ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(93)/2013

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(93)/2013 Kazimierz Drozd 1 BADANIA MATERIAŁU WAŁKA USZKODZONEJ TURBOSPRĘŻARKI SILNIKA SAMOCHODOWEGO 1. Wstęp Turbosprężarka współczesnego silnika spalinowego stanowi złożony układ regulacji. Resurs turbosprężarki trudno jest przewidzieć. Współpracujące z silnikami samochodów ciężarowych, lokomotyw lub silnikami okrętowymi mogą, bez wykazywania objawów zużycia, pracować przez czas, który odpowiada przebiegowi jednego miliona kilometrów. Niekiedy do zużycia lub zniszczenia elementów turbosprężarki dochodzi podczas pierwszego uruchomienia silnika, np. po jej naprawie. [1] Zbyt duża wartość prędkości obrotowej wałka lub pełzanie łopatek wirnika turbosprężarki może prowadzić do przekroczenia naprężeń niszczących dla materiału wirnika turbiny. W każdym z tych przypadków wystąpi zmiana geometrii turbiny i parametrów przepływu spalin, powodująca dodatkowe obciążenie elementów, spowodowane brakiem wyrównoważenia wirnika. Przy maksymalnych prędkościach obrotowych przekraczających 12000 rad/s, czas pracy tak niewyrównoważonego zespołu może być liczony w sekundach. [2] Przyczyny awaryjnego uszkodzenia turbosprężarki dzieli się na konstrukcyjne i eksploatacyjne. Jednym z decydujących czynników eksploatacyjnych jest jakość oleju smarującego elementy turbosprężarki, która zmienia się w czasie pracy. Smarowanie olejem niedostatecznej jakości utrudnia pracę łożysk turbosprężarki oraz może powodować zmniejszanie czynnych przekrojów otworów smarujących. Zmniejszanie strumienia oleju przepływającego przez zespół prowadzi dalej do zmniejszania skuteczności chłodzenia i przegrzewania elementów zespołu. Elementy turbosprężarki zniszczonej z powodu nieprawidłowego smarowania wykazują zużycie w charakterystyczny sposób, tj. występują rysy na czopach wałka i współpracujących z nimi powierzchniach łożysk, widoczne jest też zużycie otworów ustalających łożyska, a pierścienie uszczelniające są unieruchomione w rowkach wałka. [2, 3] Producenci turbosprężarek [4] i samochodów zalecają eksploatowanie pojazdów wyposażonych w turbosprężarki w taki sposób aby podczas pracy turbosprężarki olej był ciągle dostarczany pod odpowiednim ciśnieniem. Uszkodzenia, powstałe przy eksploatacji silnika z niewłaściwą prędkością obrotową wału korbowego, są widoczne w postaci nalotów oraz rys na powierzchni czopów wałka i łożysk a także osadzania produktów termolizy przegrzanego oleju na korpusie [5]. Jeśli brak oleju utrzymuje się przez dłuższy czas, to dochodzi do zatarcia wałka turbosprężarki a czasem do jego przełomu oraz unieruchomienie pierścieni uszczelniających w rowkach wału w wyniku wpływu ciepła i występowania cząstek stałych powstających w procesie termolizy. [6, 7] Uszkodzenie turbosprężarki w przypadku występowania zbyt dużej wartości temperatury spalin (powyżej około 1100 K dla silnika z zapłonem samoczynnym lub 1 dr inż. Kazimierz Drozd, adiunkt w Katedrze Inżynierii Materiałowej Politechniki Lubelskiej 59

około 1300 K dla silnika z zapłonem iskrowym) ma charakter typowy dla oddziaływania wysokiej temperatury i może skutkować pęknięciem lub odkształceniem korpusu lub innych elementów z którymi stykają się spaliny oraz unieruchomieniem łopatek kierownicy spalin. Łopatki turbiny, narażone na oddziaływanie wysokiej temperatury, ulegają przyspieszonej korozji i zmienia się ich geometria. Jeżeli w kolektorze wylotowym dojdzie do zapalenia oleju, bądź niespalonego w cylindrze paliwa, to może następować erozja łopatek turbiny i topienie się lub płynięcie materiału oraz narastanie warstwy nagaru w kanałach turbiny i otworach olejowych. [7] Zanieczyszczenia stałe unoszone w strumieniu gazów spalinowych powodują powstawanie uszkodzeń wirników a w konsekwencji - również innych elementów turbosprężarki. Ciało obce w układzie wylotowym najczęściej stanowią odłamane fragmenty części silnika lub cząstki nagaru albo produkty korozji. Najczęstszymi przyczynami występowania ciała obcego w układzie dolotowym są błędy podczas montażu lub naprawy polegające na spowodowaniu wykruszeń a także pozostawianie w kanale drobnych elementów. O tym, że ciało obce było przyczyną uszkodzeń elementów świadczy odkształcenie łopatek wirnika sprężarki lub turbiny oraz erozyjne ubytki materiału w kanałach zespołu. Niekiedy dochodzi również do uszkodzenia łopatek kierownicy. [8] Wałki turbosprężarek zużywają się w procesach zmęczenia cieplnego oraz termicznego i chemicznego oddziaływania spalin a także poprzez ścieranie czopów w więzach kinematycznych. Zużycie lub uszkodzenie zespołu turbosprężarki wiąże się z występowaniem charakterystycznych objawów wibroakustycznych oraz zmniejszeniem osiągów silnika. Pomimo możliwości wykrycia większości z opisanych uszkodzeń, szybkość i zakres powstawania uszkodzeń elementów pracującej turbosprężarki są tak duże, że naprawa tych elementów zwykle jest niemożliwa. [9, 10] 2. Materiał i metody badawcze 2.1. Materiał badawczy Badania przeprowadzono po awarii sześciocylindrowego silnika o układzie widlastym. W trakcie demontażu ustalono, że uszkodzenie nastąpiło tylko w przypadku jednej z dwóch, zamontowanych przy tym silniku, turbosprężarek serii GT15. Badania skoncentrowano na aspektach materiałowych, co pozwoliłoby na ujawnienie ewentualnych wad ukrytych. 2.2. Badania makro- i mikroskopowe Zakres badań obejmował badania metalograficzne makroskopowe elementów, badania mikroskopowe zgładów i badania mikrotwardości. Badaniom makroskopowym poddano wszystkie elementy turbosprężarki uszkodzonej. Badania mikroskopowe przeprowadzono mikroskopem optycznym Nikon MA 200. Zdjęcia mikroskopowe do badania zgładów metalograficznych wykonano dla stanu nietrawionego oraz po trawieniu odczynnikiem Mi1Fe. Badanie zgładu nietrawionego miało na celu wykrycie wtrąceń niemetalicznych, w tym ich obecności, ilości i rozmieszczenia określanego mianem segregacji. Stężenie kwasu azotowego, w przygotowanym odczynniku, wynosiło 3% a czas trawienia nie przekraczał 10 s. 2.3. Badania twardości mikrostruktury Ze względu na charakter pracy elementów przeprowadzono badania mikrotwardości powierzchni wałków oraz badania mikrotwardości struktury rdzenia na przygotowanych zgładach metalograficznych. Badania mikrotwardości powierzchni wałka turbosprężarki 60

przeprowadzono w obszarach, z których następnie przygotowano zgłady metalograficzne. Twardość rdzenia badano na przekroju poprzecznym, w odległości nie mniejszej niż 200 m od powierzchni wałka. Mikrotwardość mierzono przy użyciu wgłębnika Vickersa, stosując siłę nacisku na wgłębnik o wartości 0,981 N, co odpowiada skali oznaczanej HV0,1. Wartości obliczono jako średnią z sześciu pomiarów. 3. Wyniki badań i ich dyskusja 3.1. Badania makroskopowe Po demontażu uszkodzonej turbosprężarki stwierdzono, że łopatki wirnika sprężarki były zupełnie zniszczone, co mogłoby świadczyć o dostaniu się ciała obcego do układu dolotowego. Nie znaleziono śladów nakrętki i śruby mocującej wirnik sprężarki na wałku. Oznacza to, że zniszczenia charakterystyczne dla wystąpienia ciała obcego mogły być spowodowane również przez tę nakrętkę. Jednocześnie wałek tej turbosprężarki był przełamany na karbie spowodowanym końcem gwintu (miejsce oznaczone 1 na rys. 1) oraz na karbie przy czopie łożyskowym (miejsce oznaczone 4 na rys. 1). Przełom (miejsce oznaczone 1 na rys. 1) miał charakter doraźny. Powierzchnia przełomu 4 była częściowo zniszczona, lecz wiedząc, że w miejscu przełomu występowały naprężenia skręcające wałek, można wnioskować, że przełom ten również był przełomem doraźnym. Gładka, zmęczeniowa część przełomu w takim wypadku powinna znajdować się na obwodzie najbliżej powierzchni wałka. W przypadku przełomu w miejscu oznaczonym 4 nie stwierdzono występowania powierzchni charakterystycznej dla przełomu zmęczeniowego. Rys. 1. Miejsca pobrania próbek z badanego wałka (2, 3 i 5) oraz miejsca wystąpienia przełomów uszkodzonego wałka (1 i 4); 6 granica pomiędzy warstwą wierzchnią wałka pokrytą nalotem i powierzchnią niezmienioną w czasie eksploatacji (po lewej). Próbki 2 i 3 są umieszczone w uchwytach w celu ułatwienia ich preparatyki Na wałku, od strony wirnika turbiny, stwierdzono również występowanie barw nalotowych z powodu wpływu ciepła. Barwa powierzchni wałków zmieniała się od ciemnoniebieskiej, na czopie łożyskowym najbliżej wirnika turbiny, do niezmienionej (bez śladów wpływu ciepła), w odległości około 25 mm, na drugim czopie łożyskowym. Granica pomiędzy częścią wałka z warstwą pokrytą nalotem a częścią bez widocznego wpływu ciepła jest oznaczona cyfrą 6 na rys. 1. System łożyskowania uszkodzonej turbosprężarki nie był zużyty, dlatego można wykluczyć niewłaściwą eksploatację oraz długotrwały brak smarowania więzów kinematycznych. Nie występowały też ślady, które mogłyby być spowodowane niewyrównoważeniem wałka występującym w dłuższym okresie eksploatacji. Łopatki kierownicy strumienia spalin zostały unieruchomione przez produkty spalania lub termolizy oleju oraz wygięte w wyniku kontaktu z łopatkami wirnika turbiny. Łopatki 61

wirnika turbiny zostały wytarte w miejscu, gdzie średnica wirnika jest największa (rys. 1) z powodu wzdłużnego ruchu tej części wałka, na której osadzony jest wirnik turbiny i ścierania o łopatki kierownicy oraz korpus. [11] 3.2. Badania mikroskopowe Próbki do badań metalograficznych pobrano z wałka w pobliżu ich krytycznych przekrojów. Jedno miejsce krytyczne znajduje się w pobliżu wirnika turbiny, gdzie występuje zmiana przekroju wałka związana z występowaniem podtoczenia pomiędzy czopami łożyskowymi. W tym miejscu pobrano próbkę numer 5 (rys. 1). Drugie miejsce wybrano w taki sposób aby struktura materiału wałka była jak najmniej zmieniona w wyniku oddziaływania ciepła spalin oraz w wyniku ścierania warstwy wierzchniej (próbka nr 2 na rys. 1). Próbkę tą pobrano z miejsca gdzie zamocowany był wirnik sprężarki. Dodatkowo, wykonano próbkę (nr 3 na rys. 1) z wałka uszkodzonej turbosprężarki w pobliżu przełomu znajdującego się bezpośrednio przy czopie łożyskowym. Ze wszystkich próbek wykonano zgłady poprzeczne lub pod kątem około 0,79 rad, co odpowiada powiększeniu rzeczywistemu o wartości do około 1,5 razy. Rys. 2. Obraz mikroskopowy wałka uszkodzonej turbosprężarki dla próbek nietrawionych o numerach 2, 3 i 5 obserwowanych w polu ciemnym i w polu jasnym Na obrazach mikroskopowych próbek nietrawionych wałka turbosprężarki uszkodzonej (rys. 2) nie stwierdzono występowania wtrąceń oraz mikropęknięć, które mogłyby mieć wpływ na zmniejszenie wytrzymałości materiału w warunkach eksploatacji. W szczególności nie występują wtrącenia pasmowe i łańcuszkowe. 62

Rys. 3. Mikrostruktura warstwy wierzchniej (u góry) i rdzenia uszkodzonego wałka turbosprężarki (próbka pobrana z miejsca oznaczonego 2 na rys. 1) Na rys. 3 przedstawiono dla porównania mikrostruktury materiału badanego wałka po trawieniu próbek odczynnikiem Mi1Fe. Obserwując mikrostrukturę najbliżej powierzchni można zauważyć, że różni się ona nieznacznie wielkością ziarn od struktury widocznej dla warstw materiału położonych głębiej od powierzchni. Mniejsza wielkość ziarn w warstwie wierzchniej o głębokości około 20 mikrometrów jest następstwem procesu wytwarzania i nie powinna mieć niekorzystnego wpływu na właściwości eksploatacyjne elementów. Rys. 4. Mikrostruktura próbki wałka turbosprężarki pobranej z miejsca oznaczonego nr 5 - zgład ukośny z ujawnioną krawędzią zmiany przekroju Mikrostruktura rdzenia wałka jest zbliżona i charakterystyczna dla stali po hartowaniu i odpuszczaniu. Na obrazie przedstawionym na rys. 3 można wyróżnić martenzyt odpuszczony stopowy z wydzieleniami węglików. Martenzyt ten częściowo zachował charakter iglasty. Struktura taka powinna charakteryzować się dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi, zwłaszcza jeśli chodzi o przenoszenie obciążeń zmęczeniowych, które występują podczas eksploatacji wałka turbosprężarki. Zwraca 63

uwagę również jednorodna struktura materiału, zarówno w części bliskiej powierzchni jak i w rdzeniu. Z porównania mikrostruktury dla próbek pobranych z miejsca oznaczonego 5 (wg rys. 1) wynika, że mikrostruktura warstwy wierzchniej (rys. 4) wałka wykazuje dużą jednorodność oraz jest morfologicznie podobna do struktury ujawnionej w miejscu oznaczonym 2 (rys. 3). Najbliżej powierzchni obserwowanych zgładów, szczególnie na krawędzi zmiany wymiarów oraz na części o większej średnicy (rys. 4), można obserwować strefę o mniejszej zawartości węglików. Zalega ona na głębokości, nie przekraczającej około 20 µm, i nie powinna mieć wpływu na trwałość obydwu badanych wałków. Rozpatrując strukturę materiału wałków i biorąc pod uwagę, że materiał był w tym przekroju narażony na oddziaływanie podwyższonej temperatury oraz mógł pracować w warunkach niedoboru oleju, można stwierdzić, że elementy te zużywały się w sposób bardzo równomierny. Wałek uszkodzonej turbosprężarki, gdyby nie rozpatrywać jego dyskwalifikujących przełomów, biorąc pod uwagę wyłącznie stan powierzchni i strukturę materiału, mógłby być zakwalifikowany do dalszej eksploatacji. Z analizy struktury przedstawionej na rys. 3 i rys. 4 należy wnioskować, że różnice w mikrostrukturze nie przekraczają około 0,01 mm w kierunku prostopadłym do powierzchni materiału. Głębokość od powierzchni do jakiej występowały różnice mikrostruktury warstwy wierzchniej i rdzenia była niewielka i, w porównaniu z wartością dopuszczalnego luzu promieniowego dla wałka turbosprężarki, były to wartości akceptowalne w tego typu konstrukcji. 3.3. Badania mikrotwardości Z tabeli 1 można zauważyć, że największą twardość zmierzono dla punktu pomiarowego o numerze 2 (rys. 1), który znajdował się na powierzchni wałka uszkodzonej turbosprężarki. Różnica pomiędzy mikrotwardością powierzchni i rdzenia w tym miejscu wyniosła ponad 80 jednostek. Fakt ten mógł powodować kruchość materiału i musiał być konsekwencją obróbki cieplnej badanego wałka ponieważ struktura i właściwości wałka w tym miejscu nie mogła ulec zmianie podczas pracy. Nierównomierne nagrzewanie elementu do hartowania lub chłodzenie w ośrodku o zbyt małej prędkości chłodzenia bądź tworzenie się powłoki parowej ośrodka chłodzącego, przy powierzchni obrabianego elementu, może wywołać podobne skutki. Inną hipotetyczną przyczyną może być niewłaściwie dobrany czas odpuszczania wałka. Tabela 1. Porównanie średniej mikrotwardości powierzchni i rdzenia materiału wałków turbosprężarek dla miejsc pomiaru opisanych na rys. 1 Numer miejsca Średnia mikrowardość, HV0,1 pomiaru najbliżej powierzchni rdzenia 2 441 524 3 478 542 5 496 535 Mikrotwardość rdzenia uszkodzonego wałka miała dużą wartość i wynosiła od 524 do 542 HV0,1, a więc charakteryzował się on niewielką plastycznością. Tym można tłumaczyć fakt, że nastąpił przełom i to w dwóch miejscach. 64

Patrząc od punktu 1, odpowiadającego położeniu wirnika sprężarki na uszkodzonym wałku, w kierunku wirnika turbiny należy stwierdzić, że twardość powierzchni wałka była coraz większa przy nieznacznie zmieniającej się twardości rdzenia elementu. W miejscu najbliższym wirnika turbiny, gdzie zaobserwowano najbardziej intensywny nalot tlenkowy, mikrotwardość powierzchni elementu była mniejsza o około 40 jednostek w porównaniu z mikrotwardością rdzenia. Same różnice w mikrotwardości powierzchni wałka i rdzenia nie mogły być bezpośrednią przyczyną jego uszkodzenia, jednak mogły spowodować, że przełom nastąpił w dwóch miejscach, początkowo w miejscu oznaczonym 4 (rys. 1) a następnie w miejscu 1. Bezpośrednią przyczyną uszkodzenia wałka musiało być ciało obce, którego uderzenie w wirnik sprężarki następnie spowodowało niewyrównoważenie wałka i kolejne, postępujące uszkodzenia. Zbyt mała plastyczność rdzenia wałka była pośrednią przyczyną tego, że uszkodzenia były tak rozległe. [7] 4. Wnioski W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono, że genezy uszkodzenia wałka turbosprężarki należy poszukiwać poza samym zespołem. Pośrednią przyczyną tego, że uszkodzenia postępowały była wada struktury materiału powodująca niewielką plastyczność jego rdzenia. Struktura materiału uszkodzonego wałka nie zawiera wad w postaci zanieczyszczeń, które mogłyby spowodować zmniejszenie wytrzymałości (osłabienie) elementu. Przełomy doraźne wałka uszkodzonej turbosprężarki musiały powstać w efekcie dostania się do sprężarki ciała obcego. Uszkodzenia spowodowane przez ten obiekt zostały spotęgowane po doraźnym przełomie tego wałka, początkowo w jednym a następnie również w drugim miejscu. Każde kolejne uszkodzenie zwiększało efekt związany z niewyrównoważeniem obracających się elementów. Odrywanie się fragmentów wałka i brak obciążenia wałka wynikającego z napędu wirnika sprężarki powodowało zwiększanie prędkości obrotowej a także umożliwiło wzdłużne przemieszczanie się wałka. Prawdopodobną przyczyną tak rozległych uszkodzeń wałka były duże różnice w mikrotwardości zaobserwowane na jego powierzchni i w rdzeniu. Literatura: [1] Mysłowski J.: Doładowanie silników. Warszawa 2011 WKŁ, [2] Idzior M. (et all.): Analiza wpływu warunków eksploatacji na stan techniczny turbosprężarek doładowanych silników spalinowych. Logistyka, 2011, z. 3, s. 1129-1139. [3] You Z., Xu X., Guo X.: Failure investigation of a locomotive turbocharger main shaft and Bering sleeve, Journal of Failure Analysis & Prevention, 2011, v. 11, s. 167-174. [4] Turbocharger Guide [online]. Torrance USA: Honywell. {Dostępny - 2012-12-20: http://www.turbobygarrett.com/turbobygarrett/sites/default/files/turbotech/garret t_catalog_v4.pdf}. [5] Dudziński W. (et all.): Struktura i własności materiałowe łożysk ślizgowych turbosprężarek współpracujących z silnikami spalinowymi. Tribologia: tarcie, zużycie, smarowanie, 2002, z. 4, s. 1133-1141. 65

[6] Schweizer B.: Total instability of turbocharger rotors - physical explanation of the dynamic failure of rotors with full-floating ring bearings, Journal of Sound and Vibration, 2009, v. 328, s. 156-190. [7] Yamagata H.: The science and technology of materials in automotive engines. Cambridge 2005 Minerals & Mining. [8] Kowalewicz A.: Doładowanie samochodowych silników spalinowych. Radom 1998 Politechnika Radomska. [9] Wisłocki K: Systemy doładowania wysokoobrotowych silników spalinowych. Warszawa 1991 WKŁ. [10] Danilecki K.: Trends in the development of turbocharging systems in automotive vehicles. Silniki Spalinowe, 2008, z.47, s. 61-76. [11] Jaskólski J., Budzik G., Marciniec A.: Balancing of turbocharger rotors. Journal of KONES, 2007 z. 14, s. 217-222. Streszczenie Praca zawiera wyniki podstawowych badań materiału wałka uszkodzonej turbosprężarki silnika spalinowego ZS. Celem badań było określenie czy przyczyny uszkodzenia jednej z turbosprężarek mogą być związane z ukrytymi wadami materiałowymi. Program badań obejmował badanie przełomów i mikrotwardości materiału wałka oraz wykonanie badań mikroskopowych zgładów. W wyniku badań stwierdzono, że w strukturze nie występują ukryte wady materiałowe. Mikrotwardość rdzenia wałka była zbyt duża, dlatego charakteryzował się małą plastycznością. Główną przyczyną uszkodzenia turbosprężarki było ciało obce nieznanego pochodzenia. Słowa kluczowe: turbosprężarka, przełom, wada materiałowa MATERIAL RESEARCH OF SHAFT FROM THE DAMAGED PASSENGER VEHICLE S TURBOCHARGER Abstract The paper contains results of basic material research of turbocharger shaft of diesel engine. The goal of the tests was to check if the material defects were responsible for damage of turbocharger. The scope of research contained investigation of the fractures and microhardness of the shaft material. The microstructure of samples from damaged turbocharger shaft were also observed. In result of the research the material cause of damages were eliminated, particularly there were noticed that the material hadn t hidden defects. However, microhardness of the core of shaft was too high and that was the reason of low plasticity. From the material point of view, both tested shafts would be qualified as good and able to work. The main cause of damage was foreign object genesis of which was not known. Keywords: turbocharger, fracture, material s defect 66