Повышение долговечности деталей судовых дизелей с использованием плазменного напыления и лазерной обработки

• Автор: Матвеев, Юрий Иванович
• Шифр специальности: 05.08.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 329 с. : ил.

 СОДЕРЖАНИЕ

Проблема повышения долговечности деталей судовых средне-

оборотных дизелей

1.1. Оценка технического состояния деталей судовых дизелей

1.2. Установление причин и закономерностей изнашивания дета-

лей судовых дизелей при работе на тяжелых сортах топлива

1.3. Анализ физических моделей контактного взаимодействия

поверхностей в условиях трения

1.4. Современные ресурсосберегающие технологии упрочнения и

восстановления деталей судовых дизелей

1.5. Аналитический обзор работ по применению материалов и покрытий для упрочнения и восстановления деталей двига-
телей внутреннего сгорания
1.6. Формулировка цели и постановка задач исследований
Формирование износостойких покрытий на деталях цилиндро-
поршневой группы судовых среднеоборотных дизелей
2.1. Оборудование и методы испытаний материалов и покрытий
цилиндровых втулок и поршневых колец
2.2. Результаты триботехнических испытаний материалов и покрытий пары трения цилиндровая втулка - поршневое коль-
цо
2.3. Исследование стойкости к электрохимической коррозии ма-
териалов и газотермических покрытий
2.4. Формирование износостойких структур на рабочих поверх-
ностях поршневых колец
2.5. Оптимизация режимов нанесения газотермических покрытий
2.6. Определение эпюр давления поршневых компрессионных
колец
2.7. Исследование свойств материалов и покрытий акустическим
методом
2.8. Выводы по второй главе
Теоретические предпосылки образования износостойких струк-
тур на рабочих поверхностях деталей судовых дизелей с исполь-
зованием лазерного излучения
3.1. Особенности лазерного упрочнения рабочих поверхностей
деталей машин
3.2. Оборудование и методики исследования лазерной обработки
чугунов
3.3. Исследование структур серого чугуна в зоне лазерного воз

действия
3.4. Влияние химических элементов на свойства чугунов, обработанных лазером
3.5. Выводы по третьей главе
4. Исследование процессов лазерной обработки деталей, изготовленных из серых чугунов
4.1. Физико-механические свойства поверхностных слоев серых чугунов в зоне лазерного воздействия
4.2. Износостойкость чугунов после лазерного термоупрочнения
4.3. Математические модели и взаимосвязи параметров процесса лазерной обработки чугунов
4.4. Выводы по четвертой главе
5. Технологии восстановления цилиндровых втулок и упрочнения поршневых колец с использованием метода плазменного напыления
5.1. Технология восстановления рабочих поверхностей цилиндровых втулок судовых среднеоборотных двигателей
5.2. Выбор режущих инструментов и режимов шлифования покрытия ПН85Ю15
5.3. Технология упрочнения поршневых колец
5.4. Натурные испытания цилиндровых втулок и поршневых колец
5.5. Прогнозирование остаточного ресурса цилиндровых втулок
5.6. Сравнительная оценка влияния газотермических покрытий на теплоиспользование и тепловую напряженность судовых дизелей
6. Технология упрочнения цилиндровых втулок и поршневых колец лазерной обработкой в условиях производства запасных деталей
в судоремонтном производстве
6.1. Разработка производственной технологии лазерной обработки цилиндровых втулок судовых среднеоборотных дизелей
6.2. Лазерная обработка поршневых колец
6.3. Технологическая подготовка лазерного термоупрочнения рабочих поверхностей цилиндровых втулок и поршневых колец судовых дизелей
Заключение
Литература
Приложения

Актуальность проблемы. Эффективное использование современного транспортного флота в значительной степени зависит от его технического состояния. К настоящему времени большинство судов находится в эксплуатации более 20 лет, поэтому объемы ремонтных работ для поддержания их работоспособности с каждым годом увеличиваются. Поскольку экономичность и безопасность работы судов как пассажирского, так и грузового флота непосредственно зависят от рабочего состояния главных и вспомогательных дизелей, то к параметрам надежности их работы предъявляются повышенные требования.
В системе речного флота рабочий парк судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС) к 1990 г. насчитывал около 50,4 тыс. единиц общей мощностью 8,6 млн. кВт. Ежегодно судоремонтные предприятия расходуют более 40% всего потребляемого металла на изготовление запасных частей, при этом в металлолом сдается до 300 тыс. деталей при износе сопрягаемых поверхностей (0,5...2,0) мм и потере массы (3...5)%.
Затраты на изготовление запасных деталей СДВС в 1990 г. составили 36 млн. руб. Обеспеченность судоремонтных предприятий сменнозапасными деталями в 1990 г. составляла 67,5%, а в 2000 г. — 84,5% от потребности.
Опыт эксплуатации судовых дизелей показывает, что надёжность их работы, сроки проведения текущих и средних ремонтов определяются параметрами технического состояния деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ), среди которых цилиндровая втулка (ЦВ) и поршневые кольца (ПК) наиболее ответственные и быстроизнашиваемые.
Повышение ресурса данных деталей с целью продления межремонтных периодов СДВС является одной из важнейших задач металлургов, конструкторов, технологов и научных работников. Однако до сих пор действительный ресурс трибосопряжения ЦВ-ПК наиболее распространенных, меобладающей способностью к увеличению твердости при закалке [173]. Большое количество порошковых материалов, предназначенных для упрочнения ПК, не включающих в себя дорогостоящие дефицитные материалы, но имеющие высокие триботехнические характеристики, запатентованы передовыми фирмами Японии, США, Франции, Великобритании, Германии. Так, в [160] предлагается покрытие, состоящее из оксидов алюминия (60-90)%, титана (8-30)% и иттрия (2-6)%. Оксиды алюминия обеспечивают высокую жаростойкость, титана — износостойкость, а иттрия — повышают прочность покрытия, устраняют появление пор при напылении и расслаивание в процессе эксплуатации при повышенных температурах.
В [142] покрытия на ПК высокофорсированных двигателей получают путем плазменного напыления самофлюсующимся порошком из сплава на основе никеля, находящегося в смеси с алюминиевым порошком, которого в ней содержится до 5%. При этом размер частиц никелевого сплава составляет 40-100 мкм, а частиц алюминия 15-30 мкм. Эффективно применяется плазменное покрытие для упрочнения ПК двигателей с цилиндровой мощностью более 200 кВт [78], состоящее из смеси ферромолибдена (70-90)%, карбида хрома, бора или кремния (5-10)% и оксидов алюминия и титана (3-5)%.
Заслуживает внимание износостойкое покрытие для ПК [171], состоящее из износостойкого сплава на основе никеля и хрома до 70% и относительно мягкого, стойкого к истиранию соединения на основе меди. Так в США [38] в качестве упрочняющего покрытия ПК двигателей диаметром цилиндра до 200 мм применяется покрытие на основе никеля, содержащее хром (2,5-20)%, кремний 0,5%, бор (0,5-6)%, углерод до 1,0%, железо до 10%, в смеси с алюминиевым порошком до 2%. Твердость наносимого покрытия составляет 49...54 HRC, а пористость (3-6)%.
В Японии в качестве упрочняющего покрытия ПК многих автомобильных двигателей вот уже более 15 лет применяется сплав на основе железа с последующим азотированием нанесенного покрытия [172].