СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОВМЕСТИМОСТИ ПАР ТРЕНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02B77/02 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, конкретно к парам трения в ДВС и может быть использовано в общем машиностроении, например, в компрессорах, насосах и т.д.

Известны способы повышения надежности, долговечности и эффективности, т. е. совместимости пар трения в двигателях внутреннего сгорания (см. К.Энглиш. Поршневые кольца. Т. 1. М.: ГНТИ 1963; Трение и теплопередача в поршневых кольцах ДВС. Справочное пособие под ред. Р.М.Петриченоко. - Л.: Изд-во ЛГТУ, 1990; М.А.Григорьев, В.А.Далецкий. Обеспечение надежности двигателей. Изд-во стандартов. - М., 1978. с. 324) Недостатками приведенных в книгах способов упрочнение поверхностей деталей из легких металлов (сплавов), например, алюминия, является сложность, экологическая вредность технологических процессов, относительно низкая стойкость при больших термических и механических нагружениях рабочих поверхностей, малая коррозионная и эрозионная стойкость покрытий, а также высокие механические потери трения в парах между рабочими поверхностями таких деталей, например, "поршень-гильза", "кольца-гильза", "втулка-вал" и других.

Известны также способы улучшения совместимости пар трения, уменьшающие перечисленные недостатки, но полностью их не исключающие:
использование материалов различной для каждой поверхности пары твердости: нанесение дополнительных антифрикционных, приработочных покрытий, а также износостойких - хрома, молибдена и других;
внедрение твердых материалов в поверхность трения, повышающих износостойкость;
создание микрорельефа на поверхностях трения для улучшения гидродинамики смазки.

Однако такие способы обладают такими же недостатками:
сложность технологии;
экологическая вредность;
малая коррозионная и эрозионная стойкость;
ненадежное соединение с материалом детали;
которые уменьшают, в целом, ресурс работы деталей пары трения.

Прототипом является пара трения "алюминиевая гильза - алюминиевый поршень", описанные в кн. М.А.Григорьев, В.А.Долецкий. Обеспечение надежности двигателей. -М.: Изд-во стандартов, 1978, с. 324. При этом алюминиевая гильза цилиндра покрыта путем осаждения электролитического хрома на рабочей поверхности, а юбка поршня покрыта путем лужения приработочным покрытием.

Недостатками прототипа являются:
экологически вредное производство;
недостаточно высокая твердость и износостойкость покрытия гильзы, неодинаковая адгезия покрытия по всему зеркалу гильзы, опасность отслоения и задира гильзы;
низкая твердость покрытия и основного материала поверхности поршня и, как следствие, недостаточная износостойкость и долговечность.

Задачей изобретения является повышение надежности и долговечности деталей, образующих трущуюся пару, и, как следствие, увеличение моторесурса всего двигателя; внедрение экологически чистых технологий производства этих деталей.

Для осуществления поставленной задачи предлагается способ получения совместимости пар трения для ДВС, изготовленных из легких металлов, например, алюминиевых сплавов, заключающийся в том, что на рабочих поверхностях пар трения создают упрочняющее покрытие. Согласно изобретению упрочняющее покрытие создают методом микродугового оксидирования таким образом, что на поверхности одной из деталей пары трения образуют α- фазу окиси алюминия содержащую от 70% до 100% α- Al₂O₃, а на другой детали - γ- фазу, содержащую от 70% до 100% γ- Al₂O₃.

Авторам не известно использование в двигателестроении МДО для упрочнения поверхностей пар трения, хотя в других отраслях МДО применяется. Так микродуговые разряды были открыты и применены для диэлектрических прокладок в конденсаторах (Николаев А.В., Марков Г.А., Пещевицкий Б.Н. Новое явление в электролизе. Изв. СОАН СССР. Сер "Хим. наука". 1977, вып. 5 N 12. Марков Г. А. , Маркова Г.В. Способ формовки анодов электрохимических конденсаторов. А. с. 526961, СССР, 1976, БИ N 32. В нефтедобывающей промышленности МДО применено для упрочнения подшипников, работающих в водонефтяной среде с большим количеством загрязнений и твердых частиц (Малышев В.Н., Булычев С.И., Марков Г. А. и др. Физико-механические характеристики и износостойкость покрытий, нанесенных методом микродугового оксидирования. Физика и химия обработки материалов. 1985, N 1, с. 82 - 87). В химическом машиностроении для защиты от агрессивных сред также применено МДО (Черненко В.М., Спешко И.М. и др. Получение покрытий анодно-искровым электродом. Л.: Химия, 1991, с. 128).

Функциональные назначения заявляемого способа - упрочнение пар трения и улучшение их триботехнических свойств в условиях, присущих ДВС с его большими скоростями скольжения, ударными нагрузками, высокими удельными давлениями в трущихся парах, масляной или топливной среде работы этих пар.

В качестве примера предлагаемого способа рассмотрим нанесение МДО - покрытия на гильзу из алюминиевого сплава В-95 и поршень из АЛ-25.

Заготовку гильзы выполняют в окончательных размерах и с требуемой чистотой поверхностей, погружают в ванну с щелочно-силикатным электролитом кислотностью pH = 12,5 - 11,5, элеткросопротивлением ρ = 130 - 200 Ом•см, температурой t = 20 - 40^oC и закрепляют так, чтобы был обеспечен надежный электрический контакт с электродом. Второй электрод изготовлен так, чтобы создать равномерный процесс на заданных поверхностях.

Электролиз проходит при напряжении 380 В, плотности тока 10 - 20 А/дм².

Физико-химический процесс описан в литературе (Николаев А.В., Марков Г. А. , Пещевицкий В.Н. Новое явление в электролизе. Изв. СОАН СССР. Сер. "Хим. наука", 1977, вып. 5, N 121.

Скорость наращивания оксидного слоя составляла 50 мкм/ч.

В указанных выше пределах назначались pH, p, t, плотность тока и время, благодаря чему на поверхности формировалось покрытие с фазовым составом, состоящим преимущественно их α- Al₂O₃ от 70% до 100%, с твердостью HV 20000 - 22000 МПа, остальное муллит 3Al₂O₃•2SiO₂.

На поршне, работающем в паре с описанной гильзой, изготовленном из алюминиевого сплава АЛ25, на его поверхности трения сформировано покрытие, состоящее из фазы γ- Al₂O₃, имеющей твердость HV 10000 - 12000 МПа и составляющей от 70% до 100%.

В результате осуществления метода микродугового оксидирования на гильзе и поршне получены слои толщиной до 150 мкм α- и γ- фаз, которые не изменили геометрических размеров и чистоты поверхностей, т.к. слои распространялись в глубину металла детали окислением поверхностных атомов алюминия, проникновения окислительного процесса в глубину, и прекрасной адгезии к металлу детали. Это увеличило надежность и износостойкость этой пары трения, а также в 10 раз снижает потери трения в этой паре.

Способ получения совместимости пар трения для двигателей внутреннего сгорания относится к машиностроению, преимущественно к двигателестроению, компрессоро- и турбостроению. Детали пары трения имеют надежное и эффективное покрытие, полученное экологически чистой технологией, заключающейся в создании на рабочих поверхностях этих деталей керамического покрытия, например, окиси алюминия с различной концентрацией фаз на каждой поверхности. Концентрация фаз от 70% до 100%. Изобретение повышает надежность и долговечность пар трения.

Способ получения совместимости пар трения для двигателей внутреннего сгорания из легких металлов, например алюминия, заключающийся в том, что на рабочих поверхностях пар трения создают упрочняющее покрытие, отличающийся тем, что упрочняющее покрытие создают методом микродугового оксидирования таким образом, что на поверхности одной из деталей пары трения образуют α-фазу окиси алюминия концентрацией от 70% до 100%, а на поверхности другой детали образуют γ-фазу окиси алюминия концентрацией от 70% до 100%.