Оценка влияния шероховатости поверхности на повышение прочности сцепления износостойкого напыляемого покрытия

УДК 621.9.015:621.43-233

Оценка влияния шероховатости поверхности на повышение прочности сцепления износостойкого напыляемого покрытия

В. А. Красный, В. В. Максаров

Рассмотрено применение износостойких покрытий, наносимых методами газотермического и газоплазменного напыления. Показана зависимость прочности напыляемого покрытия от шероховатости поверхности после струйно-абразивной обработки на примере поршневых колец со стальмолибдено-вым покрытием. Определена зависимость шероховатости поверхности от режимов струйно-абразив-ной обработки: расстояния до среза сопла, числа проходов, давления рабочего воздуха и частоты смены дроби.

Ключевые слова: шероховатость поверхности, прочность сцепления покрытия, струйно-абразивная обработка, газотермическое и газоплазменное напыление.

Введение

Повышение надежности современной техники, снижение себестоимости ее обслуживания, обеспечение конкурентоспособности, продление ресурса эксплуатации, а также ее реновация путем применения современных технологий для восстановления работоспособности узлов до уровня новых изделий — наиболее приоритетные направления развития техники.

К современным технологиям нанесения защитных покрытий относятся газотермические и газоплазменные процессы. Новые оборудование, материалы и технологии напыления позволяют значительно снизить или исключить влияние на изнашивание деталей таких факторов, как эрозия, коррозия (в том числе высокотемпературная) и кавитация [1].

Газотермические и газоплазменные покрытия (рис. 1) применяют при ремонте оборудования и упрочнении рабочих поверхностей новых деталей. В зависимости от назначения покрытия и условий его работы меняются

требования к точности соблюдения основных параметров покрытия — его состава, толщины, плотности и прочности сцепления с подложкой [2, 3].

Газотермические покрытия широко применяются при изготовлении и ремонте ряда ответственных деталей двигателей внутреннего сгорания, в первую очередь деталей цилин-дропоршневой группы (поршней, поршневых колец), также коренных и шатунных шеек коленчатых валов и др.

В качестве подготовительной операции перед напылением широко применяется струй-но-абразивная обработка поверхности подложки. Такая подготовка очищает поверхность и выводит ее из состояния термодинамического равновесия со средой, освобождая межатомные связи поверхностных атомов, т. е. химически активирует подложку. Однако активность подложки быстро снижается из-за химической адсорбции газов из атмосферы и окисления. Кроме того, обработка делает поверхность шероховатой, это повышает температуру в контакте под напыляемыми частицами

Рис. 1. Газоплазменное (а) и газотермическое (б) напыление

на выступах шероховатости и суммарную площадь участков приваривания. Шероховатая поверхность имеет большую площадь по сравнению с гладкой, что также способствует увеличению прочности сцепления. Прочность сцепления определяется объемом впадин шероховатости, обеспечивающим необходимую усадку напыленного слоя при охлаждении [4].

Выбор шероховатости поверхности и режимов струйно-абразивной обработки для повышения прочности сцепления покрытия с подложкой во многом определяет как толщину покрытия, так и долговечность и надежность самой детали.

Принципиальная схема струйно-абразивной обработки и, как частного случая, дробеструйной обработки, показана на рис. 2 на примере установки конструкции ЦНИИТмаш.

Рис. 2. Дробеструйная установка конструкции ЦНИИТмаш:

1, 2 — бункеры для дроби; 3, 4 — подающее сопло; 5 — ротор; 6 — деталь

Дробь засыпают в бункер 1, элеватором переносят в бункер 2, заправленный на быстро вращающийся ротор 5. Получившие большое ускорение дробинки бомбардируют деталь 6, которая приводится во вращательное равномерное движение. Отработанная дробь скатывается в нижний бункер и по пути очищается от пыли, мелких осколков и т. д. Очистка производится воздушной струей с помощью вентилятора и сепаратора. Для работы применяют чугунную дробь.

Для поршневых колец крупногабаритных двигателей внутреннего сгорания дробеструйная обработка применяется перед нанесением газотермических напыляемых покрытий, в частности покрытий на основе молибдена.

Целью настоящей работы является исследование зависимости прочности сцепления газотермического износостойкого покрытия поршневых колец от шероховатости рабочей поверхности после струйно-абразивной обработки, которая, в свою очередь, зависит от ее режимов (расстояния до среза сопла, числа проходов, давления рабочего воздуха, частоты смены дроби).

Методика проведения испытаний

Повышение ресурса поршневых колец за счет применения газотермических покрытий обусловлено, с одной стороны, возможностью получения покрытия с требуемыми характеристиками износостойкости и заданной толщины, с другой стороны, сохранением традиционных

технологий их изготовления и применяемых материалов с использованием недорогого и не требующего значительных производственных площадей оборудования.

При производстве поршневых колец широкое применение получило нанесение гальванического хрома, однако толщина такого покрытия невелика и для крупногабаритных двигателей, в частности двигателей карьерных самосвалов и тепловозов, во многих случаях применяется покрытие на основе напыляемого молибдена и его композиций для верхнего компрессионного кольца (рис. 3, а, б). Молибден обеспечивает высокую термостойкость из-за его высокой точки плавления (2620 °С). Кроме того, этим методом нанесения покрытия можно получить пористую структуру материала. В возникающих микропустотах на рабочей поверхности колец (рис. 3, б) может сохраняться моторное масло, что предохраняет от возникновения задиров при экстремальных условиях эксплуатации. Толщина покрытия 0,5-1 мм и более.

В работе рассматривалось композиционное стальмолибденовое покрытие, получаемое из проволоки молибдена и стальной проволоки 11Х18М-ШД, наносимое газотермическим способом на рабочую поверхность поршневых колец диаметром 210 мм.

Перед нанесением покрытия кольца по 20 штук собирали на оправку, на рабочей поверхности каждого из них протачивали трапециевидную канавку, затем на той же оправке кольца подвергали струйно-абразивной обработке дробью и последующему газотермическому напылению.

Рис. 3. Конструкции верхнего компрессионного поршневого кольца

Прочность сцепления определяли углом закручивания а, при котором покрытие отслаивается на окончательно готовых кольцах. Зависимость угла закручивания а от параметра шероховатости Я2 определяли косвенным путем. Вначале устанавливали зависимость Я2 и а от частоты смены дроби п, а затем оценивали их взаимовлияние.

Режимы струйно-абразивной обработки:

• расстояние до среза сопла — 130 мм;

• давление рабочего воздуха — 0,4 МПа;

• количество проходов — 2;

• частота вращения оправки — 17 мин-1;

• угол атаки сопла — 80°;

• дробь — ДСК-08 по ГОСТ 11 964-81. Замена дроби — после обработки 35, 40 и 43

оправок колец. Шероховатость образцов колец измеряли на профилографе-профилометре 201.

Обсуждение результатов исследования

В первой части исследований определяли зависимость шероховатости Я2 образцов колец от частоты смены дроби п, представленная на рис. 4, а. Очевидно, что шероховатость, обеспечиваемая новой дробью, выше.

Результаты испытаний по определению угла закручивания а, при котором покрытие отслаивается, в зависимости от частоты смены дроби п представлены на рис. 4, б. Угол закручивания изменялся от 57° при п = 35 до 39° при п = 43.

Обобщая результаты, представленные на рис. 4, можно получить зависимость угла закручивания а от шероховатости Я2 (рис. 5). В рассматриваемом диапазоне изменения шероховатости указанная зависимость аппроксимируется в линейном виде, т. е. прочность сцепления увеличивается с увеличением шероховатости поверхности.

В работе [4] показано, что в более широком диапазоне [как при большой (Ктах > 250 мкм), так и при малой (Ктах < 20 мкм) шероховатости] зарождаются очаги отслоений напыленного слоя от основного металла. Однако в практической работе столь широкий диапазон шероховатости не используется.

Таким образом, учитывая, что нормальная работа поршневых колец, как показывает опыт эксплуатации, обеспечивается при отслаива-

Рис. 4. Зависимость шероховатости Яг (а) и угла закручивания а (б) от частоты смены дроби п

нии покрытий на углах выше 35°, можно сделать вывод о необходимости смены дроби после обработки не более 40 оправок. При этом шероховатость будет ограничена снизу и соответствует Яг > 22 мкм.

Во второй части испытаний в целях обеспечения требуемой шероховатости поверхности после струйно-абразивной обработки были исследованы различные ее режимы и выявлена их взаимосвязь с параметрами шероховатости. В каждой серии экспериментов варьировался один из режимов обработки: расстояние до среза сопла, число проходов, давление рабочего воздуха, в то время как две другие характеристики оставались постоянными.

В первой серии экспериментов варьировалось расстояние до среза сопла (70, 90, 110, 130 и 150 мм), при этом обработка производилась за два прохода при давлении рабочего воздуха 0,4 МПа. Из рис. 6, а видно, что как для новой

а, .. "

50

40

22

24

Яг, мкм

Рис. 5. Зависимость угла закручивания а от шероховатости поверхности Яг после струйно-абразивной обработки

дроби, так и для дроби после обработки 40 оправок общее оптимальное расстояние до среза сопла следует принять 110 мм.

Во второй серии варьировалось число проходов к (1, 2, 3) при расстоянии до среза сопла 110 мм и давлении рабочего воздуха 0,4 МПа. Как показано на рис. 6, б, оптимальным следует считать к = 2.

В третьей серии варьировалось давление рабочего воздуха р (0,35; 0,40 и 0,45 МПа) при обработке за два прохода и расстоянии до среза сопла 110 мм. Оптимальным с точки зрения получения необходимой шероховатости следует считать р = 0,4 МПа (рис. 6, в).

Таким образом, в результате исследований выявлена зависимость прочности сцепления газотермического износостойкого покрытия поршневых колец от шероховатости рабочей поверхности после струйно-абразивной обработки и установлены режимы, обеспечивающие оптимальную шероховатость:

• давление рабочего воздуха — 0,4 МПа;

• число проходов — 2;

• расстояние до среза сопла — 110 мм.

Смена дроби после струйно-абразивной обработки — не более 40 оправок колец.

Выводы

1. Шероховатость поверхности, получаемая в результате струйно-абразивной обработки, оказывает существенное влияние на прочность сцепления покрытия, получаемого ме-

150

№ 5(83)/2014

а)

Иг, мкм

30

25

20

1 ) / - с ( ____ ' ' с

-— 1»

90

110

130

I, мм

б)

Яг, мкм 30 25 20

-- 5

/ /

в)

Иг, мкм

30

25

20

0,35

0,40

0,45 р, МПа

Рис. 6. Зависимость шероховатости поверхности Яг от режимов струйно-абразивной обработки: расстояния до среза сопла I (а), числа проходов А (б), давления рабочего воздуха р (в):

-.—.—— на новой дроби; -^-о—о- — на дроби после обработки 20 оправок; - — на дроби после обработки 40 оправок

тодами газотермического и газоплазменного напыления.

2. Напыляемые покрытия на основе молибдена и его композиций широко применяются при изготовлении поршневых колец крупногабаритных двигателей внутреннего сгорания. При этом обеспечение прочности сцепления покрытия с подложкой тесно связано с обеспечением необходимой шероховатости и режимами струйно-абразивной обработки.

3. В качестве критерия прочности сцепления покрытия поршневого кольца может быть использован угол закручивания, при котором происходит отслаивание покрытия. Такой подход позволяет косвенным путем установить взаимосвязь между прочностью сцепления покрытия и шероховатостью поверхности.

4. Предложены режимы струйно-абразив-ной обработки (давление рабочего воздуха —

0,4 МПа, расстояние до среза сопла — 110 мм, количество проходов — 2, смена дроби после обработки — 40 оправок), обеспечивающие требуемую шероховатость рабочей поверхности поршневого кольца (Яг > 22 мкм) перед напылением.

Литература

1. Кудинов В. А., Бобров Г. В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. М.: Металлургия, 1992. 432 с.

2. Гаркунов Д. Н., Мельников Э. Л., Гаврилюк В. С. Триботехника. М.: КНОРУС, 2013. 408 с.

3. Дроздов Ю. Н., Юдин Е. Г., Белов А. И. Прикладная трибология (трение, износ и смазка). М.: Эко-Пресс, 2010. 604 с.

4. Рыжов Э. В., Суслов А. Г., Федоров В. П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. 176 с.