Ионно-вакуумные покрытия, "идеальное" хонингование и др.

Хотя технология - совершенно не мой предмет, в последнее время сталкиваешься с такими удивительными вещами, которые захотелось обобщить и представить для обсуждения. Это послужило стимулом для подготовки следующего доклада на конференции "Актуальные проблемы морской энергетики' 2016" в СПбГМТУ.

Самое интересное - Ссылка на мою презентацию к этому докладу "Современные технологии обработки рабочих поверхностей ДВС"

И сами тезисы доклада:

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

А.С. Столяров (СПбГМТУ)

Цель доклада – представить информацию о современных технологиях, которые внедрены в производственный процесс ведущими производителями компонентов цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания, такими как: MAHLE, Goetze (Federal-Mogul), Hauzer (IHI), Nagel.
В области обработки поверхности зеркала цилиндра в настоящее время внедряется "гладкое" хонингование (Slide Honing), обеспечивающее параметры шероховатости [1] плосковершинного профиля: высота уменьшенного выступа Rpk=0,33 мкм, глубина сердцевины профиля Rk=0,08 мкм при сохранении глубины уменьшенной впадины Rvk от 1 до 2 мкм. [2], [3] Такие качества обеспечиваются благодаря применению новых абразивных материалов (преимущественно алмазные композиции). В результате при смешанном режиме трения уменьшается фактическая площадь контакта и износ, уменьшается толщина масляного слоя, снижая расход масла и потери на трение. Также перспективными являются такие завершающие операции, как: винтовое гладкое хонингование, местное упрочнение ТВЧ или лазерной закалкой, обработка ультрафиолетовым лазером. [2]
Второе направление – это внедрение твёрдых покрытий. Такие технологии, как покрытие Nikasil для зеркала цилиндра в алюминиевых блоках и твёрдое анодирование для алюминиевых поршней в настоящее время широко применяются при производстве автомобильных двигателей, но появляются новые технологии с лучшими параметрами и меньшей стоимостью. Особенно выделяются вакуумные ионно-плазменные методы: PVD (физическое осаждение из паровой фазы) и PACVD (ассистированное плазмой химическое осаждение из паровой фазы). Данные технологии хорошо приспособлены для массового производства, например, установка для нанесения PVD и PACVD покрытий обрабатывает 7,500 толкателей одновременно. [4]
Первыми из покрытий данного класса были внедрены нитрид хрома CrN и нитрид титана TiN. Они придают поверхности высокую твёрдость и стойкость к износу и коррозии, но отличаются относительно высоким коэффициентом трения, поэтому нашли применение на клапанах и деталях топливной аппаратуры, а CrN - также для поршневых колец. Для обеспечения достаточного ресурса покрытий были разработаны специальные технологии, создающие качественные покрытия достаточной толщины от 8 до 40 мкм, в том числе сложные многослойные. [5]
Более тяжело, но с большими перспективами внедряются углеродные аморфные покрытия (DLC), содержащие углерод в алмазоподобном состоянии (sp3-гибридизация) и состоянии графита (sp2-гибридизация). Свойства данных покрытий очень сильно различаются в зависимости от особенностей технологии нанесения, но они всегда обеспечивают низкий коэффициент трения от 0,017 до 0,05. Также отличаются высокой твёрдостью от 1500 до 7000 HV 0.05, химической инертностью и жаростойкостью до 500 °C. [6], [7], [4]
Наиболее интересным является покрытие поршневых колец DuroGlide фирмы Federal-Mogul. [7] Данная технология обеспечивает толщину слоя более 25 микрон, не подверженного отслоению вследствие уменьшенных остаточных напряжений. Покрытие может наноситься на поверхность чугуна или стали. Твёрдость достигает 5000 HV 0.2. Специальный процесс полировки обеспечивает очень высокую гладкость поверхности. Испытания покрытия DuroGlide проводились на дизельном двигателе при максимальном давлении 20 МПа и удельный мощности 70 кВт/л в течение 500 часов. Износ покрытия составил от 2 до 4 мкм, в то время как износ упрочнённого алмазными частицами гальванического хромистого покрытия GDC, и покрытия CrN показали износ от 6 до 9 мкм. Исключительная задиростойкость покрытия DuroGlide подтверждена также в ходе специальных испытаний в условиях повышенной нагрузки и ограниченной подачи смазки. Отмечается, что кроме износостойкости самого кольца, алмазоподобные покрытия уменьшают износ втулки в районе верхней мёртвой точки.
В настоящее время алмазоподобные покрытия наиболее широко применяются на нагруженных деталях типа коротких валов: поршневые пальцы, толкатели, клапана, шаровые опоры, плунжеры, иглы распылителей, штанги форсунок. Существуют технологии нанесения алмазоподобных покрытий на алюминиевые поршни и на чугунные цилиндровые втулки [8] и непосредственно на поверхность алюминиевого блока цилиндров. [4]. Данные покрытия важны для применения в двигателях Стирлинга, поскольку обладают низким коэффициентом трения, способностью работать без смазки и жаростойкостью.

Литература:
1. Шероховатость, волнистость, профиль . Международный опыт / А. Н. Табенкин, С. Б. Тарасов, С. Н. Степанов; под ред. Н. А. Табачниковой. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. - 134 с.
2. Less Wear and Oil Consumption through Helical Slide Honing of Engines by Deutz // MTZ Vol. 70, 2009, No. 4, pp. 46-51
3. Tomanik E., Ferrarese A. Low friction ring pack for gasoline engines, ASME paper ICEF2006-1566, ASME ICEF Fall 2006, November 5-8, 2006, Sacramento, USA, 7 p.
4. Cha S.C., Erdemir A. Coating Technology for Vehicle Applications - Springer, 2015, 248 p.
5. Yoshihiko A. PVD/PACVD Technology and Equipments of Hauzer Techno Coating // IHI Engineering review - Vol. 43 - No. 2, 2010, pp. 89-93.
6. Esser , J.; Hoppe, S.; Kennedy, M.: Piston ring coating reduces gasoline engine friction. // MTZ Vol. 73, 2012, No. 5, pp. 40-43
7. Esser , J.; Hoppe, S.; Kennedy, M.: Lower friction losses with new piston ring coating. // MTZ Vol. 75, 2014, No. 4, pp. 24-28
8. Application of DLC Coating in Cylinder Liners for Friction Reduction - Rejowski, E., Mordente Sr, P., Pillis, M., and Casserly, T. // SAE Technical Paper 2012-01-1329, 2012, doi:10.4271/2012-01-1329.