверхностных слоев шеек коленчатых валов, подвергнутых финишной антифрикционной безабразивной обработке (ФАБО), что позволило предложить модель формирования медьсодержащего покрытия как основы создания модифицированных зон, обеспечивающих долговечность трибосопряжений.

Актуальность

Известно, что физико-механические свойства поверхностей, обуславливающие износостойкость элементов трибосопряжения «вал-покрытие-вкладыш», формируются как в процессе фрикционно-механичес-кого нанесения антифрикционных покрытий, так и в процессе последующей приспосабливаемости зон контакта в условиях сложного гидродинамического нагружения при эксплуатации двигателя внутреннего сгорания. Отмечено, что в таком покрытии могут происходить структурно-фазовые превращения, свой-

ственные избирательному переносу (ИП), что дает возможность значительно повысить ресурс сопряжений такого типа [1, 2, 4].

В соответствии с предложенным способом [3] нанесения медьсодержащего покрытия в галлиево-индие-вой среде, представляется интересным само состояние формируемого покрытия на поверхности шеек. Очевидным является то, что состав и структура покрытия могут вызвать определенные изменения в приповерхностных слоях основного материала шеек и в дальнейшем окажет влияние на его сопротивляемость изнашиванию.

© В. И. Кубич, Л. И. Ивщенко, 2009

Однако сведения о состоянии покрытия такого типа, характере его влияния на структуру приповерхностных слоев шеек валов, изготовленных из различных материалов, приведены не достаточно полно, а с позиций оценки приповерхностного микрообъема такими рентгенографическими характеристиками, как уширение рентгеновских линий и период кристаллической решетки отсутствуют [3, 5, 6].

Данный факт и вызывает определенный интерес в проведении рентгеноструктурного и рентгеноспект-рального анализа исходных поверхностных слоев шеек валов с покрытием. Полученные результаты позволят оценить как исходное состояние формируемой структуры, так и представить модель медьсодержащего покрытия как основы для последующего проявления ИП в трибосопряжении «шейка-покрытие-вкладыш».

Методы исследования

Для проведения анализа использовались образцы шеек восстановленных под ремонтный размер коленчатых валов: рядного ЗМЗ - материал вала чугун ВЧ 50; К-образного ЗИЛ - материал вала сталь 45. Поверхности шеек после шлифования поверхностному модифицированию (упрочнению) не подвергались.

Антифрикционное покрытие на поверхности образцов получили посредством ФАБО в галлиево-индие-вой среде [3]. Образцы обрабатывали на приспособлении к токарно-винторезному станку путем прижатия инструмента - бронзового прутка (БРОФ4-0,25) с давлением 0,7-0,77 МПа к вращающемуся со скоростью 65 мин-1 образцу при продольной подаче 0,8 мм/об и количестве проходов 4-6.

Из образцов шеек методом электроэрозионной резки были вырезаны фрагменты размером 5x25 мм, на поперечных срезах поверхностей которых выполнялись шлифы.

Для проведения исследований использовались по два фрагмента каждого образца без покрытия и с покрытием соответственно.

Рентгенографический анализ поверхностей образцов проводился на установках ДРОН-1, ДРОН-3 с использованием медной и кобальтовой рентгеновских трубок с при симметричной съемке. В соответствии с дифрактограммами по стандартным методикам [6-8] идентифицировались элементы покрытия, определялся характер изменения: периода кристаллической решетки - а; экспериментальной ширины рентгеновских линий - В, интенсивности интерференционных линий - I. Для оценки изменения характеристик структуры поверхностных слоев по толщине, что для трибопокры-тия, особенно важно, аналитически определяли глубину эффективно отражающего слоя к. Для этого была использована следующая зависимость [7]:

где ©, град - угол дифракции от серии параллельных кристаллографических плоскостей фаз, входящих в структуру покрытия; ц, см-1 - коэффициент линейного ослабления данного элемента.

Поскольку анализировалось покрытие, состоящее из ряда химических элементов, то коэффициент линейного ослабления определялся как для сложного вещества:

Л = р£ С, (Лт )г i=1

1,5sin ©

л

где р, г/см3 - плотность сложного вещества, определялась как средняя величина плотностей элементов; С, -весовые концентрации элементов, использовались данные спектрального анализа; (лт), - массовые коэффи-циенты ослабления элементов, определялись по справочнику в соответствии с длиной волны излучения.

Для кобальтового и медного излучения линейные коэффициенты ослабления покрытия равнялись соответственно 806 см-1 и 682 см-1. Для железа как основы материалов сталь 45 и ВЧ 50 линейные коэффициенты ослабления кобальтового и медного излучения равнялись 642 см-1 и 571 см-1.

Рентгеноспектральный анализ поперечных шлифов фрагментов образцов выполнялся на установке РЭММА в режиме линейного перемещения зонда. При этом определяли химический состав покрытия, концентрацию химических элементов по зонам и их распределение по глубине анализируемого слоя образца.

Результаты исследований и обсуждение

Общий анализ дифрактограмм образцов показал, что при наличии структурных составляющих покрытия наблюдается изменение рентгенографических характеристик подложки основного материала образцов. Уменьшается период кристаллической решетки a-Fe как основы сплава, о чем свидетельствуют расчетные значения периодов по линиям отражения, приведенные в табл. 1. При этом, если для образца стали 45 изменение периода решетки по глубине носит нелинейный характер, то для ВЧ 50 линейный и по средней величине превосходит в два раза. Происходит 30-35 %-ное снижение интенсивности интерференционных линий (табл. 2), а также увеличение экспериментальной ширины рентгеновских линий для a-Fe фазы. На глубине эффективно отражающего слоя H и 20 мкм увеличение ширины рентгеновских линий для образца стали 45-23 %, для образца ВЧ50 - 15 %.

На рис. 1, 2 приведены дифрактограммы для образцов из чугуна ВЧ 50. Отличие для дифрактограмм аналогичных образцов для стали 45 составляют лишь величины смещения углов отражения 26 относительно углов эталонных образцов (поверхности без покрытия). Для образцов с покрытием перед пиком отражения первого порядка для a-Fe фазы (110) появились

h

пики отражения значительно меньшей интенсивности и характерные не для a-Fe фазы, а для иных элементов поверхностной структуры. Диапазоны углов 26 таких отражений составили от 33° до 43°.

Сравнение вычисленных значений межплоскостных расстояний dHKL с табличными данными [8] свидетельствует о том, что в покрытии присутствуют: медь Cu линия

ёШ1 = 0,1996 нм, а также возможно интерметаллидное соединение Си58п линия (110) ёНК1 = 0,211 нм. Однако для анализа состояния этих элементов необходим другой метод сканирования поверхности и исследования ее тончайших слоев - метод скользящего рентгеновского луча. Вопрос об исследовании рентгенографических характеристик структуры покрытия такого типа остается открытым.

Рис. 1. Дифракторграмма образца ВЧ 50 без покрытия

Рис. 2. Дифракторграмма образца ВЧ 50 с покрытием Таблица 1 - Значения периода кристаллической решетки a-Fe фазы в СиКО,- излучении

Индексы линий для образца сталь 45 для образца ВЧ50

без покрытия с покрытием без покрытия с покрытием

а, нм h, мкм а, А h, мкм а, нм h, мкм а, нм h, мкм

(110) 0,28665 9,9 0,28269 8,5 0,28663 9,9 0,28578 8,3

(200) 0,28673 14,2 0,28358 11,9 0,28688 14,1 0,28562 11,8

(211) 0,28617 17,2 0,28304 14,5 0,28626 17,3 0,28560 14,5

(220) 0,28652 20,1 0,28549 16,7 0,28626 20,3 0,28309 16,7

(310) 0,28661 22,2 0,28534 18,7 0,28639 22,3 0,28560 18,7

- 0,28653* 16,7* 0,28402* 14,0* 0,28648* 16,7* 0,28513* 14*

Примечание: * — приведены средние значения периода кристаллической решетки, полученные с соответствующей глубины отражения h.

Таблица 2 - Значения рентгенографических параметров a-Fe фазы вСоКр- излучении

для образца сталь 45 для образца ВЧ50

Индексы без покрытия с покрытием без покрытия с покрытием

линий I, h, I, h, I, h, I, h,

имп/с мкм имп/с мкм имп/с мкм имп/с мкм

(110) 390 11,1 226 7,9 544 10,9 358 7,9

(211) 365 18,6 241 13,2 481 18,6 361 13,4

ные, ввиду сильного фона, выделить не представлялось возможным.

Представленная общая картина характера изменения анализируемых характеристик показывает, что в подповерхностных слоях толщиной от 7,9-22,2 мкм в сплавах a-Fe происходит их модифицирование, вызванное способностью материала к пластическому деформированию. В результате модифицирования предположительно создаются условия в исходной структуре материала для движения дислокационных скоплений в процессе нанесения покрытия, а также благоприятные условия, но уже для образования упрочненной подложки под покрытием при последующем контактном нагружении. Последнее представляется как одно из структурно-фазовых превращений, свойственных ИП.

Общий анализ результатов рентгеноспектрально-го анализа: фотографии структур поперечных шлифов, интенсивностей распределения химических элементов в покрытии по глубине (рис. 3, 4, табл. 3, 4) свидетельствует о следующем.

Покрытие представляет собой относительно сплошную неоднородную структуру толщиной порядка 2,02,5 мкм с характерно выраженными светлыми и темными включениями, что указывает на взаимодействие компонентов бронзы БРОФ4-0,25 как с адгезионной галлиево-индиевой средой, так и среды с поверхностью образцов.

Распределение состава химических элементов, в % -ном выражении их массового количества по слоям, относительно равномерное.

Наблюдается постепенное уменьшение количества элементов (Cu, Ga, Sn) c верхних слоев в глубину подложки, в то время как для In - амплитудное: увеличение-уменьшение для ВЧ50, уменьшение-увеличение-уменьшение для стали 45.

Однако если для образца сталь 45 характерны ровные соотношения %-ных частей меди и галлия по слоям и составляют от 0,75 до 1,05 до глубины порядка

Таблица 3 - Распределение химических элементов по глубине поперечного шлифа образца из чугуна ВЧ50

№ точки O Si P Fe Cu Ga In Sn Всего, %

1 2,04 0,74 0,19 6,03 37,14 50,29 1,85 1,74 100

2 3,41 0,7 0,41 7,74 25,41 55,7 2,91 3,72 100

3 2,83 1,16 0,13 33,64 16,12 40,98 2,07 3,07 100

4 0 2,68 0 96,53 0,04 0,76 0 0 100

5 0 2,33 0 97,67 0 0 0 0 100

Таблица 4 - Распределение химических элементов по глубине поперечного шлифа образца сталь 45

№ точки O Si P Fe Cu Ga In Sn Всего, %

1 0,8 0,11 0,27 3,91 39,04 51,81 1,37 2,69 100

2 1,04 0,28 0,33 6,57 38,92 48,95 1,37 2,54 100

3 0,87 0,25 0,29 5,32 43,28 46,44 1,01 2,54 100

4 0,49 0,04 0,15 14,34 41,35 39,34 1,46 2,84 100

5 0 0,32 0 68,78 13,56 14,76 0,86 1,74 100

6 0 0,31 0 99,69 0 0 0 0 100

СоКр- излучение позволяет определить значения рентгенографических характеристик при иной толщине эффективно отражающего слоя, численные значения приведены в табл. 2. Для расчетов были использованы лишь пики с углами отражения только для a-Fe фазы - линии (110) 201 и (211) 202, поскольку осталь-

а х 10000 б х 20000

Рис. 3. Структура поперечного шлифа образца ВЧ50 с покрытием: а - общий вид; б - зоны измерений

а х 20000 б х 12000

Рис. 4. Структура поперечного шлифа образца из стали 45 с покрытием: а - общий вид; б - зоны измерений

2,5 мкм, то для образца ВЧ50 картина иная. Наблюдается преобладающий рост галлия, и соотношения убывают по слоям от 0,73 до 0,05. Галлий диффундирует в подложку образца ВЧ50 несколько больше, чем в положку образца стали 45.

Для основного элемента ВЧ50 и стали 45-железа -картина распределения выглядит иной. Количество железа по слоям среза увеличивается в глубину от минимального 3-6 % до максимального - 100 %. Рост % -го содержания Бе отображает относительную форму профиля поверхности образцов. Такой профиль может рассматриваться как основа конструкции, в которой размещаются элементы формируемой структуры.

Модель медьсодержащего покрытия

На основании полученных результатов общего рен-тгеноспектрального и рентгеноструктурного анализа модель формирования структуры медьсодержащего покрытия на поверхности шеек коленчатых валов можно представить в следующем виде, рис. 5.

Поверхностный слой чугуна ВЧ50, стали 45, представляется насыщенным массой медьсодержащего покрытия, которое распределяется слоями по глубине поверхности и играет роль наполнителя в своеобразном структурном каркасе, который образует галлий с индием.

Оксидные слои поверхности под воздействием поверхностно-активной галлиево-индиевой среды в местах контакта разрыхляются, а материал покрытия -частицы бронзы БР0Ф4-0,25 пластически деформируются. В результате этого происходит интенсивное схватывание свободных от окислов поверхностей тре-

Рис. 5. Модель формирования медьсодержащего покрытия на поверхности шейки коленчатого вала:

1 - зоны повышенной адгезии; 2 - зоны пластификации

ния со свободными от окислов частицами бронзы. Восстановительная среда за счет своей активности обеспечивает адгезию покрытия к подложке поверхности. Медьсодержащие слои связываются с подложкой основного металла, а шероховатость поверхности усиливает эту связь.

В имеющиеся на поверхности и образующиеся в процессе деформации микротрещины, обладающие избыточной свободной энергией, интенсивно адсорбируют атомы галлия, индия. Микротрещины способствуют проникновению в объем металла материала покрытия. Индий значительно повышает смачивающую способность галлия [9], за счет чего возрастает фактическая площадь контакта между адгезионной средой и поверхностью шейки (h2 > h) повышается способность галлия заполнять дефекты кристаллической решетки, макро- и микропустоты, образуя зоны повышенной адгезии материала покрытия к поверхности.

Образуемая подложка из мягкого галлия обеспечивает деформационную способность поверхности, что предопределяет ее хорошие антифрикционные характеристики [9].

Выводы

Результаты проведенного общего рентгеноструктур-ного и рентгеноспектрального анализа показали, что поверхностные слои образцов шеек представляют собой своеобразный композиционный материал, состоящий из покрытия на основе меди и модифицированного подповерхностного слоя сплава на основе a-Fe. Характер влияния наносимого покрытия на модифицирование подповерхностных слоев материалов шеек ВЧ50 и стали 45 неоднозначный. Однако отмеченные изменения в рассмотренных характеристиках в целом указывают на возможности создания благоприятных предпосылок к формированию вторичных модифицированных зон в деформируемых объемах, что позволит увеличить износостойкость элементов трибосопряжения «шейка-покрытие-вкладыш».

Полученные данные могут быть рассмотрены как основа для корректирования состава используемой галлиево-индиевой среды для получения более оптимальных триботехнических характеристик покрытий, формируемых на обрабатываемых поверхностях шеек коленчатых валов ДВС.

Перечень ссылок

1. Гаркунов Д. Н. Триботехника. Износ и безызносность / Д. Н. Гаркунов. - М. : Издательство МСХА, 2001. - 616 с.

2. Кубич В. И. К методике исследования избирательного переноса в трибосопряжении «шейка-покрытие-вкладыш» ДВС / В. И. Кубич, Л. И. Ивщенко // Новi матер-iали i технологи в металурги та машинобудуванш. -2007. - № 2. - С. 134-138.

3. Пат. № 20603000 Российская Федерация, МПК6 С23С26/00. Способ фрикционно-механического нанесения антифрикционного покрытия / Колчаев А. М., Степанов В. Б.; заявитель и патентообладатель Рязанское высшее военное автомобильное инженерное

училище. - № 93057526/02 ; заявл. 28.12.93 ; опубл. 20.05.96, Бюл. 17/2000.

Кубич В. И. Кинематика, динамика работы трибосоп-ряжения «шейка-покрытие-вкладыш» и реализация в нем избирательного переноса / В. И. Кубич, Л. И. Ив-щенко // Вюник двигунобудування. - 2008. - № 2 -С. 27-32.

Рыбакова Л. М. Структура и износостойкость металла/ Л. М. Рыбакова, Л. И. Куксенова. -М. : Машиностроение, 1982. - 346 с.

Куксенова Л.И.Рентгеноструктурный и триботехничес-кий методы контроля качества антифрикционных по-

крытий./ Куксенова Л.И., Л.М. Рыбакова. // Заводская лаборатория. 1998. - № 1 - С. 19-24. Иванов А. Н. Рентгеноструктурный анализ поверхностного слоя / А. Н. Иванов, Ю. Д. Ягодкин // Заводская лаборатория. - 2000. - № 5 - С. 24-34. Горелик С.С. Рентгенографический и электроноопти-ческий анализ / С. С. Горелик, Л. Н. Расторгуев, Ю. А. Скаков. - М. : Металлургия, 1970. - 367 с. Еремин Н. И. Галлий / Н. И. Еремин. - М. : Металлургия, 1964. - 161 с.

Одержано 16.01.2009

Наведенорезультати загального рентгеноструктурного iрентгеноспектрального анализу поверхневих шаргв шийок колiнчастих ecmie, яК тддаш фтшнш антифрикцшнш безабразивнш обробц (ФАБО. Це дозволило представити модель формування покриття, що мiстить Midb як основи створення модифтованих зон, що забезпечують довговiчнiсть трибоз 'еднань.

The results of X-ray structural and spectral analysis of crankpin surface layers which were subjected to finishing antifrictional nonabrasive treatment (FANT) are shown. It allowed to present the model of copper-bearing coating forming as a basis of creation of modificated areas which provide durability of tribology connections.

УДК 669.169.6:669.283

Канд. техн. наук С. М. Григор 'ев, А. С. Петрищев Нацюнальний техшчний ушверситет, м. Запорiжжя

РЕНТГЕНОСТРУКТУРНИЙ ФАЗОВИЙ АНАЛ1З ТА М1КРОСКОП1ЧНЕ ДОСЛ1ДЖЕННЯ ПРИ ОДЕРЖАНН1 СПЛАВУ ДЛЯ ЛЕГУВАННЯ ТА РОЗКИСЛЕННЯ ШВИДКОР1ЗАЛЬНО1 СТАЛ I

До^джеш фазовi перетворення при одержант сплаву для легування тарозкислення швидкорiзальноï стmi типу «SiR» з вiдносно низьким вмiстом кремнiю за ТУ14-437-87-90. Встановленi фiзико-хiмiчнi властивостi сплаву, як забезпечують високе засвоення тугоплавких тарiдкiсних металiврозплавом сталi.

Вступ Матерiали та методика випробувань

Практично виплавка вах спещальних сталей, ле-гованих вольфрамом, мол1бденом, ванад1ем, хромом та шшими елементами нерозривно пов'язане з про-мислово значимими незворотними втратами цих дорогих елеменпв завдяки !х окисленню киснем атмос-фери печ1. Утвореш велик обсяги техногенних мета-лооксидних в1дход1в на р1зних передшах отримання металопродукцп (окалина, шл1фувальний шлам, цик-лонний пил, некондицшний порошок та ш.) не знахо-дять на практищ широкого застосування, зважаючи на вщсутшсть надшних та достатньо ефективних техно-логш !х переробки. Результатом цього е неконкуренто-спроможшсть багатьох вид1в продукцл спещально! металурги та зняття !х з виробництва. Зважаючи на це напрямок, присвячений тдвищенню ступеня викори-стання та утил1зацп дорогих легувальних елеменпв з р1зних джгрел утворення, безсумтвно, являе науковий та практичний штерес.

Метою даних досл1джень було розробити споаб утил1зацп легувальних елеменпв з др1бнодисперсних забруднених металооксидних в1дход1в виробництва товарних загопвель швидкор1зальних сталей, а конк-ретне завдання полягало у вивченш фазових перетво-рень при одержанш сплаву для легування та розкислення швидкор1жучих сталей.

Зразки для дослщжень виплавляли в печ1 непрямого нагр1ву 1з графповим тиглем в штервал1 температур 1773-1823К. Як вихщний матер1ал, використо-вували окалину швидкор1зально! стал1. У першш серп плавок вщновлення проводили додаванням у шихту вуглецю, циклонного пилу вуглеграфпного виробництва в шлькосп 15 %. Розкислення сплаву й збшьшен-ня залишкового вм1сту кремнш в ньому досягали вве-денням 45 %-го феросилщю. Залишкова масова частка кремнш й вуглецю у сплав1 перебувала в межах 0,088,19 1 0,073-2,47 % вщповвдно. У другш серп експери-

© С. М. Григор'ев, А. С. Петрищев, 2009

42