Восстановление прецизионных пар нанесением металлоорганических соединений

1 Октября 2012

Для восстановления изношенных плунжерных пар рекомендуется наносить на их поверхность комбинированные покрытия, состоящие из электролитического и газообразного хрома. Проводя процесс термораспада гексакарбонила хрома, можно получить, по мнению авторов, покрытия с хорошей износостойкостью.

Известно, что плунжерные пары топливных насосов высокого давления выполняют самые ответственные функции в системе топливоподачи и в значительной степени определяют надежность дизельной топливной аппаратуры. Плунжерные пары в условиях рядовой эксплуатации работают в жестких условиях и, следовательно, подвержены износу.

Для прецизионных пар общепризнанным является положение о ведущем и сопутствующем видах износа. В зависимости от условий трения сочетание таких факторов, как механическое воздействие, окружающая среда, материал, состояние поверхностей, приводит к более благоприятному развитию одного процесса изнашивания и менее благоприятному развитию другого, т. е. в любых условиях трения существует ведущий (доминирующий) вид износа, протекающий с наибольшей скоростью [1].

Для плунжерных пар наиболее опасным (ведущим) видом износа является гидроабразивный — износ, вызываемый воздействием абразивных (твердых) частиц. Кварц и гранит — основные компоненты почвы. Частицы размером 1...5 мкм плохо задерживаются фильтрами и могут попадать в прецизионные соединения. Содержание частиц в почве 20...25 %, а очистительная способность фильтров составляет 96...99 % (данные Н. Ф. Почтарева). Абразивные частицы могут образовываться и в самом дизеле в виде закаленных частиц металла — продуктов износа соединенных пар трения.

Принимая во внимание значения твердости кварца и гранита 8,2...11,3 ГПа*, получаем, что микротвердость материала при абразивном износе должна быть 16... 17 ГПа [2].

Микротвердость втулки плунжерных пар, изготавливаемых из стали ХВГ, не превышает 8 ГПа. Микротвердость азотированной стали 25Х4МА составляет 10... 11 ГПа, стали Р18 — не более 12 ГПа. По данным М. М. Тененбаума, при микротвердости металлической поверхности, превышающей на 60 % микротвердость абразива, износостойкость резко возрастает. Такое соотношение твердостей можно назвать критическим. Дальнейшие исследования показали, что твердость не может однозначно характеризовать сопротивление материала абразивному изнашиванию, потому что большое влияние оказывают прочностные и некоторые другие свойства материала.

Выводы по влиянию твердости абразива на износ металлов таковы: если твердость абразива значительно превышает твердость металла, то износ не зависит от разности твердостей абразива и металла; если твердость абразивных зерен ниже, чем твердость металла, то износ зависит от разницы твердостей и быстро уменьшается с увеличением этой разницы.

Ресурс деталей плунжерных пар не исчерпывается ресурсом новых деталей и может быть увеличен при использовании различных технологических процессов наращивания поверхности деталей слоями различных металлов. В паре плунжер- гильза секции топливного насоса, как правило, восстанавливают плунжер. Наиболее распространенным технологическим процессом для восстановления прецизионных пар в настоящее время является электролитическое хромирование. Однако износостойкость электролитического хрома не обеспечивает достаточный ресурс плунжерных пар. При интенсивном гидроабразивном износе его микротвердость оказывается недостаточной (10...11 ГПа). Следовательно, необходимо искать новые, прогрессивные технологии восстановления прецизионных пар.

Для обеспечения высоких прочностных свойств покрытий в качестве упрочняющей технологии предлагаются комбинированные покрытия, состоящие из электролитического и газофазного хрома. Для нанесения газофазного хрома используют гексакарбонил хрома Сr(СО)6.

Первые данные по морфологии поверхности, внутренней структуре, микротвердости карбонильных хромовых покрытий приведены в работе [3]. Знание закономерностей изменения этих свойств в зависимости от параметров технологического режима позволяет осуществлять процессы получения хромовых покрытий с заданными свойствами. Например, в зависимости от содержания связанного углерода в гексакарбониле (рисунок) меняется микротвердость покрытия. Меняя режим восстановления, можно получать заданную микротвердость покрытия от 12 до 16 ГПа. Скорость нанесения покрытия зависит от температуры нагрева гексакарбонила Сr(СО)6 и вакуума в реакторе.

Влияние различных технологических режимов на качество покрытия представлено в таблице.

Масса образца*1, г	Привес, г	Продолжительность опыта, мин	t, °С*2	Характеристика покрытия. Рекомендации
0,61/0,625	0,015	10	470/55	Покрытие неравномерное
0,65/0,66	0,01	10	360/55	Покрытие неравномерное.   В местах направленного попа­дания   гексакарбонила покрытие розовое, тонкое,   выше — голубоватое, а по краям светло-серое.   Вывод: необходимо поднять сопло выше
0,66/0,67	0,01	13	400/60	Сопло подняли до 300 мм от поверхности
0,65/0,66	0,013	10	340/55	Покрытие светло-серое, очень тонкое.   Вывод: температура 340 °С мала
0,64/0,71	0,07	10	390/55	Покрытие шелушится по краям
2,16/2,19	0,03	13	390/60	Покрытие светлое.   Качество удовлетворительное
2,65/2,68	0,03	10	400/60	Покрытие подкислено,   с одной стороны отслоилось
2,435/2,465	0,03	10	400/60	Покрытие светло-серое,   сверху и снизу отслоилось
1,895/1,92	0,025	12	410/60	Покрытие светло-серое,   немного подкисленное
2,21/2,32	0,11	10	420/60	Покрытие светло-серое.   Качество удовлетворительное
1,28/1,395	0,115	13	420/60	Покрытие светло-серое.   Качество удовлетворительное
1,29/1,405	0,115	10	420/55	Покрытие светло-серое,   немного потрескалось по краям
1,25/1,405	0,155	13	420/60	Покрытие светло-серое. Качество хорошее
1,21/1,408	0,198	13	420/60	Покрытие светло-серое.   Качество удовлетворительное
0,94/1,15	0,21	13	410/60	Покрытие слегка подкислено по краям.   В целом качество удовлетворительное
0,94/1,16	0,22	13	420/60	Покрытие светло-серое. Качество хорошее
0,95/1,17	0,22	10	420/60	Покрытие слабо подкислено по краям.   Качество в целом хорошее
0,93/1,25	0,32	13	410/60	Покрытие светло-серое. Качество хорошее
0,89/1,20	0,31	13	410/60	Покрытие светло-серое. Качество хорошее
1,9/2,35	0,45	13	410/60	Покрытие светло-серое.   Качество удовлетворительное
*1 В числителе приведена масса образца до опыта, в знаменателе — после опыта.   *2 В числителе указана температура разложения гексакарбонила, в знаменателе — температура его нагрева.

В процессе получения газофазного покрытия наряду с основным процессом восстановления хрома из его гексакарбонила протекают побочные процессы образования карбидов и оксидов хрома по следующим реакциям:

Cr(CO)6 = Cr + 6СО,
1,83Сr + СО = 0,33СrO₃ + 0,5Сr₃С₂,
2,33Сr + СО = 0,33Сr₂ O₃ + 0,5Сr₃С₂,
0,5СrO₂ + СО = 0,5Сr + СO₂,
0,33СrO₃ + СО = 0,33Сr + СO₂,
0,33Сr₂O₃ + СО = 0,66Сr + СO₂,
0,17Сr₃С₂ + СО = 0,5СrO₂ + 1,33С,
0,22Сr₃С₂ + СО = 0,33Сr₂O₃ + 1,44С.

После проведенного математического анализа получены оптимальные режимы получения покрытия: температура основания (температура разложения гексакарбонила) 400...420°С, температура нагрева гексакарбонила хрома (сублиматора) 60°С, рабочий вакуум 3...5 Па. Данный режим обеспечивает микротвердость покрытия 13,8... 14,3 ГПа. Кроме того, можно сделать не менее важный вывод: температуры ведения процесса позволяют совместить операцию обезводороживания основания с полезной операцией наращивания более плотных и механически прочных слоев.

Таким образом, проводя процесс термораспада гексакарбонила хрома на соответствующих режимах можно получить покрытия с хорошей износостойкостью.

*В силу неравномерного распределения напряжений при деформации вдавливанием индентора не рекомендуется давать микротвердости (как и твердости) размерность (Гуляев А. П. Металловедение. М.: Металлургия, 1977. С. 80; см. также ГОСТ 9450-76.) - Ред.

Борисов Г.А., Миронов В.В.
Журнал «Ремонт, восстановление, модернизация», №9 2004 г.

Литература:

1. Лозовский В. Н. Надежность золотниковых и плунжерных пар. М.: Машиностроение, 1974.
2. Тененбаум М. Н. Сопротивление абразивному изнашиванию. М.: Машиностроение, 1976. 276 с.
3. Сыркин В. Г. Химия и технология карбонильных материалов. М.: Химия, 1972. 240 с.