employee
, Russian Federation
employee
employee
, Russian Federation
graduate student
, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
During operation, any technical product with friction units, as parts wear out, loses its working capacity and as a result cannot perform the specified functions with the parameters, established by the requirements of technical documentation. Today, the technological capabilities of manufacturing various machines and mechanisms have been exhausted throughout the world without noticeable wear on the mating surfaces of friction units. Depreciation is practically impossible to exclude. Therefore, a search for new ways to extend the life of technical devices by exposing them to friction surfaces is an urgent task. These requirements apply to the fuel equipment of automotive and combine diesel engines. In this paper, we analyze the known covering technologies for hardening and restoration of fuel equipment parts. The methodology of choosing the optimal covering process with the aim of hardening and restoration of parts of fuel equipment is formulated. In accordance with this concept of choosing a technology to increase the durability of fuel equipment parts, plasma finish hardening with the application of multilayer wear-resistant coatings is a promising technology. The paper presents the results of a study of the physicomechanical properties of diamond-like coverings of the DLCPateks type (a-C:H/a-SiOCN) obtained on friction surfaces by transporting an atomic and molecular stream of particles of liquid chemical compounds by a plasma jet of an atmospheric pressure plasma arc torch. The layer formed on the working surfaces is a non-metallic amorphous multilayer covering with a low coefficient of friction, increased microhardness, chemical inertness, hydrophilicity, high heat resistance and dielectric characteristics. In order to minimize possible defectiveness of the base material at the final stage of manufacturing parts of fuel equipment, it is proposed to apply thin-film coatings on them.
restoration, covering, finish plasma hardening, wear, roughness, hardness, wear resistance, resource
Топливная аппаратура включает в себя топливный насос высокого давления (ТНВД), муфту опережения впрыскивания топлива (АМОВТ), регулятор подачи количества топлива в цилиндры (РОВ), топливный насос низкого давления (ТННД) и форсунки. Практика показывает, что порядка 25-30 % всех отказов дизельных двигателей приходится на топливную аппаратуру. Из этих отказов 60 % доли приходится на ТНВД (рисунок 1). У ремонтников принято считать, что основной износ в ТНВД связан с плунжерной парой. Однако исследования показали, что большинство подвижных сопряжений при первом же техническом обслуживании ТНВД требуют восстановления своих геометрических размеров (рисунок 2). Лишь часть подвижных сопряжений (поз. 5,6,8 – 11) могут находиться в пределах своих допустимых параметров до следующего технического обслуживания. Следовательно, при ремонте ТНВД возникает необходимость восстановления не только плунжерных пар, но и всех деталей его кинематической цепи [1].
В связи с этим разработка эффективных технологий упрочнения и восстановления деталей топливной аппаратуры является перспективным направлением исследований [1 – 11].
Величина износа деталей топливной аппаратуры, в большинстве случаев, не превышает 0,2-5 мкм, поэтому возможно применение тонкопленочных покрытий при их восстановлении.
Топография поверхностного слоя стали ШХ-15 представлена на рис. 3. Условия эксплуатации ТНВД облегчают деформирование (пластифицирование) поверхностного слоя деталей трибосопряжений (эффект Ребиндера). При этом пленка топлива в условиях минимальных зазоров имеет тенденцию к разрыву, что приводит к схватыванию выступов одной поверхности трения с другой [12]. С целью обеспечения антисхватывающих свойств целесообразно на поверхности трения наносить химически инертные покрытия, например, из неметаллических материалов.
В качестве оценки износостойкости деталей топливной аппаратуры в зависимости от качества материалов и технологий их изготовления может служить анализ физико-механических свойств поверхностного слоя, трибологических характеристик в условиях трения скольжения, параметров шероховатости, распределения технологических остаточных напряжений по глубине и результатов испытаний на микроабразивный износ.
Применяемые материалы и методика проведения исследований. При исследовании свойств покрытия DLCPateks, нанесенного по технологии ФПУ, в качестве материала подложки использовалась термообработанная сталь ШХ15. Толщина нанесенного покрытия, измеренная методом калотестирования с использованием Tribotester PC101 (Плазмацентр, Россия), составляла порядка 1 мкм. Физико-механические характеристики покрытия
определялись наноиндентором TI 750Ubi (Hysitron, США). Коэффициент трения покрытия DLCPateks измерялся при испытаниях на трибометре TRB-S-DE (CSM-Instruments, Швейцария) по схеме «шар-диск» с использованием шаров диаметром 3 мм, изготовленных из нитрида кремния Si3N4. Нагрузка на контртело составляла 5 Н. Линейная скорость скольжения - 10 см/с. Путь трения – 80-100 м. При испытаниях применялось моторное масло Nissan SAE 5W-40. Исследования аморфности покрытия проводились с помощью просвечивающего электронного микроскопа JEM 2100 (JEOL, Япония). Для измерений параметров шероховатости по EN ISO 13565-2:1996 использовался измерительно-вычислительный комплекс «Профиль». Адгезия покрытия DLCPateks к стали ШХ15 измерялась сканирующим нанотвердомером НаноСкан-3D (Россия) методом скреч-тестирования (scratch test) с определением нагрузки начала разрушения при продольном перемещении и переменном её усилии на алмазный индентор Берковича.
Результаты исследований и их обсуждение. Анализ существующих технологий получения износостойких тонкопленочных покрытий для упрочнения и восстановления деталей топливной аппаратуры позволяет их условно разбить на три группы:
1. Твердость ≤ 5 ГПа (менее твердости основного материала)
- фрикционно-механическое латунирование. Недостатки – повышенная трудоемкость из-за индивидуальной обработки деталей, неэффективность применения для серийных изделий.
- Алюмохромофосфатирование. Недостатки – многостадийность, высокая температура (600-620°С) и длительность процесса.
- Электрохимикомеханическая обработка с использованием реновационной жидкости в виде раствора полиэтиленгликоля с цинком. Недостатки – сложность контроля за изменением геометрических размеров деталей топливной аппаратуры, временем их повышенной долговечности, трудность определения необходимого количества реновационной жидкости для длительной эксплуатации.
- Ионно-плазменное напыление покрытия TiN-Cu-MoS2. Недостатки – возможность снижения твердости деталей с низкой температурой отпуска из-за повышенных температур процесса, не высокая адгезионная прочность покрытия.
- Электроискровое нанесение медно-графитовых покрытий. Недостатки - необходимость окончательной операции доводки, наведение растягивающих напряжений в поверхностном слое, возможная несплошность покрытия.
1. Sharifullin S.N. Povyshenie ekspluatatsionnoy nadezhnosti toplivnykh nasosov vysokogo davleniya avtotraktornykh dizelnykh dvigateley: dis… d-ra tekhn. nauk: 05.20.03. (Improving the operational reliability of high-pressure fuel pumps of automotive diesel engines: dissertation for a degree of Doctor of Technical sciences: 05.20.03). /Sharifullin Said Nasibullovich. – M., 2009. – P. 369.
2. Topolyanskiy P.A. Ispytaniya tribologicheskikh pokrytiy na mikroabrazivnoe iznashivanie. // Mekhanika i tribologiya transportnykh sistem. [Tests of tribological coatings for microabrasive wear. / P.A. Topolyansky, S.A. Ermakov, A.P. Topolyansky. // Mechanics and tribology of transport systems]. Rostov-on-Don, November 8-10, 2016: in 2 volumes. – Rostov n/D: FGBOU VO RGUPS. – 2016. – Vol. 2. – P. 217 – 223.
3. Adigamov N.R. Plasma technology in increasing the efficiency of high-pressure fuel pumps of diesel engines. [Plazmennye tekhnologii v povyshenii effektivnosti raboty toplivnykh nasosov vysokogo davleniya dizelnykh dvigateley]. / N.R. Adigamov, V.P. Lyalyakin, R.Yu. Solovev, S.N. Sharifullin. // Svarochnoe proizvodstvo. Welding production. – 2016. – № 2. – P. 49 – 51.
4. S.N. Sharifullin. Improving the quality indicators fuel pump of plasma technology / S.N. Sharifullin, A.S. Pirogova // IOP Conference Series: Journal of Physics: Conf. Series. – 2017. – V. 789. doi:10.1088/1742-6596/789/1/012051
5. R. Y. Solovev Plasma technology for increase of operating high pressure fuel pump diesel engines / R. Y. Solovev, S. N. Sharifullin, N. R. Adigamov // IOP Publishing Journal of Physics: Conference Series. – 2016. – V. 669. doi:10.1088/1742-6596/669/1/012050.
6. Sharifullin, S.N. On the mechanism of formation of wear-resistant coatings on the friction surfaces of technical products in the presence of these drugs Tribo / S.N. Sharifullin, A.V. Dunayev // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 134 (2016). doi:10.1088/1757-899X/134/1/012025.
7. Dounaev, A., Sharifullin, S. Friction surfaces modification using tribo-compounds (2014) World Applied Sciences Journal, 31 (2), P. 272-276.
8. SharifullinS.N. Surface hardening of cutting elements agricultural machinery vibro arc plasma / S. N. Sharifullin, N. R. Adigamov, N. N. Adigamov, R. Y. Solovev, K. S. Arakcheeva // IOP Publishing Journal of Physics: Conference Series. – 2016. – V. 669. doi:10.1088/1742-6596/669/1/012049.
9. Varnakov D.V. Theoretical foundations of the concept of technical service of machines in actual condition based on an assessment of their parametric reliability [Teoreticheskie osnovy koncepcii tekhnicheskogo servisa mashin po fakticheskomu sostoyaniyu na osnove ocenki ih parametricheskoj nadezhnosti] // D.V. Varnakov, O.N. Didmanidze// Agrarnaya nauka Evro-Severo-vostoka. – Agricultural Science Euro-North-East – 2017 . – №2(57). – P. 67-71.
10. Varnakov V.V. Improving the operational properties of hydrocarbon fuels based on resonance cracking process as a way to increase engine efficiency [Uluchshenie ekspluatacionnyh svojstv uglevodorodnyh topliv na osnove rezoonansnogo kreking-processa kak sposob povysheniya effektivnosti raboty dvigatelya] // Remont. Vosstanovlenie. Modernizaciya. – Repair, Reconditioning, Modernization . – 2009. – №6. – C. 20-23.
11. Zhachkin S.Yu. Povyshenie adgezii galvanicheskikh kompozitnykh pokrytiy, ispolzuemykh pri vosstanovlenii plunzhernykh par TNVD. // Trudy GOSNITI. [Improving the adhesion of galvanic composite covering used in the restoration of plunger pairs of high pressure fuel pumps]. / S.Yu. Zhachkin, M.N. Krasnova, N.A. Penkov, A.I. Krasnov. // Proceedings of GOSNITI]. – M.: – 2015. – Vol. 119. – Part 1. – P. 54 – 60.
12. Lozovskiy V.N. Nadezhnost i dolgovechnost zolotnikovykh i plunzhernykh par. [Reliability and durability of spool and plunger pairs]. V.N. Lozovskiy. – M.: Mashinostroenie. – 1979. – P. 135.
13. Sosnin N.A., Ermakov S.A., Topolyanskiy P.A. Plazmennye tekhnologii. Rukovodstvo dlya inzhenerov. [Plasma technology. Manual for engineers]. Sankt-Peterburg: Izd-vo Politekhnicheskogo un-ta. 2013. – P. 406.
