Покрытия деталей двигателей

Лучшая смазываемость, термоустойчивость, защита от агрессивных внешних сред – все это обеспечивается благодаря применению специальных защитных покрытий деталей и компонентов двигателя. Естественно, для каждого типа материалов и в зависимости от особенностей применения используются различные типы покрытий.

Покрытия представляют из себя сухие пленки, отражающие тепло, удерживающие смазочные материалы и защищающие базовый металл от окисления. Достаточно распространены декоративные покрытия, не выполняющие никаких практических задач, но улучшающие товарный вид изделия.

Большинство компаний, вовлеченных в данную отрасль, держит технологии производства и нанесения покрытий в строжайшем секрете. Чаще всего они даже не продают лицензии на производство и обработку, а производят все операции самостоятельно. Настоящая статья будет посвящена обзору составов, представленных сейчас на рынке.

Для обеспечения качественной адгезии покрытия и базового металла, необходимо поверхность, очищенная от любого рода загрязнений и обладающая шероховатостью необходимого уровня. Один из производителей составов для покрытия компонентов двигателей, утверждает, что на 85% работа по нанесению покрытия состоит именно из подготовки поверхности. Наиболее распространенный способ очистки поверхности – обработка пескоструйным или дробоструйным аппаратом. После этого на поверхность распыляется состав, деталь высушивается и выдерживается в печи под постоянным наблюдением. Температура в печи должна оставаться в определенных допустимых рамках, чтобы не пережечь базовый металл.

Сухие пленочные смазки содержат такие компоненты как дисульфид молибдена или тефлон в термоусадочном полимерном составе. Это покрытие обеспечивает достаточно надежную защиту поверхности в экстремальных случаях при недостаточном количестве смазки или ее полном отсутствии в момент запуска. Сухое пленочное покрытие наносится как правило на юбки поршней, вкладыши и шейки, штоки впускных и выпускных клапанов, пружины клапанного привода, шатуны, рокера и кулачки распределительного вала.

Сухие пленочные смазки с содержанием молибдена ориентированы на удержание масла. Даже при достаточно высоких нагрузках масло не вытесняется с поверхностей, обработанных подобными составами и губительного контакта металла о металл не происходит. Кроме этого покрытие на молибденовой основе способствует увеличению прочности масляной пленки, что также способствует снижению трения и уменьшает износ деталей.

Один из производителей составов для покрытия компонентов двигателя сообщает о гонке, на которой у участника, занявшего второе место, в середине гонки сломался привод масляного насоса. Давление в системе упало ниже допустимого уровня. Тем не менее пилот закончил гонку. Когда механики разобрали двигатель, оказалось, что обработанные составом поршни, вкладыши и шатуны не пострадали. Поврежденный привод насоса был исправлен, а двигатель собран без капитального ремонта. Через неделю после этого пилот выиграл следующие соревнования. И таких историй – множество.

Безусловно, заменить масляной пленки такое покрытие не в состоянии, но оно дает резерв времени, позволяющий принять срочные меры для предотвращения серьезных повреждений. Именно поэтому покрытия столь популярны среди гонщиков всех разновидностей. Обработанные подобными составами вкладыши вала – оптимальный выбор для любого высокооборотистого транспортного средства. Поршни, с обработанными юбками замечательно противостоят регулярному перегреву, от которого страдают двигатели в городском режиме движения.

Сухая пленочная смазка увеличивает диаметр юбки поршня в среднем на 0,025 мм. Это достаточно часто вызывает вопросы, каким образом это увеличение сказывается на тепловом зазоре поршня. Производители поршней как правило не рекомендуют изменять величину зазора в связи с установкой поршней с покрытием. Для просчета зазора необходимо пользоваться цифрами, указанными производителем на упаковке, а не реальным диаметром поршня с покрытием. Толщина же покрытия, наносимого на вкладыши – еще тоньше и составляет 0,005 мм и меньше. Такая толщина покрытия настолько незначительна, что говорить о каких-либо специальных операциях по восстановлению необходимого зазора не приходится.

С течением времени покрытие любого компонента двигателя стирается. Однако происходит это достаточно медленно и даже минимальное содержание сухой пленочной смазки на детали значительно повышает ее защищенность от повреждения в результате контакта металла о металл.

Одно из наиболее распространенных заблуждений, связанных с сухими пленочными покрытиями – подобная обработка металла снижает силу трения и позволяет выиграть несколько дополнительных лошадиных сил мощности. Это правда, но при одном условии — если между трущимися поверхностями абсолютно отсутствует смазка. Однако пока смазка присутствует, покрытие ни в коей мере не снижает трения и не улучшает характеристик смазочного материала. Некоторое количество лошадиных сил можно выиграть, обработав специальным пленочным покрытием противовесы коленвала. По мнению некотрых специалистов, такая операция позволяет сэкономить 8-10 л.с. На скорости вращения вала 7500 обмин. Благодаря покрытию масло не так сильно нагревается и пенится.

Сухие пленочные смазки вообще снижают рабочую температуру масла не 10-15 градусов, что позволяет пользоваться менее вязким маслом не опасаясь выйти за опасную грань. Менее вязкое масло меньше тормозит движущиеся части, что позволяет получить выигрыш в мощности и динамике.

Сухие пленочные смазки, содержащие в своем составе тефлон (PTFE) относятся к классу маслоотталкивающих покрытий – сам тефлон является низкофрикционным материалом, отталкивающим масло. По этой причине некоторые производители не рекомендуют такие покрытия для вкладышей и юбок поршней. Выход из этой ситуации был найден в виде комбинированного тефлоново-молибденового покрытия. Молибден прочно удерживает пасло не поверхности, а тефлон успешно противостоит трению в случае внезапного падения давления масла в системе.

Сухие пленочные покрытия могут эффективно использоваться для охлаждения впускных коллекторов и головок блока цилиндров. Благодаря этому удается снизить уровень сепарации воздушно-топливной смеси, формула некоторых пленочных покрытий позволяет им выполнять функцию теплоизолятора и теплового барьера.

Покрытия позволяют защитить компоненты двигателя и увеличить КПД благодаря еще одному своему важному свойству – способности отражать тепловую энергию. Высокое содержание керамического наполнителя обеспечивают покрытию теплоизолирующие свойства. Соответственно, участки, страдающие от перегрева и обработанные подобным составом будут защищены от него. Это актуально для головок поршней, канавок поршневых колец, фасок впускных и выпускных клапанов, поверхностей коллекторов и т.д.

Если термоотражающим покрытием обрабатывается головка поршня, излишняя тепловая энергия отражается обратно в камеру сгорания. Это способствует лучшему сгоранию смеси и выработке большего количества “полезной” энергии. Перегретая головка поршня не становится катализатором таких нежелательных явлений как преждевременное зажигание и детонация.

Толщина термоотражающего покрытия составляет как правило 0,025-0,075 мм. Особенно полезным оказывается обработка компонентов турбированных двигателей и двигателей с компрессором. В процессе работы таких двигателей вырабатывается огромное количество тепла, способного привести к повреждениям определенных компонентов.

Рабочая температура впускных и выпускных клапанов, обработанных термоотражающими покрытиями снижается достаточно ощутимо. Некоторые производители пленочных покрытий рекомендуют обрабатывать сухими пленочными смазками также шток и обратную сторону тарелки клапана. Это должно улучшить смазываемость и снизить износ направляющей. Подобное покрытие титановых клапанов защищает их от эрозии. Кроме этого покрытие препятствует отложению препятствующего свободному течению воздуха.

Обработка внутренней поверхности камеры сгорания, особенно двигателей с алюминиевыми головками блоков препятствует чрезмерному накоплению тепла головкой. Таким образом повышается эффективность сгорания, увеличивается мощность и снижается температура охлаждающей жидкости в системе. Обрабатывается как правило вся поверхность камеры сгорания и выпускные порты. Снижение рабочей температуры стандартного атмосферного двигателя на 10 градусов увеличивает мощность на один процент, турбированного же или оборудованного компрессором – на два процента.

Участок, где термический барьер показывает наилучшие результаты – выпускные коллекторы. Обработанные термозащитными составами, коллекторы не накапливают в себе тепловой энергии, благодаря чему выхлопные газы проходят в них с большей скоростью и не создавая обратного давления. Результат – лучшая вентиляция коллектора и меньше потерь мощности, особенно на высоких оборотах.

После обработки коллектора термозащитным составом ощутимо снижается температура его внешней поверхности, что положительно сказывается на состоянии всего подкапотного пространства и снижает риск возгорания посторонних предметов, попадающих на коллектор. Один из производителей термозащитных составов, утверждает, что обработанный выпускной коллектор можно красить термоустойчивой краской. И краска не будет обгорать даже после значительного пробега.

Покрытие для выхлопной системы внешне бывает похожим на хромирование. В этом случае оно выполняет больше декоративную и антикоррозионную функцию чем теплоотражающую. Хотя отчасти оно защищает и от перегрева. И наоборот, темное серое или почти черное матовое покрытие предназначено в первую очередь от перегрева и лишь отчасти как защита от коррозии. Некоторые производители делают покрытия многослойными, что позволяет объединить свойства различных типов покрытий. Основная масса покрытий выхлопной системы наносится путем распыления. Благодаря такому способу нанесения покрытие образует с металлом основы прочное соединение. Несколько менее надежную защиту обеспечивают краскоподобные покрытия.

Покрытие хромом – в корне отличающийся процесс. Коллектор или любая другая деталь погружается в кислотную ванну и затем на ее поверхность путем электролиза наносится слой хрома. Хром обеспечивает надежную защиту от перегрева, однако покрытие такого типа неприменимо для клапанных крышек и масляных поддонов. Хромированная поверхность не имеет к сожалению достаточной устойчивости к воздействию агрессивной внешней среды и не может защитить детали от коррозии.

Некоторые типы покрытий разработаны именно для интенсивного рассеивания тепловой энергии, накапливающейся в обработанном компоненте. Эти покрытия могут быть сухими пленочными смазками и выполнять двойную функцию. Такого типа пленки идеально подходят для обработки внешней и внутренней поверхности масляных поддонов, обработанный ею металл рассеивает на порядок большее количество тепловой энергии, чем покрашенный специальной краской или просто полированная поверхность. Срок службы клапанных пружин также существенно увеличится, если обработать их сухим пленочным покрытием с функцией рассеивания тепловой энергии.

При нагревании пружины сила, с которой она воздействует на клапан, снижается. Соответственно, любой фактор, снижающий рабочую температуру пружины клапанного привода, увеличивает ее силу, снижает риск ее уставания и преждевременного выхода из строя. Тепловая энергия поглощается пружинами от головки блока, а также вырабатывается самой пружиной при контакте отдельных витков друг с другом. Как показывают исследования, покрытие пружины сухой пленочной смазкой, рассеивающей тепло, увеличивает срок службы пружины от двух до десяти раз! Впечатляющий результат.

Еще один участок, где обработка рассеивающим тепло покрытием обеспечивает также высокий результат – верхняя часть впускного коллектора, внутренняя и внешняя сторона масляного поддона, клапанная крышка и кожух передачи газораспределительного фильма.

Покрытия, имеющее в составе высокое содержание PTFE (тефлона) или материала со сходными свойствами, относятся к классу маслоотталкивающих. Обработанные такими составами поршни (нижняя часть), шатуны, балансировочные валы, клапанные крышки и некоторые другие компоненты не накапливают на себе масла, что положительно сказывается на охлаждении и работе всей масляной системе – маслянный насос не испытывает “голодания”, скорость течения масла в системе увеличивается, что положительно сказывается на работоспособности двигателя в целом.

Что касается рекомендаций относительно выбора покрытия для компонентов двигателей, то дать их практически невозможно. По возможности нужно опросить максимальное количество торговых представителей и сделать выбор на основе их описаний. Важно четко определить особенности эксплуатации автомобиля (таскать прицепы или участвовать в гонках) и то, что же ожидается от покрытия.

Технологии рабочих поверхностей блоков цилиндров

Основной момент каждой концепции алюминиевых блоков цилиндров — точное определение профиля требований. Основной структурный элемент каждой концепции — рабочая поверхность цилиндра. Поскольку при применении обычных литейных алюминиевых материалов невозможно в достаточной степени реализовать свойства трения и износа, то подбирается подходящий метод для данного случая применения, оптимальный как по сроку службы рабочих поверхностей цилиндров, так и по изготовлению, а также экономически.

Большие различия имеются, как всегда, в концепциях рабочих поверхностей бензиновых и дизельных двигателей. В то время, как развитие алюминиевых рабочих поверхностей у бензиновых двигателей продвинулось очень далеко и метод ALUSIL® широко применяется в изготовлении двигателей, он до сих пор не смог пробить себе дорогу у дизельных двигателей. Поэтому заливаемые гильзы цилиндров из серого чугуна ещё регулярно применяются у дизельных двигателей. Развитие рабочих поверхностей идёт в настоящий момент в направлении покрытия данных поверхностей железом. Это производится либо способом термонапыления (плазменное покрытие), либо дуговым методом напыления проволоки, либо способом PVD. Эти новые методы освещены подробнее в последующих главах.

Обзор различных технологий рабочих поверхностей

ALUSIL®-paбочие поверхности цилиндров

При методе ALUSIL® весь блок цилиндров состоит из заэвтектического алюминиево-кремниевого сплава. Для такого заэвтектического сплава характерно повышенное содержание кремния; у наиболее часто применяемого ALUSIL®- сплава (AISi17Cu4Mg) содержание кремния — 17%.

В противоположность заэвтектическому сплаву, эвтектический алюминиево-кремниевый сплав содержит только 12-13 % кремния. При такой доле кремния степень насыщения алюминия достигнута. Более высокая доля кремния приводит к тому, что при застывании расплава образуются первичные кристаллы кремния. Это означает, что та часть кремния, которая из-за насыщения алюминия кремнием не может войти в соединение с алюминием,выкристаллизовывается и откладывается среди (насыщенного) алюминиево-кремниевого сплава (эвтектика). Для облегчения выкристаллизования кремния в расплав добавляется небольшое количество фосфора. Кристаллы кремния растут вокруг гетерогенного алюминиево-фосфидного зародыша. Величина кристаллов кремния находится в пределах от 20 до 70 |jm. Данные первичные кристаллы кремния, соответствующим образом обработанные и раскрытые, без дополнительного армирования, образуют устойчивую к износу внутреннюю поверхность цилиндра для поршня и поршневых колец. Изображение 1: речь идёт о съёмке прозрачной плёнкой 1 — здесь показана с увеличением окончательно обработанная АШЗИ®-рабочая поверхность цилиндра (механическое шлифование для раскрытия). Отчётливо видны раскрытые кристаллы, выпукло лежащие в кристаллической решётке алюминия. Кристаллы кремния вырастают тем больше, чем дольше длится процесс застывания. Благодаря различной скорости охлаждения в блоке цилиндров в нижней части цилиндров образуются несколько большие кристаллы кремния, чем в верхней части, которая, в силу конструкционных особенностей, быстрее охлаждается. На изображении 2 показана трёхмерная картина шероховатости одной окончательно обработанной .

Лазерное легирование рабочих поверхностей цилиндров

2. Струя порошка

3. Вращающееся лазерное оптическое устройство

4. Легированный слой

5. Оплавляемая зона

Лазерное легирование представляет собой дальнейший метод армирования кремнием рабочих поверхностей цилиндров. При лазерном легировании рабочая поверхность цилиндра изготовленного из стандартного алюминиево-кремниевого сплава (напр., AISi9Cu3) блока цилиндров с помощью вращающегося лазерного оптического устройства оплавляется и металлургически легируется параллельным подводом порошка (кремний и т.д.) (изобр. 1). Тем самым получают тонкий слой с очень тонко отделённой твёрдой фазой (в основном кремнием) в зоне внутренней поверхности цилиндра. Отверстия цилиндров после лазерного легирования должны ещё хонинговаться, и частицы кремния должны быть раскрыты. Т. к. размеры частиц малы (в пределах нескольких цм), раскрытие интегрированных кремниевых кристаллов целесообразно производится химическим травлением. Процесс раскрытия химическим травлением подробнее описан в главе «3.6.2.Различные методы раскрытия кремния».

Гильзы из серого чугуна Мокрые гильзы из серого чугуна

Данный вид конструкции находит на сегодняшний день лишь относительно редко применение в двигателях для легковых втомобилей. Причиной этого является различное поведение алюминиевого блока цилиндров и гильзы цилиндра из серого чугуна при тепловом расширении. Особенно это требует выдерживания жёстких полей допусков по длине гильзы цилиндра при изготовлении с тем, чтобы наверняка избежать проблем с уплотнением головки блока цилиндров (по данному вопросу см. также главу «2.3.1. Различные виды конструкций блоков цилиндров»).

Заливаемые гильзы цилиндров из серого чугуна

Данная концепция объединяет в значительной степени весовые преимущества материала алюминия и отсутствие проблем свойств скольжения рабочих поверхностей цилиндров из серого чугуна. Изготовление производится, чаще всего, выгодным методом литья под давлением (конструкция Open-Deck). При изготовлении методом литья под давлением получаются сравнительно малые зазоры между гильзой и окружающим литьём, а также, в целом, хорошие показатели теплопроводности. Для обеспечения глухой посадки гильзы из серого чугуна в блоке применяются различные методы. Простейшим методом является изготовление с канавками по наружному диаметру (изобр. 2). Несмотря на применяемый метод литья под давлением, здесь могут быть, однако, проблемы с механическою связью и, тем самым, с глухой посадкой гильзы в блоке. Причиной этого являются оставшиеся между гильзой и алюминиевым блоком, хотя и очень маленькие, воздушные зазоры. Поэтому перешли к использованию так называемых гильз шероховатого литья (изобр. 3). Благодаря сильно изборождённой внешней наружной поверхности при заливке происходит истинное защемление гильзы материалом блока

Дальнейшее улучшение — хотя и за счёт более высоких расходов — приносит альфинирование или плазменное покрытие гильз перед заливкой. При альфинировании гильзы покрываются вначале алюминием в ванне с чистым алюминием. Тем самым возникает особая внутренняя, металлургическая связь алюминия с гильзой из серого чугуна. При данном методе речь идёт об относительно высокозатратном методе подготовки литья. Поэтому перешли — когда это необходимо, — к тому, чтобы гильзы из серого чугуна вначале с наружной стороны сделать струйной обработкой шероховатыми, а затем покрыть напыляемым плазменным слоем из алюминия. В противоположность альфинированию, при плазменном покрытии всё же не возникает металлургической связи серого чугуна с алюминием.

Нанесённые таким способом на гильзы алюминиевые слои при заливке в блок цилиндров вновь немного оплавляются и лучше соединяются с материалом блока по сравнению с гильзами без алюминиевого покрытия. Проблемы связи, которые при известных условиях могли бы появиться, можно таким способом уменьшить или их избежать.

Заливаемые алюминиевые гильзы (ALUSIL®, Silitec®)

Наряду с изготовлением монолитных блоков цилиндров из ALUSIL — материала возможно также изготовление блоков цилиндров с заливаемыми алюминиевыми гильзами с высоким содержанием кремния (ALUSIL®, Silitec®). Необходимое для армирования цилиндра обогащение кремнием существует при данном методе только в зоне рабочей поверхности цилиндра. Остальной блок цилиндров состоит из стандартного алюминиево-кремниевого сплава (напр., AISi9Cu3).

Компактное набрызгивание заливаемых гильз

Здесь речь идёт об относительно новом методе для изготовления алюминиевых гильз с высоким содержанием кремния (Silitec ). Требуемый материал гильз для заливки изготавливается так называемым методом компактного набрызгивания. Ради простоты и понятности в последующем тексте применяется понятие Silitec®. Здесь в одной камере металлический расплав алюминия с помощью распыляющего газа (азот) мельчайше распыляется, и, таким образом, слой за слоем образует заготовку (изобр. 1). Форма конуса распыления обуславливает позднейшую форму полуфабриката. Принципиально с помощью данного метода возможно изготовление труб, шайб, штанг или листов непосредственно в ходе одного рабочего процесса. По технике изготовления компактное набрызгивание находится между спеканием и классическим формообразующим литьём По сравнению с обычными литейными материалами создается возможность, похоже, как и при спекании, производить материалы необычного состава. Содержание кремния при данном методе может доходить до 25%. Получают очень тонкую структуру с гомогенным распределением элементов и фаз и хорошими возможностями формоизменения.

Таким способом полученный сырой материал в форме болта перерабатывается методом непрерывного выдавливания в трубы, которые затем, распиленные на куски, применяются как заливаемые детали для блока цилиндров (изобр. 3). Для улучшения связи перед заливкой делают струйным способом наружную поверхность гильз шероховатой. Из-за опасности расплавления вНН©й’®-гильз заливка производится более быстрым методом литья под давлением.

Обработка цилиндров производится как и у прочих алюминиево-кремниевых рабочих поверхностях цилиндров. Кристаллы кремния очень тонко распределены в структуре и имеют величину 4 — 10 рм (изобр. 2). Из-за очень малых размеров частиц раскрытие кристаллов кремния при окончательной обработке рабочих поверхностей цилиндров предъявляет особые требования. У изготовленных данным методом блоков цилиндров используется поэтому в серийном производстве преимущественно раскрытие обработкой едким натром.