260 / 457
Механики XXI веку. №15 2016 г.
260
проблеме - на рабочих поверхностях кулачков распределительных валов из спецчугунов наблюдается
отшелушивание «отбеленного слоя», который обеспечивал их высокую износостойкость.
Целью исследования является выявление причин отшелушивания «отбеленного слоя» носика
кулачков распределительного вала, которые находятся в зоне непосредственного контакта кулачка с
толкателем.
В настоящее время «отбел» проводят путем плазменного оплавления поверхностного слоя ку-
лачков, обеспечивающий большую эффективность [3].
Обычно распределительный вал изготавливают из специального чугуна, имеющего следую-
щий химический состав: углерода 3,2…3,6 %, марганца 0,8…1,1 %, кремния 2,1…2,5 %, хрома
0,3…0,7 %, титана 0,02…0,07 %, молибдена 0,4…0,6 %, никеля 0,1…0,3 %, серы меньше 0,12 %,
фосфора меньше 0,3 %.
В работах многих исследователей [4, 5] отмечалось, что наличие в структуре чугуна карбидов
обеспечивает высокую износостойкость, а присутствие свободного углерода в виде графитовых
включений предотвращает возникновение сухого трения и задиров в зоне контакта пары кулачок −
толкатель. Преимуществами использования чугуна для вышеуказанных деталей являются также его
хорошие литейные свойства.
Установлено, что после выполнения операции плазменного оплавления на поверхности носи-
ков кулачков появляется отбеленный слой, что приводит к повышению твердости и износостойкости.
Следует отметить, что при выполнении этой операции распределительный вал подвергается предва-
рительному нагреву до температуры 400…430˚С с целью уменьшения перепада температур, а, следо-
вательно, снижения остаточных напряжений в заготовке. Несмотря на это, на операциях финишной
обработки (шлифовании) появляется до 14% брака, связанного с отшелушиванием отбеленного слоя.
Кроме того в процессе эксплуатации на рабочих поверхностях кулачков наблюдается расслоение и
задиры, показанные на фотографиях (см. рисунок 1).
а)
б)
Рис. 1. Дефекты, возникающие на рабочих поверхностях распределительного вала:
а − на финишных операциях; б − в процессе эксплуатации
Анализируя причины повреждения контактной зоны в распределительных валах и, опираясь
на исследования [2, 4, 6], можно предположить, что проблемы процесса графитизации чугуна в оп-
лавленной зоне, образования графитовых включений на границах отбеленного слоя и подложки про-
исходит в результате неправильно подобранных режимов. Возникает необходимость в контроле тем-
пературы зоны оплавления, зазора между головкой плазмотрона и поверхностью, а так же скорость
оплавления. Температуру разогрева, как правило, подбирают экспериментально. Кристаллизация
(выделение) графита при затвердевании чугуна возможно как из жидкой фазы, так и из твердой фазы
(из аустенита). Основой процесса графитизации является стремление вещества к наименьшему запасу
свободной энергии. Образование графита приводит к появлению поверхности раздела между фазами
в чугуне, что, в свою очередь, увеличивает запас свободной (поверхностной) энергии. Из сказанного
следует, что неустойчивое равновесие, в результате которого возникающие кристаллы графита неус-
тойчивы и в результате они непрерывно создаются и распадаются. Пока кристаллы графита малы и
отношение их поверхности к объему велико, прирост свободной энергии, связанный с образованием
межфазовой поверхности, будет больше, чем ее уменьшение вследствие кристаллизации. После того
как кристалл графита достигает критической величины, то есть его суммарная свободная энергия
уменьшается, он становится устойчивым. В результате начинается процесс графитизации. По этой
же причине образование графита, особенно из жидкого чугуна гораздо легче происходит не в объеме,
а на поверхности инородных мельчайших частиц. В роли таких частиц могут быть окислы, нитриды и