СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИЛЬЗЫ ЦИЛИНДРА И ГИЛЬЗА ЦИЛИНДРА Российский патент 1999 года по МПК F02F1/00 

Изобретение относится к способу изготовления гильзы цилиндра для двигателя внутреннего сгорания, в особенности для крупного двухтактного крейцкопфного двигателя, при котором на внутреннюю цилиндрическую поверхность заготовки гильзы методом термического напыления, таким как плазменно-дуговое напыление или газоплазменное напыление, наносят по меньшей мере один твердый слой износа, причем этот слой в незакрытом состоянии может представлять собой поверхность скольжения поршня в гильзе, и в котором на внутреннюю поверхность гильзы цилиндра наносится приработочный слой, который мягче слоя износа.

Такой способ известен из японской патентной заявки, опубликованной под N 51-151414. Согласно ему на внутреннюю поверхность алюминиевой гильзы цилиндра напыляют слой износа, состоящий из алюминиевого сплава с высоким содержанием кремния или сплава железа с высоким содержанием хрома, после чего напыленное покрытие подвергают хонингованию на шлифовальном станке и погружают в несколько химических ванн, причем последние используются для осаждения на внешней поверхности слоя износа оловянного покрытия толщиной 5-10 мкм. Как утверждают, приработочный слой должен снижать как размеры, так и количество пор в твердом, хонингованном слое износа. Вместо олова приработочный слой может состоять из обработанной пленки фосфата марганца или пленки тефлона.

Другие гильзы цилиндра с нанесенным твердым слоем износа, но без подходящего приработочного слоя также известны из японских патентных заявок, опубликованных под N 56-156751, 56-156752, 60-124362, 59-150089 и 61-157875 и из патента США N 4233072. Кроме того, известно несколько гильз цилиндров с твердыми слоями износа, но без подходящего приработочного слоя, выпускаемых промышленностью. Общая черта известных гильз цилиндров заключается в том, что твердый слой износа подвергается хонингованию или иному виду механической обработки с целью получения шероховатости в пределах 0,2 мкм < Ra < 1,6 мкм (от N 5 до N 7).

В случае гильз цилиндров для легковых автомобилей внутренний диаметр гильзы настолько мал, что механическая обработка слоя износа с целью снижения его шероховатости может выполняться на обычном оборудовании для механической обработки, но при этом, естественно, механическая обработка требует дополнительных затрат и затрудняет изготовление гильз.

В крупных двухтактных крейцкопфных двигателях внутренний диаметр гильз цилиндров составляет около 0,25 - 0,9 м. Хонингование таких гильз требует чрезвычайно больших затрат времени, а в случае самых крупных гильз эту операцию можно выполнять всего лишь в нескольких местах во всем мире, что связано с серьезными требованиями к размерам хонинговального оборудования. В случае крупных двигателей промышленное применение гильз с нанесенным слоем износа считается нереалистическим.

Задачей настоящего изобретения является упрощение способа изготовления гильз цилиндра со слоем износа и приработочным слоем.

В связи с этим указанный способ, являющийся предметом настоящего изобретения, отличается тем, что шероховатость поверхности слоя (слоев) износа, полученного напылением, остается неизменной, поскольку на поверхность слоя износа без дополнительного понижения шероховатости и ее механической обработки, кроме возможной доводки, наносят приработочный слой.

Совершенно неожиданно оказалось возможным отказаться от механической обработки с целью снижения шероховатости напыленного слоя износа, шероховатость которого без хонингования превышает Ra ≤ 6,3 мкм (N 9), а обычно находится в диапазоне 12,5 мкм < Ra ≤ 50 мкм (между N 11 и N 12), т.е. максимальная шероховатость в 4-35 раз превышает шероховатость известных до сих пор слоев износа, подвергнутых механической обработке.

Приработочный слой отлагается вокруг наибольших неровностей слоя износа, так что самые высокие точки слоя износа не столь сильно прижимаются к контактной поверхности поршневых колец, обращенной к гильзе, чтобы на поршневых кольцах появлялись царапины. Вскоре после начала эксплуатации новой гильзы приработочный слой износится на наиболее высоких точках слоя износа, так что эти точки удаляются поршневыми кольцами. Твердые частицы с выступающих точек слоя износа погружаются в приработочный слой на тех участках, где в слое износа имеются углубления. Эти углубления, естественно, больше чем на известных гильзах, поскольку слой износа не подвергался механической обработке с целью снижения шероховатости. Поэтому углубления лучше подходят для приема отделившихся твердых частиц, что уменьшает вероятность нежелательного износа поршневых колец.

В варианте реализации, который особенно прост для выполнения, приработочный слой напыляют на внутреннюю поверхность гильзы, а шероховатости приработочного слоя, связанные с напылением, сглаживаются после того, как гильзу начинают эксплуатировать. Напыление как слоя износа, так и приработочного слоя позволяет полностью отказаться от использования известных химических ванн, а механическая обработка гильзы может быть завершена только одним видом оборудования. Кроме того, напыление приработочного слоя имеет то преимущество, что два слоя обладают сравнимой шероховатостью и что приработочный слой имеет много выступающих точек, с которых сразу после начала эксплуатации гильзы сдираются мягкие частицы, которые откладываются в углублениях на поверхности гильзы. Это означает, что шероховатость внутренней поверхности гильзы сама снизится до приемлемо низкого уровня и в то же время углубления в слое износа будут эффективно заполняться более мягким материалом.

Желательно перед нанесением приработочного слоя наносить на гильзу напылением промежуточный слой, твердость которого ниже средней твердости слоя износа, но выше твердости приработочного слоя. Промежуточный слой также действует как слой износа, но обеспечивает плавный переход от приработочного слоя к наиболее твердому слою износа, что является преимуществом для приработки гильзы. Благодаря промежуточному слою нанесенный первым слой износа открывается очень медленно и только после длительного периода эксплуатации гильзы.

Особенно простым является изготовление гильзы предпочтительным способом, при котором и слой износа, и приработочный слой напыляются на внутреннюю поверхность гильзы цилиндра посредством термического напыления, а напыленные слои по существу не подвергаются в процессе изготовления какой-либо механической обработке, кроме возможной доводки. Если напыление покрытий может осуществляться без больших местных отклонений по толщине, доводки слоев можно избежать, и в этом случае заготовка гильзы может быть закончена просто путем напыления на внутреннюю поверхность гильзы нужного количества перекрывающих друг друга слоев. Возможно нанесение двух или более слоев износа со взаимно понижающейся в направлении рабочей поверхности твердостью.

В способе, являющемся оптимальным для приработки гильзы, однако более трудным в отношении изготовления, производится регулирование состава применяемого порошка в процессе напыления, так что слои постепенно переходят друг в друга. Таким образом удается избежать резких границ между слоями и рабочая поверхность будет медленно менять свой характер в процессе эксплуатации гильзы от связанной поверхности чистого приработочного материала до связанной поверхности твердого износостойкого материала.

Изобретение относится также к гильзе цилиндра для двигателя внутреннего сгорания, в особенности для крупного двухтактного крейцкопфного двигателя, состоящей из заготовки гильзы, на внутреннюю цилиндрическую поверхность которой методом термического напыления, таким как плазменно-дуговое напыление или газоплазменное напыление, нанесен по меньшей мере один твердый слой износа и которая может образовать рабочую поверхность для поршневых колец поршня, скользящего в гильзе, когда слой износа открыт и находится в непосредственном контакте с поршневыми кольцами, а в условиях отсутствия эксплуатации снабжена более мягким приработочным слоем.

Согласно изобретению настоящая гильза отличается тем, что шероховатость поверхности, равная по меньшей мере 3,2 мкм < Ra (N 9) и предпочтительно в интервале 12,5 мкм < Ra ≤ 50 мкм (между N 11 и N 12), полученная напылением твердого слоя (слоев) износа, остается неизменной, поскольку на поверхность слоя износа без дополнительного понижения шероховатости и ее механической обработки, кроме доводки, наносят приработочный слой. Преимущества сохранения слоев износа шероховатостей, возникших при напылении, очевидны из приведенного выше разъяснения сущности изобретения.

В предпочтительном варианте реализации приработочный слой содержит или состоит из шариков графита, покрытых металлом, таких как молибден, алюминий, серебро или никель, и возможно серебро. Покрытые металлом шарики графита обладают чрезвычайно высокими свойствами сухой смазки, что допускает отделение от приработочного слоя в процессе приработки относительно большого количества частиц. Отделившиеся частицы могут обеспечить смазку между наружной поверхностью поршневых колец и внутренней поверхностью гильзы. Частицы, отделившиеся от наиболее высоких точек приработочного слоя, большей частью будут откладываться в наиболее глубоких точках слоя, что уменьшает шероховатость внутренней поверхности гильзы. По мере износа приработочного слоя открывается слой износа, однако одновременно с раскрытием стираются наиболее высокие точки, так что поршневые кольца сами и одновременно с износом приработочного слоя уменьшают шероховатость самого слоя износа. Нераскрытые участки слоя износа будут по этой причине иметь шероховатость, значительно меньшую, чем шероховатость при изготовлении.

Если покрытые металлом шарики графита в приработочном слое смешаны с серебром, прочность приработочного слоя повышается при одновременном повышении свойств сухой смазки.

Разница между твердостью и прочностью приработочного слоя и слоя износа может быть должным образом уменьшена за счет снабжения двух слоев гильзы промежуточным слоем из смеси молибдена и оксида молибдена, который известным сам по себе способом снижает вероятность заедания между поршневыми кольцами и гильзой. Смесь молибдена и оксида молибдена образует также слой износа, обладающий значительно более высокой твердостью, чем приработочный слой, так что поршневые кольца только постепенно начинают двигаться по более твердой поверхности.

Гильзы цилиндров для крупных двигателей обычно изготавливают из литейного чугуна, что накладывает ограничения как на механическую, так и на тепловую нагрузки, воздействию которых может быть подвергнута гильза. Поэтому желательно изготовить гильзу из другого материала, такого как сталь, однако известно, что сталь обладает очень низкими характеристиками скольжения и поэтому не может служить рабочей поверхностью для скольжения поршневых колец.

В предпочтительном варианте реализации, при котором заготовка выполнена из стали и таким образом может подвергаться воздействию значительно более высоких нагрузок, чем поставляемые до сих пор промышленностью гильзы цилиндров для крупных двигателей, твердость приработочного слоя по Виккерсу находится в интервале 70-130, твердость возможного промежуточного слоя по Виккерсу находится в интервале от 250 до 750 и микротвердость поверхности износа по Виккерсу достигает 2000. Очень высокая твердость слоя износа, ближайшего к стальной заготовке гильзы, гарантирует, что поршневые кольца не сотрут слой износа, а низкая твердость приработочного слоя не допускает повреждения поршневых колец во время первоначальной приработки гильзы.

Слой износа предпочтительно включает мягкую основу, содержащую хром, никель и/или молибден и в которую погружены твердые частицы, такие как Cr₃C₂, Ni₃C, MoC, Cr₂O₃ и/или BN. Такой слой обладает очень высокой износостойкостью, поскольку мягкая основа служит хорошим креплением очень твердых частиц, что предупреждает износ слоя. Размещение твердых частиц в мягкой и пластичной основе особенно удобно для слоя износа, являющегося предметом настоящего изобретения, поскольку хороший захват твердых частиц мягким материалом основы противодействует стиранию наиболее выступающих участков очень твердого покрытия.

Ниже приведены более подробные описания примеров реализации настоящего изобретения со ссылкой на очень схематичные чертежи, на которых:
на фиг. 1 приведено перспективное изображение, демонстрирующее часть гильзы цилиндра согласно настоящему изобретению, и
на фиг. 2 приведено изображение в значительно увеличенном масштабе части материала гильзы, прилегающей к рабочей поверхности скольжения поршневых колец.

Обозначенная как целое позицией 1 гильза цилиндра, предназначенная для крупного двухтактного дизельного двигателя, имеет внутренний диаметр 80 см и состоит из верхней части 2, выполненной из стали и нижней части 3, выполненной из литейного чугуна или стали. При установке гильзы в двигателе обращенная вниз контактная поверхность 4 упирается в верхнюю сторону блок-картера или секции цилиндра двигателя, а крышка цилиндра прижимается к контактной поверхности 5, обращенной вверх, так что участок гильзы между контактными поверхностями зажат и удерживает гильзу, в то время как нижняя часть 3 выдвинута вниз, в двигатель. Воздействия тепловой нагрузки и давления в камере сгорания, ограниченной крышкой, гильзой 1 и поршнем, являются наибольшими в верхней части 2 гильзы. Поэтому в наибольшей степени требуется, чтобы из стали была выполнена верхняя часть 2, что в свою очередь требует напыления слоя износа, поскольку поршневые кольца не могут скользить непосредственно по стальной поверхности. Конечно, можно выполнить из стали всю гильзу целиком.

Как показано на фиг. 2, стальная заготовка 6 гильзы имеет нанесенный на ее цилиндрическую внутреннюю поверхность твердый слой износа 7, приработочный слой 8 и промежуточный слой 9 между ними. Как упоминалось выше, можно отказаться от промежуточного слоя 9, так же как разделить промежуточный слой на количество слоев износа, превышающее один показанный слой. Однако приработочный слой 8 необходим, так же как слой износа 6 требуется для защиты поршневых колец от контакта со сталью.

Слой износа напыляют на основу гильзы или заготовку гильзы 6 известным способом, например посредством термического напыления плазменным факелом, в который подается порошок исходного материала. Напыление может также осуществляться скоростным газоплазменным напылением. Способы напыления известны и описаны, например, в патентах NN EP-B-341672 и EP-A-0203556. Заготовку гильзы 6 помещают на поворотном столе с продольной осью, находящейся в вертикальном положении, а напыляющее устройство, которое может перемещаться по вертикали параллельно продольной оси цилиндра, располагается с факелом в подходящем положении относительно внутренней поверхности заготовки гильзы 6. Поворотный стол приводят во вращение, например, со скоростью 25 оборотов в минуту, зажигают факел и начинают напыление слоя износа одновременно с началом поступательного движения факела со скоростью, например, 6 мм/с. Напыляемый материал может подаваться в таком количестве, что на вращающуюся внутреннюю поверхность гильзы наносится покрытие толщиной около 0,02 мм за каждое прохождение факела над поверхностью. Толщина нанесенного твердого слоя износа 7 может составить, например, 1 мм, но может иметь и иное значение, такое как, например, 0,5 мм или 0,2 мм.

После нанесения слоя износа 7 напыляющее устройство может быть заполнено порошком исходного материала, позволяющим получить промежуточный слой 9 нужного состава. Промежуточный слой может, например, быть нанесен с такой же толщиной, как и слой износа 7, однако часто бывает достаточно половинной толщины промежуточного слоя для получения нужного возрастания твердости рабочей поверхности гильзы.

Толщина приработочного слоя 8 может быть сделана меньше толщины твердого слоя износа 6, в особенности в случае использования также промежуточного слоя 9. Приработочный слой может, например, иметь такую же толщину, например в интервале от 0,1 мм до 1,5 мм.

Вместо нанесения двух или трех слоев с однородным составом материалов исходный материал в порошке может варьироваться таким образом, что состав порошка изменяется постепенно, от типа, относящегося к слою износа, до типа, относящегося к приработочному слою, так же как может варьироваться состав, связанный с несколькими слоями износа.

Конечно, можно непрерывно изменять состав порошка, однако лучше провести факел через, например, пять или десять слоев напыления по всей внутренней поверхности гильзы перед тем, как изменить состав порошка. При нанесении каждый раз слоя толщиной всего 0,02 мм такой подход все равно позволит добиться достаточно постепенного перехода от самого твердого к самому мягкому напыленному слою.

Возможна доводка нанесенного слоя обтачиванием или шлифованием в случае нежелательно больших отклонений по толщине слоя, связанных, например, с неравномерной подачей порошка, включением или выключением факела или неоднородностью покрытия, связанной с остановками, вызванными, например, частичным засорением сопла горелки и т.п. Кроме такой возможной механической обработки в целях соблюдения основных размеров слоя износа выполняется немеханическая чистовая отделка слоя износа с целью уменьшения шероховатости.

Ниже описаны примеры составов отдельных слоев.

Слой износа 7 может полностью состоять из очень твердого материала, такого как керамика или смесь керамики и металла, так называемый кермет. С другой стороны, слой износа может состоять из очень твердых частиц, включенных в мягкую металлическую основу или базовую структуру. Основа может состоять из хрома, никеля и молибдена, а погруженные в нее твердые частицы могут включать карбиды и/или оксиды или нитриды, такие как Cr₃C₂, Ni₃C, MoC, Cr₂O₃ и BN. Макротвердость такого композиционного слоя может находиться в диапазоне от 58 до 71 по RC_62,5. Микротвердость слоя варьируется от приблизительно 250 по Виккерсу в базовой структуре и до приблизительно 2000 по Виккерсу у твердых частиц. Пористость слоя износа зависит от условий, в которых осуществляется процесс напыления, и может достаточно уверенно выдерживаться в интервале от 2 до 5%, класса 20 мкм (согласно спецификации Пратта и Уитни). Такая пористость обеспечивает хорошую адгезию масла к незакрытому слою износа, что обеспечивает сохранение сплошной масляной пленки на рабочей поверхности гильзы цилиндра.

Промежуточный слой 9 может быть представлен смесью молибдена и оксида молибдена, причем оксид первоначально существует связанным в предварительно окисленном молибдене, т. е. получается из исходного материала в форме порошка, который обычно может состоять из частиц размерами около 6 мкм и может обычно содержать от 2 до 5 весовых процентов кислорода. Предпочтительно пористость промежуточного слоя составляет около 5%, однако этот слой может быть нанесен в форме плотного слоя или слоя, пористость которого достигает 10%. Твердость промежуточного слоя находится в интервале от 250 до 750 по Виккерсу.

Приработочный слой 8 может содержать шарики графита, покрытые металлом, таким как молибден, алюминий, серебро или никель, и шарики могут быть смешаны с серебром. Твердость приработочного слоя по Виккерсу находится в диапазоне 70-130. Поскольку приработочный слой обладает хорошими свойствами сухой смазки, пористость приработочного слоя не имеет особого значения для обеспечения хорошей смазки между поршневыми кольцами и гильзой.

Можно наносить приработочный слой 8 непосредственно на слой износа 7, однако желательно использовать по меньшей мере один промежуточный слой 9, чтобы добиться плавной прирабатываемости поршневых колец и одновременно длительного срока службы гильзы, чего можно добиться, если слой износа будет очень твердым.

Когда начинается эксплуатация гильзы, приработочный слой быстро выглаживается поршневыми кольцами, на которых не остается повреждений от приработочного слоя, обладающего шероховатостью поверхности, полученной при напылении, когда гильза начинает использоваться. После выглаживания приработочного слоя он стирается одновременно с началом истирания поршневыми кольцами промежуточного слоя 9 или наиболее твердого слоя износа 7. Параллельно с прирабатыванием возрастает твердость рабочей поверхности, а шероховатость конкретного слоя, о который трутся кольца, уменьшается в связи с тем, что первыми убираются вершины слоя. В случае использования одного или нескольких промежуточных слоев с твердостью, меньшей, чем у слоя износа 7, приработка этих слоев будет происходить быстрее, чем у слоя износа 7, а на поршневые кольца будет оказываться более равномерное воздействие, поскольку микротвердость рабочей поверхности в этом случае более однородна.

Поскольку поршневые кольца не входят в контакт с материалом заготовки гильзы, последняя может, конечно, быть изготовлена из иного материала, чем сталь. Изобретение допускает использование в промышленных масштабах гильз, в которых по меньшей мере самая верхняя часть гильзы выполнена из стали, что особенно важно для крупных двигателей внутреннего сгорания, поскольку разработке двигателей с более высокой мощностью цилиндра в настоящее время препятствуют ограниченные возможности нагрузки на литые чугунные гильзы.

Изобретение относится к двигателестроению, в особенности к большеразмерным двухтактным крейцкопфным двигателям. На внутреннюю поверхность гильзы цилиндра ДВС напыляют по меньшей мере один твердый слой износа, после чего наносят приработочный слой без механической обработки твердого слоя износа. Между этими слоями возможно напыление одного или нескольких промежуточных слоев, твердость которых ниже средней твердости слоя износа, но выше твердости приработочного слоя. До контакта с поршневыми кольцами напыленный слой износа имеет шероховатость по меньшей мере N9 и предпочтительно в диапазоне от N11 до N12. Приработочный слой может быть выполнен из графитовых шариков, покрытых металлом, таким как молибден, алюминий, серебро или никель, для улучшения условий смазки в процессе прирабатывания. Изобретение позволяет упростить изготовление гильз. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления гильзы цилиндра для двигателя внутреннего сгорания, в особенности для крупного двухтактного крейцкопфного двигателя, при котором на внутреннюю цилиндрическую поверхность заготовки гильзы методом термического напыления, таким как плазменно-дуговое напыление или газопламенное напыление, наносят по меньшей мере один твердый слой износа, причем этот слой в непокрытом состоянии может представлять собой поверхность скольжения поршня в гильзе, и в котором на внутреннюю поверхность гильзы цилиндра наносится приработочный слой, который мягче слоя износа, отличающийся тем, что шероховатость поверхности слоя (слоев) износа, полученного напылением, остается неизменной, поскольку на поверхность слоя износа без дополнительного понижения шероховатости и ее механической обработки, кроме доводки, наносят приработочный слой. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что приработочный слой напыляют на внутреннюю поверхность гильзы и шероховатость приработочного слоя, полученного напылением, только сглаживается после начала эксплуатации гильзы. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что перед нанесением приработочного слоя на гильзу напылением наносят промежуточный слой, твердость которого ниже средней твердости слоя износа, но выше твердости приработочного слоя. 4. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что и слои износа, и приработочный слой напыляют на внутреннюю поверхность гильзы цилиндра средствами термического напыления и напыленные слои, по существу, не подвергают в процессе изготовления иной механической обработке, кроме доводки. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что применяемый состав в форме порошка во время напыления регулируют по составу так, что слои равномерно переходят из одного в другой. 6. Гильза цилиндра для двигателя внутреннего сгорания, в особенности для крупного двухтактного крейцкопфного двигателя, состоящая из заготовки гильзы, на внутреннюю цилиндрическую поверхность которой методом термического напыления, таким как плазменно-дуговое напыление или газопламенное напыление, нанесен по меньшей мере один твердый слой износа и которая может образовать поверхность для поршневых колец поршня, скользящего в гильзе, когда слой износа открыт и находится в непосредственном контакте с поршневыми кольцами, а в условиях отсутствия эксплуатации снабжена более мягким приработочным слоем, отличающаяся тем, что шероховатость поверхности, равная по меньшей мере 3,2 мкм < R_a (N 9) и предпочтительно в интервале 12,5 мкм < R_a ≤ 50 мкм (между N 11 и N 12), полученная напылением твердого слоя (слоев) износа, выполнена неизменной, поскольку на поверхность слоя износа без дополнительного понижения шероховатости и ее механической обработки, кроме доводки, нанесен приработочный слой. 7. Гильза цилиндра по п. 6, отличающаяся тем, что приработочный слой включает или состоит из графитовых шариков, покрытых металлом, таким как молибден, алюминий, серебро или никель, и возможно серебро. 8. Гильза цилиндра по п.6 или 7, отличающаяся тем, что между твердым слоем износа и приработочным слоем у гильзы имеется промежуточный слой из смеси молибдена и оксида молибдена. 9. Гильза цилиндра по любому из пп.6, 7 или 8, отличающаяся тем, что заготовка гильзы выполнена из стали, что твердость приработочного слоя по Виккерсу находится в диапазоне от 70 до 130, твердость по Виккерсу необязательного промежуточного слоя находится в диапазоне от 250 до 750 и микротвердость по Виккерсу слоя износа достигает 2000. 10. Гильза цилиндра по любому из пп.6 - 8 или 9, отличающаяся тем, что слой износа состоит из мягкой основы, состоящей из хрома, никеля и молибдена, в которую погружены твердые частицы, такие как Cr₃C₂, Ni₃C, MoC, Cr₂O₃ и/или BN.