СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Основные причины износа поршней двигателя внутреннего сгорания

Известно, что наиболее быстро изнашиваемой деталью двигателей внутреннего сгорания (особенно форсированных) является поршень, выходящий из строя, в основном, из-за износа первой поршневой канавки [110, 111]. Сопряжение кольцо канавка (СКК) работает в условиях больших циклических давлений - 7,5-15,0 МПа и высоких температур 470-570 К. На интенсивность износа сопряжения влияют скорость относительного перемещения деталей, силы трения и инерции кольца, условия и качество смазки, количество присутствующих абразивных частиц и продуктов сгорания, конструктивные особенности, точность изготовления и материал деталей, режим и условия эксплуатации двигателей.

Недостаточная работоспособность СКК проявилась особенно сильно при замене чугунных поршней на алюминиевые, что приводит к возрастанию величины и скорости износа сопряжения в 2-3 раза по сравнению с чугунными поршнями ( рис. 10.1 [28,110, 111]).

В процессе работы двигателя в СКК действуют различные силы (трения, давление газов, инерции и др.), вызывающие циклическое перемещение кольца относительно канавки и гильзы цилиндра.

Детальные исследования, выполненные в работах [29^ 30, 112-119], позволили установить характер и параметры относительного перемещения кольца в канавке поршня: радиальное перемещение 0,05-0,25 мм со скоростью перемещения 0,3-2,0 м/с, ударное воздействие кольца на канавку от сил трения и инерции кольца достигает величин

порядка 0,2-0,5 МПа, вращательное движение кольца несколько оборотов в минуту.

Из анализа взаимодействия кольца с канавкой поршня следует, что увеличение размера канавки и ее разрушение происходят как от ударного действия кольца на стенки канавки со сравнительно небольшой энергией удара, так и в результате износа при трении в условиях возвратно­поступательного движения кольца и действии циклических давлений (6-14 МПа) процесса сгорания (рис. 10.2)

В СКК наблюдаются все виды абразивного изнашивания (микрорезание, внедрение абразивных частиц в более мягкую матрицу, поверхностное деформирование микрообъемов металла и. т.д.), которые сопровождаются окислительными и другими электрохимическими процессами и протекают при температурах 470-570 К с ударным приложением нагрузки. Твердость алюминиевых сплавов, из которых изготавливаются поршни, при этих температурах в 3-6 раз меньше, чем чугуна, стали и абразивных частиц. Поэтому можно считать, что в СКК первоначально абразив внедряется в более мягкую алюминиевую матрицу канавки поршня и происходит изнашивание кольца фиксированными частицами абразива.

По мере накопления абразивных частиц, продуктов изнашивания, сгорания топлива и масла, создаются условия трения об абразивную прослойку, что приводит к увеличению изнашивания менее твердого материала, т. е. канавки поршня [28,30].

Испытания на машине трения пары чугун- алюминиевый сплав [28, 29, 30] подтвердили

вышеприведенный механизм износа. При малом содержании в смазочном материале кварцевой пыли (до 0,25%) наблюдается большее изнашивание образца из чугуна, при ее увеличении изнашивание алюминиевого образца растет. Следует отметить, что перемещение кольца в канавке составляет несколько десятых миллиметра. Это намного меньше протяженности контактирующих поверхностей и приводит к условиям, когда абразивные частицы и продукты

изнашивания не выводятся из зоны трения. Такой механизм взаимодействия трущихся поверхностей получил название фреттинг-корроэия [28, 120]. По-видимому, фреттинговые процессы в какой-то степени протекают и в СКК.

О 2 4 6 т, тыс. ч

Рис. 10.1. Сравнение износа верхних поршневых канавок различных поршней: 1-алюминиевых; 2-чугунных; 3-составных (сталь+алюминий)

Основной причиной интенсификации изнашивания канавки является резкое снижение механических свойств поршневых сплавов от длительного воздействия высоких температур [17,120-126]. Например, твердость сплава АК 4 при температуре 573 К составляет 18-20 НВ, а сплава Ал 25 соответственно 17-23 НВ, хотя в исходном состоянии их твердость не менее 90-110 НВ. Кроме того, при высокой температуре выгорает масляная пленка между кольцом и канавкой. «Размягчение» алюминиевых сплавов увеличивает долю пластического разбивания канавки, что особенно характерно для высокооборотных дизелей. Возрастание инерционной силы удара кольца при форсировании по оборотам вызывает увеличение пластической деформации поверхностных слоев металла стенок канавки.

Указанная деформация возникает также в момент перекладки поршня, когда кольцо прижато к нижней стенке канавки в верхней мертвой точке силой давления газов и несколько деформировано по форме. В этот момент возникают большие удельные давления, приводящие к выдавливанию материала из зоны трения к наружной части канавки [121]. Можно предположить, что в этом случае ведущую роль в изнашивании и разрушении канавки поршня играет пластическая деформация, а абразивное и коррозионное изнашивание - сопутствующие.

Анализ исследований величин, характера и причин износа кольца и канавки, выполненных различными авторами, показывает, что в одних случаях наблюдается больший износ чугунного кольца, чем канавки поршня из алюминиевого сплава [111, 119], а в других - изнашивается больше канавка [28 - 30].

Превалирование величин износа кольца над износом канавки было отмечено в основном на тракторных малофорсированных дизелях [111,124,125]. Поданным [126] при обследовании тракторных двигателей СМД-14, проходивших эксплуатационные испытания в машиноиспытательных станциях, за 2000 часов работы дизеля износ 1-го поршневого кольца составил 0,157 мм, износ

канавки-0,053 мм, т. е. соответственно 70-75% и 20-30%.

При объяснении причин такого характера износа нет единого мнения. Считалось, что основной причиной большего износа кольца является внедрение в размягченную алюминиевую матрицу мелких абразивных частиц, которые изнашивают более твердое чугунное кольцо, предохраняя от износа канавку. Однако при испытаниях со специальным запыливанием всасывающего воздуха не наблюдалось вышеописанного соотношения износа в сопряжении, канавка износилась больше кольца в соотношении 7: 3 [29, 119].

По мнению авторов работы [126], в результате относительных перемещений кольца и канавки частицы абразива прежде всего начинают разрушать мягкую алюминиевую матрицу (канавку). Острые кромки нарезанных микробороздок под действием окислительной среды окисляются и начинают изнашивать чугунное кольцо (микротвердость оксидов алюминия HV =2000). Эти гребни оксидов алюминия изнашивают кольцо интенсивнее, чем абразив канавку.

При испытаниях со специальным запыливанием воздуха в сопряжение попадает большое количество абразива, который быстро изнашивает мягкую канавку алюминиевого поршня. Образующиеся при этом гребни оксидов не успевают выполнять свою роль микрорезцов, так как новые порции абразива срывают их с мягкого основания, чем и объясняется, по мнению авторов [126], отличие результатов стендовых испытаний с запыливанием от эксплуатационных.

Очевидно, что абразивный и коррозионный износ практически неразделим, так как продукты коррозии могут быть абразивными частицами. В результате, при условии интенсивного коррозионного износа (при частых пусках - остановках дизеля, работа при низкой температуре охлаждающей воды, при высоком содержании серы в топливе), изнашивается поршневая канавка и особенно кольцо.

Исследование поверхности трения и данные замера микротвердости нижнего торца кольца показали, что микротвердость в разных точках кольца оказалась неравномерной ( H|i= 30-70 Н/мм2), в связи с чем высказано предположение, что участки большой твердости являются наклепанными. В то же время при большом увеличении обнаружили, что поверхность представляет блестящие металлические островки (участки фосфидной эвтектики, графита и перлита), окруженные разрушенным металлом, и считают такую структуру следствием электрохимической коррозии [30, 126].

Авторы работы [126] провели испытания на машине трения с введением различного количества абразива в зону трения пары алюминий-чугун.

Было показано, что при малом количестве абразива больше изнашивается чугунный образец. Увеличение количества абразива приводит к увеличению износа алюминиевого образца.

В работе [29] приведена кривая износа сопряжения кольцо-канавка. Изнашивание в СКК можно разделить на три ярко выраженных участка (рис.10.3) приработка (1), установившееся (2) и форсированное (аварийное) изнашивание (3). Время приработки составляет порядка 40- 100 часов, что в сравнении с другими двумя участками очень незначительно. Ресурс СКК практически определяется участком 2. Участок 3, на котором требуется замена поршневой группы, значительно меньше и составляет 100-1000 часов.

На интенсивность изнашивания в СКК на участке 2 большое влияние оказывают свойства материалов контактирующих поверхностей, присутствие абразива, агрессивность среды, температура в зоне взаимодействия.

Приведенный анализ показывает, что основными преобладающими видами изнашивания и разрушения СКК являются: для нефорсированных и малофорсированных двигателей абразивное изнашивание, сопровождаемое окислительными и коррозионными процессами; для форсированных двигателей пластическая деформация поверхностных слоев металла стенок канавки, вызванная снижением механических свойств алюминиевых сплавов от

действия высоких температур, повышением максимального давления сгорания и инерционных ударов кольца, сопровождающиеся абразивными и коррозионными процессами.

Так как практически невозможно устранить указанные виды изнашивания и разрушения в СКК, основное направление в увеличении долговечности поршня следует рассматривать с точки зрения снижения интенсивности протекающих процессов изнашивания.

Таким решением является создание контактирующих поверхностей кольца и канавки из материалов с повышенной сопротивляемостью абразивному изнашиванию и пластической деформации при повышенных температурах.

Для удовлетворения предъявляемым требованиям материал поршня в зоне верхней канавки (по сравнению с основным сплавом поршПя) должен иметь при повышенных температурах более высокую твердость (для снижения абразивного изнашивания) и жаропрочность (для уменьшения пластической деформации).

Обеспечение необходимой долговечности работы СКК осуществляется применением разработанных методов, направленных, в основном, на упрочнение и повышение износостойкости кольцевой канавки.