Microsoft Word - 12_Varyukhno.doc Захисне покриття для поршнів двигунів внутрішнього згоряння авіаційної наземної техніки Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 85 Варюхно В.В.,* Довгаль А.Г.,* Білякович О.М.,* Курбет Л. В.,* Савчук А.М.,** Туриця Ю.О.* *Національний авіаційний університет м. Київ, Україна, **Національний транспортний університет, м. Київ, Україна E-mail: yuliya_tur@ukr.net ЗАХИСНЕ ПОКРИТТЯ ДЛЯ ПОРШНІВ ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ АВІАЦІЙНОЇ НАЗЕМНОЇ ТЕХНІКИ УДК 62.242; 621431.3 (045) DOI:10.31891/2079-1372-2018-90-4-85-91 Розглянуто питання продовження ресурсу та відновлення деталей циліндрово-поршневої групи двигунів внутрішнього згоряння. Розроблена методика моделювання умов роботи пари «спідниця поршня-гільза циліндра» двигунів та проведено дослідження зносостійкості алюмінієвого сплаву Ал-25 з композиційними покриттями в парі з легованою хромом сталлю в умовах високошвидкісного тертя. Визначені оптимальні режими зміцнюючої обробки досліджуваних покриттів для спідниць поршнів двигунів внутрішнього згоряння. Ключові слова: авіаційна наземна техніка, двигун внутрішнього згоряння, циліндрово-поршнева група, захисне покриття, зносостійкість. Вступ Основним агрегатом силової установки сучасної авіаційної наземної техніки (АНТ) є двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ). Найбільш навантаженим вузлом двигунів внутрішнього згоряння являєть- ся циліндрово-поршнева група (ЦПГ). Поршні двигунів виготовляються з високоміцних алюмінієвих ли- варних сплавів, що втричі легше сталі, а отже значно полегшується проблема балансування цих двигунів. Але водночас з цим постає питання локального підвищення зносостійкості цих сплавів, особливо в умо- вах високих температур. Зносостійкість поршнів прямо впливає не лише на ресурс, а і на компресію ци- ліндра, а отже і паливну ефективність двигуна. За умовами експлуатації окремих видів авіаційної назем- ної техніки обладнаної високопотужними та форсованими ДВЗ нерідкі випадки, коли двигун АНТ пра- цює в діапазоні від 25% до 40% свого робочого часу на холостому ходу в режимі прогрівання та вибігу, що примушує в деяких видах АНТ застосовувати інші види силових установок та інші енерго- та ресур- созберігаючі технології. Отже підвищення паливної ефективності та продовження ресурсу енергетичних установок авіаційної наземної техніки значно покращує працездатність обладнання та економічну ефек- тивність експлуатації окремих видів авіаційної наземної техніки. Важливим аспектом усіх технологічних заходів являється їх низька вартість, можливість застосування в умовах експлуатаційних підприємств та ефективність. Аналіз останніх робіт та публікацій Поршні ДВЗ, працюють в дуже важких динамічних умовах. Температура вихлопних газів, в бен- зинових двигунах, може досягати 950-980oС. Тиск в циліндрі в момент робочого ходу досягає 100 кг/см2. Тому зношування поршня ДВЗ може вплинути на всі процеси в ньому.(рис. 1). Проблема зміцнення деталей ЦПГ ДВЗ триває вже більше ста років з моменту винайдення та се- рійного застосування в умовах народного господарства перших ДВЗ. Не вщухає цікавість до цього пи- тання і в наш час. Зокрема в роботі [1] було проведено фундаментальне дослідження застосування для зміцнення алюмінієвих деталей авіаційної техніки електроіскровими покриттями та досліджена можли- вість застосування дискретних електроіскрових покриттів ті їх вплив на зносостійкість. Продовжуються дослідження в царині застосування термостійких вставок в першу канавку ком- пресійного кільця. Зокрема в роботі [2] науковці вирішували відому проблему адгезії вставки до тіла по- ршня. А саме, було встановлено, що основною причиною адгезійного відшарування вставки є накопи- чення на межі пластівчастого графіту. Тому для уникнення відшарування пропонується модифікувати структуру силуміну в зоні вставки. В публікації [3], використовуючи аналітичні та емпіричні методи, автор визначив величини мак- симального зносу сполучення канавка-кільце, коли воно цілком виходить з ладу в 0,4 мм, порівняно з ви- хідним 0,08 мм та запропонував формули для розрахунку довговічності сполучення від навантаження, Захисне покриття для поршнів двигунів внутрішнього згоряння авіаційної наземної техніки Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 86 температури та швидкості тертя, визначивши їх як основні фактори, що впливають на зносостійкість сполучення. Рис. 1 – Вплив зносу поршня на робочий процес ДВЗ в цілому В роботі [4] визначено, що основною технологією зміцнення та відновлення поршневих канавок є електроіскрове легування, що є дуже ефективним та перспективним для алюмінієвих сплавів, так як не вчиняє суттєвої термічної дії на легкоплавкий метал (температура плавлення деяких силумінів складає 510 оС, а суттєвої поверхневої пластифікації зазнає вже при 300 оС.). Отже з посеред усіх технологічних заходів вирішення проблеми працездатності першої канавки поршня ДВЗ важливо визначити такі заходи, що були б дешеві при збереженні ефективності, не вимага- ли складного та витратного обладнання та були доступні в умовах експлуатаційних підприємств в межах чергових профілактичних робіт по двигуну [5]. Все вище викладене дозволяє сформулювати мету дослі- дження. Мета і постановка задачі Метою роботи є наукова розробка нових захисних покриттів для зміцнення та відновлення по- ршнів двигунів авіаційної наземної техніки та аеродромних машин, що містять не коштовні складники та наносяться дешевими матеріалами та неенергоємними технологічними методами, та були б цілком до- ступні в умовах експлуатаційних підприємств спецмашин. Засоби та методи проведення дослідження Для отримання шихти композиційного покриття з домішками оксиду алюмінію використовували вихідні порошки: карбід кремнію марки 64С (ГОСТ 26 327 – 84) середнім розміром 45-55 мкм, оксид алюмінію (ТУ 6-09-03-350-73) з частинками середнім розміром 45-50 мкм. Для отримання зразків з алюмінієвого сплаву Ал25 (ГОСТ 1583-93) використовували деталі дис- кової форми зовнішній діаметр Ø 90 мм, внутрішній Ø 50 мм, завтовшки. Покриття наносили на бічну сторону. У якості контртіла використовували пальці виготовлені з сірого чавуну перлітного класу СЧ-21- 40 (ГОСТ 5950-73) Ø 10 мм. Знос поршня ДВЗ - втрата герметичності камери згоряння. Проникнення оливи в камеру згоряння – утворення нагару на деталях КС. Проникнення продуктів згоряння в картер двигуна та оливу. Частинки сажі створюють сут- тєві частинки абразиву для зношування Підвищується кислотність оли- ви понижується його термічна стабільність Як наслідок під- вищується знос корінних та ша- тунних шийок колінчатого валу Знос вкладишів опорних повер- хонь та повер- хонь противаг колінвалу Олива в камері згоряння миттє- во коксується в нагар Як наслідок за- лягають компре- сійні та мас- лоз’ємні кільця Суттєво зношу- ється гільза ци- ліндра та канав- ки поршнів Зношується клапан- сідло,(КС) погі- ршується робота форсунки та сві- чки Захисне покриття для поршнів двигунів внутрішнього згоряння авіаційної наземної техніки Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 87 Методика отримання композиційних порошків для покриттів Для формування композиційних покриттів із вихідних порошків невід’ємною операцією явля- ється їх взаємне перемішування і розмел. Для отримання покриття з кераміки на основі SiC з домішками Al2O3, порошкові компоненти у відпо- відних пропорціях змішували з одночасно подрібненим протягом 1-4 годин порошком, для отримання необхідного фракційного складу в лабораторному планетарному млині «Санд-1» в середовищі спирту. При цьому частота обертання водила складала 648 об/хв., частота обертання барабану – 1620 об/хв. Для отримання шихти використовували футеровані оксидом алюмінію барабани об’ємом 340 см3 та розмельні тіла розміром 10-15 мм з однойменної кераміки SiC–Al2O3. Співвідношення маси шихти до маси розме- льних тіл – 1:2. Після розмелу шихту сушили і просіювали. Гранулометричний склад отриманих сумішей після розмелювання визначали у водяному середо- вищі на лазерному мікроаналізаторі «SK Lazer Micron Sizer PRO 7000». Методика для нанесення покриттів та технологічні особливості процесу Покриття в роботі наносили новаторським методом, а саме, на устаткуванні призначеному для попередньої підготовки поверхні для нанесення покриттів піскоструминій установці, додаючи в робоче середовище – кварцевий пісок розміром 0,5-1 мм, додавали суміші компонентів покриття SiC– Al2O3 се- реднім розміром частинок 3-8 мкм. Зразки та натурні поршні обробляли соплом ежекційного типу в за- хисному кожусі установки. Робоче середовище не осаджувалося на поверхні. Для подальшої фіксації покриття деталі прохо- дили термічну обробку в звичайній муфельній печі за температур 200, 300 та 400 оС. Мікротвердість покриттів вимірювали на приладі ПМТ-3 шляхом втискування алмазної піраміди в поліровану поверхню шліфа за навантаження 0,1Н. Устаткування для дослідження структури та фазового складу покриттів та їх поверхонь тертя Для дослідження структури і фазового складу покриттів на сплаві Ал-25, а також поверхонь їх тертя проводили металографічний, рентгенофазовий (РФА) і мікрорентгеноспектральний (МРСА) аналі- зи. Металографічний аналіз досліджуваних матеріалів проводили на оптичних мікроскопах МИМ-8 і ЛСМ. Рентгенофазовий аналіз зразків виконували на рентгеновських дифрактометрах ДРОН-2.0 у Cukα- випроміненні. Мікрорентгеноспектральний аналіз та отримання електронних зображень поверхонь про- водили на електронних мікроскопах Самеса SX 50 та РЭМ-106И. Для дослідженні структури, фазового складу, а також розподілу і складу елементів в кожній з фаз поверхонь тертя покриттів, використовували мікрорентгеноспектральний аналіз (МРСА) на мікро- аналізаторі Camebax SX – 50 і електронному мікроскопі РЭМ-106И. Результати досліджень та отримані показники Захисне покриття, що розробляється композиційне та мусить наноситися не коштовним фізичним методом , а саме, на серійній піскоструминній машині за рахунок інтрузії компонентів покриття в струменю кварцового піску. Таким чином визначено два основні фатори, що впливають на масоперенос (покривистість) покриття та власне його зносостійкість: це середній розмір d частинки компонентів шихти SiC–Al2O3 та тем- пература фінальної обробки нанесеного покриття Т. Обґрунтування вибору фракційного складу композиційних покриттів Оскільки майбутнє покриття мусить працювати в парі з гільзою циліндра, що виготовляють зде- більш із сірих чавунів та спеціальних чавунів, що обробляють хонінгуванням до 9 - 12 класу чистоти по- верхні, тому для покриття, що містить такі абразивні часточки, як карбід кремнію та оксид алюмінію вкрай важливо, щоб вони не зношували контрповерхню. Як відомо, абразивні часточки розміром менше 5 мкм, не зношують сталеві поверхні, а навпаки відіграють роль так званого припрацьовочного абразиву, що не зношує поверхню, а вигладжує її та заповнює мікронерівності підвищуючи фактичну площу кон- такту, а тому знижуючи контактний тиск. Тому, основною метою процесу було отримання шихти диспе- рсністю 3 - 8 мкм та визначення впливу середнього розміру частинок на структуроутворення покриттів. Це досягалося різною тривалістю розмелу композиції у млині. За результатами гранулометричного ана- лізу на мікроаналізаторі було отримано наступні результати. Було отримано три фракції порошкових Захисне покриття для поршнів двигунів внутрішнього згоряння авіаційної наземної техніки Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 88 композицій протягом відповідно 1, 2 та 4 годин розмелу, що відповідало середньому розміру частинок відповідно 8,7; 4,9 та 3,8 мікрометрів. В подальшому цей технологічний фактор використовувався як технологічний фактор для оптимізації зносостійкості композиційних покриттів. Структура і фазовий склад покриттів для відновлення та поліпшення зносостійкості поршнів си- лових установок АНТ. Нанесення чистої порошкової шихти керамічної системи SiC–Al2O3 представляє суттєву технологічну складність із-за низької питомої ваги цієї композиції. Тому покриття наносили ін- трузійним методом на піскоструминній установці в струменю піску. При цьому досліджували три фрак- ційні склади порошкових композицій, а саме 3, 5 та 8 мкм. Покриття наносилися на дискові зразки для трибологічних випробувань так і на плоскі пластини для дослідження мікроструктури покриття. Отрима- ні плоскі зразки піддавали електроіскровій різці та полірували алмазними пастами для отримання шліфів, що потім досліджувалися на електронному мікроскопі РЭМ-106И. Відразу після нанесення покриття на зразки для випробування його адгезії до поверхні силуміну виконували термічну обробку зразків, що повинна переконати в задовільній адгезії покриттів до силумі- нової підкладки та нормалізувати деформаційно напружений стан, зокрема залишкові напруги, що вини- кають практично за всіх методів нанесення покриття. Температура термічної обробки покриття складала 200, 300 та 400 оС в неконтрольованій атмосфері електропечі. Потому зразки повільно охолоджували на повітрі до кімнатної температури. Мікроструктура покриття 5 мкм за збільшення 200 (рис. 2) представляє собою гетерофазну сис- тему, що складається із фаз трьох характерних кольорів. Рис. 2 – Структура інтрузійного композиційного покриття нанесеного композицією фракцією 5 мкм за збільшення 200 Рис. 3 – Структура інтрузійного композиційного покриття нанесеного композицією фракцією 5 мкм за збільшення 1000 із зазначеними ділянками мікрорентгеноспектраль- ного аналізів Основна темна фаза, що складає 65 - 70 % від площі покриття, в котрій рівномірно розподілені частинки двох типів: сірі частинки та яскраво білі. Поверхня переходу «покриття-підкладка» візуально чітка, викривлена шорсткістю без суттєвих пошкоджень на межі розділу. Товщина покриттів змінюється в межах 80 - 100 мкм. Пористість покриття не перевищувала 5 %. Розмір керамічних включень змінюєть- ся в межах від 3 до 10 мкм. Об’ємний вміст керамічних фаз в покритті не відповідає вихідному, що пояснюється технологіч- ними втратами при нанесенні покриттів. Кількість керамічних компонентів в композиційному покритті складає 80 - 85 %. Для більш детального аналізу структурних складових було проведено мікрорентгенос- пектральний аналіз ділянки покриття за збільшення 1000 результати якого наведені на рис. 3. Таблиця 1 Результати МРСА ділянки покриття рис. 3 Спектр C O Al Si Fe Спектр 1 47,53 - - 52,47 - Спектр 2 45,42 - - 54,58 - Спектр 3 - 54,02 45,98 - - Спектр 4 - 53,03 46,97 - - Спектр 5 - - 84,36 15,64 - Спектр 6 - - 82,95 17,05 - Спектр 7 - - 85,47 14,53 - Захисне покриття для поршнів двигунів внутрішнього згоряння авіаційної наземної техніки Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 89 Результати дослідження структури покриття і підкладки за результатами мікрорентгеноспектра- льного аналізу підтвердило рівномірний розподіл керамічних компонентів композиційного покриття (рис. 3), таким чином в покритті були виявлені фази карбіду кремнію (рис. 3, спектри 1 та 2), оксиду алюмінію (рис. 3., спектри 3 та 4) та частинки дуже схожі за складом на матеріал підкладки – ливарний силумін Ал-25 (рис. 3, спектри 5, 6 та 7). Ймовірно, піскоструминна обробка вибивала частинки з повер- хні та утримувала в нашаруваннях покриття. Це підтвердив і рентгенофазовий аналіз покриття, котрий показав наявність в ньому фаз SiC, Al2O3, Al. Розмір частинок композиційного покриття не перевищував 7 - 10 мкм. Мікроструктура покриття фракції 8 мкм за збільшення 200 наведено на рис. 4. Вона відрізняєть- ся від попередньої наступним чином, а саме, - відразу помітна низька осаджуваність покриття отримано- го з порошкової композиції з такої фракції. Товщина покриття не перевищує 50 мкм. Помітні суттєві де- фекти на межі переходу між покриттям та підкладкою, що може свідчити про незадовільну адгезію по- криття до підкладки. Для більш ретельного дослідження покриття нанесеного фракцією порошку 8 мкм була дослі- джена його мікроструктура за збільшенням 1000 та проведено мікрорентгеноспектральний аналіз його найбільш характерних фаз (рис. 5). Таким чином, як і в першому випадку, в покритті були виявлені фази карбіду кремнію (рис. 5, спектри 1 та 2), оксиду алюмінію (рис. 5, спектри 3 та 4) та частинки дуже схожі за складом на матеріал підкладки – ливарний силумін Ал-25 (рис. 5., спектри 5, 6 та 7). Проте відразу помітно суттєві дефекти на поверхні розподілу покриття підкладка та суттєве розшарування карбідної та оксидної фаз покриття. Це може свідчити про його незадовільну зносостій- кість. Рис. 4 – Структура інтрузійного композиційного покриття на- несеного композицією фракцією 8 мкм за збільшення 200 Рис. 5 – Структура інтрузійного композиційного покриття нанесеного композиційною фракцією 8 мкм за збільшення 1000 із зазначеними ділян- ками мікрорентгеноспектрального аналізів Таблиця 2 Результати МРСА ділянки покриття рис. 5 Спектр C O Al Si Fe Спектр 1 48,64 - - 51,36 - Спектр 2 44,31 - - 55,69 - Спектр 3 - 55,13 44,87 - - Спектр 4 - 51,92 48,08 - - Спектр 5 - - 83,25 16,75 - Спектр 6 - - 84,06 15,94 - Спектр 7 - - 84,36 15,64 - Адгезія покриття що вимірювалася за методом штифта складала 5 МПа в обох випадках, тобто на силу адгезії покриття фракційний склад шихти не впливав. Суттєвий науковий інтерес представляють триботехнічні випробування вказаних покриттів в умовах, що моделюють роботу контактної зони «спід- ниця поршня-гільза циліндра» для формулювання практичних рекомендацій. Захисне покриття для поршнів двигунів внутрішнього згоряння авіаційної наземної техніки Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 90 Висновки 1. Дослідженнями структури та адгезійних якостей композиційного покриття на основі карбіду кремнію і оксиду алюмінію було визначено, що отримані покриття досить компактні, та володіють до- статньою адгезією до силуміну Ал-25, проте на структуроутворення та осадження керамічної фази впли- ває фракційний склад шихти. 2. На адгезійні якості фракційний склад не впливає, проте перевагу варто надавати фракційному складу до 5 мкм, так як такий абразив не зношує сталевого контртіла. 3. Синтез та дослідження отриманих покриттів дозволяє рекомендувати їх впровадження в якості захисних покриттів для спідниць поршнів сучасних двигунів внутрішнього згоряння авіаційної наземної техніки. Література 1. Довгаль А.Г. Зносостійкі електроіскрові покриття для підвищення довговічності кінематичних сполучень авіаційної техніки / А.Г. Довгаль, Л.В. Бурдюженко, І.В. Ткаченко // Сучасні процеси механі- чної обробки інструментами з НТМ та якість поверхні деталей машин. Серія Г. Збірка наукових праць. – К. : 2003. С. 313-320. 2. Ahu Fahriye Acar, Fahrettin Ozturk, Mustafa Bayrak Effects of variations in alloy content and ma- chining parameters on the strength of the intermetallic bonding between diesel piston and ring carrier. – Materi- als and technology. – No. 44. – 2010. – P. 391–395. 3. Гасангусенов О.Г. Расчетно-экспериментальное исследование влияния температуры, нагрузки и скорости скольжения на долговечность сопряжения канавка-поршневое кольцо малоразмерного дизеля. – Вестник АГТУ. Сер.: Морская техника и технология. – 2013. – № 1. – С. 111 - 116. 4. Дударева Н.Ю.. Упрочнение верхних поршневых канавок двигателей внутреннего сгорания методом искрового упрочнения. – Вестник УГАТУ, 2010. – Т. 14, № 3 (38). – С. 111-115. 5. Дмитриченко Н.Ф. Продление ресурса деталей силовых установок авиационной наземной тех- ники в условиях эксплуатации / Н.Ф. Дмитриченко, В.В. Варюхно, А.В. Кулинич, А.Г. Довгаль, В.П. Ко- ба. // Металлофизика и новейшие технологии // Том. 39, № 1. січень 2017. – С. 69-82. Надійшла в редакцію 09.01.2019 Проблеми триболо г і ї “P r o b l e m s o f T r i b o l o g y” E-mail: tribosenator@gmail.com Захисне покриття для поршнів двигунів внутрішнього згоряння авіаційної наземної техніки Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 91 Varuhno V.V., Dovgal A.G., Bilyakovich O.N., Kurbet L.V., Savchuk A.N., Turitsya Y.A. Sheeting for pistons of an internal combustion engine of aviation ground equipment. The most loaded unit of internal combustion engines is a cylindrical-piston group (CPG). Pistons of engines are made of high-strength aluminum casting alloys, three times lighter than steel, and thus the problem of balancing these engines is greatly alleviated. But at the same time, the question arises of a local increase in the wear resistance of these alloys, especially at high temperatures. So, it was revealed that among all the technological measures to solve the problem of the first groove of the internal combustion engine, it is important to identify such measures that would be cheap while maintaining efficiency, would not require complex and costly equipment and were available in operational facilities within Chery prophylactic work on the engine. The aim of the work is the scientific development of new protective coatings to strengthen and restore the pistons of the engines of aviation ground equipment and airfield machines. To study the structure, phase composition, as well as the distribution and composition of elements in each of the phases of the friction surfaces of the coatings, X-ray microanalysis was used. The results of the study of the structure of the coating and the substrate according to the results of micro X-ray spectral analysis confirmed the uniform distribution of the ceramic components of the composite coating. Thus, silicon carbide and aluminum oxide phases were detected in the coating and the particles are very similar in composition to the substrate material, foundry silumin Al-25. It has been established that the adhesion qualities of the fractional composition do not affect, however, preference should be given to the fractional composition up to 5 microns, since such an abrasive does not wear out the steel counterbody. Key words: aviation ground equipment, internal combustion engine, cylindrical-piston group, protective coating, wear resistance. References 1. Dovgal A.G. ZnosostIykI elektroIskrovI pokrittya dlya pIdvischennya dovgovIchnostI kInematichnih spoluchen avIatsIynoYi tehnIki. A.G. Dovgal, L.V. Burdyuzhenko, I.V. Tkachenko. SuchasnI protsesi mehanIch-noYi obrobki Instrumentami z NTM ta yakIst poverhnI detaley mashin. SerIya G. ZbIrka naukovih prats.– K.: 2003. S. 313-320. 2. Ahu Fahriye Acar, Fahrettin Ozturk, Mustafa Bayrak Effects of variations in alloy content and ma- chining parameters on the strength of the intermetallic bonding between diesel piston and ring carrier. Materials and technology. No. 44. 2010. P. 391–395 3. Gasangusenov O.G. Raschetno-eksperimentalnoe issledovanie vliyaniya temperaturyi, nagruzki i skorosti skolzheniya na dolgovechnost sopryazheniya kanavka-porshnevoe koltso malorazmernogo dizelya. Vestnik AGTU. Ser. Morskaya tehnika i tehnologiya. 2013. № 1. рр.. 111- 116. 4. Dudareva N.Yu.. Uprochnenie verhnih porshnevyih kanavok dvigateley vnutrennego sgoraniya me- todom iskrovogo uprochneniya. Vestnik UGATU, 2010. T. 14, # 3 (38). рр. 111-115. 5. Dmitrichenko N.F. Prodlenie resursa detaley silovyih ustanovok aviatsionnoy nazemnoy teh-niki v usloviyah ekspluatatsii. N.F. Dmitrichenko, V.V. Varyuhno, A.V. Kulinich, A.G. Dovgal, V.P. Koba. Metallofizika i noveyshie tehnologii. Tom. 39, №1. sіchen 2017. рр.. 69-82.