Increasing the wear resistance of the ICE’s valves with the laser cladding method

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Виды изнашивания и причины разрушения клапанов

Износ и выход из строя клапанов влечёт за собой проблемы для двигателя: снижение производительности, а также высокие затраты на ремонт. Анализ автора Kwon OG показал, что основными причинами отказов клапанов являются:

• термические и механические напряжения, в связи с чем происходит потеря твёрдости основного металла;
• сильное окисление поверхности, что приводит к истиранию рабочих поверхностей тарелки клапана и седла [1].

Впускные клапаны выходят из строя намного реже, чем выпускные, т. к. тарелка впускного клапана остаётся более холодной за счёт обдува её холодным впускным зарядом, в случае с выпускным — температура тарелки находится в пределах 500…700 ℃, но в некоторых экстремальных условиях (при перегрузке двигателя или неправильном режиме работы) температура выпускного клапана может значительно превышать эти значения. Из-за таких высоких температур, при неправильном выборе материала во время проектирования он теряет свои механические свойства: пластичность и прочность. Поэтому необходимо применять технологии, позволяющие создавать новые покрытия на тарелке клапана с высокими механическими свойствами и эффективной теплопередачей к седлу и к головке блока цилиндров [1, 2].

В литературе [3] показывают, что изнашивание тарелки клапана происходит по трём направлениям: абразивному, адгезионному и коррозионному износу. Это происходит из-за скольжения частиц износа сопрягаемых поверхностей с твёрдыми продуктами сгорания топлива, некачественного смазочного масла. К данному виду износа приводят несовместимые материалы седла и клапана, высокая температура, малое количество смазки, а также высокое давление сгорания [4].

M Panțuru и другие в своих работах представили результаты по получению новых покрытий на тарелке клапана, где слои обладали следующими улучшенными характеристиками: по абразивному износу защита от коррозии, адгезионный износ, улучшение теплопроводности, устойчивость к окислению. Для получения таких покрытий были использованы разные виды материалов: оксиды, карбиды, металлокерамики, а также композитные материалы [2, 5, 6].

Главные факторы, которые вносят значительный вклад в износ уплотнительной поверхности — это удар о седло и микроскольжение уплотнения из-за упругой деформации тарелки клапана во время сгорания (рис. 1).

 

Рис. 1. Деформация тарелки клапана из-за давления сил газов (Pz) (S0-микроскольжение).

Fig. 1. Deformation of valve plate caused by gases pressure (P_z) (S₀ is microslipping).

 

Данное микроскольжение зависит от жёсткости тарелки, угла контакта и приложенной силы давления сгорания [7, 8, 9, 10].

Удар клапана о седло и микроскольжение рабочих поверхностей сопряжения, вызываемое силой давления газов, в совокупности с высокой температурой (500–700 °С) приводят к образованию дефектов или выходу из строя сопряжения [3].

Виды дефектов тарелки клапана

Сопряжение клапан-седло в двигателе внутреннего сгорания может иметь несколько дефектов, которые ведут к снижению эффективности работы двигателя и даже выхода его из строя.

Основные дефекты:

1. Износ: при работе двигателя клапан и седло изнашиваются (рис. 2), что приводит к неправильному контакту между ними и утечке газов. Рецессия клапана и седла является неизбежной при работе двигателя, а при повышенных нагрузках это явление прогрессирует. Причинами того могут быть следующие факторы:
   
   • направляющая втулка и седло клапана имеют геометрические отклонения, т. е. не соосны;
   • слишком высокий уровень температуры;
   • седло клапана подвергается слишком высоким механическим нагрузкам, например, воздействию со стороны усиленных клапанных пружин или остропрофильных кулачков распределительных валов [11].

 

Рис. 2. Износ на рабочей поверхности.

Fig. 2. Wearing at the working surface.

 

2. Коррозия (коррозионно-механическое окислительное изнашивание) и эрозия (эрозионное изнашивание): причинами коррозии в сопряжении клапан-седло являются повторяющиеся с высокой частотой воздействия агрессивной среды ОГ при повышенной температуре и эрозионное воздействие струи газа и продуктов неполного сгорания топлива на клапаны и седла. После некоторого времени эксплуатации седло покрывается нагаром, который при высокой температуре нагревается и приводит к выжиганию опорной поверхности клапана, что способствует потере герметичности в камере сгорания.

Ускорение процесса коррозии может быть вызвано неправильной топливно-воздушной смесью. Обеднённая смесь приводит к повышенной температуре сгорания, что усиливает коррозионное действие отработавших газов. При излишне обогащённой смеси сгорание проходит медленнее и при более низкой температуре. Несгоревшие тяжёлые фракции топлива ускоряют осаждение слоя нагара, коррозионно-агрессивного к материалу клапана. Коррозионные процессы на клапанах и сёдлах интенсифицируются в большой степени в период длительных простоев двигателя, незащищённого от коррозии. Оставшиеся в цилиндрах топливо и отработавшие газы образуют электрохимическую коррозионную среду, повреждающую клапаны и седла [12].

3. Трещины: усталостные свойства материалов, из которых изготавливают клапаны, ухудшаются из-за высокой температуры и циклических ударных нагрузок, что является причиной возникновения множественных усталостных трещин.

Наиболее частой причиной выхода клапанов из строя является износ рабочей поверхности фаски. Для повышения её износостойкости современные производители применяют различные методы нанесения износостойких покрытий.

Методы восстановления и нанесения защитных покрытий на фаску тарелки клапана

Одним из доступнейших методов для нанесения покрытий с целью защиты деталей от износа или восстановления изношенных участков является электродуговая наплавка. Наиболее часто такой метод применяют для ремонта деталей машин и механизмов вследствие простоты её осуществления и мобильности технологического оборудования. Электродуговая наплавка отличается возможностью выполнения работ вручную и низкой стоимостью оборудования, вкупе с высокой производительностью процесса. Среди недостатков стоит отметить высокий уровень термических деформаций и низкое качество получаемого покрытия [13].

Самым распространенным методом нанесения износостойких покрытий в производственных условиях является газопламенная наплавка по причине более высокого качества покрытия по сравнению с электродуговой наплавкой и высокой производительностью. Нанесение покрытий газоплазменной наплавкой сопровождается значительными термическими деформациями обрабатываемых изделий, что приводит к большим затратам на механическую обработку [14].

Кроме того, существуют методы нанесения гальванических покрытий, но из-за малой толщины получаемого покрытия (6–20 мкм) эти методы непригодны для восстановления изношенных фасок клапанов, т. к. износ на этой поверхности может достигать нескольких миллиметров.

Перечисленные методы обладают рядом недостатков, не позволяющих использовать их для нанесения износостойких покрытий на фаску клапана без значительного повышения себестоимости.

Наиболее сбалансированным и перспективным является метод лазерной порошковой наплавки. Этот метод позволяет получать слой покрытия толщиной от 0,1 мм до 5 мм, кроме того, в виду более точных границ воздействия лазерного излучения можно наносить равномерные по ширине и высоте слои. Качество покрытия значительно выше, чем при газопорошковой и электродуговой наплавке [15, 16]. Производительность процесса не уступает вышеперечисленным методам и составляет около 10 кг/ч. Важным преимуществом становится малая зона термических влияний, что уменьшает тепловые деформации до около нулевых значений при наплавке на изделие.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для проведения экспериментальных исследований использовался лазерный роботизированный комплекс наплавки (ЛРК-Н), включающий в себя: 6-осевой промышленный робот, устройство подачи порошкового материала «Дрозд», предназначенный для дозированной подачи порошкового материала в экспериментальную лазерную наплавочную головку с модулем подачи порошка с четырёх сторон, использование данной насадки рассматривалось автором [17, 18], где было установлено, что она обеспечивает формирования установленного непрерывного потока порошкового материала в зону наплавки. Источником излучения был иттербиевый волоконный лазер ЛС-3-К мощностью 3 кВт. Наплавка производилась без подогрева.

В качестве наплавочного материала использовался металлический порошок марки ПР-08Х17Н8С6Г с размером частиц 63–125 мкм. Наибольшая массовая доля в порошке: Fe составляет около 66%; легирующие компоненты: Cr — 17,7%, Ni — 7,97%, Si — 5,55%, Mn — 1,93%, а остальные компоненты (C, Co) составляют сотые доли процента.

Лазерная наплавка была выполнена с использованием непрерывного лазерного излучения в защитном (6 л/мин) и транспортирующем (25 л/мин) чистом газообразном аргоне (чистота 99,998%).

Наплавленное покрытие проходило следующие виды контроля:

• капиллярный контроль по ГОСТ 18442-80;
• металлографические исследования;
• определение микротвердости.

Металлографические исследование производилось на металлографическом микроскопе Leica DM ILM. Металлография проводилась для выявления дефектов в структуре, измерении толщины наплавленного слоя, зоны проплавления и зоны термического влияния. Также проводилось измерение микротвёрдости для выявления твёрдости отдельных фаз.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

На основании ранее проводимых исследований по нанесению порошкового материала ПР-08Х17Н8С6Г был выбран технологический режим лазерной наплавки [19, 20]. Наплавка производилась в один слой. Внешний вид наплавленных клапанов представлен на рис. 3.

 

Рис. 3. Внешний вид наплавленных выпускных клапанов.

Fig. 3. Outer view of the coated exhaust valves.

 

Один из клапанов проходил неразрушающий контроль (капиллярный), второй — металлографический анализ.

Капиллярный контроль проводился с целью обнаружения дефектов, таких как поры, трещины, раковины и т. п. Результат представлен на рис. 4.

 

Рис. 4. Капиллярный контроль наплавленного покрытия на фаску выпускного клапана.

Fig. 4. The liquid penetrant test of the coated surface at the exhaust valve’s chamfer.

 

По результатам капиллярного контроля дефекты обнаружены не были.

Металлографический анализ выявления внутренних дефектов в зоне наплавки и зоне перемешивания проводился на подготовленных микрошлифах, представляющих собой поперечное сечение, вырезанного сегмента наплавки. Высота наплавленного слоя — 1,1 мм.

Микрошлиф наплавленного покрытия представлен на рис. 5.

 

Рис. 5. Микрошлиф наплавленного покрытия.

Fig. 5. A microslice of the coated surface.

 

На основании проведённых металлографических исследований дефектов в наплавленном покрытии не обнаружено. Микротвёрдость покрытия составила 435–485 НV (44–48 HRC), зоны проплавления — 334–373 HV (34–38 HRC), в зоне термического влияния — 128–144 HV.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведённого литературного обзора были выявлены основные дефекты, которые возникают на поверхности тарелки клапана ДВС. Они могут быть вызваны различными причинами: износом, коррозией, перегревом и другими факторами, приводящими к снижению производительности двигателя, а также выхода из строя.

Для устранения дефектов используют различные методы нанесения защитных покрытий. Одним из наиболее эффективных методов является лазерная порошковая наплавка. Этот метод позволяет наносить на поверхность тарелки клапана устойчивое к износу и коррозии покрытие, что позволяет продлит срок эксплуатации детали.

С целью подтверждения эффективности метода были выполнены экспериментальные работы по лазерной наплавке износостойкого покрытия на поверхность фаски клапана. После этого были проведены капиллярный контроль, металлографические исследования наплавленного слоя, показавшие отсутствие дефектов на обработанной поверхности. Кроме того, были получены результаты по замеру микротвердости — 44–48 HRC, что свидетельствует о высокой стойкости покрытия к износу.

Таким образом, лазерная порошковая наплавка — эффективный метод нанесения защитных покрытий на тарелку клапана ДВС. Это позволяет устранить дефекты, приводящие к снижению производительности двигателя, и продлить его срок эксплуатации. Результаты экспериментальных работ подтверждают эффективность этого метода.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. А.В. Завитков — поиск публикаций по теме исследования, написание текста рукописи, проведение экспериментальных работ по лазерной наплавке; А.Б. Люхтер — экспертная оценка, утверждение финальной версии публикации; А.С. Локтев — проведение исследований наплавленного покрытия, создание изображений. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствия внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. A.V. Zavitkov ― search for publications, writing the text of the manuscript, conducting experimental work on laser cladding; A.B. Lyukhter ― expert opinion, approval of the final version; A.S. Loktev ― conducting research on the deposited coating, creating images. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Alexey V. Zavitkov

Vladimir State University named after A.G. and N.G. Stoletovs

Author for correspondence.
Email: vip.zavitkov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4323-5398
SPIN-code: 9599-0692
Scopus Author ID: 57214124373
ResearcherId: 4462-2022

Postgraduate of the Heat Engines and Power Plants Department

Russian Federation, Vladimir

Alexander S. Loktev

Vladimir State University named after A.G. and N.G. Stoletovs

Email: loktev@laser33.ru
ORCID iD: 0009-0004-5978-2219

Undergraduate of the Heat Engines and Power Plants Department

Russian Federation, Vladimir

Alexander B. Lyukhter

Vladimir State University named after A.G. and N.G. Stoletovs

Email: 3699137@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1523-0637
SPIN-code: 5633-5549

Dr. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Heat Engines and Power Plants Department

Russian Federation, Vladimir

References

Supplementary files