Восстановление коленчатых валов методом электродуговой металлизации (ЭДМ).

лов

На дорогах России все больше появляется отечественных и зарубежных автомобилей и автобусов с мощными дизельными двигателями. Это автомобили и автобусы ИКАРУС, МЕРСЕДЕС, КАТЕРПИЛЛЕР, СКАНИЯ, КАРОСА, MAN, ВОЛЬВО, КамАЗ, МАЗ и др. Громадный парк сельскохозяйственной техники России также оснащен мощными дизельными двигателями. Это двигатели семейств СМД, ЯМЗ, А.41, А.01, а также двигатели комбайнов КЕЙС, НЬЮ.ХОЛАНД и др.
Во время эксплуатации коленчатые валы (KB) дизельных двигателей изнашиваются. При ремонте двигателей KB с износом необходимо заменять на новые или производить восстановительный ремонт.
Наиболее распространенными видами восстановительного ремонта являются электродуговая и плазменная наплавки и газотермическое напыление. Ремонт KB различными видами наплавок в настоящее время практически не осуществляется из-за существенных недостатков, присущих этой технологии: значительное коробление KB, наличие внутренних и наружных трещин, крупных пор. KB с наплавленными шейками из-за перечисленных дефектов в эксплуатации очень быстро разрушаются и их пробег не превышает 30000 км. Одним из недостатков наплавки является невозможность повторной наплавки, что существенно ограничивает применяемость данного процесса.
Альтернативой наплавки все чаще выступают методы газотермического напыления. Анализ показал, что плазменное, детонационное и газопламенное напыление, в том числе шнуровыми материалами, а также методы HVOF и HVAF для промышленного массового использования при ремонте KB, в настоящее время не целесообразны из-за высоких затрат на расходуемые материалы, обслуживание и обеспечение безопасности при выполнении ремонта.
Наиболее приемлемым и дешевым методом восстановления KB газотермическим напылением является электродуговая металлизация (ЭДМ). Затраты на ремонт ЭДМ в 2,5.6 раз ниже, чем вышеперечисленными методами газотермического напыления. Нагрев поверхностного слоя KB при ЭДМ не превышает 100 – 120 °С. Процесс ЭДМ высокопроизводителен. Важным преимуществом ЭДМ является, в отличие от наплавки, возможность неоднократного ремонта. На нашем предприятии с 1986 года восстанавливаются KB легковых отечественных автомобилей и иномарок электродуговой металлизацией различными проволоками, в т.ч. и проволокой 65Г. Восстановлены тысячи КВ. Дефекты восстановленного поверхностного носили единичный характер и были связаны, в основном, с нарушением процесса сборки, использованием некондиционных масел, вкладышей и др. В то же время восстановление KB дизельных двигателей дозвуковой ЭДМ положительных результатов не дало, что связано с конструктивными особенностями KB дизельных двигателей, когда расстояние до напыляемой поверхности не бывает ниже 150 мм, из.за чего покрытие имеет высокую пористость и низкую адгезию, т.к. скорость полета частиц напыляемого материала на таком расстоянии значительно снижается. Кроме того, шейки KB дизельных двигателей более нагружены, чем шейки KB карбюраторных двигателей.
Целью настоящей статьи является выявление особенностей работы покрытий на шейках KB дизельных двигателей, разработка напыляемого материала и оборудования, позволяющих получать малопористые износостойкие покрытия, проведение комплекса исследований по созданию ремонтных покрытий, обеспечивающих безаварийную работу KB при пробеге не менее 200000 км без перешлифовки покрытия, разработка технологии, позволяющей получать покрытия с заданными значениями пористости, адгезии, твердости, создание центра по восстановлению КВ.
При разработке технологического процесса были проведены исследования адгезии, износостойкости, пористости, химсостава, твердости, фазового состава, микроструктуры покрытия. Адгезия определялась методом отрыва конического штифта диаметром 4 мм от покрытия. Износостойкость определялась на машине СМЦ.2 по схеме «вал-втулка». Для исследования пористости, фазового состава, микроструктуры изготавливались образцы из стали 45. Исследования проводились при увеличении х100 и х2000 на травленых и не травленых шлифах. Фазовый состав определялся при помощи установки ДРОН-3.
Для получения заданных параметров покрытий разработан электродуговой металлизатор, имеющий в своем составе механизм подачи проволоки, распылительную головку, пульт управления. Металлизатор имеет повышенную электрическую мощность. Эта мощность необходима для создания энергоемкой двухфазной (воздух – частицы напыляемого материала) струи.
Такая струя должна обладать определенным запасом энергии, т.к. KB дизельных двигателей имеют значительные габариты и минимальная дистанция напыления составляет 150 мм. На таком расстоянии от металлизатора напыляемые частицы должны сохранить свои скорость и температуру, поскольку их пластичность на поверхности детали зависит от начальной скорости, температуры и условий теплообмена в струе. Поэтому, металлизационная струя должна иметь высокие скорость и температуру и быть высококонцентрированной. Это обеспечивает распылительная головка. Были апробированы различные варианты создания металлизационных струй с высокими температурно-кинетическими параметрами, в т.ч. и применением сгорания пропана в специальной камере. В результате работ и газодинамических расчетов была создана распылительная головка, обеспечивающая высококонцентрированную сверхзвуковую металлизационную струю с полууглом расширения 4,5 – 6,0° и с применением только сжатого воздуха.
В качестве напыляемого материала использовалась порошковая проволока, имеющая в своем составе не менее 0,8% С, а также ряд легирующих элементов (Аl, Мп и др.). Проволока изготавливается на Череповецком сталепрокатном заводе. Использование порошковых проволок позволяет в широких пределах регулировать химический и фазовый состав покрытий и, следовательно, эксплуатационные свойства покрытий.
Адгезия покрытия с увеличением скорости истечения воздуха, следовательно, и скорости истечения металлизационной струи, повышается, а пористость снижается. При истечении воздуха с дозвуковой скоростью размер расплавленных частиц в среднем составляет 200 мкм. С увеличением скорости истечения воздуха до 2 М размер расплавленных частиц на 90% находится в пределе 30.80 мкм. Однако такое уменьшение размера расплавленных частиц напыляемого материала ведет к более интенсивному выгоранию из них легирующих элементов и, в первую очередь, углерода, что и вызывает повышенную твердость покрытий при дозвуковых скоростях истечения воздуха.
Содержание остальных легирующих элементов проволоки при увеличении скорости истечения воздуха из металлизатора и силы тока дугового разряда изменяется в меньшей степени.
Микроструктура покрытия претерпевает значительные изменения при увеличении скорости полета частиц. При дозвуковых скоростях истечения воздуха микроструктура покрытия крупнозернистая, с большим количеством пор. Отмечены частицы сферической формы, которые напор воздуха не разбил на более мелкие, и которые из-за низкой скорости полета, успели остыть до их столкновения с напыляемой поверхностью. Большинство частиц вытянутой, деформированной формы. По мере увеличения скорости истечения воздуха, покрытия имеют все более тонкую микроструктуру. Количество пор уменьшилось. Глобулярных частиц нет. Все частицы подверглись значительной пластической деформации. По всей толщине покрытия имеют равномерную структуру, что говорит о стабильности процесса. Переходная зона плотная. Отмечаются тонкие окисные пленки.
Исследованиями фазового состава выявлено, что в покрытии на границе раздела выявлен оксид кремния.
Отмечено высокое растворение в частицах железа легирующих элементов. Выявлено наличие сложных шпинелей. Наличие в покрытии сложных окислов и шпинелей позволяет получить более равномерную структуру и, соответственно, более качественное покрытие.
Исследованиями износостойкости установлено, что покрытие, полученное при оптимальном режиме напыления, имеет износостойкость не хуже, чем закаленная сталь 45.
На заключительной стадии отрабатывались и уточнялись технологические параметры процесса, конструкция защитной оснастки, приспособлений и инструмента на конкретных коленчатых валах.
Очень большое внимание уделено механической обработке покрытий шлифованием. Были подобраны шлифовальные круги и параметры технологического процесса шлифования.
На выбранных технологических режимах ЭДМ и последующего шлифования покрытия отремонтирован коленчатый вал автомобиля КамАЗ. Коленчатый вал был установлен на специальный стенд и испытан на износостойкость и усталость. Испытания установили, что KB КамАЗа проработал на стенде без следов износа дольше, чем новый коленчатый вал. Обеспечивается двукратный запас усталостной прочности на изгиб и кручение.
Опыт нашей работы показал, что наиболее целесообразно восстановление KB проводить в крупном центре, где сосредоточены передовые технологии и оборудование, работают высококвалифицированные специалисты и обеспечивается восстановление не менее 40.50 KB в месяц.
В ООО «Высокогорская машинно-технологическая станция» имеются все технологии и возможности по проведению восстановления коленчатых валов как отечественных, так и импортных образцов.
Мы имеем следующие производственные участки:
• участок пескоструйной обработки и металлизации укомплектованный металлизационным аппаратом, установленным на вращателе, и автоматизированной пескоструйной камерой;
• участок подготовки коленчатых валов к ремонту;
• участок шлифования покрытий, укомплектованный двумя шлифовальными станками модели ЗА423;
• участок контроля (визуальный и инструментальный);
• слесарный участок;
• складское помещение.
Перед восстановлением шейки коленчатых валов осматриваются при помощи лупы 7.кратного увеличения, а также контролируется наличие трещин на шейках при помощи специального малогабаритного магнитного дефектоскопа. Для восстановления обычно берутся KB, прошедшие перешлифовку до последнего ремонтного размера, т.е., диаметры шеек уменьшаются на 1 – 2 мм.
На заключительной стадии ремонта контролируется твердость покрытия. Так как определение твердости на напыляемых покрытиях традиционными методами вдавливания конуса или пирамидки не дает достоверных результатов из-за пористости и слоистости структуры, был разработан твердомер ТПЦ.4. Твердомер имеет небольшой вес и габаритные размеры. Твердомер замеряет твердость без повреждения поверхностного слоя.
Разработанная сверхзвуковая распылительная головка, напыляемая порошковая проволока и уникальная технология позволяют впервые в отечественной практике восстанавливать износ боковых поверхностей опорных коренных шеек (восстановление ширины шейки).