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.
