Формування оптимальної топографії поверхні.

Для кожного вузла тертя і певних режимів його експлуатації характерна своя оптимальна топографія поверхонь, при якій спостерігається мінімальна інтенсивність зношування. Незалежно від режиму мащення, в процесі припрацювання вихідна шорсткість переходить в експлуатаційну. Чим ближче вихідна мікрогеометрія до рівноважної, тим менше період припрацювання.

Для деталей вузлів тертя, що експлуатуються у режимі «пуск-зупинка», при низьких швидкостях ковзання, в умовах реверсивного тертя важливо забезпечити безперервний доступ мастильного матеріалу в зону контакту. Тому розроблений ряд технологічних заходів щодо створення „карманів” для мастильного матеріалу. Так, при хонінгуванні втулок за допомогою крупнозернистого абразивного інструменту виконується швидкісна операція по створенню сітки канавок, яка виконує роль „резерву мастильного матеріалу”.

Створення „карманів” забезпечується також при обкатуванні деталей роликами, шариками, алмазним інструментом. При цьому відбувається і зміцнення поверхневого шару пластичним деформуванням. В результаті обкатки на 20…40% підвищується твердість поверхні, а зносостійкість може підвищуватись, в середньому, втричі.

Провідні моторобудівельні фірми для поверхневого зміцнення гільз застосовують лазерне хонінгування. Фірма „Audi” випустила в серійне виробництво форсований дизель з робочим об’ємом 3,0 л і турбонаддувом. В цьому випадку робочі поверхні чавунних гільз циліндрів піддаються лазерному хонінгуванню, в результаті чого знижується знос поршневих кілець, на 25% знижується витрата оливи і на 3% – витрата палива. Зовнішній шар робочої поверхні підплавляється на глибину 2 мкм з утворенням плазми парів металу, під дією якої в підплавлений шар проникає атмосферний азот. По закінченню дії лазерного імпульсу шар при охолодженні утворює нанокристалічну структуру з вмістом до 18% азоту. Шар завтовшки біля 200 нм складається з нітридів і карбідів заліза і володіє високою твердістю і властивостями кераміки. За даними фірми „Opel” лазерне хонінгування гільз знизило зношування циліндрів і поршневих кілець в два рази. За даними „ЗІЛ” лазерна обробка чавунних гільз підвищує їх зносостійкість до рівня серійної гільзи з неризистовою вставкою.

2. Вибір матеріалу:

2.1. Вибір матеріалу для циліндрових втулок.Матеріал і методи обробки циліндрових втулок повинні забезпечити високу зносостійкість дзеркала циліндра, конструктивну міцність, опір кавітаційно-корозійному руйнуванню зовнішньої поверхні, яка омивається рідинами.

Матеріали для циліндрових втулок – чавуни, сталь і алюмінієві сплави.

Чавуни. Переважно для циліндрів застосовують сірий низьколегований або середньолегований перлітний чавун, рідше перлітний чавун з глобулярним графітом, аустенітний чавун типу нирезиста і високолегований чавун з сіткою карбіду в перлітній або аустенітній основі.

Збільшення вмісту вуглецю і кремнію до 5,2…5,4% створює позитивний вплив на стійкість до заїдання. З підвищенням змісту С + Sі від 4,5 до 5,7% відбуваються помітні зміни в металевій основі і значно збільшується кількість графіту. Наявність графіту особливо важлива у верхній зоні циліндра і в районі вихлопних вікон втулок для утворення захисних шарів, де рідкий мастильний матеріал малоефективний.

У кращому ступені забезпечують змащування пластинчасті включення графіту рівномірно розподілені в металевій основі чавуну. Гірше змащує поверхню точковий і глобулярний графіт, тому стійкість до заїдання високоміцного чавуну нижче, ніж сірого. З погляду міцності найвигіднішою є куляста форма графіту, чавун циліндрових втулок повинен містити мінімальну, але достатню кількість графіту для здійснення надійного змащування. Надмірно велика кількість графіту послаблює металеву основу, знижує зносостійкість за рахунок її розрихлення, а іноді і появу великої кількості структурно-вільного фериту, який посилює схоплювання.

Аустенітний чавун (нирезист) або високолегований чавун з каркасом карбіду, наприклад хромокремнистий, частіше застосовують для вставок у верхню частину циліндрів. Ці чавуни, особливо карбіди, володіють поганою оброблюваністю. Використовують ці матеріали частіше для циліндрових втулок поршневих машин малих і середніх габаритів.

Сталь. Для поршневих машин з малим і середнім діаметром циліндрів застосовують сталі 50Г, 55ПП, 40Х, 30Х3ВА, 35ХМЮА, 38ХВФЮ, 38ХМЮА, графітизовані сталі типу ЕІ336 (1,5…1,75% С; 0,7…1,25% Sі; 0,2…0,5% Мn; 0,4…0,6% Сu; 0,2…0,4% Ті).

Сталеві циліндрові втулки для підвищення їх опору задиру і зносу піддають гартуванню, азотизації, нітросульфідуванню, електролітичному хромуванню, твердому нікелюванню і ін.

Алюмінієві сплави. Слід відмітити таку тенденцію в моторобудуванні як заміну стальних і чавунних гільз в al-блоках на алюмінієві гільзи. Для цієї мети застосовують алюмоматричні композити, які вміщують дисперсні частинки графіту з Ni-покриттям. В порівнянні з чавунними гільзи з al-сплаву показали менший знос і більшу потужність двигуна. Гільза з високолегованого al-сплаву з 3% графіту володіє всіма позитивними якостями чавуну, будучи значно легшою. Застосування al-втулок замість чавунних забезпечує підвищення потужності двигуна на 11…27%, економію палива на 4…28%, зниження втрат на тертя на 18%, значне зниження зносу поршневих кілець і підвищення стабільності розміру поршнів. Фірма „Хонда” запатентувала зносостійкий, жаростійкий і високоміцний композиційний матеріал на al-основі для гільз циліндрів. al-матриця має включення 3…5% al₂О₃ та 0,5…3% графіту. Пропонується також двошарова гільза, внутрішній робочий шар якої складається із запатентованого композиту, а зовнішній – з al-сплаву, який деформується. Фірма Peak Werkstoff постачає фірмі Daimler-Chrysler гільзи циліндрів з al-сплаву для високонавантажених двигунів з турбонаддувом. Із застосуванням al-гільз відпадає проблема забезпечення міцного зв’язку гільзи з блоком. Потужність ДВЗ з al-циліндром підвищуються до 10%, на стільки ж знижується витрата палива.

2.2. Вибір матеріалу для поршневих кілець. Матеріал для поршневих кілець повинен мати високі показники зносостійкості, припрацьовуваності, опору задиру, пружності, релаксаційної стійкості, статичної і втомної міцності, теплопровідності, теплоємності і корозійної стійкості. Всім цим вимогам не задовільняє ні один з відомих матеріалів, які застосовуються для кілець, тому в ряді випадків поршневе кільце піддають комплексу обробок.

Чавун.В найбільшому ступені складним вимогам, що пред’являють до матеріалу поршневих кілець, відповідає чавун.

Для жорстких умов роботи виникає необхідність складного легування і модифікування сірого чавуну, а іноді заміни його на чавун з глобулярною формою графіту, леговану сталь або спеціальні сплави.

Металічна основа чавуну повинна представляти тонкопластинчастий перліт, іноді сорбітоподібної будови, пластинчастий прямолінійний або злегка завихрений графіт з достатнім ступенем ізольованості включень середнього розміру.

Для підвищення міцнісних характеристик і зносостійкості іноді доцільно кільця піддавати загартовуванню з температури 850…870⁰С в масло і відпуску при 350…500⁰С. Найкращі результати дає загартовування в ізотермічному середовищі 850 → 350⁰С з витримкою 2…3 год.

Сталь. Міцнісні характеристики сталі значно вищі статичної і втомної міцності чавуну, застосовуваного для поршневих кілець. Наприклад, хромована дієва сталь має в 4 рази більшу витривалість, ніж хромонікелевий сірий чавун. Модуль пружності сталі в 2 рази вище чавуну, тому при рівному радіальному тиску сталеві кільця виконують з меншою радіальною товщиною, ніж чавунні. Кільця, які не піддаються поверхневому зміцненню (хромуванню, нітросульфудуванню та ін.) з метою підвищення зносостійкості, доцільно виготовлення високовуглецевих сталей.

Металокерамічні спечені сплави. Отримують розповсюдження поршневі кільця з порошкових спечених сплавів на залізній основі, леговані Сr, Ni, Сu, Р, Zn, V, Sb, Sn, Mg, Si і ін. Добавки графіту, Sb, Sn, Р, Zn і Сu підвищують опір задироутворенню і зносу, знижують коефіцієнт тертя. Леговані карбідоутворюючими елементами (Сr, V, Mg і Мо) підвищують зносостійкість, термостійкість і механічні властивості спечених сплавів.

Суттєвий вплив на антифрикційні властивості кілець із спечених сплавів має пористість, яка в залежності від умов роботи повинна коливатися в межах 5…25%. В кожному випадку існує оптимальне значення пористості. Однак для отримання достатньої міцності пористість матеріалу повинна бути мінімальною, але достатньою для здійснення надійного змащування. Серед самозмащувальних пресованих спечених матеріалів представляє інтерес метало графітові композиції на основі міді, заліза і їх сплавів. Наявність у складі цих композицій колоїдального графіту забезпечує роботу кілець при високих температурах, масляному голодуванні або при відсутності рідкого змащувального матеріалу. Просочування Sn, Cd, Pb підвищує стійкість до зносу і задиру, а Cu і його сплави підвищує до того ж міцність і корозійну стійкість.

Позитивний вплив має фосфатування і оксидування сухим паром при температурі 560…580⁰С і просочення рідкими і твердими мастильними речовинами. Металокерамічні кільця піддають сульфідуванню, сульфоціануванню і іншим методам термодифузійної обробки, які суттєво підвищують їх зносостійкість.

Висока припрацьовуваність, масловтримуюча здатність і, в ряді випадків, висока зносостійкість кілець з металокерамічних спечених матеріалів забезпечує їм широку перспективу застосування.