ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ ВОЕННЫХ НАУК
№ 3(24)/2008 (спецвыпуск)
УДК 621.75.828:6
Е.В. ШЛЯКОВА
Омский танковый инженерный институт
И.В. МОЗГОВОЙ,
д.т.н., профессор,
Омский государственный технический университет
А.А. СОЛОВЬЕВ,
к.ф.-м.н., профессор,
член-корреспондент АВН
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В работе рассмотрены лазерные методы обработки гильз цилиндров двигателя внутреннего сгорания с целью повышения их устойчивости к коррозии.
Проблема коррозионной стойкости касается военной техники, находящейся в условиях постоянной эксплуатации и на хранении. 65 - 80% неисправностей обусловлены коррозией и старением деталей, 30 - 40% таких неисправностей вызывают вынужденные остановки машин в пути. Поэтому защита узлов и деталей военной техники от коррозии и повышение износостойкости отнесена к основным направлениям научно-технического прогресса.
Химическая стойкость конструкционных металлических материалов, используемых в производстве и ремонте техники, зависит от природы, состава и структуры самого материала, состава технологической среды и гидродинамических условий эксплуатации изделий. В двигателях внутреннего сгорания объектов военной автомобильной техники наиболее подвержены коррозии гильзы цилиндров двигателей. Продукты коррозии выступают над поверхностью стенок гильз и при последующем запуске срезаются поршневыми кольцами. Происходит интенсивный износ гильз цилиндров и поршневых колец, в результате чего снижается мощность двигателя, увеличивается расход топлива и масла, сокращается межремонтный срок службы.
Основной причиной коррозии гильз цилиндров являются продукты сгорания топлива, в котором содержится до 0,2% сернистых соединений. Образуются оксиды серы, которые, соединяясь с парами воды из отработавших газов, превращаются в серную и сернистую кислоты. На стенках гильз цилиндров серная кислота конденсируется во время работы двигателя при пониженном тепловом состоянии и небольших оборотах коленчатого вала.
Гильзы двигателей большой мощности современной военной техники выполняются из азотированной стали 35ХЮА, 35ХМЮА, 38ХМЮА с присадкой алюминия. Азотирование и термическая обработка гильзы значительно повышают твердость внутренней поверхности и уменьшают износ гильзы.
Нами предлагается использовать лазерное излучение для обработки поверхности металлов с целью повышения коррозионной стойкости, твердости, износо- и теплостойкости.
Исследовалось влияние лазерного излучения на повышение коррозионной стойкости гильз цилиндров двигателя внутреннего сгорания.
Для проведения коррозионных испытаний нами были изготовлены образцы стали 38Х2МЮА. Перед экспериментом образцы были промыты дистиллированной водой, высушены фильтровальной бумагой, обезжирены спиртоэфирной смесью, выдержаны в эксикаторе с термически обработанным силикагелем. Половина образцов стали 38Х2МЮА подвергалась лазерному облучению на лазерной технологической установке ЛТУ-2М.
Режимы лазерной обработки: длительность импульса 1,5 • 10-3с, напряжение накачки лазера 2,5 кВ, фокусное расстояние от линзы 260мм, 270мм, 280мм, коэффициент перекрытия пятна излучения 0,5. Для снижения коэффициента отражения лазерного излучения поверхности образцов покрывались тонким слоем сажи по общепринятым методикам [1].
В качестве электролита для коррозионных испытаний использовался 4н раствор серной кислоты. Выбор электролита обусловлен тем, что при сгорании дизельного топлива, содержащего серу, образуются оксиды серы (IV) и (VI), которые частично превращаются в сернистую и серную кислоты. Таким образом, данный раствор электролита моделирует агрессивную среду, возникающую в реальных условиях эксплуатации двигателей внутреннего сгорания военной техники [2].
Образцы, подготовленные к испытаниям, взвешивались на аналитических весах АВД-200 с точностью до 1•10-4 г; затем покрывались слоем горячей замазки из сплава канифоли с воском (1:1). На каждом образце счищался рабочий участок площадью 0,25 см2, который обрабатывался спиртоэфирной смесью, после чего образцы погружались в 4н раствор серной кислоты.
Выдержанные в электролите в течение 2,5 часов образцы промывались под струей воды, погружались в горячий спирт для удаления слоя замазки, продукты коррозии удалялись щеткой. Образцы повторно промывались, высушивались, обезжиривались, выдерживались 24 часа в эксикаторе, взвешивались. Потеря массы в единицу времени, отнесенная к единице поверхности, позволяет определить скорость коррозии [31:
Результаты эксперимента представлены в таблице 1.
Очевидно, что лазерная обработка повышает коррозионную стойкость стали 38Х2МЮА. Эффективность лазерной обработки как способа защиты поверхности стали 38Х2МЮА от коррозионного разрушения достаточно высока, причем наибольшая степень защиты достигается при расстоянии 260 мм между обрабатываемой поверхностью и источником излучения (рис.1).
С целью подтверждения результатов исследования скорости коррозии весовым методом образцы стали 38Х2МЮА были подвергнуты электрохимическим испытаниям. Определение коррозионной стой кости стали нами проводились электрохимическим способом методом построения потенциостатических поляризационных кривых.
Потенциостатический метод основан на установлении с помощью потенциостата постоянного во времени значения потенциала исследуемого электрода по отношению к электроду сравнения и измерении тока в цепи исследуемый - вспомогательный электроды. Важным признаком электрохимических реакций является эквивалентность их скорости плотности тока i [3].
В качестве электрода сравнения использовался хлорсеребряный электрод. Вспомогательный электрод размещался в отсеке, отделенном от испытуемого электрода стеклянным фильтром. Поляризация осуществлялась с помощью потенциостата П-5827М в стационарной ячейке ЯСЭ-2 при температуре 25°С. Электролитом служил 4н раствор серной кислоты.
Поляризация начиналась через 10-15 минут после погружения образца в раствор электролита и установления стационарного потенциала. Катодная и анодная ветви устанавливались в прямом направлении от стационарного потенциала последовательно, не вынимая образца из раствора. Выдержка при каждом заданном потенциале составляла три минуты, после чего фиксировался ток (I, мА). По вычисленным значениям плотности тока
построены графики зависимости Е от lg i коррозии (рис.2-5). Из графика путем экстраполяции прямолинейных участков к значению стационарного потенциала находим lgi коррозии как координату пересечения экстраполяционного продолжения катодного и анодного участков поляризационной кривой, затем вычисляем значение тока коррозии.
Нами также рассматривалась возможность обработки образцов стали 38Х2МЮА излучением лазера непрерывного действия [4]. Обработка велась на лазерной установке ЛТН-2. Электрохимическое поведение образцов стали 38Х2МЮА относительно хлорсеребряного электрода в 4н серной кислоте после облучения лазером непрерывного действия показано на рис.6.
Результаты исследования влияния лазерного облучения на скорость коррозии образцов стали 3 8Х2МЮА представлены в таблице 2.
Таким образом, сравнивая электрохимическое поведение необлученных образцов стали 38Х2МЮА и облученных при различных режимах, можно утверждать, что токи коррозии облученных образцов ниже, чем необлученных.
Скорость коррозии облученных образцов в 4н растворе серной кислоты значительно ниже (рис.7).
Нами были проведены также металлографические исследования образцов стали 38Х2МЮА до и после облучения лазером [4]. Шлифы изготавливались и обрабатывались по стандартной методике, исследовались на микроскопе МИМ-7 с 100-200-кратным увеличением.
На поверхности образца, не обработанного лазерным излучением, наблюдался ярко выраженный коррозионный износ глубиной до 35 мкм, в то время как для образца после лазерной обработки - 10 мкм. После лазерной обработки на поверхности образуется «белый слой», который обладает высокими противокоррозионными свойствами. Глубина этой зоны в зависимости от режимов обработки достигает 750 мкм (рис.8). Это довольно значительная глубина и она не уступает глубине азотированного слоя, которая достигается весьма затруднительно.
По результатам электрохимических исследований скорости коррозии можно сделать следующие выводы:
1. После лазерной обработки как в импульсном режиме с различным напряжением накачки, так и в непрерывном токи коррозии образцов стали 38Х2МЮА уменьшаются, что указывает на снижение скорости коррозии исследуемых образцов в 4н растворе серной кислоты.
2. Токи коррозии облученных лазером импульсного действия образцов стали 38Х2МЮА в 4н растворе серной кислоты определяются параметрами лазерного излучения, а именно напряжением накачки, с ростом которой наблюдается уменьшение токов коррозии.
3. Наименьшие токи коррозии достигнуты в результате облучения образцов стали 38Х2МЮА лазером непрерывного действия.
4. Снижение скорости коррозии в исследуемых образцах происходит за счет торможения анодного процесса растворения металла.
Таким образом, комплекс проведенных нами исследований позволяет сделать вывод о перспективности лазерной обработки поверхностей деталей и узлов объектов военной техники с целью предупреждения коррозионного разрушения и износа, что приводит к значительному повышению сроков их эксплуатации. Лазерная обработка может быть рекомендована на основных и ремонтных предприятиях.
The article under consideration deals with the methods of lazier treatment of cylinder liners, inlet vales of the internal combustion engine which are designed for increasing their corrosion resistance.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шлякова Е.В. Исследование коррозионной стойкости сплавов после лазерного облучения / И.В. Мозговой, А.А. Соловьев, Е.В. Шлякова // Материалы межрегиональной научно-практической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование» (Броня -2004). - Омск: Изд-во ОТИИ, 2004. - С.159-162.
2. Шлякова Е.В. Коррозионная стойкость стали после лазерной обработки / И.В. Мозговой, А.А. Соловьев, Е.В. Шлякова // Материалы III Международного технологического конгресса «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения» (ВТТВ-2005). Часть I. - Омск: изд-во ОмГУ, 2005. - С.325-326
3. Семенова И.В. Коррозия и защита от коррозии / И.В.Семенова, Г.М. Флорианович, А.В. Хорошилов / Под ред. И.В. Семеновой - М.: Физматлит, 2002. - 335 с.
4. Шлякова Е.В. Антикоррозионная поверхностная обработка металлов: Монография / И.В. Мозговой, А.А. Соловьев, Е.В. Шлякова - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006 - 188 с.
