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Erhöhung der Verschleißbeständigkeit von Ventiltrieb-Werkstoffpaarungen mittels unterschiedlicher Randschichtmodifikationen
Shirzadov, Farhad
Der intensive Verschleiß des Nockentriebs ist eine Funktion der hohen Reibungszahl, der Hertz’schen Pressung und der Gleitgeschwindigkeit. Unter dieser Belastung wird der Nockenrand deformiert und die Ölschicht zwischen den Reibpartnern gestört. Die hohe Reibungszahl und die Deformation verursachen hohe Temperaturen, die bis zum Schmelzen der Oberfläche führen können. Durch die Auswahl harter Werkstoffpaare kann man bei hoher elastohydrodynamischer Belastung die Hertz’sche Pressung erhöhen und die Reibungszahl vermindern. Als Grundwerkstoffe für die Paarungen wurden im Hinblick auf die Massenproduktion die Grundwerkstoffe Gusseisen EN-GJV-400 und niedrig legierter Stahl 42Cr4 ausgewählt. Die Randschichten wurden durch Lichtbogen-Schweißverfahren, Auftragschweißen sowie Oberflächenlegieren und -umschmelzen generiert sowie tribologische Eigenschaften untersucht und bewertet. Die Gusseisenwerkstoffe haben wegen des freien Graphits gute Selbstschmiereigenschaften, können aber wegen geringer ertragbarer Hertz’scher Pressung keiner hohen Betriebsbelastung Stand halten. Um die Hertz’sche Pressung zu erhöhen und gleichzeitig die Selbstschmiereigenschaften zu behalten, wird Gusseisen EN-GJV-400 legiert. Durch die Umschmelzung und das Legieren des Gusseisens EN-GJV-400 mit 99.5 % Reinaluminium-, CuSn-4 - und Fe81Si8B15 - Folien wird die Struktur des Ledeburits weiter modifiziert. Dabei wird erwartet, dass Kupfer durch Kupferplattierung und hohe Wärmeleitfähigkeit, Aluminium durch feinen Zementit, hohe Wärmeleitfähigkeit und Zundebeständigkeit und Eisen durch die Erhöhung des Zementit- und Boranteils in der Struktur den Verschleißwiderstand erhöhen könnten. Aber bei der trockenen tribologischen Untersuchung wiesen die umgeschmolzenen und die modifizierten Perlitstrukturen sehr schlechte Resultate auf. Das kann durch Verschwinden des freien Graphits, die Entstehung tribologisch ungün¬stiger Perlitstrukturen und verminderter Scherspannung erklärt werden. Um die Selbstschmiereigenschaften zu erhalten und gleichzeitig die ertragbare Hertz’sche Pressung zu verbessern wird die Randschicht des Gusseisens EN-GJV-400 mit der Ni78Si8B14 - Folie durch WIG-Umschmelzen legiert. Trotz der hohen WIG-Energiekonzentration bleibt freies Graphit erhalten. Die gleichmäßige Verteilung des freien feinen Graphits verbessert die Selbstschmiereigenschaften und die Entstehung des Martensits erhöht die ertragbare Hertz’sche Pressung. Um auf der Randschicht harte, hitzebeständige und für den Schmierstoff aktive chromhaltige Werkstoffe zu erzeugen, werden verschiedene Arten von Zusatzwerkstoffen aufgetragen. Um die Schichtqualität zu verbessern, wurden sie zusätzlich mit WIG- umgeschmolzen. Durch experimentelle Untersuchungen wurde angestrebt, die Auswahl tribologisch günstiger Werkstoffe zu gewährleisten, die den Anforderungen der Betriebsbedingungen gerecht werden und die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Versuchsproben sicherstellen. Dazu werden die 16 ausgewählten Proben trocken unter 10N - Last und geschmiert unter 20 N - Last untersucht. Die tribologischen Untersuchungen zeigen, dass zwischen den umgeschmolzenen und legierten Schichten des Gusseisens EN-GJV-400 unter trockener Reibung die Ni - legierte Schicht den geringsten Verschleiß aufwies. Alle anderen ledeburitischen Gussstrukturen waren stark verschlissen. Deswegen ist für den trockenen und geschmierten Schmierzustand nur die Ni - legierte EN-GJV-400 – Randschicht gut geeignet. Im Schmierzustand ist zwischen den Gussschichten die WIG-umgeschmolzene Schicht des Gusseisens EN-GJV-400 am günstigsten. Alle aufgetragenen Schichten auf EN-GJV-400 und 42Cr4 wurden durch WIG-Umschmelzung hinsichtlich Struktur und Verschleißwiderstand weiter verbessert. Zwischen den aufgetragenen Chromschichten ist die durch die UTP DUR 600 - Stabelektrode aufgetragene und WIG-umgeschmolzene Schicht am verschleißbeständigsten. Diese Schicht ist für den trockenen und geschmierten Betriebszustand geeignet. Das entstehende Chromkarbid hat eine höhere Verschleißbeständigkeit als die martensitischen und bainitischen Stähle und besitzt das höchste Chemisorptions- und Adsorptionsvermögen für Öl und die besten Notlaufeigenschaften. Unter den legierten und aufgetragenen Schichten erweisen sich für den Nockentrieb mit der Folie Ni78Si8B14 legiertes EN-GJV-400 und mit der UTP DUR 600 - Elektrode (Zusammensetzung, %: C-0.5, Si-2.3, Mn-0.4, Cr-9, Rest-Eisen) aufgetragene und WIG-umgeschmolzene Randschichten als vorteilhaft. Diese Werkstoffe können als Reibpartner die Randschichtaktivität für den Schmierstoff sichern und im Notfall durch Selbstschmieren die Temperaturerhöhung der Reibflächen vermindern. Das vorgeschlagene Lichtbogenverfahren ist für die geschmiedeten, gegossenen und großen Ventiltriebmechanismen (z. B. Schiff-, Zugmotoren, Stationärdieselmotoren), beschädigte Gussblöcke (Bruch, Verformung, Verschleiß usw.) von großer Bedeutung.
The intensive wear of the cam follower is a function of the friction coefficient, the hertzian pressure and the sliding velocity. Under the hertzian load, the cam surface can be deformed and the lubrication film between the friction pairs can be disrupted. The high friction coefficient between the follower pairs and the resulting deformation can cause high temperatures, which can also lead to the melting of the surface. By selecting pairs from hard materials and providing elastohydrodynamic conditions the hertzian pressure as well as the friction coefficient can be decreased. Cast iron EN-GJV-400 and low alloy steel 42Cr4 were selected as base materials for cam follower pairs because they are also appropriate to serial production. The surface layers were generated by arc welding processes, overlay welding as well as surface alloying and TIG remelting and also the tribological properties of the surfaces were investigated and evaluated. The cast iron has self-lubricating properties due to free graphite, but cannot stand high operating stresses due to low carrying capacity. To increase the Hertzian pressure while retaining the self-lubricating properties, the surface of cast iron EN-GJV-400 is alloyed. By remelting and alloying the surface of cast iron EN-GJV-400 with 99.5% pure aluminium, CuSn-4 and Fe81Si8B15 film the structure of the ledeburite further modified. It is expected that increasing the copper content by copper plating the thermal conductivity, introducing fine cementite in aluminium thermal conductivity and scaling resistance and by increasing the cementite and boron content in iron the wear resistance can be increased. The remelted and the modified pearlite structures showed very bad results during the dry friction tests. This can be explained by the lack of the free graphite, the formation of unfavourable pearlite and the reduced shear stress. To obtain the self-lubricating properties, while improving the load carrying capacity the surface the cast iron EN-GJV-400 is alloyed with Ni78Si8B14 film utilizing TIG remelting. Despite the application of high energy during TIG remelting the free graphite was still preserved on the surface. The uniform distribution of the free fine graphite improves the self-lubricating properties and the formation of martensite increases the load carrying capacity. To achieve the high hardness of the surface layer and to generate for the lubricantion active and heat resistant chromium containing materials, various types of additional materials were applied. In order to improve the layer quality, they were additionally treated by TIG-remelting. The experiments were designed to select the tribologically favourable materials that meet the requirements of the operating conditions also show high reliability. For this purpose sixteen selected samples were tested in dry condition under 10 N load and in lubricated condition under 20 N load. The tribological studies showed that the Ni alloyed layer surface of cast iron EN-GJV-400 revealed the lowest wear in dry conditions between the remelted and alloyed layers, while all other ledeburitic cast structures were worn out. So only the Ni alloyed surface layers of EN-GJV-400 can be used in dry conditions. In lubricated conditions the TIG remelted surface of EN-GJV-400 is the most favorable one for cast iron pairs. All deposited layers on EN-GJV-400 and 42Cr4 were improved further by TIG remelting considering the structure and wear resistance. UTP DUR 600 electrode coated and TIG remelted layers showed the highest wear resistance among the chromium alloyed layers. Such a layer is suitable for both dry and lubricated operating conditions. The resulting chromium carbide has a higher wear resistance than the martensitic and bainitic steels and has the highest adsorption and chemisorption ability of oil and the best emergency running features. Among the alloyed and coated layers the Ni78Si8B14 film alloyed EN-GJV-400 and with UTP DUR 600 - electrode (composition in %: C 0.5, Si 2.3, Mn 0.4, Cr 9, residual iron) coated and TIG remelted surface layers were the most favourable for the cam follower pairs. These materials can provide the necessary boundary layer and also controls the temperature increase of the friction surfaces in emergency cases. The proposed method increased the life of cam follower pairs protecting against deformation, wear and thus fracture, which is extremely important especially for the forged as well as cast valve train mechanisms for big engines like in diesel engines for ships.
