СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ГИЛЬЗУ ЦИЛИНДРА
PROCEDURE FOR CYLINDER SLEEVE COATING

Настоящее изобретение относится к способу нанесения покрытия на гильзу цилиндра согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.
Обычно блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания изготавливают литьем из легких металлов, преимущественно из алюминия, из-за низких трибологических свойств которых, однако, существует необходимость интегрировать в блок цилиндров при его литье гильзы цилиндров из материала на основе железа, например из серого чугуна. При этом возникают проблемы, связанные с обеспечением достаточно прочного закрепления гильз цилиндров в блоке цилиндров и с обеспечением достаточной теплопередачи между гильзами цилиндров и блоком цилиндров. Эти проблемы можно решить за счет придания наружным поверхностям гильз цилиндров получаемой при литье шероховатой структуры с поднутрениями. Однако подобное выполнение гильз цилиндров неизбежно приводит к значительному увеличению ширины перемычек между залитыми в блок цилиндров гильзами цилиндров и тем самым к существенному увеличению занимаемого гильзами цилиндров места.
Учитывая существующую в области моторостроения тенденцию к уменьшению размеров двигателей при сохранении их мощности, возникает необходимость в уменьшении расстояний между отдельными гильзами цилиндров, а также в улучшении отвода тепла из камеры сгорания через гильзу цилиндра в рубашку охлаждения блока цилиндров. Эти проблемы можно решить за счет изготовления гильз цилиндров не в виде литых гильз с шероховатой наружной поверхностью, а в виде гильз из серого чугуна с гладкой или умеренно шероховатой наружной поверхностью и с покрытием, обеспечивающим соединение гильзы с материалом, в который при изготовлении блока цилиндров заливается по своему периметру гильза цилиндра.
Подобная гильза цилиндра из серого чугуна описана в DE 19729017 С2. Такая гильза имеет на своей наружной поверхности нанесенный путем газопламенного напыления или путем электродугового напыления покровный слой из сплава AlSi с содержанием кремния менее 15%. На этот покровный слой нанесен защищающий от окисления слой из цинкового сплава, назначение которого (слоя) состоит в предотвращении окисления слоя из сплава AlSi, препятствующего образованию прочной металлической связи покровного слоя с материалом, в который при изготовлении блока цилиндров заливается по своему периметру гильза цилиндра.
Недостаток этого известного решения состоит в окислении сплава AlSi, происходящем уже при напылении из него покровного слоя. Образующаяся при этом оксидная пленка исключительно прочно сцепляется со слоем из AlSi. Помимо этого температура плавления такой оксидной пленки выше температур, которые достигаются при заливке по периметру гильз цилиндров в материал блока цилиндров. Несмотря на возможность исключительно трудоемкого удаления подобной оксидной пленки после удаления она очень быстро образуется вновь, из-за чего даже дополнительно наносимый из цинка или его сплава защитный слой не способен обеспечить металлическую связь между слоем из AlSi и материалом, в который при изготовлении блока цилиндров заливается по своему периметру гильза цилиндра.
Помимо этого коэффициент теплового расширения покровного слоя из AlSi примерно в 1,7 раза превышает коэффициент теплового расширения серого чугуна, в связи с чем в известной многослойной системе при изменениях температуры возникают напряжения, ухудшающие металлическую связь между гильзой цилиндра и блоком цилиндров.
В основу настоящего изобретения была положена задача устранить указанные выше недостатки, присущие уровню техники, т.е. улучшить металлическую связь между гильзой цилиндра и материалом, в который при изготовлении блока цилиндров заливается по своему периметру гильза цилиндра, а тем самым и улучшить теплопередачу между гильзой цилиндра и блоком цилиндров. Указанная задача решается с помощью отличительных признаков, представленных в независимом пункте формулы изобретения.
Преимущества предлагаемого в изобретении решения состоят в том, что градация коэффициентов теплового расширения в предлагаемой в изобретении слоистой структуре между гильзой из серого чугуна, многослойной системой и материалом, в который при изготовлении блока цилиндров заливается по своему периметру гильза цилиндра, существенно снижает температурные напряжения в предлагаемой в изобретении слоистой структуре. Помимо этого градация температур плавления, которые уменьшаются от наибольшей температуры плавления, которой обладает материал гильзы цилиндра, до промежуточной температуры плавления, которой обладает предлагаемая в изобретении многослойная система, и далее до наименьшей температуры плавления, которой обладает материал, из которого выполняется блок цилиндров и в который при его изготовлении заливается по своему периметру гильза цилиндра, обеспечивает растворение, соответственно диффузионное предварительное легирование наружного слоя материалом, из которого выполняется блок цилиндров и в который при его изготовлении заливается по своему периметру гильза цилиндра, благодаря чему создается стабильная металлическая связь между гильзой цилиндра и окружающим его литым материалом, из которого выполнен блок цилиндров. Помимо этого преимущество образованного из предлагаемых в изобретении сплавов покрытия заключается в том, что его компоненты участвуют в дисперсионном твердении в зоне металлической связи между гильзой цилиндра и блоком цилиндров.
Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения заявлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Нижепредлагаемый в изобретении способ нанесения покрытия на заливаемую в материал блока цилиндров при его литье гильзу рассмотрен более подробно.
Предлагаемым в изобретении способом покрытие наносят на гильзу цилиндра, выполненную из легированного или нелегированного материала на основе железа. Гильзу цилиндра предпочтительно изготавливать из серого чугуна, который может содержать либо пластинчатый графит, либо вермикулярный графит, либо шаровидный графит. Серый чугун может при этом иметь ферритно-перлитную, перлитную, бейнитную или аустенитную основную структуру. Наружная поверхность гильзы цилиндра может быть выполнена гладкой. В принципе, однако, гильза цилиндра может также иметь наружную поверхность любого другого качества вплоть до плоской шероховатой литой поверхности. Помимо этого гильза цилиндра может иметь и обработанную резанием наружную поверхность.
Для заливки гильзы цилиндра в материал, из которого отливается блок цилиндров, можно использовать все традиционные методы литья, такие, например, как литье под давлением, гравитационное литье или литье под низким давлением.
Блок цилиндров изготавливают из одного из обычно используемых для этого литейных легких металлов, для чего можно использовать и литейные материалы на основе алюминия, и литейные материалы на основе магния.
2
3
С целью обеспечить при заливке гильзы цилиндра в материал, из которого отливается блок цилиндров, металлическую связь гильзы цилиндра с окружающим ее по периметру литым материалом, из которого выполняется блок цилиндров, на наружную поверхность гильзы наносят покрытие путем термического распыления. Для такого нанесения покрытия необходима предварительная подготовка наружной поверхности, состоящая в ее очистке от загрязнений и оксидов и последующем придании ей шероховатости. В качестве примера пригодных для подобной подготовки наружной поверхности методов можно назвать крацевание и/или струйную обработку. Струйную обработку рекомендуется проводить прежде всего крупнозернистым корундом, т.е. кристаллическим оксидом алюминия (AlO).
Непосредственно после такой подготовки наружной поверхности гильзы цилиндра на нее термическим распылением наносят первый слой. Этот первый слой выполняют из меди с 99,9%-ной степенью чистоты, из сплава CiAl8, сплава CuAl8Ni2, сплава CuP8, сплава CuSi3 либо из сплава CuZn37 (латуни). При этом стремятся получить малопористый слой с низким содержанием оксидов и с толщиной от 60 до 130 мкм.
Для уменьшения разницы в температурах плавления нанесенных на гильзу цилиндра слоев на первый слой из меди предпочтительно наносить еще один слой из одного из указанных выше медных сплавов, температура плавления которых ниже температуры плавления меди, но выше температуры плавления материала наружного покрытия, называемого в последующем вторым слоем.
Поскольку в продаже имеются проволоки из указанных выше сплавов, в качестве метода термического распыления предпочтительно использовать метод газопламенного распыления проволоки, заключающийся в расплавлении проволочной распыляемой добавки в центре ацетилено-кислородного пламени и распылении расплавленного материала с помощью распыляющего газа, например сжатого воздуха или азота, на наружную поверхность гильзы цилиндра.
Другим пригодным методом термического распыления является метод электродугового напыления проволоки, заключающийся в расплавлении двух проволочных распыляемых добавок в электрической дуге и в нанесении расплавленного материала с помощью распыляющего газа на наружную поверхность гильзы цилиндра. При этом можно совместно оплавлять две проволоки разного состава и в широких пределах варьировать состав получаемого таким путем слоя. Так, например, при использовании медной и цинковой проволок на наружную поверхность гильзы цилиндра можно наносить сплав CuZn с содержанием цинка до 45%. При использовании азота или аргона в качестве распыляющего газа практически полностью исключается окисление напыляемых материалов.
Дополнительно уменьшить окисление напыляемого материала и содержание оксидов в напыленном слое позволяет метод напыления холодным газом, заключающийся в разгоне нерасплавленных и нагретых лишь до нескольких сотен градусов частиц порошка до скорости в пределах от 300 до 1200 м/с и их напылении на наружную поверхность гильзы цилиндра.
Вследствие микротрения в результате столкновения частиц порошка с наружной поверхностью гильзы цилиндра температура в местах их контакта с наружной поверхностью гильзы цилиндра повышается, что приводит к образованию микросварных соединений частиц порошка с наружной поверхностью гильзы цилиндра.
Помимо этого можно также использовать метод высокоскоростного газопламенного напыления, заключающийся в непрерывном сжигании газа под высоким давлением в камере сгорания, вдоль центральной оси которой подают порошковую напыляемую добавку. Под действием создаваемого в камере сгорания высокого давления смеси горючего газа с кислородом частицы разгоняются до высокой скорости, приводящей к образованию исключительно плотных напыленных слоев с высокими адгезионными свойствами.
Основные функции первого слоя состоит в обеспечении прочного его сцепления с серым чугуном, из которого изготовлена гильза цилиндра, в создании оптимальных условий для прочного сцепления с ним второго слоя и в обеспечении градации температур плавления, т.е. ступенчатого перехода от температуры плавления серого чугуна, из которого изготовлена гильза цилиндра, к первой промежуточной температуре плавления, равной температуре плавления первого слоя, далее ко второй промежуточной температуре плавления, равной температуре плавления второго слоя, и в завершение к температуре плавления материала, в который при изготовлении блока цилиндров заливается по своему периметру гильза цилиндра. Помимо этого таким же путем обеспечивается градация коэффициентов теплового расширения с постепенным их изменением от коэффициента теплового расширения гильзы цилиндра до первого промежуточного коэффициента теплового расширения, равного коэффициенту теплового расширения первого слоя, далее до второго промежуточного коэффициента теплового расширения, равного коэффициенту теплового расширения второго слоя, и в завершение до коэффициента теплового расширения легкого металла, из которого изготовлен блок цилиндров.
Во избежание окисления первого слоя на него сразу же после его нанесения наносят второй слой, используя для этого один из указанных выше методов термического распыления. В качестве материала для нанесения второго слоя предпочтительно использовать сплав Zn85Al15 с содержанием цинка 85% и содержанием алюминия 15%. Однако содержание алюминия в таком сплаве может также варьироваться от 3 до 20%. При этом стремятся получить малопористый слой с низким содержанием оксидов и с толщиной от 60 до 130 мкм.
Функция второго слоя заключается в обеспечении прочного его сцепления с первым слоем. Помимо этого температура плавления сплава AlZn с содержанием алюминия 15 мас.% составляет 450°С, и поэтому при литье блока цилиндров второй слой подплавляется окружающим его материалом, из которого отливается блок цилиндров, благодаря чему обеспечивается металлическая связь между гильзой цилиндра и материалом, в который после литья блока цилиндров она оказывается залита по своему периметру.
Хотя при этом на поверхности слоя из сплава AlZn и образуется исключительно тонкая оксидная пленка, тем не менее она не препятствует образованию металлической связи между гильзой цилиндра и блоком цилиндров. Вместе с тем сплав AlZn предпочтительно легировать медью в количестве нескольких массовых процентов, поскольку таким путем полностью предотвращается образование оксидной пленки на поверхности второго слоя и, как следствие, дополнительно повышается прочность сцепления между гильзой цилиндра и блоком цилиндров.