Исследование влияния уда при восстановлении и упрочнении деталей узлов топливной аппаратуры Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 106 Скобло Т.С., Клочко О.Ю., Сидашенко А.И., Плугатарев А.В., Олейник А.К. Харьковский национальный технический университет с/х им. П. Василенко, г. Харьков, Украина E-m ail: st amarasemenovna@mail.ru ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УДА ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ И УПРОЧНЕНИИ ДЕТАЛЕЙ УЗЛОВ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУ РЫ УДК 621.436:539.3 Разр аботка обору дования и технологии модифицир ования пр исадкой УДА и их влияние на стр у ктуру и свойства хр омир ованны х покр ытий, обеспеч ивающих восстановление и у пр очнение деталей топл ивной аппар ату р ы автомобил ей зар у бежного пр оизводства в у словиях досту пных для р емонтны х мастер ских. Клю чевые слова: хромированное покрытие, и знос, свойс тва, модифицирование УДА, эле ктроли з. Введение В процессе эксплуатаци и существенное снижение на дежнос ти и до лговечности машин , меха - низмов связано с износом узлов трения, в резуль та те которого 80 - 90 % те хники преж девременно вы хо- ди т из строя. Например, основными причинами отказов топ ливоподающ и х с истем являе тся чрезмерный износ, закли нивание плунжерной пары, что снижает производи те льность насоса, давление в ги дроакку- муляторе и сопровождае тся па дением мощности, затру дняе т запуск дизеля. Для снижения по терь от износа использую т различные те хнологические приемы упрочнения по- вер хности . Нанесение э лектро химически х покрытий, в частности хромирование, являетс я одним из наи- более распространенных мето дов упрочнения. Этот мето д, бла годаря широким функциональным воз- можностям, отличается о тноси тельно малоза тратным оборудованием и расходными материалами, что снижает за траты у производи те ля и при определенны х те хнологически х приема х может заменить ионно- плазменное напылен ие дорогостоящего покры тия, например, W-Co-C. В то же время процесс хромирования имеет ряд недоста тков. Он сопровождается ин тенсивным газовыде лением, формированием пористости и крупнозернистос ти. Э то требует эко логической защи ты рабочего места специалиста , а та кже не всегда такая те хнологи я обеспечивает требования эксп луатац ии. В ХНТ УСХ им. П.Васи ленко разработана и пре дложена новая те хнология модифицирования уль тра дис- персными алмазами (УДА) хромированных покрытий, способная успешно конкурировать с ионно- плазменными пленочными, для испо льзования которы х требуется специа льное оборудование. Поэтому такая те хно логия не может най ти широкого применения в ремонтны х мас терски х. Использован ие УДА в галь ваническом процессе позволяе т по лучить эффект основанный на не - специфической сорбции наноразмерных криста ллов в формируемом покрытии. Адсорбированные нано- алмазы, в свою очередь, служа т цен трами криста ллизации и упорядочиванию осаж даемы х ионов мета л- лов. В резуль та те с труктура осажденного покры тия и зменяется, образуется дву хфа зное композиционное электро химическое покрытие, состоящее из металлической матрицы и внедренны х в нее УДА, которое обеспечивает повышение твер дости , износостойкости и коррозионной стойкости. Однако недос таточная седимен тационная устойчивость дисперсной фазы в таки х эле ктролита х и нестабиль ность качества осаж даемы х покры тий с держиваю т ш ирокое применение УДА в практике хро- мирования. Эффективнос ть модифицирования хромовых покрытий при сохранении высокого уровня эксплуатац ионны х характеристи к можно обеспечить повышением седимента ционной устойчивости на- ноалмазной дисперсионной фазы в эле ктролите . Це ль и постановка задачи Разработка оборудования и те хнологии модифицирования с труктуры и повышения меха ниче- ски х и э ксплуа тационны х свойств хромовы х покры тий при восс тановлени и и упрочнении де талей узлов топли вной аппара туры и компрессионны х ко лец дви гате лей внутренне го сгорания, а та кже узлов, рабо- тающи х в условия х боль ши х нагрузок при трении, абразивном износе и кавитац ии. Методы исслед ований В основу те хно логии нанесения защи тно го покрытия положен способ, сущность которого за- Исследование влияния уда при восстановлении и упрочнении деталей узлов топливной аппаратуры Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 107 ключаетс я в изменении ме ханизма осаждения мета лла, в частности хрома, за счёт введени я в электроли т коллои дны х час тиц клас терного наноа лмаза (УДА) [1]. Д ля повышения физико - ме ха нически х свойс тв хромируемых де та лей разработана установка (рис. 1), позволяющая выпо лня ть процесс электроли за с применением УДА, при котором осуществляе тся пос тепенный и х вво д, с обеспечением равномерной ак- тивации поверхности при кристаллизации покрытия. Рис. 1 – Установка для нанесе ния хромоалмазных покрытий: 1 – те рмостойкая колба с эле ктролитом; 2 – электрический тэн для подогрева эле ктролита; 3 – ре гулировка частоты враще ния эле ктромагнита; 4 – цифровой вольтметр; 5 – цифровой те рмометр; 6 – цифровой ампе рметр; 7 – кнопка включе ния эле ктриче ского тэна; 8 – кнопки включе ния функции гисте ре зиса те рмометра; 9 – индикаторная лампа включе ния установки; 10 – эле ктрозамок включе ния установки; 11 – ре гулировка плотности тока эле ктролита; 12 – кнопка включе ния эле ктромагнитной ме шалки; 13 – кнопка включе ния эле ктромагнита Установка оснащена «мешалкой», которая при помощи электромагнитного поля создае т вибра- ционные колебания , в резуль та те чего обеспечиваю тся услови я для равномерного распределения УДА по всему объему электроли та во времени, т.е повышае тся и х се диментационная ус тойчивость. В процессе хромирования ка тодом, служило изде лие, в качес тве анода - п ластины из Pb или е го сплава с добавлен и- ем 5 - 10% Sb. Эле ктроосаждение хромалмазны х по крытий проводи ли из эле ктролита и во дной окси до- содержащей суспензии с концен трацией УДА 10-15 г/л, производс тва НП ЗАО "Син та". В качес тве базового хромового электроли та исполь зовали водный рас твор хромового ангидри да CrO3 с массовой концентрацией 150 - 400г/ л, и добавкой 1,5 - 4г/л химически чис той серной кис лоты H2SO4. Эле ктролиз проводи ли при температуре 55 - 60 ºС, ка тодная пло тность тока состави ла 30 - 40А/дм2. Для достижения поставленной задачи сопоста ви тельно иссле довали различные покрыти я: 1) хромированием без введени я УДА; 2) хромированием с УДА без перемешивания; 3) хромированием с УДА и перемешиванием. Для повышения сцеп ляемости осаждаемого хромированного слоя была проведена предваритель - ная равномерная активаци и повер хнос ти основного мета лла щеточной обработкой. Ми кротвер дость структурны х сос тавляющи х измеряли по стан дартной мето дике твер домером Микро-Виккерсом UIT HVmic ro-1 при нагрузке 0,49Н. Анали з структурны х соста вляю щи х проводили на растровом электрон- ном микроскопе-микроанализаторе JEOL JSM -6390LV с сис темой рентгеновского микроанали за Link AN10/85S “ Lin k Analytical”. При этом оценивали распределение компонентов микрорентгеноспектра ль- ным анализом и с испо льзованием термоэлектронной эмиссии. Результаты исслед ования и их обс уждение Формируемые структуры хромированных по крытий , осажденны х из эле ктролитов по сопостави - тель но иссле дуемым те хно логиям, пре дста влены на рис. 2. Проводи лось сравнение размеров кристалли тов хрома. В образца х без модификации размеры криста лли тов более крупные и ярко выраженные. В модифицированном покрытии без перемешивания они меньшего размера, с перемешиванием - еще меньше. Установлено, что с труктура исследуемы х по- крытий , модифицированны х УДА, характеризуется мелкой зеренной структурой в сравнении с чистым хромовым покрытием. Поскольку введе ние наноа лмазов в э лектроли т влияет на ме ханизм крис та лли за- ции: конта ктируя с электродами, они оказываю т деполяризующее воздействие, у даляю т пузырьки во до- Исследование влияния уда при восстановлении и упрочнении деталей узлов топливной аппаратуры Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 108 рода и пленки повер хнос тно-активны х веществ с ка тода , сглаживаю т повер хнос ть и постоян но обновля- ют э лектроли т в ка тодной зоне. а б в Рис. 2 – Структуры хромированных покрытий, ×400: а – бе з введе ния УДА; б – с УДА бе з пе реме шивания; в – с УДА и пе реме шиванием Согласно ме ханизму процесса осаждения хромалмазного покрытия из электроли та [2], как с УДА, та к и для базового электроли та , характер формирования покрытий - смешанный. Первый слой формируется в виде тонкой (~ 70 нм) плен ки, имеющей мелкодисперсную структуру, которая полностью покрывает повер хность по длож ки, а на нем проис ходи т рост объемны х островков покрытия - центров криста лли зации. Установлено, ч то наличие в эле ктроли те заряженны х дисперсны х фаз УДА, осаж даю- щи хся совместно с хромом, увеличивает ~ на 2 - 3 порядка количество таки х цен тров, тем самым умень- шая размеры образующихся криста ллитов ~ в 1,6 раз. В резуль тате с тепень те кстурированности и сре д- ний размер зерна покрытия существенно уменьшаются и одновременно, понижае тся пористость покры- тия (рис. 2). Проведенные иссле дования покры тий, содержащи х кластерные наноалмазы, полученные при стационарном режиме и при перемешивании (рис. 3), показа ли, ч то покрытия , без перемешивания, ха- рактеризуются на личием наиболее крупны х клас теров за счет интенс ивного агрега тирования наночастиц (рис. 3, а ) разного размера с четко выраженными границами зерен. а б в г Рис. 3 – Структура класте рных наноалмазов при различных увеличе ниях, соде ржащихся в хромированном покрытии при введе нии с УДА: а, в – в стационарном ре жиме; б, г – с переме шивание м Структура покры тия формируется более крупнозернистой, в первую очередь в деформирован- ны х зона х, вс ледс твие уменьшения седимен тационной устойчивости суспензии УДА в э лектроли те. Э ти Исследование влияния уда при восстановлении и упрочнении деталей узлов топливной аппаратуры Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 109 крупные агрега ты (о т 0,1 мкм до нес кольки х десятков) формируют зоны скоплений в структуре покры- тия и имеют неправи льную форму. Они механически непрочные и довольно легко разрушаются (выкра- шиваются ), что понижае т износостойкос ть та ки х покры тий при эксплуа тации в условия х ин тенсивного трения. При исс ледовани и с труктуры клас терны х наноалмазов в покры тии , по лученном при введен ии УДА с перемешиванием электролита (рис. 3, б , г), ус тановлено, что размер зерна уменьшается, это объ- ясняется более быс трым подводов ионов к повер хнос ти ка то да. Частицы наноалмазов имеют более ком- пактную форму, близкую к сферической или ова льной (рис. 4, а , в), и х с коплен ия не имеют остры х кро- мок и образуют сетку по границам субзерен хромалмазного покрытия (рис. 3, г). Бла годаря создан ию до- полни тельны х центров криста ллизации они обеспечивают дробление зерен, уменьшение пористости и газовыде ления . Извес тно [3], что кластеры УДА состоят из а лмазного ядра, о круженного доста точно химически акти вной аморфной углеродной оболочкой со сложной с труктурой, способной участвовать в различны х химически х реакция х, что приводи т к появлению уникальны х свойс тв в стан дартны х га льванически х по- крытия х. Электронно-микроскопические исследован ия (рис. 4, б) показа ли, что хром на ходи тся вну три шаровидны х агре гатированны х с коплен ий УДА. Микрорентгеноспектральный анализ таки х образцов показал, ч то в эти х зона х концен трация хрома достигае т 21 - 40 %, а также 45 - 37 % С; 0,7 - 0,9 % Si; 0,8 - 0,6 %Fe, кроме того имеются примеси, на ходя щиеся в деформированных зона х подс лоя (его анали- зирует пя тно зон да Ø 3мм) ка к загря знения (рис. 5). Тогда ка к в мета ллической матрице наб людае тся толь ко 6 - 9 % С, оста льное хром, что по дтверж дает наличие наноалмазов в структуре покрытия. а б в Рис. 4 – Распре деление химиче ских элеме нтов в структуре хромалмазного покрытия, получе нного способом пе реме шивания эле ктролита с УДА: а – структура покрытия; б – распределе ние хрома; в – распре деление угле рода. Где б, в – получено методом те рмоэле ктронной эмиссии Таблица 1 Средние значения микротве рдос ти хром ированных покрытий Ми кро твер до с ть , М Па при на гру зке 0,49Н Ти п хр омиро ва нно го покры тия покры тие зон ы на ноа лма зны х агр ега то в пере хо дна я зо на Бе з вве де ни я УДА 1056 - - С УДА б ез переме ш иван ия 1207 1342 1228 С УДА и с пер еме ши ва ни ем 1420 1350 1361 Исследование влияния уда при восстановлении и упрочнении деталей узлов топливной аппаратуры Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 110 Рис. 5 – Микроре нтге носпе ктраль ный анализ зоны агре гатирования наноалмазов Выполне н сопостави те льный ана лиз уровня микротвер дости без добавок и с вводом УДА ста - ционарным способом и с перемешиванием электроли та (табл. 1). При вве дении УДА согласно предложенному способу [1], уровень микротвердос ти покрытия возрастает на 18 % (таб л.1) за сче т равномерного распределения е диничны х наночас тиц, измельчения зерна и снижения пористос ти. Одновременно в зонах агрега тирования уровень микротвердос ти не изме- няется по сравнению с вводом добавки без дополни тельного перемешивания. Для иссле дования вли яния УДА на эксп луатационные свойс тва хромовы х покры тий при восста - новлении и упрочнении дета лей узлов топ ливной аппаратуры, работающ и х в ус ловия х больш и х нагрузок при трении, абразивном износе и кавитации были проведены эксп луатационные испы тания нового те х- нологического процесса восстановления де талей топли вной системы [1] и оценена его экономическая эффективность . Иссле дованы с ле дующие прецизионные пары, о тносящиеся к по дви жным сопряжениям высокого да влени я инже ктора: шари к - конусное седло; седло - направляющая мульти пли ка тора; игла - корпус распылите ля. Эти сопряжения подвержены активному воздейс твию некачественного дизе льного топли ва и, соотве тс твенно, повышенному износу, что приво ди т к вы ходу из с троя инже ктора. В связи с дли те льнос тью испытан ий в эксплуа тации машин и отсутс твием возможности оценить износостойкость восс тановленны х дета лей, для проверки эффективности рекомендуемых параметров об- работки провели с тендовые лабораторные испы тания на износ на оборудовании ГП «Завод имени В.А.Ма лышева». В процессе испы таний ана лизирова ли износ упрочнённы х покры тий в трё х среда х: в свежем масле М14В2; дизе льном топ ливе с добавкой и без добавки кварцевой пы ли. В табл. 2 приведены сопоставительные данные износа рассматриваемых вариантов хромирования. Таблица 2 Результаты с тенд овых ис пытаний на износ Материал контр тела , среда испы тания Ви д добавок Износ покрытия, мг Износ контр тела, мг Коэффициент трения - 0,2 0,3 0,12 Сталь 38Х2М ЮА, дизе льное топли во с 0,1% кварцевой пы ли УДА 0,2 0,8 0,11 - 0,2 0,3 0,10 Серый чугун, моторное масло М14В2 УДА 0,1 0,3 0,08 - 0,3 1,5 0,11 Сталь 38Х2М ЮА, дизе льное топливо УДА 0,2 0,8 0,10 Из анали за стен довы х испы таний с ледуе т, что износ хромированных покры тий, упрочнённы х УДА, в 1,5 - 2 раза меньше при использовании предложен ной те хнологии [1] с перемешиванием нанодо- бавок при электроли зе. Это особенно эффективно для испы таний в масле М14В2 и ди зельном топ ливе без добавок кварцевой пы ли. Во все х случая х заметно снижение коэффициента трения на 5 - 20 % по сравнению с базовой те хно логией. В процессе проведения промышленного внедрения на предприятии «Дизельсервис» восстановле- ны мультипли ка торы форсунок, роторы топливны х насосов типа VRZ Z EXEL топ ливной сис темы Исследование влияния уда при восстановлении и упрочнении деталей узлов топливной аппаратуры Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 111 «Co mmon Rail» в количес тве 61 ш т. по разработанной те хнологи и хромирования в период 2011 - 2014 гг. и замечаний у заказчиков по те хобс луживанию не возни кло. В резуль тате испыта ний установлена эф- фективнос ть использования новой те хно логии упрочнения хромированны х покрыти й, что соста вило (с учетом средней стоимости дета лей зарубежны х машин до 20тыс. грн.) экономический эффект, равный 97,6 тыс. грн. Выводы 1. Проблемы, связанные с получением равномерного распределения части ц в материа ле, бы ли решены при помощи разработанного оборудования и те хноло гии хромирования, в основе которой — на- несение композиционны х хромалмазны х покрытий с применением модифицирования УДА, что позволя- ет повыси ть фи зико-ме ханичес кие и э ксплуа тационные свойс тва гальванического по крытия . 2. Ме хани зм модифицирования структуры покрытия по разработанной те хно логии , путем введе - ния в эле ктролит заряженны х дисперсны х фаз УДА, осаждающи хся совместно с хромом на предвари- тель но активизированную ще точной обработкой поверхнос ть, за ключае тся в увеличении количес тва центров криста ллизации , уда лении пузырьков водорода, ч то уменьшает размер зерна, снижает порис- тость, повышает твердость в 1,3 раза и износостойкость в 1,5 - 2,0 раза, снижает коэффициент трения на 5 - 20 %. 3. Сравнение с труктуры покрыти й полученны х при перемешивании эле ктролита в процессе электролиза и без - с модифицированием УДА показало, ч то при отсутс твии дви жения частиц с труктура покрытия формируется более крупнозернистой и характеризуе тся боль шей с тепенью и х агрега тирова- ния. При перемешивании – формируется мелкозернистая структура, что объясняе тся более быс трым подводов ионов к повер хности ка то да. Агрега ты УДА имеют более компактную форму, близкую к сфе- рической, не имеют ос тры х кромок и образуют сетку по границам субзерен хромалмазного покрытия. 4. Ми крорентгеноспектраль ный ана лиз пока зал значите льное на личие хрома (до 40 % ) вну три наноалмазны х а грегатов, ч то сви дете льс твуе т о высокой о днородности с труктуры полученного покры тия 5. Э кономический эффект от использован ия новой те хнологии модифицирования хромирован- ны х покры тий де лает дос тупным и целесообразным процесс восстановления и упрочнения де та лей топ- ливной сис темы автомобилей зарубежного производс тва в условия х ремонтны х мастерски х Лите ратура 1. Скобло Т.С., Плугатарьов В.А., Клочко О.Ю. та інш. Патен т України №95887 «Спос іб одер- жання зносостій ки х е лектролітични х по криттів, зміцнени х наночастинками» – Заявл. 18.07.2014. Опубл.: 12.01.2015, Бю л.№1. – 4 с . 2. Влия ние наноразмерных углеродны х добавок на формирование структуры и триботехниче- ские свойства га льванически х хромовы х покрытий /П.А. Ви тязь , В.И. Жорник [и др.] // Трение и износ. – 2009. – Т. 30, № 2. – С. 132-137. 3. Структура алмазного нанокластера / [А.Е.Алексенс кий, М.В.Бай да кова, А.Я.Вуль , В.И. Сик- лицкий] // ФТТ. - 1999. – Т.41. Вып . 4. – С. 740-743 Поступи ла в редакц ію 12.03.2015 Исследование влияния уда при восстановлении и упрочнении деталей узлов топливной аппаратуры Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 112 Skoblo T.S., Klochko O. Yu., Sidashenko A.I., Plugatary ov A.V. Oley nik A.K. Influence of DND on retailoring and hardening of details of fuel facilities components. Facilities dev elop ment and technolo gies of DND modification with feedin g; their influen ce on structure and p rop er- ties of bichromated co ating allowin g to retailor and h arden the fuel facilities comp onents in foreign vehicles in conditions ap - p roachable within rep air stations. Key words: b ichromated coatin g, wear-and-tear, p rop erties, DND modification, electroly sis. References 1. Skoblo T .S., Plugataryov V.A. Klochko O.Yu. et al. Patent of Ukra inian №95887 “ Sposib oderz- hannya znosostijkyh ele ktrolitychnykh pokryttiv, zmitsnennykh nanochastynkamy”. Rece ived 07.18.2014, Pub- lished: 01.12.2015, No 1 – 4 PP. 2. In fluence of Nanosized Carbon Incre ments on Structure Formation and Trybotechnical Properties of Galvanic Coatings . [P.A. Bityaz, V.I. Zhornic k, et a l]. Friction and wear-and-tear. 2009. Vol. 30, No 2. PP. 132 137 [in Russian]. 3. Structure of Dia mond Nanocluster. [A.E. Sleksensky, M.V. Bajda kova, A.Ya. Vu l, V.I. Siklitsky]. FTT. 1999. Vot 41, No 4. PP.740 - 743 [in Russian].