Использование взрывных технологий для производства подшипников скольжения дизельных двигателей

напыление, подшипники скольжения, дизельные удобна при изготовлении небольших партий изделий различных типоразмеров, в то время как технология прокатки рассчитана на большие тиражи производства. Антифрикционные слои на основе меди выдерживают более высокие нагрузки, но склонны к интенсивной коррозии в маслах. Сплавы на алюминиевой основе имеют значительно более высокую коррозионную стойкость и большую стойкость к ударным нагрузкам, но меньшую задиро-стойкость при больших нагрузках по сравнению с материалами на медной основе.

Технология изготовления сталеалюминиевых заготовок вкладышей подшипников с использованием сварки взрывом разработана в КТФ ИГиЛ СО РАН совместно с ВНИИЖТ (г.Москва). Спроектировано и изготовлено специализированное технологическое оборудование для сварки взрывом (взрывная камера КВ-7) и штамповки (гидропресс) биметаллических заготовок (рис.1, 2). Технология нанесения приработочного покрытия также была разработана в ИГиЛ СО РАН, она базируется на применении оборудования и технологии последнего поколения – детонационного напыления с компьютерным управлением (CCDS – Computer Controlled Detonation Spraying). Один из последних вариантов оборудования – детонационный комплекс CCDS-2000 показан на рис. 3.

Рис. 1. Взрывная камера КВ-7

Рис. 2. Гидропресс с усилием до 250 т

Изготовление вкладышей и нанесение приработочных покрытий. Изготовление биметаллического вкладыша производится в несколько этапов. Вначале сваркой взрывом получают плоскую биметаллическую пластину с толщиной стальной основы 4 мм и более и толщиной антифрикционного слоя около 2 мм (рис. 4). Затем на гидропрессе производится холодная штамповка пластины в заготовку вкладыша в виде полукольца (рис. 5). После этого из заготовки механической обработкой получают вкладыш подшипника скольжения (рис. 6). Наиболее часто для изготовления вкладышей сваркой взрывом применяются антифрикционные сплавы AlSn20Cu1, AlSn10Pb2 и др. композиты на основе алюминия, содержащие олово. В качестве заготовки для сварки используется полоса антифрикционного сплава толщиной 2,2 мм в чехле из алюминиевой фольги толщиной 0,15 мм. Полоса получается методом прокатки по специальной технологии.

Рис. 3. Рабочий орган компьютеризированного детонационного комплекса CCDS-2000

Рис. 4. Плоские биметаллические заготовки сталь / сплав АО20-1

Рис. 5. Биметаллические пластины штампованные в полукольцо

Процесс сварки взрывом различных металлов и сплавов активно исследовался в 70-х годах прошлого века и подробно описан, например, в [1]. Особенности сварки антифрикционных сплавов со сталью отражены в [2, 3]. Очень важной операцией с точки зрения сведения к минимуму остаточных напряжений является холодная штамповка биметалла в полукольцо. Для этого разработана специальная оснастка и последовательность операций гибки и осадки заготовки, обеспечивающих такой уровень и распределение остаточных напряжений в полукольце, который предотвращает зажатие шейки коленчатого вала вкладышем при нагреве деталей в процессе работы [4].

Рис. 6. Вкладыши подшипника скольжения тепловозного дизеля 5Д49.

Большинство вкладышей во избежание задиров на начальном этапе работы при обкатке двигателя покрывают тонкими, так называемыми приработочными, покрытиями. Мягкий поверхностный слой выполняет несколько функций: увеличивает сопротивление схватыванию более твердых сплавов, предохраняет от коррозии, увеличивает усталостную прочность за счёт частичного перераспределения нагрузки. В качестве приработочных покрытий используют как легкоплавкие металлические сплавы, так и материалы на основе полимеров. В зависимости от состава и свойств используемых антифрикционных материалов, а также условий эксплуатации, выбирают материалы покрытий и способы их нанесения. Одна из основных технологий нанесения приработоч-ных покрытий на антифрикционные материалы на основе меди – гальваническая металлизация свинцом или оловом. Для предотвращения нежелательной диффузии приработочного материала в антифрикционный слой между ними наносится специальный барьерный слой никеля. Гальваническое производство является экологически вредным, кроме того, гальванику нельзя использовать для нанесения свинца и олова на сплавы на алюминиевой основе. В этом случае используют полимерные материалы с добавкой дисульфида молибдена, но они имеют низкую рабочую температуру.

Первоначально предполагалось, что сталеалюминиевые подшипники могут эксплуатироваться и без приработочного покрытия, но опыт показал, что в крупногабаритных дизелях они работают в условиях высоких нагрузок и отказаться от указанного покрытия нельзя. На наш взгляд, перспективной технологией нанесения приработочного покрытия является детонационное напыление. С этой целью были проведены работы по напылению порошка баббита ПР-Б83 (АР-SnSb11Cu6) на биметаллические подложки с антифрикционным сплавом АО20-1 и проведены трибологические испытания покрытий. Необходимо отметить, что детонационное напыление традиционно применяют для нанесения покрытий из тугоплавких (керамических и твердосплавных) материалов и износостойких сплавов на основе никеля и железа. Напыление же таких металлов как алюминий, медь, баббиты и т.д. на установках старого типа затруднительно, т.к. температура продуктов детонации составляет тысячи градусов, частицы наносимого легкоплавкого материала при вылете из ствола находятся в сильно перегретом жидком состоянии и разбрызгиваются при соударении с подложкой. Кроме этого, может происходить сильное окисление металла, что сказывается на качестве покрытия. Детонационный комплекс CCDS оснащенный быстродействующими клапанами позволяет прецизионно и стабильно дозировать подачу газов (окислитель, горючее, продувочный газ) и порций порошка в каждом выстреле. Данная аппаратура и разработанная методика расчета разгона частиц в стволе позволяют подбирать такие режимы, когда легкоплавкие частицы разгоняются в основном в течении за фронтом ударной волны, которая распространяется в стволе впереди продуктов детонации [5-7]. В таком режиме частицы не взаимодействуют или взаимодействуют недолго с высокотемпературными продуктами детонации, поэтому их прогрев значительно меньше, чем в случае разгона потоком продуктов детонации. Фактически детонационное напыление, которое обычно относят к «горячим» методам газотермического напыления, обладает возможностью по температурному режиму приблизиться к холодному напылению высокоскоростным газовым потоком, которое также используется в практике нанесения покрытий [8]. Описанный подход позволил разработать и внедрить в производство технологию металлизации пластмасс детонационным напылением, которая позволяет, например, наносить покрытие из алюминия на фторо-пласт [9, 10].

Экспериментальные образцы для трибологических испытаний изготавливались следующим образом. Сваркой взрывом получали биметаллическую пластину АО20-1/сталь 10, на которую детонационным напылением наносили покрытие из порошка баббита Б83 толщиной около 50 мкм (рис. 7, 8).

Рис. 7. Слоистая композиция (снизу вверх): сталь 10 /Al-AlSn20Cu1 / Б83

Из пластины вырезались полоски, из которых далее штамповались образцы в виде сегмента с углом 45о, внутренним диаметром 50 мм, наружным диаметром 68 мм и шириной 12 мм. Трибологические испытания проводились на машине трения CМТ-1. Коэффициент трения и нагрузка при задире определялись в тестах по схеме диск-накладка (рис. 9). Во время испытания тестируемый сегментный образец прижимался к вращающемуся со скоростью 300 об/мин стальному диску диаметром 50 мм и толщиной 12 мм. Диск был закален до твердости HRC 50. Усилие прижима образца к диску во время испытания изменялось от 200 до 2000 N, с шагом 100 N в течение 10 минут. Коэффициент трения определялся исходя из величины силы трения в момент задира. Для сравнения проводились испытания образцов, как с приработочным покрытием, так и без него. Результаты тестов приведены в таблице 1. Детонационное напыление обеспечивает достаточно высокую адгезию баббита на сплаве АО20-1, поскольку покрытие не отслаивалось при испытаниях, выдерживая приложенную нагрузку. Образцы с баббитовым слоем показали значительно более высокую задиростой-кость, чем сплав АО20-1 без покрытия. Таким образом, детонационное напыление вполне можно применять для нанесения приработоч-ных покрытий на подшипники скольжения.

Рис. 8. Антифрикционный слой (снизу) и при-работочное покрытие из баббита Б83 (сверху)

Рис. 9. Тестирование покрытия по схеме диск – накладка: 1 – вращающийся стальной диск, 2 – испытываемый образец с покрытием, P – сила прижима

Taблица 1. Трибологические свойства образцов

Материал	Mикротвёрдость Hv кг/мм2 (нагрузка 50 кг)	Коэффициент трения без смазки	Коэффициент трения со смазкой	Нагрузка при задире, N
AlSn20Cu1 без покрытия	17-21	0,276	0,024	600
AlSn20Cu1 с покрытием	26-36	0,092	0,061	1000

Примечание: в качестве смазки использовалось масло М-8-G.

Выводы: показано, что взрывные технологии (сварка взрывом и детонационное напыление) можно эффективно применять для создания многослойных материалов и изделий, в частности для изготовления подшипников скольжения дизельных двигателей. Детонационное напыление приработочного покрытия на антифрикционный слой вкладыша позволяет заменить экологически вредную гальваническую металлизацию и обеспечивает повышение задиростойкости трибоузла коленчатый вал – вкладыш.

Работа выполнена при поддержке научной школы НШ-5770.2010.1, программы Президиума РАН № 23 (проект 17), интеграционных проектов СО РАН № 82 и 108.