Способ повышения износостойкости гильзы цилиндра двигателя внутреннего сгорания
Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: в способе повышения износостойкости гильзы цилиндра двигателя внутреннего сгорания на поверхность гильзы наносят 3 — 10% эмульсии фторуглерода. Поверхность гильзы подвергают термообработке в течение 0,5 — 1,5 ч при 150 — 250 o C. 1 табл.
Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для увеличения срока службы двигателей внутреннего сгорания.
Известно, что рабочие втулки цилиндра дизельных двигателей внутреннего сгорания изготавливают из чугуна перлитной структуры, из чугуна, легированного хромом и никелем, или из легированной стали с азотированием внутренней их поверхности (Зинченко В. М. Автомобильная промышленность, 1986, N 9, с. 30 32).
Износостойкость чугунных рабочих втулок цилиндра, кроме того, может быть повышена с помощью термической обработки чугуна или путем покрытия внутренней поверхности (зеркала цилиндра) тонким слоем (0,05 0,08 мм) пористого хрома, что является дорогостоящим и сложным процессом.
Данный способ повышения износостойкости и принят за прототип. Так как при большом диаметре цилиндра (свыше 250 мм) прочный слой хрома одинаковой толщины практически получить очень трудно, то хромирование втулок применяется только в двигателях с малым диаметром цилиндра (Хандов. З. А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. М. Транспорт, 1968, с. 39 40; Долецкий В. А. и др. Увеличение ресурса машин технологическими методами. М. Машиностроение, 1978, с. 54 66).
Целью изобретения является повышение износостойкости гильз цилиндров ДВС.
Для повышения износостойкости гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания при использовании в качестве моторного топлива нефтяных и альтернативных топлив, в том числе растительного масла, предлагаем наносить на поверхность гильз цилиндров покрытие, которое в отличие от прототипа выполнено из 3 10% эмульсии фторуглерода с последующей термообработкой при 150 — 250 o C в течение 0,5 1,5 ч.
Для подтверждения предлагаемого способа повышения износостойкости гильз цилиндров были проведены испытания дизеля 248,5/11 при работе на рапсовом масле.
Дизельный двигатель был выбран потому, что работает в более жестких условиях, чем карбюраторный (Браславский М. И. и др. Судовая теплоэнергетика. Справочник. М. Транспорт, 1983, с. 312).
В качестве топлива выбрано рапсовое масло потому, что, во-первых, переход на альтернативные топлива приводит к увеличению износа двигателя (Терентьев Г. А. и др. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов. М. Химия, 1989, с. 272; Фукс И. Г. и др. Химия и технология топлив и масел. 1992, N 4, с. 34 39 и N 6 с. 34 40), а, во-вторых, потому что в Европе наибольшее распространение из альтернативных топлив растительного происхождения получило именно рапсовое масло (Ihrig H. Ibid. 1990, Bd. 35, N 8, S. 1 19).
Гильзу цилиндра покрывают с помощью пульверизатора 10%-ой эмульсией фторуглерода, затем помещают в сушильный шкаф, где подвергают термической обработке при 150 o C в течение 1,5 ч. Другие условия осуществления способа включают те же операции, но выполняются при других параметрах режима и приведены в таблице, примеры 3 и 4.
Во всех опытах двигатель работал 50 ч на установившемся режиме после 30 ч откатки. При этом использовалось масло М1OB2. Износ втулок определяли методом вырезанных лунок, применяя прибор УПОИ-6 (Сомов В. А. Бенуа Г. Ф. Шепельский Ю. Л. Эффективное использование моторных масел на речном флоте. М. Транспорт, 1985, с. 231).
Результаты испытаний приведены в таблице.
Данные, представленные в таблице, показывают, что предложенная обработка позволяет снизить скорость изнашивания поршневых втулок в 1,66 2,29 раза, а поршневых колец в 1,39 2,0 раза.
Нижний температурный предел выбран из экономических соображений. Снижение обработки ниже 150 o C приведет к резкому увеличению времени обработки, что вызовет увеличение расхода электроэнергии и снижение производительности труда.
Верхний температурный предел определяется свойствами материала гильзы цилиндра при повышении температуры обработки гильзы цилиндра может произойти ее разупрочнение.
Нижний временной интервал определяется минимальным сроком обработки, необходимым для завершения процесса модификации поверхности гильзы цилиндра, верхний экономическими соображениями.
В настоящее время процесс проходит эксплуатационную проверку на Ленинградском дизельном заводе на среднеоборотных и высокооборотных дизелях.
Способ повышения износостойкости гильзы цилиндра двигателя внутреннего сгорания, использующего в качестве моторного топлива нефтяное и альтернативное топливо, преимущественно растительное масло, заключающийся в том, что на поверхность гильзы наносят покрытие, отличающийся тем, что в качестве покрытия используют 3 10%-ную эмульсию фторуглерода, а после нанесения покрытия поверхность гильзы подвергают термообработке в течение 0,5 1,5 ч при 150 250 o С.
Источник
Проектирование и расчет автомобиля
МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЕЙ
При эксплуатации автомобиля в различных условиях возникает необходимость повышения износостойкости и антифрикционных качеств рабочей поверхности гильз за счёт специальной обработки или методов упрочнения.
Провести сравнительный анализ методов упрочнения можно лишь условно, поскольку результаты исследований не всегда подтверждаются однотипными данными результатов (часов работы, километров пробега, износа и т.д.). Кроме того, исследование новых методов упрочнения проводят, как правило, в сравнении с различными одним-двумя уже известными методами, а показания сравниваемых характеристик приводится на уровне «во столько-то раз… (на…% и т.п.)», что также искажает представление об общей оценке их эффективности.
Легирование чугуна гильз цилиндров , рассмотренное в предыдущем разделе, является одним из методов упрочнения. К сказанному выше необходимо добавить, что упрочнение происходит в результате торможения дислокаций на внедрённых атомах, что существенно изменяет сопротивление их движению и обеспечивает упрочнение металлической матрицы, повышение её сопротивления пластическим деформациям и меньшее снижение твёрдости при нагреве.
Наиболее распространённые виды химико-термической обработки (ХТО) – азотирование, сульфидирование и фосфатирование. Они позволяют сократить расход Ni, Cr, Cu за счёт использования для изготовления гильз менее легированных материалов.
Азотирование
Азотированием достигается значительное повышение (»40НRС) твёрдости, износо- и коррозионостойкости рабочей поверхности гильз за счёт образования в ней карбонитридной фазы, которая имеет достаточную пластичность и становится рабочим элементом упрочнённого слоя. В работе указывается, что монолитные гильзы цилиндров двигателя ЗИЛ-130 из СЧ 24-44 после азотирования имели износостойкость в 1,5 – 1,9 раза выше, чем серийные с нерезистовой вставкой, при пробеге автомобиля 120…160 тыс.км. При этом во столько же раз уменьшалось изнашивание поршневых колец.
Однако, упрочнённый азотированием слой плохо прирабатывается и может выкрашиваться в процессе эксплуатации, при этом шероховатость поверхности ухудшается до Rа=0,63…2,5 мкм. Поэтому упрочнение азотированием не рекомендуется для двигателей автомобилей, работающих в запылённых карьерах.
Сульфидирование
При сульфидировании на рабочей поверхности гильзы образуется слой сернистого железа, который хорошо прирабатывается, повышает маслоёмкость рабочей поверхности, предотвращает схватывание с поршневыми кольцами, обеспечивает стабильно низкий коэффициент трения, увеличивает сопротивление изнашиванию, имеет надёжное сцепление с основным материалом. Однако увеличена склонность к образованию сернистых соединений и коррозии.
«Аналогичные свойства имеет и фосфатированный слой. Кроме того, он коррозионностойкий».
Главными недостатками всех видов ХТО являются малая глубина внедрения в основной материал (0,3-0,35 мм), при этом окончательное периодическое хонингование гильз под ремонтный размер затруднено и ещё несколько её уменьшает. Поверхностный слой не может длительное время противостоять высоким нагрузкам, при которых работает пара гильза — поршневое кольцо; этот метод упрочнения довольно энергоёмок и дорог.
Поверхностное пластическое деформирование (ППД) – эффективный способ повышения износостойкости трущихся поверхностей детали в условиях граничного трения, основанный на использовании пластических свойств материала. В результате такой обработки удаляются риски и микротрещины от предыдущей обработки, увеличиваются твёрдость, износо- и коррозионостойкость поверхности и её усталостная прочность. В настоящее время существует значительное количество способов ППД. Об эффективности способов ППД по сравнению с наиболее распространёнными видами чистовой обработки гильз цилиндров можно судить по данным табл..
Результаты экспериментов показали , что износ поверхностей у образцов после упрочняющей обработки в период приработки меньше в 1,1-1,8 раза, а темп изнашивания в период естественного изнашивания меньше в 2 раза.
Таблица .
| Вид и способ обработки | Класс точности | Шероховатость Ra, мкм | |
| резание | 3-2 | 2,5-1,25 | |
| 2-1 | 0,62-0,08 | ||
| 2-1 | 0,16-0,125 | ||
| ППД | 2-1 | 0,32-0,08 | |
| 2 | 0,32-0,08 | ||
Поверхностный слой, раскатанный при оптимальных режимах, имеет повышенную (на 18-27%) микротвёрдость. Наибольшее её повышение наблюдается у перлитных чугунов, графитовые включения которых имеют меньшую длину, более обособлены и завихрены. Толщина слоя с повышенной микротвёрдостью колеблется в пределах 0,05-0,5 мм: чем больше диаметр деформирующего элемента, тем толще слой с повышенной микротвёрдостью. Кроме того, при раскатывании происходит некоторое измельчение графитовых включений, зёрна перлита после деформации имеют другую ориентировку по сравнению с исходной. Форма зёрен становится сплюснутой в направлении радиальных сил деформации. Вместе с тем, в подавляющем большинстве случаев, как утверждают авторы работ можно подобрать оптимальные параметры деформирующего элемента, обеспечивающие сохранение или даже улучшение исходной макрогеометрии Несомненным положительным моментом следует считать то, что ППД является окончательной операцией и возможно как в промышленном, так и в ремонтном производстве.
Однако, оно лишь в незначительной степени исправляет погрешности предшествующей обработки. Поэтому предшествующая обработка заготовок должна быть достаточно точной. Существенную роль в достижении необходимого качества поверхности играет величина силы воздействия на обрабатываемую поверхность, число ходов инструмента, подбор деформирующего элемента.
В работах приводятся примеры исследований упрочнения гильз цилиндров ППД с одновременным нанесением антифрикционного покрытия. По утверждению авторов работ этот метод превосходит по эффективности фосфатирование, направленное хонингование и алмазное вибровыглаживание, а полученные результаты после пробега укомплектованных двигателей 5-25 тыс.км показали, что обработка гильз этим методом в сравнении с алмазным хонингованием позволяет: повысить ресурс работы деталей ЦПГ в 1,9-2,6 раза; ускорить приработку в паре гильза – кольцо до 2 раз; сократить расход топлива двигателей ЗМЗ-53, ЗМЗ-24 на 0,4-0,5л/100 км; уменьшить коэффициент трения до 30%; повысить в 1,8-5,0 раз износостойкость рабочей поверхности гильзы; подвергать обработке только её верхнюю наиболее изнашиваемую часть.
Существенным недостатком этого метода является малая толщина антифрикционного слоя (до 5 мкм), что в условиях ведущего абразивного изнашивания будет недостаточно и, как следствие, может вызвать другие виды износа, уменьшая ресурс гильзы.
С целью повышения износостойкости рабочей поверхности гильз в современном автомобильном двигателестроении для большинства гильз цилиндров двигателей, в том числе и зарубежных применяется её закалка. Термообработка закалкой серого чугуна с перлитной структурой позволяет преобразовать его в чугун с мартенситной структурой.
Закалка гильз
Закалка гильз , проводимая токами высокой частоты (ТВЧ), позволяет получить рабочую поверхность, упрочнённую на глубину до 2,5 мм (ЯМЗ – 1,0-2,5), (КамАЗ–1,0 мм). Её твёрдость после закалки ТВЧ достигает 38-48 НRС в зависимости от различных факторов. Удельный износ таких гильз составляет в зависимости от условий эксплуатации автомобиля 0,5-2,0 мкм/1000 км. Достаточная глубина закалённого слоя позволяет производить перешлифовку гильз под ремонтные размеры, что увеличивает ресурс её работы.
Однако при закалке рабочей поверхности гильз ТВЧ существует большая вероятность геометрической деформации, образования трещин на закаливаемой поверхности, получения неоднородной твёрдости как по окружности, так и по высоте, неоднородности структуры (наличие обособленных микроучастков структурно-свободного феррита в структуре закалённого слоя и т.п.), что является причиной повышенного износа гильз цилиндров. Для предотвращения этих нежелательных дефектов исследователи подбирают оптимальные режимы закалки (время нагрева под закалку, наличие подогрева перед закалкой, интенсивность наружного и (или) внутреннего охлаждения и т.д.) для каждого определённого химического состава чугуна.
Применение в качестве теплового источника лазера большой мощности позволяет устранить названные для закалки ТВЧ недостатки за счёт управляемого подвода теплоты, при котором не требуется подача охлаждающей среды для закалки нагретой зоны, так как мартенситное затвердевание происходит вследствие самозакалки. Максимальная глубина мартенситной структуры при лазерной закалке может достигать 1,5 мм практически для всех применяемых марок чугуна. Испытания показали, что гильзы, упрочнённые лазерным лучом, имеют износостойкость и твёрдость рабочей поверхности большую или равную азотированным, гильзам с нирезистовой вставкой и упрочнённым ТВЧ.
Следует отметить, при обработке лазерным излучением графит, находящийся на рабочей поверхности гильзы цилиндра, выгорает под действием высоких температур, что приводит к увеличению шероховатости поверхности и ряду других отрицательных при работе детали последствий. Также необходимо дорогое оборудование для проведения лазерной закалки.
Из выше изложенного следует, что методы упрочнения рабочей поверхности гильз цилиндров как широко распространённые, так и альтернативные, должны в результате воздействия на неё устранять недостатки, вызванные литейным процессом и, в зависимости от назначения и химического состава, придавать детали качества, необходимые для обеспечения ресурса работы двигателя. Однако, как видно из обзора источников наработки двигателей до отправки в капитальный ремонт, в том числе с указанными методами упрочнения, в реальных условиях эксплуатации существенно ниже нормативных. Таким образом, поиск новых способов и методов упрочнения рабочей поверхности гильзы цилиндров для нынешнего состояния автомобильного двигателестроения является объективной необходимостью.
Источник
