Структурообразование высокопрочного чугуна поршневых колец в зоне лазерного термоупрочнения

естественнонаучное направление

С.С. Казаков, В.В. Гоева СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА...

LASER HARDENING OF PISTON RINGS OF DIESEL ENGINES AS THE WAY OF INCREASE OF

WEAR RESISTANCE

© 2015

S.S. Kazakov, senior teacher of the chair «Technical and biological systems» V.V. Goeva, the associate professor of the chair «Technical and biological systems» Nizhny Novgorod state engineering-economic institute, Knyaginino,

Abstract. The analysis of a condition of details cylinder piston group of ship diesel engines is lead, principal causes of refusals of these details are revealed. The worn most out and responsible details of a ship diesel engine which are piston compressive rings are certain. The valid resource of piston rings essentially below normative values, especially at diesel engines working on heavy grades of fuel. The basic methods of increase of wear resistance of piston rings of diesel engines are resulted. It is certain, that the most rational method of an increase of a resource of piston rings application of methods of superficial hardening and increase of wear resistance of rubbing surfaces of details is represented. The method of laser thermo hardening working surfaces of piston rings as the most perspective method of increase of wear resistance is proved. It is certain, that to laser training usually subject not all surface of friction, and its separate sites. Alternation of a soft basis of pig-iron and the strengthened zone on a working surface of piston rings allows receiving high anti frictional characteristics. In work researches of laser hardening of details TsPG of ship diesel engines (piston rings), Open Societies « RUMO « made at the enterprises and Open Society « Metmach « are presented. Piston rings subjected to training by means of a laser complex «Kometa-2». The procedure and results of tests of the strengthened piston rings are presented; recommendations at the choice of modes of laser processing are given. Wear resistance of piston rings with laser processing was investigated in comparison with the chrome plated rings of ship diesel engines on the test bed at back and forth motion. It is established, that laser processing of piston rings raises not only wear resistance, but also reduces wear of serial plugs of cylinders.

Keywords: wear resistance, the laser, laser training, laser processing, micro hardness, reliability, a piston ring, a working surface, a resource, ship diesel engines, thermo hardening, pig-iron.

УДК [62-242.3:621.74.042]:620.178.16 СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ В ЗОНЕ

ЛАЗЕРНОГО ТЕРМОУПРОЧНЕНИЯ

© 2015

С.С. Казаков, старший преподаватель кафедры «Технические и биологические системы» В.В. Гоева, доцент кафедры «Технические и биологические системы» Нижегородский государственный инженерно-экономический институт, Княгинино

Аннотация. В работе представлены основные аспекты лазерного термоупрочнения поверхностных слоев высокопрочных чугунов, даны рекомендации по использованию энергии лазерного луча при обработке поршневых колец, с целью получения заданных физико-механических свойств. Исследован механизм растворения углерода и образование пористости при лазерном оплавлении чугуна с шаровидны графитом с различными размерами сфероидов графита. Проведен обзор существующих методов повышения физико-механических свойств чугунов с шаровидным графитом, дана их сравнительная оценка. Приведены результаты исследования влияния состава, технологических параметров и структуры чугуна с шаровидным графитом на механические свойства, износостойкость и усталостную прочность деталей подвергнутых оплавлению лазером. При лазерной закалке можно получать сложную структуру высокопрочного чугуна, состоящую из феррита, аустенита, мартенсита и цементита, в зави-симости от удельной мощности, времени нагрева, скорости плавления и кри-сталлизации чугуна с шаровидны графитом. Исследованы фазовые превращения при индукционном нагреве высокопрочного чугуна и построены диаграммы режимов закалки чугуна с шаровидны графитом, опробованные на распределительных валах. Установлена зависимость между параметрами аустенизации высокопрочного чугуна с различным содержанием графита, толщиной закаленного слоя и его поверхностной твердостью. Результаты проведенных исследований чугунов с шаровидной формой графита, применяющихся на заводе «ЯМЗ», позволили получить уравнения регрессии, из которых следует, что заданные механические свойства деталей из чугуна с шаровидны графитом при закалке можно получить за счет регулирования технологических режимов, исходной структуры матрицы и степени дисперсности мартенсита.

Ключевые слова: высокопрочный чугун, износостойкость, лазер, лазерная закалка, лазерная обработка, микротвердость, поршневое кольцо, структура поверхности, термоупрочнение, упрочненная зона, чугун с шаровидным графитом.

Наибольшее число работ по поверхностному упрочнению чугуна с шаровидным графитом (ЧШГ) в последние годы выполнено с использованием лазерного упрочнения. Получены распределения плотности энергии внутри лазерного луча и выведены зависимости коэффициента поглощения от температуры, необходимые для тепловых расчетов глубины упрочненной зоны и ее ширины в образцах ЧШГ различной формы [1-7].

Исследован механизм растворения углерода и образование пористости при лазерном оплавлении ЧШГ с различными размерами сфероидов графита «Г», которые растворяются преимущественно на стадии образования жидкой фазы. Чем меньше размеры сфероидов «Г», тем быстрее они растворяются. Для полного их растворения требуется определенная выдержка металла в жидком состоянии, что достигается соответствующей скоростью перемещения лазерного пучка и размером пятен. Упрочненный при лазерной обработке ЧШГ состоит из 4 слоев [8]:

- оплавленный слой со структурой ледебурита, мета-стабильного аустенита и мартенсита;

- полуоплавленный слой со структурой остаточного шаровидного графита (ШГ), отростки ледебурита вокруг шаровидного графита, мартенсита и остаточного аустенита;

- слой продуктов превращения в твердом состоянии со структурой остаточного ШГ, остаточного феррита, скрытокристаллического мартенсита и небольшого количества остаточного аустенита;

- переходная прослойка со структурой ШГ, дисперсного феррита, скрытокристаллического мартенсита и перлита.

Оплавленная прослойка обладает наибольшей износостойкостью, на втором месте прослойка продуктов превращения в твердом состоянии. Относительная толщина каждой прослойки может регулироваться параметрами лазерной обработки ЧШГ. Лазерное оплавление ЧШГ с поперечным перемещением луча приводит к повышению твердости и не вызывает растрескивание, причем увеличение твердости сложным образом зависит от

С.С. Казаков, В.В. Гоева естественнонаучное

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА... направление

скорости перемещения луча, и у каждого типа чугунов по-своему. При лазерном легировании чугунов твердость повышается, однако возникает реальная опасность растрескивания.

Формирующаяся после лазерного оплавления структура ЧШГ зависит от скорости охлаждения и температурного градиента на поверхности раздела жидкость/ твердая фаза. На предел прочности лазерная обработка оказывает влияние, если толщина слоя составляет 1/3 сечения, прочность при этом повышается, а пластичность падает. В результате лазерной обработки в оплавленном слое ЧШГ формируются остаточные напряжения сжатия. Максимальную циклическую прочность имеет ЧШГ после лазерной обработки в среде инертного газа, отпуска при 240 °С, - 2 ч, и шлифовки, однако она ниже, чем у необработанного ЧШГ. Износостойкость ЧШГ в результате в результате лазерной обработки может быть повышена почти в 100 раз. В частности, лазерная закалка значительно увеличивает износостойкость поршневых колец дизелей. Глубина упрочненной зоны, микротвердость при лазерной закалке ЧШГ выше чем для серого чугуна (СЧ).

Исследовано влияния состава, технологических параметров и структуры ЧШГ на механические свойства, износостойкости и усталостную прочность деталей подвергнутых оплавлению лазером. При быстром оплавлении поверхности чугуна возможно образование газовых пузырей, испарение элементов, не полное растворение «Г», образование трещин. Структура оплавленного слоя зависит от размера, формы и распределения «Г» в чугуне. Лучшие результаты получаются при оплавлении ЧШГ и некоторых СЧ. При растягивающих напряжениях оплавлении лазером понижает усталостную прочность, при сжимающих напряжениях она повышается. При соблюдении оптимальных технологических параметров лазерная обработка чугуна дает поверхность с ледебуритной структурой, свободной от пор и трещин.

При лазерной закалке можно получать сложную структуру ЧШГ, состоящую из феррита, аустенита, мартенсита и цементита, в зависимости от удельной мощности, времени нагрева, скорости плавления и кристаллизации ЧШГ. При высокой скорости кристаллизации получается аустенитная матрица с дендритной структурой и твердостью 450-650 HV. Дендриты первичного аустенита перемежаются с непрерывной сеткой междендритных карбидов. При малой скорости кристаллизации (до 10 К/с) получается смесь феррита и цементита пластинчатого строения с твердостью 1000-1250 HV. Однако при этом режиме наблюдаются поверхностные трещины, снижающие износостойкость ЧШГ. Для получения аустенитной матрицы требуется скорость охлаждения выше 5-10 К/с. Промежуточная скорость охлаждения дает смешанную структуру с промежуточной твердостью, при этом уменьшается склонность ЧШГ к трещинообразованию.

При лазерной обработке ЧШГ наблюдается образование двух типов слоев с зоной оплавления и зоной закалки. При изучении структур зон закалки обнаружены превращения в ферритно-графитной составляющей чугуна, связанные с эффектом контактного плавления или только растворения «Г» в аустените. Неоднородность структур в зоне закалки вызывает различия в микротвердости довольно в довольно широких пределах. Наиболее высокая износостойкость при малом износе контртела наблюдается в облученном образце с выходом на поверхность зоны закалки. Для по-лучения закаленных слоев глубиной более 0,4 мм рекомендуют проводить лазерную обработку приводящую к оплавлению поверхности, предусматривая припуск на финишную обработку, совместив ее с окончательной притиркой поверхностей. Исследованием установлено, что на поверхности СЧ после лазерного нагрева с оплавлением появляются глубокие горячие трещины; на поверхности образцов ЧШГ они не наблюдались, т.к. лазерный нагрев с оплав-124

лением в образцах ЧШГ не вызывает растворение всего «Г», что обуславливает повышенную вязкость и отсутствие трещин. Механизм абразивной износостойкости в таких образцах связан с образованием канавок и удалением их границ. В образцах с поверхностными горячими трещинами механизм абразивной износостойкости связан с усталостными явлениями, развивающимися во времени.

Лазерная закалка, несмотря на сжимающие остаточные напряжения, оказывает отрицательное влияние на усталостную прочность чугунов, независимо от глубины закаленного слоя (0,2-0,5 мм). Снижение усталостной прочности в меньшей степени проявляется в ЧШГ, чем в СЧ. Скорость роста усталостной трещины после лазерной закалки больше, чем в незакаленных образцах, что связано с многоосными напряжениями растягивающими, возникающими на границе между упрочненным слоем и сердцевиной образца.

Существуют другие методы упрочнения чугуна с шаровидным графитом. С помощью плазменной или индукционной закалки поверхностная твердость ЧШГ может быть увеличена на 55 HRC [9]. При этом наиболее легко аустенизируется перлитный ЧШГ. При наличии в структуре феррита требуется двойной или тройной наглев поверхности с быстрым охлаждением. При пламенной закалке глубина закаленного сдоя составляет несколько мм, при индукционной закалке она гораздо меньше. Последующий кратковременный отпуск при 200 °С уменьшает закалочные напряжения без заметного снижения твердости. Положительные результаты дает поверхностное упрочнение кулачков распределительных валов дизельных двигателей из ВЧ 60-2 оплавлением вольфрамовым электродом в среде нейтрального газа и высокочастотной закалкой, которые могут применяться вместо отбела поверхности. Для нагрева поверхности ЧШГ, кроме лазерного излучения, возможно также применение электронных лучей и плазменных горелок. Установлены закономерности изменения количества остаточного аустенита в зоне поверхностного оплавления чугуна при изменении параметров действия поверхностного теплового источника (лазерного или плазменного).

Исследованы фазовые превращения при индукционном нагреве ЧШГ и по-строены диаграммы режимов закалки ЧШГ, опробованные на распределительных валах. Установлена зависимость между параметрами аустени-зации ЧШГ с различным содержанием «Г», толщиной закаленного слоя и его поверхностной твердостью. По результатам стендовых и полевых испытаний износ шеек валов из ЧШГ в 2-5 раза меньше, а износ кулачков - в 5 раз меньше износа валов из стали 45 и 40х. Теоретически обоснована разработка прогрессивных технологических процессов закалки с самоотпуском деталей машин из ЧШГ.

Широкое применение индукционной закалки позволяет существенно увеличить долговечность шестерен из ЧШГ.

Установлены количественные зависимости от диаметра включений графита (ВГ) в ЧШГ после высокочастотной закалки. Микроструктура закаленного слоя существенно зависит от ВГ. Так, при одинаковой исходной феррито-перлитной структуре матрицы структура закаленного сдоя чугуна с ВГ = 18-25 мкм состоит из 30% среднеигольчатого и 20 % крупноигольчатого мартенсита, а в чугуне с ВГ=70-79 мкм крунноигольчатый мартенсит отсутствует. Это обусловлено изменением длины пути диффузии углерода из «Г» в аустенит, образующийся в межграфитных объемах феррита, и увеличением скорости растворения включений «Г» с уменьшением их размера. С увеличением ВГ снижается коэффициент поглощения. Аналогично действует уменьшением степени дисперсности мартенсита.

Обработку током высокой частоты предлагают совмещать с последующей пластической деформацией поверхности

естественнонаучное направление

С.С. Казаков, В.В. Гоева СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА...

нитного упрочнения поверхности (заявки на патент ФРГ).

Изучали возможность получения в ЧШГ износостойкой структуры, соответствующей принципу Шарпи. Поверхностное упрочнение чугуна с компактными формами «Г» путем обработки интенсивными потоками энергии (с оплавлением поверхностного слоя) менее эффективно, чем в случае с СЧ, имеющими развитую поверхность соприкосновения «Г» с металлом, на которой начинается контактное плавление. Однако структура ЧШГ после оплавления отличается хорошими антифрикционными и противозадирными свойствами. Графит служит хорошей твердой смазкой при трении упрочненного чугуна о контртело, а места залегания глобулей «Г» служат надежными резервуарами для жидкой смазки, поддерживающими непрерывный масляный «клин» при жидкостном трении.

Результаты проведенных исследований чугунов с шаровидной формой графита, применяющихся на заводе «ЯМЗ», позволила получить уравнения регрессии, из которых следует, что заданные механические свойства деталей из ЧШГ при закалке можно получить за счет регулирования технологических режимов, исходной структуры матрицы и степени дисперс-ности мартенсита.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Barberat G. Graphitedissalution and porosity formation

during remelting of nodular cast iron // Laser that Mater Eur. Conf, Bad Nov heim, 1986, Oberursei 1987. F 195-204.

2. Zhang G., Zhu Z., Wang W., XJW. Laser surface processing of no duiar cast iron // Sweface. Eng. Higt Energy Beams - SCI and Technol. Proc. and JFHT, Semin, lisbon, Sept. 25-27, 1989. Lisbon, 1989. F. 251-258.

3. Physical Metallurgy of cast Iron // Froc 3rd. Int Symp, Stokholm Aug. 29-31, 1984- n.ietc. - 1985-552 pp.

5. Bergamann H. W., Ioung M. Froperties of laser melted. SG iron // Froc and Int. Cont. laser Manf. Birmingham 26-28 March, 1985. lim-Z Kempston - Amsterdam: 1985. F 109-118.

6. Лахтин Ю. М., Когоян Я. Д., Голубева О. Г., Жирзоян Н. Г. Лазерная термообработка чугунных деталей и оплавление поверхности // Промышленность Армении. 1986. № 4. 38 - 39.С

7. Chen C. H., Iu C. F., Rigsbee I. A. Laser surface modification of ductile iron // Mater. Sci and teachnol. -1988 -LNZ- F. 161-166.

8. Bomberaer M., Boa M., Akin O. Laser remeiting of cast iron microstructure and wear properties // Z. Metallik. 1988-79, № 12, S. 806-812

9. Репин Ф. Ф., Глебов В. В., Прохоров И. И. Лазерное упрочнение де-талей машин из чугуна и стали. Сб. статей «Испытание материалов и кон-струкций», Н. Новгород, 1996. С. 80-108.

STRUCTURIZATION OF HIGH-STRENGTH PIG-IRON OF PISTON RINGS IN THE ZONE LASER

ТЕРМО HARDENINGS

© 2015

S.S. Kazakov, senior teacher of the chair «Technical and biological systems» V.V. Goeva, the associate professor of the chair «Technical and biological systems» Nizhny Novgorod state engineering-economic institute, Knyaginino

Abstract. In work the basic aspects laser thermo hardenings of superficial layers high-strength чугунов are presented, recommendations on use of energy of a laser beam are given at processing piston rings, with objective of reception of the set physic mechanical properties. The mechanism of dissolution of carbon and formation of porosity is investigated at laser оплавлении pig-iron with шаровидны graphite with the various sizes of spheroids of graphite. The review of existing methods of increase of physic mechanical properties чугунов with spherical graphite is lead, their comparative assessment is given. Results of research of influence of structure, technological parameters and structure of pig-iron with spherical graphite on mechanical properties, wear resistance and fatigue strength of details subjected оплавлению the laser are resulted. At laser training it is possible to receive the complex structure of high-strength pig-iron consisting of ferrite, austenite, martensite and cementite, depending on specific capacity, time of heating, and speed of fusion and crystallization of pig-iron with ball graphite. Phase transformations are investigated at induction heating high-strength pig-iron and diagrams of modes of training of pig-iron with the ball graphite, tested on camshafts are constructed. Dependence between parameters of austenitization of high-strength pig-iron with various contents of the graphite, in thickness the tempered layer and its superficial hardness is established. Results of the lead researches of pig-iron with the spherical form of the graphite, applied at a factory «YaMZ», have allowed to receive the equations of regress from which follows, that the set mechanical properties of details from pig-iron with ball graphite at training can be received due to regulation of technological modes, initial structure of a matrix and a degree of depressiveness of martensite.

Keywords: high-strength pig-iron, wear resistance, the laser, laser training, laser processing, micro hardness, a piston ring, structure of a surface, thermo the hardening, the strengthened zone, pig-iron with spherical graphite.