11. Хромирование поверхности шеек

Износ трущихся поверхностей в большой степени зависит от класса шероховатости их обработки, а также от твердости и ориентации зерен поверхностных слоев металла трущихся пар. Применение различных методов обработки поверхности шеек приводит и к различному их состоянию. Так, известно, что при перенаклепе поверхностного слоя происходит отслоение металла в виде чешуек, так как при этом теряется устойчивое, упругое или упругопластическое равновесие в слое, вследствие; чего этот слой гофрируется, ломается, что приводит к образо­ванию чешуек и ухудшению шероховатости поверхности.

После шлифования или полирования возникают микротре­щины в тонких пленах металла над глобулями графита, кото­рые при деформировании раскрываются и вспучиваются над поверхностью.

Таким образом, структурная неоднородность металла не по­зволяет достигнуть в процессе обработки трущейся поверхно­сти равномерной ее деформации, что приводит к снижению клас­са шероховатости поверхности. После удаления деформирован­ных и разрушенных плен методом полирования или суперфи- нишной обработкой получается поверхность с открытыми гло­булями графита.

Трудоемкость процесса полирования значительно возраста­ет по мере снижения качества предварительной шлифовальной операции.

Проведенные опыты показали, что работоспособность под­шипников в паре с полированными после шлифования шейка­ми значительно возрастает по сравнению с шейками, прошед­шими только шлифование, так как при этом количество дефор- 58

мированных плен металла над глобулями графита значительно сокращается.

Интенсивное изнашивание шеек наблюдается также при работе дизеля в атмосфере с повышенным содержанием пыли или при работе на топливе с большим содержанием серы. При этом на поверхности шеек появляются риски глубиной до 2—3 мкм, а в отдельных случаях на некоторых участках шей­ки глубина рисок достигает 100 мкм, указывающая на то, что при определенных режимах работы двигателя возможны крат­ковременные разрушения сплошности масляного слоя и обра­зования узлов схватывания, приводящих к повреждению поверх­ностей шейки вала и подшипника. Такие условия могут воз­никнуть при пуске дизеля или перегревах масла, когда толщи­на масляного слоя становится менее 2—3 мкм, а также при вибрациях дизеля, вызывающих на отдельных участках трения мгновенное сближение трущихся поверхностей, т. е. металли­ческое контактирование.

Другой фактор, который может вызвать интенсивное изна­шивание шеек вала, — это агрессивная среда (картерные га­зы) . При этом образуются твердые растворы и сложные хими­ческие соединения металла с кислородом, азотом, углеродом, значительно отличающиеся по антифрикционным свойствам от основного металла. Следовательно, применение эффективных методов повышения износостойкости шеек вала будет способ­ствовать увеличению долговечности коленчатого вала и его подшипников.

Ввиду того что основным видом износа шеек является абра­зивный, которому сопутствует схватывание и отделение хруп­ких пленок, образовавшихся в результате пластической дефор­мации поверхностного слоя шеек, повышение износостойкости может быть достигнуто путем применения различных методов поверхностного их упрочнения, к которым прежде всего отно­сится хромирование.

Хромирование коленчатых валов стало целесообразным про­цессом упрочнения как при изготовлении, так и при ремонте двигателей. Осаждение на шейках вала износостойкого, одно­родного по качеству и толщине хромового покрытия обеспе­чивает принятым технологическим процессом хромирования.

Реализация указанных требований может быть достигнута лишь при наличии специальных приспособлений, учитывающих конструктивные особенности хромируемой детали. Однако на­дежность сцепления хрома с поверхностью, на которую он осаж­дается, до некоторой степени зависит и от материала детали. Наибольшие трудности получения прочного соединения хрома (осадка) с основным металлом возникают на шейках коленча­того вала, отлитого из высокопрочного чугуна, содержащего большой процент углерода и кремния.

Многочисленные исследования и опыт хромирования чугун­ных валов показали, что наиболее качественное покрытие мо­жет быть получено лишь при полном погружении коленчатого вала в ванну, которое может осуществляться как при горизон­тальном, так и при вертикальном положении вала. Конструк­ция и размеры ванны для хромирования выбираются в соот­ветствии с габаритными размерами валов.

Питание электроэнергией установок для хромирования осу­ществляется мотор-генератором и выпрямителями. Тип мотор- генератора выбирается в зависимости от потребляемого тока_г который должен быть пропорционален общей площади хроми­руемых шеек и заданной наибольшей плотности тока. Так, для получения тока до 5000 А в длительном режиме при напряже­нии 12 В следует применять два параллельно соединенных мо­тор-генератора АНД 5000/2500 с параллельным включением их якорей. Обмотки возбуждения генераторов соединяются также параллельно. Ванны для хромирования оборудуются контроль­ными и регистрирующими приборами. Применяется также про­граммное управление с автоматическим регулированием тем­пературы, плотности тока, а также чередованием в определен­ной последовательности режимов процесса.

Для получения строго определенных размеров хромируе­мых шеек применяются специальные приспособления, состоя­щие из катодной подвески, анодов с экранами и анодных вы- йодов.

Большое влияние на качество покрытия оказывает предва­рительная подготовка поверхности к хромированию. Геометри­ческая форма и шероховатость поверхности шеек перед хроми­рованием должны отвечать требованиям, предъявляемым к готовому валу. Режимы предварительного шлифования шеек должны выбираться такими, чтобы поверхности шеек не имели шлифовочных трещин. Для удовлетворения этих требований не­обходимо отбалансировать шлифовальные круги и охладить обрабатываемую поверхность.

После шлифования шеек их галтели подвергают накатыва­нию, создающему сжимающие напряжения в поверхностных слоях галтели, которые нейтрализуют в известной степени на­пряжения в растянутом хромовом слое. Подготовленные к хро­мированию шейки вала измеряют и дефектоскопируют. Затем масляные отверстия шеек заделывают свинцом так, чтобы его уровень был ниже поверхности шейки на 0,2—0,3 мм.

Перед монтажом анодных головок на коленчатый вал его обезжиривают в щелочной ванне с последующей промывкой проточной водой. Качество обезжиривания определяют по сма­чиваемости поверхности. Сцепление хрома с основным метал­лом во многом зависит от качества обезжиривания. Во избежа­ние окисления шеек вала монтировать анодные головки реко­мендуется немедленно после обезжиривания. Перед монтажом 60 все контактные поверхности токоведущих шин подвижных при­способлений и рабочие поверхности анодов зачищают до метал­лического блеска.

Коленчатый вал с установленными на нем приспособления­ми погружают в ванну таким образом, чтобы расстояние от уровня зеркала электролита до поверхности ближайшей хро­мируемой шейки было не менее 100 мм, а между выступающи­ми частями приспособления и стенками ванны — не менее 100— 150 мм. Процесс хромирования вала может начинаться только после уравнения температур вала и ванны, после чего вал декапируется при плотности тока 20—25 А/дм² в течение 15—20 с.

Хромирование шеек коленчатого вала может производиться при разных режимах и составах электролита. Этот процесс ре­комендуется вести при плотности тока 60 А/дм². Наиболее це­лесообразно применять режим хромирования с периодическим изменением направления тока. Переменная полярность позво­ляет получить более равномерное, гладкое и менее напряжен­ное покрытие.

Состав электролита должен быть таким, чтобы напряжение в осадке хрома было наименьшим.

Шейки коленчатых валов с таким покрытием шлифуют ме­нее твердыми шлифовальными кругами и затем обрабатывают войлочными кругами или полирующими головками, что в зна­чительной степени снижает трудоемкость финишной операции. Припуск на обработку в этом случае должен быть выдержан наименьшим, не превышающим 0,03 мм.

По окончании хромирования коленчатый вал промывают горячей водой, а после демонтажа приспособлений пассивиру­ют в течение 1—2 мин при температуре 70—80°С раствором, содержащим хромпика 0,1%, кальцинированной соды 0,2%. За­тем вал промывают водой и обдувают сжатым воздухом.

Качество хромового покрытия оценивается по его цвету и надежности сцепления с основным металлом. Не допускается на рабочей поверхности шеек отслаивание хрома, непокрытие отдельных участков и хрупкий осадок серого цвета.

Диаметр шеек, покрытых хромом по первому режиму, дол­жен соответствовать чертежному размеру с припуском на шли­фование 0,05—0,08 мм. Толщину осажденного слоя хрома оп­ределяют путем сопоставления диаметров шеек до и после их хромирования. Для удаления водорода с поверхности и снятия внутренних напряжений вал после хромирования подвергают термической обработке при температуре 180—220°С в течение 2—2,5 ч.

При хромировании деталей, работающих со знакоперемен­ными нагрузками, следует учитывать уровень их предела вы­носливости. Надежность таких валов не должна быть ниже до­пустимой.

При электроосаждении в слое хрома возникают внутренние растягивающие напряжения, являющиеся результатом сокра­щений объема осажденного хрома. Этим сокращениям препят­ствует прочное сцепление покрытия с основным металлом, в ре­зультате чего хромовое покрытие оказывается растянутым. Внутренние напряжения в хромовом осадке с увеличением его толщины возрастают до значительных размеров, а увеличение концентрации электролита ванны напряжения снижаются. Для получения наименьшего напряженного осадка хрома при по­крытии шеек коленчатого вала необходимо поддерживать мак­симально допустимые температуры электролита, при этом надо помнить, что чрезмерное повышение температуры приводит к снижению твердости и износостойкости хромового покрытия.

Проведенные испытания хромированных чугунных коленча­тых валов показали, что предел выносливости таких валов сни­жается на 5—10% по сравнению с нехромированными и с уве­личением толщины хрома эта зависимость повышается.

Предварительно накатанные коленчатые валы, а затем хро­мированные все же обладают высоким пределом выносливости по сравнению с ненакатанными. Сочетание накатывания галте­лей шеек с их хромированием в различных вариантах значи­тельно повышает предел выносливости, а следовательно, и срок службы коленчатого вала. Если хромированный вал не накаты­вать, то его предел выносливости составит не более 50 МПа. При накатке галтелей усилием 20 ООО Н и при толщине хрома 250 мкм предел выносливости достигает 80 МПа, а при накат­ке галтелей усилием 20 000 Н и толщине хрома 450 мкм пре­дел выносливости составит 78 МПа. Нехромированный вал, но с накатанными галтелями усилием 20 000 Н имеет предел выносливости, достигающий 87,5 МПа.

Сглаживание неровностей и доводку размеров хромирован­ных шеек вала до чертежных значений достигают шлифованием или полированием. Для шлифования хромированных шеек при­меняют абразивные круги на керамической связке (ЭБ или КЗ). Рекомендуется следующий режим полирования:

2. Основные элементы конструкции коленчатых валов (галтели, шейки, щеки) 11

а)) 18

3. Тепловые деформации блока цилиндров и их влияние на напряженное состояние коленчатого вала 21

4. Размеры и нормы содержания коленчатых валов в эксплуатации 25

II. ХАРАКТЕРИСТИКА ЧУГУНА, ПРИМЕНЯЕМОГО ДЛЯ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ 29

5. Впияние качества литья на прочность коленчатых валов 29

6. Совершенствование технологии отливки коленчатых валов 32

III. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ 36

7. Общие сведения 36

8. Пластическая деформация (накатывание) поверхности галтелей 37

9. Особенности технологии накатывания 43

10. Химико-термическая обработка (азотирование) 51

[Ю]. 57

11. Хромирование поверхности шеек 59

13. Интенсивность износа неазотированных и азотированных коленчатых валов 75

а) мкм 78

д)тм 78

е)мкм 78

14. Эксплуатационные нормы содержания коленчатых валов 85

15. Несоосность (ступенчатость) опор и коренных шеек коленчатых валов 87

а)мкм_е 89

16. Методы измерения износа шеек 92

17. Укладка коленчатого вала на опоры блока цилиндров 98

18. Дефектоскопия коленчатых валов 103

Этот режим должен строго выполняться, так как при его на­

рушении могут появляться трещины, выявить которые практи­чески трудно. Кроме того, нарушение этого режима может сни­зить класс шероховатости поверхности, а следовательно, и ра­ботоспособность шеек.

Шероховатость поверхности шеек вала должна быть не ни- же Rz Оценка шероховатости поверхности производится про- филографом или путем сравнения с эталонными образцами. При неудовлетворительной механической обработке шеек (дроб- 62 леной поверхности, огранке) или отслаивании хрома такой вал в сборку не допускается. Дефектное покрытие удаляют с шеек химическим или электролитическим способом, после чего вал подвергают термической обработке при температуре 160—180°С в течение 1,5—2 ч и повторно шлифуют, а затем снова хроми­руют.

Восстановление одиночных шеек вала методом хромирова­ния может производиться неограниченное количество раз.

Отрицательное влияние хромирования на предел выносли­вости чугуна в значительной степени компенсируется повыше­нием его износостойкости.

Проведенные испытания [4] коленчатого вала дизеля типа Д100 с первой, второй и третьей хромированными коренными шейками (1, 2, 3) в паре с подшипниками с баббитовой залив­кой марки БК-2 показали значительное снижение (в 3 раза и более) интенсивности износа трущихся поверхностей по срав­нению с нехромированными поверхностями. Это объясняется тем, что баббитовые подшипники быстро прирабатываются в результате пластического перераспределения массы антифрик­ционного слоя заливки, хорошего поглощения этим слоем абра­зивов и удержанием в нем масла.

По сравнению с другими парами трения коэффициент тре­ния для пары хром—баббит имеет самое низкое значение. Пос­ле шлифования хромированные и нехромированные шейки ис-

R0.32

zy.

Условия испытания отвечали самым тяжелым эксплуатацион­ным режимам работы дизеля. Переход с одного режима на другой производился, как и при поездной работе, в течение

1. мин. Через каждые 600 ч работы дизеля его разбирали для изучения поверхностей трения шеек и подшипников, измеряли детали, отбирали пробы масла и т. д. Общая продолжитель­ность испытания составила 4000 ч. Визуальной оценкой по­верхностей хромированных шеек установлено, что приработка их протекала сравнительно медленно. После 1250 ч работы ди­зеля наблюдались еще следы шлифования. Однако прирабо­танные участки поверхности шеек имели шероховатость, не превышающую R_zy--. Нехромированные шейки вала за это же время прирабатывались полностью. Трущиеся поверхности дан­ных шеек имели большую шероховатость, превышающую R °у^ь и отдельные риски глубиной до 40—50 мкм. После 4000 ч ра­боты дизеля хромированные шейки имели однородную шерохо­ватость без глубоких рисок и повреждений.

Для высокопрочного чугуна среднее значение неровностей нехромированных шеек составляло 1,98 мкм, а наибольшее — 16,35 мкм (одиночные риски), тогда как для хромированных шеек эти значения не превышали 1,26 мкм и 4,72 мкм соответ­ственно.

Подшипники, работавшие с хромированными шейками, име­ли также более высокий класс шероховатости поверхности, чем подшипники, работавшие с нехромированными шейками.

При сравнении значений износа первой, второй и третьей хромированных шеек с износом этих же шеек нехромированно- го вала из высокопрочного чугуна, испытанного в аналогичных условиях, можно сделать вывод (табл. 15), что хромовое по­крытие обеспечивает значительное уменьшение истирания тру­щихся поверхностей. Средний износ хромового покрытия на первой коренной шейке (наиболее изнашиваемой) в 3,2 раза меньше износа первой коренной шейки, не покрытой хромом.

Таблица 15

Покрытия шеек	№ коренных шеек
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	п	12
Хромовое	0,75	0,57	0,40	1,65	0,97	1,10	1,17	1,53	0,68	1,18	0,57	1,25
Высокопрочный без покрытия	2,42	1,28	1,06	1,45	0,73	0,98	1,44	1,68	0,86	0,90	0,93	1,89

Скорость нарастания износа сопряженных поверхностей трения шеек и подшипников коленчатого вала имеет тесную взаимосвязь и обусловливается свойствами их материалов. Если шейка вала в процессе его работы более стойкая к поврежде­нию, то и интенсивность износа подшипника становится замет­но ниже, так как трущаяся поверхность такой шейки имеет не­ровности меньшей высоты от тех неровностей, которые способ­ны при критической толщине масляной пленки, равной 3 мкм (для дизелей типа ДЮО), повредить сопряженную поверхность подшипника.

Повышенная износостойкость хромированных шеек и малая высота микронеровностей на их поверхности определяют мини­мальный суммарный износ трущейся пары. Не покрытые хро­мом шейки коленчатого вала, изготовленного из ВПЧ, легко повреждаются и поэтому приобретают при трении сравнитель­но большую высоту микронеровностей, вызывающих более интенсивное изнашивание сопряженных с ними подшипни­ков.

Как показал опыт применения упрочнения чугунных колен­чатых валов тепловозных дизелей, наиболее целесообразным является комплексный метод упрочнения их шеек путем накат­ки галтелей с последующим хромированием цилиндрической части шейки. Такой метод упрочнения крупных коленчатых ва­лов транспортных дизелей значительно повышает их долговеч­ность. По своим прочностным свойствам и износостойкости ко­ленчатые валы, прошедшие комплексное упрочнение, способст­вуют значительному увеличению межремонтных пробегов теп­ловоза.