Основной задачей двигателестроения является повышение надежности и долговечности двигателей внутреннего сгорания. Наиболее распространенной причиной выхода из строя двигателя является не поломка деталей, а именно их износ. Чаще всего изнашиваются детали цилиндро-поршневой группы. Одной из наиболее нагруженной деталью является гильза цилиндра. Это связано с тем, что именно эта деталь подвергается высоким температурам, силам трения и повышенным динамическим нагрузкам. В настоящее время для повышения надежности двигателей на поверхности деталей наносят износостойкие покрытия.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, износ, гильза цилиндра, микродуговое оксидирование, износостойкие покрытия.
В ходе использования механизмов их отдельные сборочные единицы (узлы трения) изнашиваются, т. е. утрачивают свои первоначальные свойства.
Износ — это процесс разрушения, извлечения частиц материала с поверхности детали и накапливания деформации, оставшейся при трении [1]. При изнашивании ухудшается кинематическая точность механизмов, появляются дополнительные нагрузки, шумы и вибрации. Трущиеся детали механизмов в соединениях содержат мелкие неровности в виде шероховатости поверхности. Высота неровностей доходит до 6–10 мкм [2]. Из-за соприкосновения этих неровностей трущиеся поверхности изнашиваются.
При попадании на трущиеся поверхности таких веществ, как песок, металлическая стружка, механический износ развивается, что вызывает увеличение зазора, который возникает между трущимися поверхностями.
Основными причинами износа деталей цилиндропоршневой группы ДВС являются:
– запоздалое предотвращение неисправностей в двигателе;
– применение масла низкого качества;
– плохое состояние топливного и воздушного фильтров;
– агрессивный стиль езды;
– неправильная работа системы охлаждения;
– механическое воздействие при трении двух поверхностей, которые соприкасаются.
Для повышения долговечности двигателя следует защищать от износа гильзы цилиндра, так как именно гильзы являются деталями двигателя, которые в целом определяют его работоспособность. Рассмотрим способы защиты гильз от износа.
Защиту от износа осуществляют применением пористых хромовых покрытий (пористое хромирование). Существует 3 способа получения пористых хромовых покрытий: механический, химический и электрохимический. Широко используется электрохимический способ, который заключается в анодной обработке хромированных деталей в электролите того же состава [3].
Так же для защиты гильз от износа используется нанесения антифрикционного покрытия. Способ состоит из первичной токарной обработки, закаливании внутренней поверхности гильзы высокочастотными токами, финишной обработки и нанесения антифрикционного слоя. На гильзу наносят мягкое покрытие, которое хорошо пристает к поверхности детали. Для нанесения мягкого покрытия на стенки гильзы цилиндра используется фрикционное латунирование [4].
Ещё одним способом защиты гильз является газоплазменное напыление порошкового материала. В основе способа лежит плазменный луч, который плавит порошок и распыляет его по поверхности гильзы. После остывания на стенках образовывается тонкий рабочий слой на основе железа. Затем идет финишная обработка этого слоя, после которого получается буквально «зеркальное» покрытие [5].
Одним из наиболее перспективных способов обработки поверхностей является технология микродугового оксидирования. Процесс заключается в образовании на поверхности детали микродуговых разрядов, благодаря которым формируется высокопрочное износостойкое покрытие. Это покрытие состоит в основном из корунда (α-Al 2 ∙O 3 ) и других окислов алюминия [6].
Достоинства и недостатки вышеприведенных покрытий представлены в таблице 1.
Таблица 1
Достоинства и недостатки покрытий
|
Способ |
Достоинства |
Недостатки |
|
Пористое хромирование |
высокая износостойкость (200…250 % от новых гильз); толщина 30–35 мкм; высокая адгезионная прочность |
низкая производительность; плохая смазываемость и прирабатываемость хромированных покрытий, что приводит к задирам |
|
Антифрикционное покрытие |
толщина слоя 0,02–0,03 мм; хорошая теплостойкость покрытия; высокая износостойкость |
не находит широкого применения при ремонте автомобилей; необходимость упрочнения рабочей поверхности |
|
Газоплазменное напыление порошкового материала |
толщина слоя 0,2 мм; лучшая теплопроводность; высокая адгезионная прочность; высокая износостойкость |
пористость покрытий; процесс напыления трудоемкий; при невысоких нагрузках возможно отслоение слоев |
|
Микродуговое оксидирование |
Высокая износостойкость; Высокая адгезионная прочность; Стойкость к тепловым ударам; Толщина 82 мкм [6] |
Высокая энергоемкость; Сложность получения равномерных покрытий. |
Таким образом, из вышеприведенной таблицы видно, что для защиты деталей от износа лучше использовать метод микродугового оксидирования, так как этот способ имеет незначительные недостатки, в отличие от других покрытий, а также позволяет получить толстые износостойкие покрытия.
Суть технологии МДО состоит в том, что под действием высокого напряжения, которое прикладывается между находящейся в электролите деталью и электродом, на поверхности детали появляются мигрирующие точечные микродуговые разряды, под термическим, плазмохимическим и гидродинамическим воздействием которых поверхностный слой детали преобразуется в керамическое покрытие, прочносцепленное с основой.
МДО-покрытия отличаются от других покрытий тем, что они имеют:
– высокую прочность сцепления с основой;
– благодаря снижению пористости и росту микротвердости, наблюдается повышение износостойкости в процессе изнашивания;
– наличие остаточной пористости, обеспечивающая возможность удержания смазки, которая снижает коэффициент трения, или специальных пропитывающих средств, которые повышают коррозионно-защитную способность полученных покрытий [7].
Твердость покрытий и их стойкость к износу зависят от толщины покрытия, типа и размеров пор. С помощью микродугового оксидирования получают твердые и износостойкие покрытия на внешних и внутренних поверхностях деталей как простой, так и сложной конфигурации. МДО применяют чаще всего для нанесения толстых покрытий, так как для тонких более выгодно использовать анодирование.
Таким образом, использование износостойких покрытий является основным способом повышения долговечности и надежности двигателей. Одним из наиболее перспективных методов является микродуговое оксидирование. Следовательно, для повышения износостойкости гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания, которые работают в условиях высоких температурных и механических нагрузок, целесообразно использовать технологию микродугового оксидирования.
Литература:
- Крагельский И. В. Трение и износ. — 2-е изд. перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1968. — 480с.
- Богданович П. Н., Прушак В. Я. Трение и износ в машинах: учеб. для вузов. — Мн.: Выш.шк, 1999. — 374 с.
- Способ пористого хромирования цилиндров, поршневых колец и других трущихся деталей двигателей внутреннего сгорания: а.с. 69583 СССР. № 9616; заявл. 20.12.1944; опубл. 01.01.1947. 2 с.
- Способ обработки гильзы блока цилиндров с созданием антифрикционного покрытия: пат. 2570683 Рос. Федерация. № 2013111140/02; заявл. 13.03.2013; опубл. 10.12.2015. Бюл. № 26. 2 с.
- Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление / под ред. В. С. Степина, Н. Г. Шестеркина: пер. с яп. В. Н. Попова. — М.: Машиностроение, 1985. — 240 с.
- Исследование влияния микродугового оксидирования на износостойкость гильзы цилиндра ДВС из алюминиевого сплава / Н. Ю. Дударева, Р. В. Кальщиков, Н. Х. Мусин, Д. А. Рябова // Вестник ИрГТУ. 2013. № 9 (80). С. 63–70.
- Плазменно-электрическое модифицирование поверхности металлов и сплавов. В 2-х т. Т. 2 / И. В. Суминов, П. Н. Белкин, А. В. Эпельфельд и др.; под общ. ред. И. В. Суминова. — М.: Техносфера, 2011. — 512 с.
