Коллеги, хотел бы представить вашему вниманию практический опыт работы с керамическим покрытием деталей ЦПГ.
Применение микродугового оксидирования \мдо\ цилиндро- поршневой группы 2-х тактного ДВС.
С начала 80 х годов в лаборатории кафедры прикладной механики МИНГ им Губкина проводились поисковые работы по разработке и применению методов упрочнения поверхности легких сплавов на основе МДО и работы по изучению возможности нанесения износостойких покрытий на черные металлы.
Появилась идея проверить МДО на рабочей поверхности цилиндро -поршневой группы на двухтактном ДВС.
Для ускорения НИОКР был взят микродвигатель КМД - 2.5.
С согласия и при содействии д.т.н. Федорова В.А. кафедры, на технологическом оборудовании лаборатории произвели обработку поверхностей трения цилиндро-поршневой группы .
Характеристики двигателя:
Диаметр цилиндра – 14.5 мм,
Ход поршня – 15 мм,
Максимальная скорость вращения КВ – 14000 об/мин,
Средняя скорость поршня при этих оборотах – 7 м/с,
Двигатель компрессионный, одноцилиндровый, воздушного охлаждения.
Режимы работы изменяются степенью сжатия и иглой карбюратора.
Термодинамический цикл определить сложно - смесеобразование внешнее, - простейший карбюратор, а возгорание рабочей смеси от повышения температуры при высокой степени сжатия – 16 – 20 единиц. Возможно среднее между циклами Отто и Дизеля.
Взамен штатной, термообработанной гильзы из стали ШХ – 15 и поршня из серого чугуна СЧ 2448, изготовили гильзу и поршень из сплава Д – 16 Т.
В лаборатории МДО кафедры института в то время изучались механические и триботехнические характеристики на чистом алюминии, сплавах АМг-6, Д16Т, литейных алюминиевых сплавах.
Наибольшая глубина упрочненного слоя (AL2O3) была получена на. сплаве Д16Т, поэтому для испытания пары взят этот материал
Детали обрабатывались кругом.
Общая толщина покрытия составляла - 250 – 300 мкм,
Максимальная толщина слоя AL2O3 – 130 -160 мкм.
Остальное муллит – мягкий, рыхлообразный слой бурого цвета, легко снимаемый наждачной бумагой, за ним упрочненный слой темно – коричневого, почти черного цвета.
По результатам исследования кафедры этот слой с высокой микротвердостью и износостойкостью, соизмеримых с характеристиками материалов ВК–6, ВК- 15.
Рабочие поверхности гильзы и поршня доводились притирами с алмазной пастой. Поршень гладкостенный, с 2-мя канавками в головке в качестве газового уплотнения и для удержания смазки.
После удаления остатков пасты с поверхностей, в лаборатории института произвели замеры бокового зазора и сняли профилограмму.
Боковой зазор между гильзой и поршнем составил 3 - 4 мкм. Двигатель собрали, установили на стенд и запустили. Двигатель работал на рекомендованном заводом – изготовителем составе горючего:
Эфир – 35%, керосин – 40%, масло касторовое – 10%, масло минеральное – 15%. (МС -20).
После обкатки, двигатель был выведен на скоростной режим 10 – 11тыс. об/мин., что соответствует 72 – 78% от максимальных оборотов. Скорость вращения измерялась механическим тахометром, внешняя нагрузка - воздушный винт постоянного шага.
В результате исследований на кафедре прикладной механики МИНГ им И.М. Губкина выяснилось, что поверхность МДО имеет пористую структуру, хорошо удерживающую смазку.
Поэтому в дальнейшем мы постепенно уменьшали количество масла в топливе, пока не исключили полностью масло МС–20. Скоростной режим поддерживался изменением подачи топлива и степени сжатия.
Дальнейшие испытания проводились на горючем составе:
керосин - 50%, эфир – 40%, масло (касторка) - 10%.
Постепенно из состава горючего исключили и касторовое масло. Скоростной режим испытаний поддерживался теми же приемами . Температура головки цилиндра не контролировалась, но на ощупь возросла.
Двигатель отработал на стенде около 31 часа. Что составило более 5 заводских ресурсов. Двигатель многократно останавливался и запускался, без каких либо осложнений.
Испытания были прекращены из за поломки картера двигателя.
Возможная причина поломки – увеличение боковой составляющей от сил инерции первого порядка.
Гильза цилиндра и поршень были переданы для измерения в лабораторию МИНГ им Губкина для регистрации фактического износа и вычисления средней интенсивности изнашивания упрочненного слоя.
Результаты испытания:
1. До поломки картера испытуемая пара проработала около 31 часа, то есть ресурс увеличился в сравнении со штатной парой более, чем в 5 раз;
2. Интенсивность изнашивания упрочненного слоя составила, (0, 7 – 2,6) *10 -11, что свидетельствует об очень высокой износостойкости слоя.
3. Состояние рабочих поверхностей поршня и гильзы – без каких либо видимых дефектов. Шероховатость поверхностей составила Ra = 0,18 мкм.
4. По данным лабораторных испытаний коэффициент трения одноименных образцов, упрочненных по МДО – технологии, в среде масла МС- 20 находится в пределах f = 0,005 – 0,008.
В ходе испытаний заменены три шатуна по причине увеличения радиального зазора в верхней и нижней головках.
Можно предположить, что аналогичное покрытие рабочих поверхностей шатунных подшипников, привело бы к увеличению их ресурса.
Выводы:
Испытания показали, что поверхностное упрочнение пары трения микродвигателя КМД 2,5, изготовленной из алюминиевого сплава Д16Т, по износостойкости превышают подобные изделия из стали и чугуна, увеличивают надежность при эксплуатации, открывают возможность перейти на более энергоемкие топливные смеси, сократив количество моторного масла.
Результаты испытаний мы передали старшему тренеру команды мотокроссменов завода ЗИЛ. Для проверки работоспособности покрытия пары гильза–поршень взяли 4-х тактный одноцилиндровый двигатель воздушного охлаждения ЭСО 500. Поршень оставили штатный, гильзу изготовили из материала Д16Т.
Первые же запуски подтвердили работоспособность покрытия. МДО на полноразмерном двигателе.
Технология прошла проверку на чемпионате Европы.
Команда получила 2 или 3 место, за давностью деталей не помню, конечно, главным образом благодаря высокому мастерству наших спортсменов.
В 1989 г меня пригласили в частную фирму для разработки
малоразмерного двигателя для ЛА АОН мощностью 50—80 л. с. Учитывая положительный опыт применения покрытия МДО на микродвигателе, мы с коллегами решили изготовить двигатель с гильзой из алюминиевого сплава АК-12 Д с покрытием МДО.
Характеристики двигателя: 2-х тактный, рядный, 2-х цилиндровый, воздушного охлаждения с кривошипно-камерной продувкой, карбюраторный, и встроенным, шестеренчатым редуктором, с дублированной системой зажигания.
Размерность 72х72
Поршни штампованные из АК -12Д, кольца стальные, хромированные.
Первые стендовые испытания на малом газу, - 2500-3000 об\мин прошли нормально.
После обкатки, при дальнейшем повышении скоростного режима до 5000-5500 об\мин керамика показала «свои зубы». Мы получили сильнейший клин! После разборки двигателя и осмотра гильзы обнаружили скол керамики на верхнем обрезе выхлопного окна и попадание фрагментов керамики в зазор между поршнем и стенкой гильзы. При этом одно кольцо было вырвано из ручья и закручено. Однако повреждения слоя МДО оказались совсем незначительными.
После замены поршня с кольцами и ремонта поверхности гильзы, испытания были продолжены, холодный зазор в паре был увеличен.
Увы! Картина повторилась!
Мы обсудили создавшуюся ситуацию и решили отказаться от перспективной и такой заманчивой МДО, потому что для отработки покрытия в полноразмерном ДВС, пришлось бы проводить длительные НИОКР, терять время и средства. Обратились к классическим материалам - выбрали для гильзы аустенитный чугун «нирезист» и закрыли проблему.
Тем не менее, покрытие оказалось вполне работоспособным на гильзе без вырезов на образующей цилиндра двигателя ЭСО 500
Причину сколов позже выяснили: абсолютные размеры деформации слоя МДО в районе выхлопного окна на гильзе микродвигателя и полноразмерного ДВС сильно разнятся, достигая значительных величин на, «большом» двигателе, вызывая скол покрытия. Так же способствуют сколу неравномерное температурное поле на верхнем срезе выхлопного окна и большая разница в коэффициентах линейного расширения карборунда и алюминиевого сплава.
На наш взгляд проблему можно решить отработкой рельефа поверхности контура выхлопного окна так, чтобы керамика «дышала», но полное решение лежит в области « голой» эмпирики.
Нужно отметить, что еще в 60-е годы прошлого столетия фирма Аллис - Чалмерс «США» после долгих доводочных работ на двигателе G-262 применяла анодированные поршни со слоем твердой окиси алюминия 10-15 мкм.
Проведенные работы, и положительные результаты, хоть и с некоторым опозданием, позволяют поставить вопрос о широком использовании метода упрочнения поверхности легкосплавных материалов в узлах трения двигателей внутреннего сгорания.
