Как ремонтировать автомобиль

Молекулярно и коррозионно-механическое изнашивание гильз цилиндров

Молекулярно и коррозионно-механическое изнашивание гильз цилиндров

Исследования гильз после эксплуатации в дорожных условиях показывают, что на поверхности трения кроме рисок, оставленных абразивными включениями, практически всегда наблюдаются следы схватывания в виде комет и пятна коррозионного воздействия. В условиях образования в цилиндрах конденсата или перегрева и недостаточного охлаждения при эксплуатации двигателя их изнашивание происходит при преобладании соответственно коррозионно- и молекулярно-механического воздействия. Однако, интенсивность изнашивания при отсутствии абразивных частиц примерно на один порядок меньше, чем интенсивность при ведущем абразивном изнашивании.

Молекулярно-механический характер износа гильз двигателя исследователи объясняют тем, что к концу хода поршня толщина масляной плёнки уменьшается. У самой ВМТ масляная плёнка выдавливается компрессионными кольцами, и они отделяются от стенки гильзы очень тонкой, а местами и порванной плёнкой масла, что создаёт непосредственный контакт между рабочими поверхностями гильзы и колец и, таким образом, вызывает схватывание. Этому также способствуют остановка кольца, сдувание с поверхности трения смазочного материала прорывающимися в зазор между кольцами и стенкой цилиндра агрессивными отработавшими газами, высокая температура в момент сгорания смеси. На поверхности цилиндров всегда отчётливо видны зоны остановки всех поршневых колец как при положении поршня в ВМТ, так и НМТ. Этот факт свидетельствует о том, что самое интенсивное взаимодействие поверхностей трения происходит при остановках и сменах движения поршневых колец.

Кроме того, при относительном скольжении сопряжённых поверхностей вследствие деформирования металла в тонком поверхностном слое генерируется тепло, которое распределяется между трущимися телами, частично рассеиваясь в окружающую среду. В результате отдельные выступы претерпевают сильную пластическую деформацию, а иногда оплавляются. Повышение температуры приводит к увеличению её градиента (на зеркале цилиндра температура может достигать более 700°C, в локальных объёмах – до 1000°C и более, а в слоях, удалённых от поверхности трения на 1,5-2,0 мм, 300°C), вследствие чего в поверхностных слоях элементов пары трения возникают значительные термические напряжения.

Циклические напряжения

Циклические напряжения приводят к образованию трещин на поверхности трения. Микротрещины, особенно в условиях возвратно-поступательного движения колец, превращаются в макротрещины, способствующие разрушению поверхностного слоя трения. Достигнув определённых размеров, они облегчают процесс отрыва наклёпанных участков поверхностного слоя металла.

Пластическая деформация

Пластическая деформация металлической основы приводит также к "замазыванию" включений графита, исключая их из процесса трения как источник твёрдой смазки. Кроме того, "замазываются" образующиеся в результате постепенного "выполировывания" графита на поверхности трения впадины от его включений и служащие резервуарами для удержания смазочного материала. А то и другое предотвращает процесс схватывания элементов пары трения.

Разрушенная масляная плёнка не защищает металл в верхней части гильзы от коррозии. Наибольший износ имеет место на той стороне стенки гильзы, которая расположена против впускного клапана с некоторым смещением максимума к продольной оси блока цилиндров. В результате удара горючей смеси о стенку гильзы, расположенную против впускного клапана, на стенке остаётся часть топлива. Перемешиваясь с маслом, это топливо разжижает масляную плёнку, покрывающую стенки цилиндра, частично смывая её, что приводит к коррозии под воздействием коррозионно-активных веществ.

Корозионное изнашивание чугунов

В процессе коррозионного изнашивания чугунов агрессивная среда (газы, слабые растворы кислот и катализаторы коррозии – окислы свинца и ванадия) проникает вглубь металлической матрицы по границам графитовых и неметаллических включений. Чем крупнее включения, тем активнее идёт это проникновение.

Поэтому замазывание и выполировывание графитовых включений в результате пластического деформирования тонких слоёв металлической матрицы оценивается специалистами двояко. С одной стороны, выполировывание графитовых включений способствует предотвращению процессов схватывания поверхностей трения, но при этом открывается доступ агрессивной среде (жидкой и газообразной) вглубь металла. С другой стороны, при замазывании графитовых включений создаются благоприятные условия для схватывания, но одновременно затрудняется процесс окислительного разрушения, так как включения графита закрыты для проникновения агрессивной среды вглубь металлической матрицы.

В верхней части гильзы (камере сгорания) на поверхности трения всегда находятся окисные плёнки. Эти плёнки под воздействием поршневых колец, деформации гильзы и абразивных частиц растрескиваются и отделяются с поверхности трения и впоследствии могут также явиться абразивными частицами. Обнажённая металлическая поверхность вновь окисляется и процесс повторяется, вызывая износ. Взаимодействие металла со слабоконцентрированными растворами серной и сернистой кислот как по всей поверхности зеркала гильзы, так и в местах его локального повреждения (различные каверны, борозды, места схватывания поверхностей трения) является одной из главных причин коррозионного изнашивания цилиндров. В этом случае наличие серы обусловлено введением в моторные масла антизадирных присадок, содержащих её соединения.

Известно также, что коррозонно- и молекулярно-механическое изнашивание гильз двигателей, работающих на газообразном топливе в 1,5-2,0 раза меньше износа гильз двигателей, работающих на жидком топливе. Их износостойкость выше благодаря нескольким факторам: 1) газообразное топливо имеет более высокое октановое число и менее склонно к детонации, чем бензин, следовательно, меньше выкрашиваются в результате взрывного характера горения горючей смеси частицы металла; 2) рабочая среда в цилиндрах менее агрессивна, а значит, ниже её коррозионно-эрозионное воздействие; 3) рабочая газовоздушная смесь, не имея жидкой фазы, меньше смывает масло с рабочих поверхностей гильз, поэтому отсутствует граничное трение, что предотвращает процесс схватывания; 4) ниже тепловая напряжённость гильз цилиндров.

Таким образом, после эксплуатации в дорожных условиях на рабочей поверхности гильз цилиндров наблюдаются следы абразивного изнашивания, коррозионного воздействия и следы схватывания поверхностей трения. Как правило, они проявляются комплексно, но каждый из видов может быть ведущим или сопутствующим в зависимости от условий и режимов работы двигателя при эксплуатации автомобиля. Процессы износа гильзы цилиндра обусловлены физико-механическими свойствами металлической матрицы чугуна, которые определяют преобладание того или иного вида изнашивания её рабочей поверхности.