МЕТОДЫ УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЕЙ

При эксплуатации автомобиля в различных условиях возникаетнеобходимость повышения износостойкости и антифрикционных качеств рабочей поверхности гильзза 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

Азотированиемдостигается 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 сульфидированиина 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 ХТОявляются 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	растачивание хонингование шлифование	3-2	2,5-1,25
		2-1	0,62-0,08
		2-1	0,16-0,125
ППД	раскатывание: -роликами -шариками	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 цельюповышения износостойкости рабочей поверхности гильзв 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.

Однакопри закалке рабочей поверхности гильз ТВЧсуществует 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 лазерабольшой 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.