Пристрій сучасного двигуна

МЕТОДИ ЗМІЦНЕННЯ РОБОЧОЇ ПОВЕРХНІ ГІЛЬЗ ЦИЛІНДРІВ ДВИГУНІВ

При експлуатації автомобіля в різних умовах виникає необхідність підвищення зносостійкості і антифрикційних якостей робочої поверхні гільз за рахунок спеціальної обробки або методів зміцнення.

Провести порівняльний аналіз методів зміцнення можна лише умовно, оскільки результати досліджень не завжди підтверджуються однотипними даними результатів (годин роботи, кілометрів пробігу, зносу тощо). Крім того, дослідження нових методів зміцнення проводять, як правило, у порівнянні з різними одним-двома вже відомими методами, а свідчення порівнюваних характеристик наводиться на рівні «в стільки-то раз… (на…% тощо)», що також спотворює уявлення про загальну оцінку їх ефективності.

Легування чавуну гільз циліндрів, розглянута в попередньому розділі, є одним з методів зміцнення. До сказаного вище необхідно додати, що зміцнення відбувається в результаті гальмування дислокацій на впроваджених атомах, що істотно змінює опір їх рухові і забезпечує зміцнення металевої матриці, підвищення її опору пластичним деформаціям і менше зниження твердості при нагріванні [ ].

Найбільш поширені види хіміко-термічної обробки (ХТО) – азотування, сульфидирование і фосфатування. Вони дозволяють скоротити витрату Ni, Cr, Cu за рахунок використання для виготовлення гільз менш легованих матеріалів.

Азотування досягається значне підвищення (»40НRС) твердості, зносо — і коррозионостойкой робочої поверхні гільз за рахунок утворення в ній карбонитридной фази, яка має достатню пластичність і стає робочим елементом зміцненого шару. У роботі вказується, що монолітні гільзи циліндрів двигуна ЗІЛ-130 з РАХ 24-44 після азотування мали зносостійкість в 1,5 – 1,9 рази вище, ніж серійні з нерезистовой вставкою, при пробігу автомобіля 120…160 тис. км. При цьому у стільки ж разів зменшувалося зношування поршневих кілець.

Однак, зміцнений азотування шар погано прирабатывается і може фарбуватися в процесі експлуатації [ ], при цьому шорсткість поверхні погіршується до Rа=0,63…2,5 мкм [ ]. Тому зміцнення азотування не рекомендується для двигунів автомобілів, що працюють в запилених кар’єрах.

При сульфидировании на робочої поверхні гільзи утворюється шар сірчистого заліза, який добре прирабатывается, підвищує маслоємність робочої поверхні, запобігає схоплювання з поршневими кільцями, забезпечує стабільно низький коефіцієнт тертя, збільшує опір зношування, має надійне зчеплення з основним матеріалом. Однак збільшена схильність до утворення сірчистих сполук і корозії.

«Аналогічні властивості має і фосфатований шар. Крім того, він корозійностійкий».

Головними недоліками всіх видів ХТО є мала глибина впровадження в основний матеріал (?0,3-0,35 мм), при цьому остаточне періодичне хонінгування гільз під ремонтний розмір ускладнено і ще кілька її зменшує; поверхневий шар не може тривалий час протистояти високим навантаженням, при яких працює пара гільза — поршневе кільце [ ]; цей метод зміцнення досить енергоємний і дорогий.

Поверхневе пластичне деформування (ППД) – ефективний спосіб підвищення зносостійкості тертьових поверхонь деталі в умовах граничного тертя, заснований на використанні пластичних властивостей матеріалу. В результаті такої обробки видаляються ризики і мікротріщини від попередньої обробки, збільшуються твердість, зносо — і коррозионостойкой поверхні і її втомна міцність. В даний час існує значна кількість способів ППД. Про ефективність способів ППД у порівнянні з найбільш поширеними видами чистової обробки гільз циліндрів можна судити за даними табл..

Результати експериментів показали, що зношування поверхонь у зразків після зміцнюючої обробки в період припрацювання менше в 1,1-1,8 рази, а темп зношування в період природного зношування менше в 2 рази.

Таблиця .

Вид і спосіб обробки Клас точності Шорсткість Ra, мкм
різання

розточування

хонінгування

шліфування

3-2 2,5-1,25
2-1 0,62-0,08
2-1 0,16-0,125
ППД

розкочування: -роликами

-кульками

2-1 0,32-0,08
2 0,32-0,08

Поверхневий шар, розкатаний при оптимальних режимах, має підвищену (на 18-27%) мікротвердість. Найбільше збільшення спостерігається у перлітних чавунів, графітові включення яких мають меншу довжину, більш відособлені і завихрены. Товщина шару з підвищеною мікротвердістю коливається в межах 0,05-0,5 мм: чим більше діаметр деформуючого елемента, тим товще шар з підвищеною мікротвердістю. Крім того, при розкочуванні відбувається деяке подрібнення графітових включень, зерна перліту після деформації мають іншу орієнтування у порівнянні з вихідною. Форма зерен стає сплюснутої в напрямку радіальних сил деформації. Разом з тим, у переважній більшості випадків, як стверджують автори робіт можна підібрати оптимальні параметри деформуючого елемента, що забезпечують збереження або навіть поліпшення вихідної макрогеометрии Безсумнівним позитивним моментом слід вважати те, що ППД є остаточною операцією і можливо як у промисловому, так і в ремонтному виробництві.

Однак, воно лише незначною мірою виправляє похибки попередньої обробки. Тому попередня обробка заготовок повинна бути досить точною. Суттєву роль у досягненні необхідної якості поверхні грає величина сили впливу на оброблювану поверхню, число ходів інструменту, підбір деформуючого елемента.

У роботах наводяться приклади досліджень зміцнення гільз циліндрів ППД з одночасним нанесенням антифрикційного покриття. За твердженням авторів робіт цей метод перевершує по ефективності фосфатування, спрямоване хонінгування і алмазне вибровыглаживание, а отримані результати після пробігу укомплектованих двигунів 5-25 тис. км показали, що обробка гільз цим методом в порівнянні з алмазним хонінгуванням дозволяє: підвищити ресурс роботи деталей ЦПГ в 1,9-2,6 рази; прискорити роботу в парі гільза – кільце до 2 разів; скоротити витрата палива двигунів ЗМЗ-53, ЗМЗ-24 на 0,4-0,5 л/100 км; зменшити коефіцієнт тертя до 30%; підвищити в 1,8-5,0 разів зносостійкість робочої поверхні гільзи; піддавати обробці лише її верхню найбільш изнашиваемую частина.

Істотним недоліком цього методу є мала товщина антифрикційного шару (до 5 мкм), що в умовах провідного абразивного зношування буде недостатньо і, як наслідок, може викликати інші види зносу, зменшуючи ресурс гільзи.

З метою підвищення зносостійкості робочої поверхні гільз в сучасному автомобільному двигунобудування для більшості гільз циліндрів двигунів, в тому числі і зарубіжних застосовується її загартування. Термообробка загартуванням сірого чавуну з перлітною структурою дозволяє перетворити його в чавун з мартенситною структурою.

Загартування гільз, проведена струмами високої частоти (ТВЧ), дозволяє отримати робочу поверхню, зміцнену на глибину до 2,5 мм (ЯМЗ – 1,0-2,5), КамАЗ–?1,0 мм). Її твердість після гарту ТВЧ досягає 38-48 НRС в залежності від різних факторів. Питома знос таких гільз складає в залежності від умов експлуатації автомобіля 0,5-2,0 мкм/1000 км. Достатня глибина загартованого шару дозволяє виробляти перешлифовку гільз під ремонтні розміри, що збільшує ресурс роботи.

Однак при загартуванню робочої поверхні гільз ТВЧ існує велика ймовірність геометричної деформації, утворення тріщин на гартує поверхні, отримання неоднорідною твердості як по колу, так і по висоті, неоднорідності структури (наявність відокремлених мікроділянок структурно-вільного фериту в структурі загартованого шару тощо), що є причиною підвищеного зносу гільз циліндрів. Для запобігання цих небажаних дефектів дослідники підбирають оптимальні режими загартування (час нагріву під загартування, наявність підігріву перед загартуванням, інтенсивність зовнішнього та (чи) внутрішнього охолодження і т. д.) для кожного визначеного хімічного складу чавуну.

Застосування в якості теплового джерела лазера великої потужності дозволяє усунути названі для гарту ТВЧ недоліки за рахунок керованого підведення теплоти, при якому не вимагається подача охолоджуючої середовища для загартування нагрітої зони, так як мартенситное затвердіння відбувається внаслідок самозакалки. Максимальна глибина мартенситної структури при лазерного гартування може досягати 1,5 мм практично для всіх застосовуваних марок чавуну. Випробування показали, що гільзи, зміцнені лазерним променем, мають зносостійкість і твердість робочої поверхні більшу або рівну азотированным, гільзам з нірезістовой вставкою і зміцненим ТВЧ.

Слід зазначити, що при обробці лазерним випромінюванням графіт, що знаходиться на робочій поверхні гільзи циліндра, вигорає під дією високих температур, що призводить до збільшення шорсткості поверхні і ряду інших негативних при роботі деталі наслідків. Також необхідно дороге обладнання для проведення лазерного гартування.

З вищевикладеного випливає, що методи зміцнення робочої поверхні гільз циліндрів як поширені, так і альтернативні, повинні в результаті впливу на неї усувати недоліки, викликані ливарним процесом і, в залежності від призначення та хімічного складу, надавати деталі якості, необхідні для забезпечення ресурсу роботи двигуна. Однак, як видно з огляду джерел напрацювання двигунів до відправки в капітальний ремонт, у тому числі з зазначеними методами зміцнення, в реальних умовах експлуатації істотно нижче нормативних. Таким чином, пошук нових способів і методів зміцнення робочої поверхні гільзи циліндрів для нинішнього стану автомобільного двигунобудування є об’єктивною необхідністю.

2