Проблемы разрушения деталей автомобилей в процессе эксплуатации

При эксплуатации автомобилей неизбежно выходят из строя различные агрегаты, что связано с разрушением отдельных деталей. При этом фактический срок службы деталей оказывается значительно меньше расчетного. Очевидно, что выход техники из строя раньше гарантийного срока сопряжен с большими убытками как для потребителя, так и для поставщика.

Опыт и результаты отдельных исследований показывают, что одной из причин преждевременного разрушения деталей является их низкое металлургическое качество. Поэтому обеспечение и контроль качества комплектующих является приоритетной задачей в автомобильной промышленности. Помощниками и независимыми экспертами в этом могут выступать материаловедческие лаборатории, такие, как Научно-исследовательский центр (НИЦ) ООО «Территориальная компания “ОМЗ-Ижора”».

НИЦ был создан на базе Центральной лаборатории Ижорского завода, поэтому имеет в совокупности 130-летнюю историю и является одной из ведущих материаловедческих организаций в области атомного, энергетического и нефтехимического машиностроения. Ижорская Центральная лаборатория являлась одной из лучших заводских лабораторий в Советском Союзе, а сегодня НИЦ продолжает ее традиции и развивает другие направления деятельности.

В настоящее время ООО «Территориальная компания “ОМЗ-Ижора”» является членом Санкт-Петербургской ассоциации производителей автокомпонентов, а также имеет лицензии Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору на право изготовления оборудования для атомных станций и на право проведения экспертизы конструкторской и технологической документации. При этом НИЦ аккредитован Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии в качестве технически компетентной и независимой испытательной лаборатории, а также имеет свидетельство Российского морского регистра судоходства о признании лаборатории.

Спектр испытаний и исследований, выполняемых НИЦ, весьма широк, однако можно выделить основные методы, позволяющие контролировать качество комплектующих, а также определять причину их разрушения при эксплуатации:

• химический анализ металлических и ряда неметаллических материалов;
• анализ физико-химических свойств неорганических материалов (масла, лакокрасочные материалы, смазочно-охлаждающие жидкости);
• механические испытания металлов (определение прочностных характеристик, пластичности, твердости и пр.);
• металлографический контроль (анализ макроструктуры и микроструктуры металла);
• визуально-измерительный контроль;
• специальные методы исследований — фрактография (исследование поверхности разрушения) и рентгеновский микроанализ (определение состава материала в микрообъемах).

В настоящей статье приведены данные некоторых экспертизных исследований, выполненных в НИЦ (при участии ведущих инженеров М. Н. Барковской и Т. А. Ивановой), по определению причин разрушения деталей различных автомобилей. По результатам этих исследований можно выделить три основные причины разрушения деталей, связанные с их материалом.

1. Наличие металлургических дефектов.

Различные металлургические дефекты в заготовках, используемых для изготовления деталей, значительно снижают срок службы последних, поскольку могут являться концентратором напряжений при эксплуатации и стать очагом разрушения.

Так, в двигателе автомобиля разрушилась одна из пружин клапана (рис. 1). При металлографическом исследовании было установлено, что проволока толщиной 3 мм, использованная для изготовления данной пружины, имела достаточно крупные дефекты, свидетельствующие о ее низком качестве: прокатные плены протяженностью до 500 мкм, фрагменты окалины толщиной до 100 мкм на поверхности проволоки и в приповерхностной зоне (рис. 2). Фрактографическим исследованием было установлено, что разрушение пружины клапана произошло по усталостному механизму (рис. 3), где очагами разрушения явились именно такие поверхностные дефекты проволоки.

Таким образом, разрушение исследуемой пружины было обусловлено использованием проволоки низкого качества. На неразрушившейся пружине, исследованной для сравнения (см. рис. 1), подобные дефекты отсутствовали, то есть качество исходной проволоки было надлежащим.

2. Неоптимальные свойства металла.

Долговечность и надежность деталей напрямую зависит от конструктивной прочности материала и определяется комплексом его механических свойств.

На рис. 4 показаны повреждения одного из цилиндров двигателя автомобиля, причиненные оторвавшейся тарелкой впускного клапана. Срок эксплуатации автомобиля составил около 2 лет. Исследования разрушившегося и неразрушившегося (для сравнения) впускного клапана показали, что они оба изготовлены из стали типа 40Х9С2, широко применяемой для изготовления клапанов двигателей. Однако твердость металла деталей была разной — на разрушившемся клапане она составила 36 HRC и была гораздо ниже, чем на неразрушившемся (49 HRC). Именно пониженная твердость (а следовательно, и прочность) металла явились причиной разрушения такого клапана по усталостному механизму (рис. 5).

Следует отметить, что столь различная твердость металла сравниваемых клапанов свидетельствует о различной технологии изготовления, а именно, о различной термической обработке. Этот факт негативно характеризует производителя некондиционных деталей: либо он не соблюдает технологию, либо технология неоптимальна.

3. Использование нетипичных материалов.

Нередки случаи, когда для изготовления деталей применяются нетипичные материалы, не обладающие требуемым комплексом служебных свойств. Нельзя исключить, что значительная доля таких деталей является контрафактной.

На рис. 6 приведен обод маховика с зубьями, поврежденными в результате кратковременной эксплуатации (менее 1 месяца). Исследование показало, что обод изготовлен из простой углеродистой стали марки 20 и имеет феррито-перлитную структуру (рис. 7) с твердостью 170 НВ. Углеродистая сталь, не применяемая для изготовления зубчатых колес, и низкая твердость металла, в том числе в самой нагруженной зоне — по контуру зубьев, привели к тому, что в результате кратковременной эксплуатации зубья обода маховика были смяты.

Одно из исследований НИЦ было посвящено определению причин разрушения впускного клапана, где повреждения цилиндра двигателя были аналогичны повреждениям, показанным на рис. 4. Срок службы детали составил всего около 3 месяцев. В результате исследования было установлено, что клапан изготовлен из низколегированной стали типа 50Г2, не применяемой для изготовления клапанов, и имеет твердость 30 HRC. Использование нетипичного материала и его низкая твердость обусловили разрушение клапана по усталостному механизму и не обеспечили гарантированный срок службы детали.

В завершение еще раз следует подчеркнуть, что решение подобных проблем может заключаться в эффективном контроле качества комплектующих не только на этапе их производства, но и на этапе монтажа и обслуживания техники. В связи с этим на заводах — изготовителях деталей должно быть уделено пристальное внимание сдаточному контролю, а на предприятиях, занимающихся сборкой или техническим обслуживанием автомобилей, для исключения поставок контрафактной продукции необходима организация входного контроля комплектующих с привлечением материаловедческих испытательных лабораторий. Это позволит повысить конкурентоспособность выпускаемых автомобилей и качество услуг по их обслуживанию, а также минимизировать риск потребителей.