Коленчатый вал - одна из основных деталей кривошипно-шатунного механизма, которая вместе с другими деталями определяет ресурс работы двигателя внутреннего сгорания. Срок службы коленчатого вала зависит от условий его работы и износа.
Детали автомобилей подвержены практически всем видам изнашивания. Коленчатый вал работает в условиях контактного скольжения коренных и шатунных шеек с вкладышами подшипников и смазкой. Изнашивание вала определяется рядом характерных факторов:
- знакопеременные контактные нагрузки;
- закономерно изменяющаяся площадь контакта детали по мере ее износа;
- изменение условий смазки детали по мере изменения ее формы;
- нагрузочные, скоростные и тепловые режимы работы детали;
- колебания физико-химических свойств смазочных материалов.
Комплекс этих факторов вызывает, в основном, механическое изнашивание коленчатого вала.
Абразивное (механическое) изнашивание происходит в результате режущего или царапающего действия твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии.
В процессе эксплуатации двигателя в результате неравномерности износа, кратковременных перегрузок, смещения опор блока из-за старения металла и ряда других факторов возникают ситуации, при которых вал работает в условиях перегрузок. При этом в ходе многократного циклического нагружения и деформирования микрообъёмов металла поверхностного слоя, в его структуре накапливаются усталостные повреждения, приводящие к усталостному выкрашиванию наиболее напряженных зон детали. Такими зонами в коленчатых валах автомобильных двигателей являются центральные части коренных и шатунных шеек в области маслоподводящих отверстий.
Таким образом, коленчатые валы двигателей работают в условиях преимущественно усталостного и абразивного изнашивания поверхностей шеек, к которым предъявляются жесткие требования по соблюдению геометрических размеров. Следовательно, срок службы коленчатого вала зависит от сопротивления усталостному выкрашиванию и износостойкости поверхности коренных и шатунных шеек.
Изношенные коленчатые валы перешлифовывают на ремонтные размеры до шести раз. Начиная с третьего ремонтного размера износ коренных шеек значительно увеличивается по сравнению с новыми, из-за уменьшения поверхностной твердости, поэтому их необходимо закаливать повторно уже со второго ремонтного размера. Однако здесь появляются сложности. Поскольку в случае индукционной закалки возникают деформации, трудноустраняемые при ремонте, этот способ не применяют. Лазерное термоупрочнение обеспечивает повышение износостойкости шеек коленчатого вала примерно в два раза по сравнению с неупрочненными при отсутствии деформации. Однако из-за высокой стоимости и сложности лазерного оборудования этот процесс также не нашел применения на ремонтных предприятиях. Поэтому применение технологий восстановления изношенных шеек коленчатых двигателей является перспективной и актуальной задачей. Кроме того, восстановление изношенных деталей в системе ремонта машин является природоохранным и ресурсосберегающим производством. На изготовление, например, одного коленчатого вала автомобильного двигателя с рабочим объемом 4,8 л. расходуют 57 кг металла, 183 МДж энергии, масса отходов при этом равна 2,5 кг. При восстановлении эти величины имеют значения примерно в 20 раз меньше: соответственно 2,6 кг, 9,5 МДж и 0,12кг.
Среди разнообразия технологических процессов восстановления изношенных деталей примерно 85% объема восстановленных шеек коленчатых валов всех двигателей выполняют путем применения сварочно-наплавочных процессов. Общим недостатком различных способов наплавки является значительное термическое воздействие дуги на деталь, сопровождаемое ее расплавлением, возникновением остаточных напряжений, деформацией, трещин и, как следствие, снижением сопротивления усталости на 50÷70 %, а также износостойкости по сравнению с новыми деталями. Для наплавленного металла характерен значительный разброс показателей механических свойств. Указанные недостатки стимулировали развитие газотермических способов напыления для восстановления коленчатых валов.
Идея создания пористых структур в деталях узлов трения впервые запатентована во Франции в 1870 г., однако, развитие получила лишь с появлением и разработкой способов формирования управляемой пористой структуры. Наличие пор в покрытии не только повышает износостойкость, но и увеличивает промежуток времени до схватывания металлов шеек коленчатого вала и вкладышей после прекращения подачи масла. Пористое покрытие на шейке коленчатого вала должно выдерживать повышенные нагрузки при условии сохранения его структуры и эксплуатационных характеристик.
Малые объемы разогретых или даже расплавленных частиц (dч = 30-150 мкм); высокая степень деформации (растекания) при ударе; микронные значения толщины и исключительно высокий градиент температуры (~106 К/с) при теплообмене предопределяют глубокое переохлаждение расплавленной частицы, что, как известно, приводит к появлению огромного количества центров кристаллизации в объеме расплава и одновременному затвердеванию всей массы. Все это приводит к искажению кристаллической решетки, появлению в ней огромного количества дефектов. Наличие большого числа дефектов кристаллической решетки затрудняет движение дислокаций, закрепляет их.
В настоящее время установки высокоскоростного газопламенного напыления достаточно широко представлены на рынке, однако, большинство из них предусматривают использование в качестве материала для нанесения покрытия только порошки (большая часть всех износостойких покрытий, наносимых методом высокоскоростного напыления, приходится на твердые сплавы на основе карбида вольфрама). Применение дорогостоящих порошков значительно увеличивает и без того немалую себестоимость нанесения покрытия. В условиях финансово-экономического кризиса предприятия вынуждены снижать свои затраты, в том числе и на проведение ремонтно-восстановительных работ. Применение наплавочных порошковых проволок на основе низколегированных железных сплавов, позволяет существенно снизить себестоимость нанесения покрытия, без большой потери в износостойкости (на сегодняшний день стоимость порошковых материалов на основе карбида вольфрама на порядок превышает стоимость большинства порошковых проволок).
Так, на современной установке «ТЕХНИКОРД ТОП-ЖЕТ/2» нам удается получать износостойкие покрытия напылением порошковых проволок.
При разработке технологии нанесения покрытия были проведены комплексные исследования покрытий, полученных из экономно-легированной порошковой проволоки на основе железа – ПП-ПМ-6.
Исследование износостойкости проводилось на установке для испытаний на изнашивание образцов с покрытиями при трении о не жестко закрепленные частицы абразива. Исследование показало, что покрытие из ПП-ПМ-6, полученное при оптимальных режимах напыления имеет высокую износостойкость. Испытания на износостойкость в условиях абразивного изнашивания при трении по закрепленному абразиву также показали высокую износостойкость покрытий из ПП-ПМ-6. В относительных величинах износостойкость покрытия примерно вдвое превосходит износостойкость стального образца эталона. Средняя микротвердость образцов после изнашивания достигает 11 ГПа, в то время как аналогичное значение для образцов без покрытий -6 ГПа.