Технология восстановления чугунных коленчатых валов двигателей ЗМЗ-53А (стр. 3 из 13)

Остальные напряжения в валике будут равны отношению суммы усилий сопротивления усадке со стороны чугуна и оболочки к площади поперечного сечения валика.

Для случая с закрепленной оболочкой, напряжения в валике можно выразить уравнением:

, (1.3)

где Н - высота валика, мм;

- глубина проплавления чугуна при наплавке без оболочки, мм;

- толщина оболочки, мм;

R – коэффициент, учитывающий разность теплофизических свойств чугуна и оболочки;

Таким образом, для уменьшения внутренних напряжений в наплавленном слое металла и для предупреждения образования трещин в нем, необходимо применять оболочки с низким пределом текучести и высокой пластичностью. Такими свойствами обладает малоуглеродистая сталь. При наплавке по оболочке толщиной 0,8-0,9 мм глубина проплавления чугуна уменьшается с 2,4 мм до 1,0 мм [3]. Соответственно величина остаточных напряжений уменьшается примерно в 2,4 раза.

Мартенситную структуру наплавленного металла можно получить путем: термообработки, охлаждением слоя жидкостью в процессе наплавки либо путем введения в наплавленный металл легирующих элементов, через флюс [14] или проволоку. Сущность последнего способа заключается в следующем. С увеличением содержания углерода в стали, твердость образующего мартенсита увеличивается и достигает HRC 60-62 при 0,6-0,8% углерода [12]. Углерод одновременно снижает точки начала и конца мартенситных превращений в область отрицательных температур. Поэтому при увеличении его содержания более 0,8% твердость наплавленного металла снижается за счет увеличения в нем остаточного аустенита. С увеличение содержания легирующих элементов, хрома или марганца, в наплавленном слое кривые превращения сдвигаются вправо, что приводит к уменьшению критической скорости закалки при охлаждении детали на воздухе. Стойкость образованного мартенсита против отпуска увеличивается, поэтому при недостаточном количестве легирующих элементов может произойти отпуск ранее наплавленных валиков (швов) вследствие значительного нагрева слоя в процессе наплавки. Точки начала и конца мартенситных превращений снижаются в область отрицательных температур, поэтому чрезмерное увеличение легирующих элементов приводит к увеличению количества остаточного аустенита в наплавленном металле и снижению твердости последнего. Стойкость аустенита в зоне мартенситных превращений повышается, поэтому при охлаждении наплавленного металла для превращения аустенита в мартенсит требуется больше времени. При наплавке это явление способствует увеличению количества остаточного аустенита и снижению твердости наплавленного металла.

В соответствии с выше изложенным для получения наплавленного металла мартенситной структуры с твердостью порядка HRC 60-62 в нем должно содержаться 0,6-0,8% углерода и определенное количество легирующих элементов, зависящее от термического цикла наплавленного слоя. В нашем случае целесообразно применять хром. Некоторые другие легирующие элементы, например марганец, способствуют образованию трещин в наплавленном слое.

Опыты по получению металла с мартенситной структурой проводились в следующем порядке [3]. Сначала к флюсу примешивали графит с целью полученияв наплавленном металле 0,6-0,8% углерода, затем к тому же флюсу с найденным количеством графита примешивали феррохром для получения мартенситной структуры при охлаждении наплавленного металла на воздухе.

Углерод и легирующие элементы в наплавленный металл можно вводить также применением порошковой проволокой, легирующего или керамического флюса, легированной проволоки и легированной оболочки.

По результатам опытов в табл. 1.3 представлены данные экспериментальных наплавок коленчатых валов двигателей ЗМЗ-53А.

Как видно из табл. 1.3, наиболее высокая твердость металла со структурой мартенсита получается при наплавке под легирующим флюсом, содержащим 4% графита и 3,5% феррохрома. При этом наплавленный металл содержит 0,8% углерода, 1,8% хрома, 1,79% марганца, 0,65% кремния и в незначительном количестве другие элементы.

Эксплуатационные испытания на износостойкость проводились следующим образом [3]. Испытывали чугунные коленчатые валы двигателя ЗМЗ-53А, у которых по две шатунных и по две коренных шейки были наплавлены под легирующим флюсом по оболочке. Часть шеек наплавляли под легирующим флюсом с меньшим количеством феррохрома, в результате они имели твердость HRC 50-60, остальныешейки имели твердость HRC 50-62. Наличие шеек с таким диапазоном твердости позволилоопределить зависимость между твердостью и износостойкостью наплавленного металла относительно высокопрочного чугуна. Чугунные коленчатые валы обрабатывались в соответствие с механическими требованиями завода и устанавливали на капитально отремонтированные двигатели.

Двигатели эксплуатировали в обычных условиях без разборки до появления технических неисправностей, после чего их снимали с автомобилей, разбирали и замеряли диаметры и толщины вкладышей.

В табл. 1.4 приведены данные по относительному износу наплавленных шеек по девяти коленчатым валам со сроком службы, соответствующим пробегу автомобиля 50-70 тыс. км.

Из табл. 1.4 видно, что наплавленные шейки с твердостью более HRC 56 изнашиваются меньше, а с твердостью менее HRC 56 изнашиваются больше не наплавленных чугунных шеек. Поскольку при оптимальном составе легирующего флюса твердость наплавленного металла колеблется в пределах HRC 56-62, износостойкость восстановленных чугунных коленчатых валов получается не ниже новых.

Данные по износостойкости вкладышей с шейками тех же валов, см. табл. 1.4, приведены в табл. 1.5.

Как видно из табл. 1.5, износ вкладышей, сопряженных с наплавленными шейками, меньше, чем с не наплавленными.

Испытанию на статическую прочность подвергали новые коленчатые валы и восстановленные наплавкой. Результаты приведены в табл. 1.6.

Как видно из табл. 1.6, при всех способах наплавки происходит снижение прочности восстановленных чугунных коленчатых валов.

Испытанию на усталостную прочность проводились не машине УП-50 конструкции ЦНИИТМАШ на натуральных образцах. Машина УП-50 предназначена для возбуждения и поддержания, заданных по величине переменных изгибающих напряжений. Результаты испытаний на усталостную прочность приведены в табл. 1.7.

Как видно из табл. 1.7, усталостная прочность при любом способе наплавки снижается. Наименьшее снижение усталостной прочности 10-15% происходит при наплавке под легирующим флюсом по оболочке. Наибольшее снижение усталостной прочности при наплавке в углекислом газе подтвердилось поломкой экспериментального чугунного коленчатого вала в эксплуатации.

1.4. Тенденция развития ремонтной базы в стране.

Зарубежный опыт

С начала 1990 года в стране резко упали объемы автомобильных грузовых перевозок. Отсутствие финансирования государственных предприятий, либерализация цен в экономике, в том числе и не энергоресурсы привели к массовому падению производства. Высокая инфляция ликвидировала оборотные средства автохозяйств, содержание крупных автохозяйств, на несколько сот машин, стало экономически не выгодным.

Зарубежный опыт показывает [11], что в рыночной экономике наиболее эффективными становятся фирмы, которые выбрали узкую специализацию. Это либо автоперевозки, а значит гараж на 5-20 машин, либо авторемонтные работы, предприятие с наличием всего оборудования для ремонтных операций. Количество работающих на этих фирмах не превышает 25-50 человек. Во многих странах на уровне законодательства, через налоги и экономические льготы, поощряется создание именно таких, малых предприятий. Такой фирме легче приспособиться к любым изменениям на рынке. Здоровая конкуренция между этими фирмами подталкивает их к поиску и внедрению новых технологий и предоставлению больших услуг.

В настоящее время в стране большое количество грузовых автомашин находится в частных руках. Ремонт этих машин на крупных авторемонтных мастерских становится не выгодным в связи с большими накладными расходами ремонтного предприятия. Поэтому наличие мелких авторемонтных фирм с невысокими накладными расходами становится необходимостью.

1.5. Задачи дипломного проекта.

В настоящее время в производственных подразделениях МПС РФ существует потребность в надежном и не требующем высокотехнологического оборудования способе восстановления чугунных коленчатых валов ГАЗ – 53А. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи: