Исследование влияния микродугового оксидирования на износостойкость гильзы цилиндра ДВС из алюминиевого сплава

УДК 62.2; 62.408

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ГИЛЬЗЫ ЦИЛИНДРА ДВС ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА

© Н.Ю. Дударева1, Р.В. Кальщиков2, Н.Х. Мусин3, Д.А. Рябова4

Уфимский государственный авиационный технический университет, 450000, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.

Приведены результаты экспериментального исследования возможности повышения износостойкости гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания посредством формирования на рабочей поверхности покрытия методом микродугового оксидирования. Исследования проводились на авиамодельном двигателе. Установлено, что наличие МДО-слоя позволяет повысить износостойкость гильзы в 2,86 раза, что ведет к повышению ее надежности.

Ил. 8. Табл. 6. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: микродуговое оксидирование; износостойкость; двигатели внутреннего сгорания; гильза цилиндра; надежность; алюминиевые сплавы.

STUDYING MICROARC OXIDATION EFFECT ON ALUMINUM ALLOY ICE CYLINDER SLEEVE WEAR RESISTANCE

N.Yu. Dudareva, R.V. Kalschikov, N.Kh. Musin, D.A. Ryabova

Ufa State Aviation Technical University,

12 Karl Marx St., Ufa, 450000, Republic of Bashkortostan.

The article presents the experimental study results of the possibility to increase the wear resistance of internal combustion engine cylinder sleeves by forming a coating on the wall surface by the method of microarc oxidation (MAO). The researches have been carried out on an aeromodelling engine. It is found out that the presence of the MAO layer increases the wear resistance of the sleeve by 2.86 times that improves its reliability. 8 figures. 6 tables. 5 sources.

Key words: MAO (microarc oxidation); wear resistance; internal combustion engines (ICE); cylinder sleeve; reliability; aluminum alloys.

Введение

Важнейшими задачами современного двигателе-строения являются: повышение надежности и долговечности двигателей; снижение их массы и металлоемкости производства. На сегодняшний день в двига-телестроении можно выделить следующие основные тенденции [1]:

- снижение массы и габаритов двигателей внутреннего сгорания (ДВС);

- повышение мощности ДВС и увеличение нагрузок;

- использование безгильзовых блоков цилиндров;

- расширение области применения алюминиевых сплавов.

Вышеперечисленные тенденции обусловлены необходимостью уменьшения расхода топлива и снижения вредных выбросов, уменьшения массы автомобилей и других движетелей, а также повышения безопасности, качества, надежности и долговечности ДВС.

Для снижения массы ДВС при изготовлении деталей наиболее эффективно использование алюминиевых сплавов. Если поршни из алюминиевых сплавов применяются в двигателестроении достаточно давно

1Дударева Наталья Юрьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры двигателей внутреннего сгорания, тел.: 89177512549, e-mail: natalia_jd@mail.ru

Dudareva Natalya, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Internal Combustion Engines, tel.: 89177512549, e-mail: natalia_jd@mail.ru

2Кальщиков Роман Владимирович, аспирант, тел.: 89173889941, e-mail: roman_for_work@mail.ru Kalschikov Roman, Postgraduate, tel.: 89173889941, e-mail: roman_for_work@mail.ru

3Мусин Нияз Хамитович, ассистент кафедры двигателей внутреннего сгорания, тел.: 89273130172, e-mail: niyaz.musin@yandex.ru

Musin Niyaz, Assistant Professor of the Department of Internal Combustion Engines, tel.: 89273130172, e-mail: niyaz.musin@yandex.ru

4Рябова Дарья Александровна, студентка, тел.: 89173721091, e-mail: darya.riada@gmail.ru Ryabova Darya, Student, tel.: 89173721091, e-mail: darya.riada@gmail.ru

ВЕСТНИК ИрГТУ №9 (80) 2013

63

[4], то на современном этапе использование гильз из алюминиевых сплавов является новым и перспективным направлением. Гильза из алюминиевого сплава не только позволяет снизить вес двигателя, но и приводит к повышению его удельной мощности и снижению удельных показателей расхода топлива. В качестве основных достоинств алюминиевых сплавов можно выделить: достаточно высокую прочность; технологичность в обработке; высокую коррозионная стойкость; хорошую теплопроводность. Как показывает практика, при переходе от серого чугуна к алюминию возможно снижение веса гильзы на 40-50% благодаря тому, что плотность алюминия составляет 2,62,8 г/см3, что почти втрое меньше плотности стали, в результате чего повышаются долговечность и грузоподъемность транспорта, на 10-15% уменьшаются расходы при эксплуатации [5].

Однако алюминиевые сплавы имеют один существенный недостаток - низкую износостойкость, в результате чего может произойти разрушение поверхности гильзы и выход из строя всего двигателя. На долю гильз цилиндров из-за воздействия высоких механических и тепловых нагрузок приходится значительная часть отказов двигателей [2]. Рабочая поверхность гильзы подвергается различным видам изнашивания: абразивному, окислительному, молеку-лярно-механическому. Обычно эти виды изнашивания проявляются комплексно, и любой из них может быть основным или сопутствующим в зависимости от условий и режимов работы ДВС. Решить проблему низкой износостойкости рабочих поверхностей гильз ДВС из алюминиевых сплавов можно путем использования различных методов упрочнения.

Основные способы повышения износостойкости поверхностей деталей - технологические, позволяющие создавать на трущихся поверхностях упрочненные слои с высокими физико-механическими свойствами. При этом для наружных цилиндрических поверхностей технологические методы восстановления и упрочнения разработаны более широко, нежели для внутренних. Одной из причин, существенно ограничивающих применение того или иного способа, является труднодоступность внутренних поверхностей для обработки и неспособность покрытий выдерживать значительные тепловые и механические нагрузки, которые действуют на поверхность гильзы при работе двигателя.

Авторы статьи считают, что наиболее перспективным направлением, позволяющим сочетать достоинства алюминиевого сплава со значительной износостойкостью, является применение для обработки рабочей поверхности гильзы ДВС технологии микродугового оксидирования (МДО). Это один из наиболее перспективных видов поверхностной обработки (модификации), получающий в последнее время все более широкое распространение в самых различных отраслях промышленности для формирования многофункциональных керамических наноструктурных покрытий, использующихся в качестве износо- и кор-розионностойких, диэлектрических и теплостойких, а также декоративных покрытий. Основные преимуще-

ства метода МДО алюминиевых сплавов перед другими следующие:

1) возможность получения покрытий с более высокими показателями механических (твердость, износостойкость, адгезия к металлической основе, сопротивление усталости), физико-химических (удельное электрическое сопротивление, напряжение пробоя, стойкость к тепловым ударам, теплозащитная способность) свойств и антикоррозионной способностью;

2) сокращение продолжительности технологического процесса и уменьшение производственных площадей, в связи с тем, что не требуется тщательная подготовка поверхностей деталей (промывка, обезжиривание, травление, осветление), которая обязательно присутствует при других методах нанесения покрытий на легкие конструкционные сплавы электрохимическими методами;

3) высокая экологическая чистота процесса, так как электролит представляет собой водный раствор с добавлением относительно небольших концентраций нетоксичных химических компонентов [3].

Однако метод МДО имеет некоторые недостатки, которые сдерживают его широкое распространение в промышленности: высокая энергоемкость процесса; сложность получения равномерных покрытий; отсутствие экспериментальных данных для предсказания необходимых свойств МДО-слоев. Несмотря на недостатки метода, но с учетом свойств получаемых МДО-слоев, была высказана гипотеза, что поверхности, сформированные методом МДО способны повысить износостойкость гильзы ДВС из алюминиевого сплава, даже по сравнению с гильзой из стали.

Цель данной работы заключается в исследовании возможности повышения износостойкости гильзы ДВС путём формирования на ее рабочей поверхности модифицированного слоя методом МДО.

Методы исследования

Для проверки гипотезы были проведены экспериментальные исследования на гильзе цилиндра малоразмерного авиамодельного двигателя ASP FS80 AR. Опытный образец представляет собой четырехтактный одноцилиндровый карбюраторный двигатель с общим объемом 12,8 см3, с верхним расположением клапанов, внешним смесеобразованием, принудительным воспламенением от калильной свечи. Характеристики базового двигателя представлены в табл. 1. Штатная гильза цилиндра изготовлена из стали 40Х и свободно устанавливается в посадочное отверстие в блоке цилиндров двигателя. Диаметр гильзы ASP FS80 AR составляет 26,5 мм, рабочий ход поршня 23,2 мм. Поршень имеет одно компрессионное кольцо из стали 45. Этот двигатель был выбран из-за возможности достижения высоких оборотов (до 11 000 об/мин) при работе, что позволят проводить ускоренные исследования по износу. Для проведения исследований специально изготавливалась гильза из алюминиевого сплава АК4-1. Этот сплав был выбран из-за того, что он обладает невысоким коэффициентом линейного расширения и значительной прочностью даже при высоких температурах.

Рабочая поверхность гильзы цилиндра (ГЦ) двига-

теля ASP FS80 AR обрабатывалась методом МДО. Процесс нанесения покрытия проводился в электролите, который был приготовлен на основе дистиллированной воды с добавлением следующего компонентного состава: на 30 л дистиллированной воды использовалось 60 г жидкого стекла (2 г /л воды) и 60 г KOH (2 г/ л воды). Для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность гильзы было специально спроектировано и изготовлено приспособление, которое позволяет установить гильзу таким образом, чтобы она не касалась стенок и дна ванны, а также электрода (рис. 1). Рабочий электрод был выполнен в виде стержня и помещался внутри гильзы. Кроме этого, необходимо было исключить возможность образования воздушных и/или газовых пузырей в межэлектродном промежутке в процессе МДО, что обеспечивалось организацией и регулированием потока электролита в межэлектродном пространстве. Процесс обработки длился 3 часа.

Гильза до нанесения МДО-слоя показана на рис. 2а, а гильза с МДО-слоем на рис. 26. После нанесения МДО-слоя с гильзы удалялся муллит (верхний рыхлый слой). В качестве основных свойств сформированного покрытия измерялась его толщина и микротвердость при помощи микротвердомера HVS-1000 и толщиномера ТТ-210. Были получены следующие значения:

микротвердость Нц=6,3 ГПа, толщина 1л=82 мкм. Все значения параметров МДО-слоя замерялись на образце-свидетеле, обработанном на тех же режимах, что и гильза.

Для проведения испытаний был разработан стенд (рис. 3). Он представляет собой коробчатую раму 1, на которой крепится двигатель 2. На раме также установлено управление дроссельной заслонкой 3 и топливным жиклером 4, система зажигания 5, система отвода выхлопных газов 6 и решетка винта 7. Для экспериментального двигателя производителем рекомендуется применять специальные авиамодельные топлива, в состав которых входят метиловый спирт, нитрометан (СН31М02), касторовое или синтетическое масло. Однако метиловый спирт и нитрометан являются токсичными веществами, что, учитывая специфику системы смазки и питания двигателя, усложняет проведение испытаний в условиях лаборатории. После анализа альтернативных вариантов было решено использовать топливо, состоящее из этилового спирта, касторового масла и ацетона. Переход на новое топливо потребовал изменения системы зажигания двигателя. При использовании стандартного топлива электрический ток к калильной свече подводится только в момент пуска двигателя, а в дальнейшем накал обеспечивается за счет теплоты, возникающей

Таблица 1

Характеристики двигателя ASP FS80 AR

Показатели Значение

Рабочий объем: 12,8 см3

Число колец на одном поршне:

- компрессионных 1

- маслосъемных 0

Диаметр цилиндра, мм 26,5

Ход поршня, мм 23,2

Мощность 1,1 л. с. при 11000 мин-1

Рабочий диапазон: 2000...11000 мин-1

Система энергообеспечения внешний источник питания

Система запуска внешний электростартер

Система охлаждения воздушная

виз г 1

Рис. 1. Приспособление для нанесения МДО-слоя на гильзу цилиндров: 1 - подставка; 2 - гайка под штуцер; 3 - гильза; 4 - заглушка верхняя; 5 - электрод; 6 - расскатель; 7 - штуцер

Рис. 3. Испытательный стенд: 1 - рама; 2 - двигатель; 3 - управление дросселем; 4 - управление топливным жиклером; 5 - система зажигания; 6 - система отвода выхлопных газов; 7 - решетка винта

в камере сгорания. Применение такого подхода при использовании топлива на основе этилового спирта выявило ряд проблем. В частности, невозможность пуска без предварительного прогрева топлива и блока цилиндров до 45-50 оС, сужение диапазона рабочих частот вращения до величин 4500...8000 мин-1 при установленном рекомендованном винте, нестабильность работы на переходных режимах. В связи с этим стенд был оснащен источником электрического тока 5, который обеспечивает постоянный накал свечи.

Для проведения испытаний ДВС со штатной стальной гильзой и гильзой с МДО была разработана методика, в которой определяются режимы и время работы двигателя, подготовка двигателя к пуску, порядок приготовления топлива и т.д., а так же регламентируются проводимые измерения. В ходе испытаний контролировались следующие параметры: частота вращения коленчатого вала ДВС, температура го-

ловки цилиндра, расход топлива. После завершения каждого цикла испытаний производилась разборка двигателя для измерения износа гильзы и поршня. Износ гильзы контролировался замером ее диаметрального размера в 6-ти точках в соответствии со схемой на рис. 4. Необходимо отметить, что точки с номерами 1, 2 и 3 лежат на плоскости, перпендикулярной коленчатому валу двигателя. Измерения проводились при помощи нутромера НИ 18-35-0,01. Износ поршня определялся с помощью пассаметра СИ-50 по схеме, приведенной на рис. 5. В дополнении к измерению размеров деталей проводился контроль их массы на аналитических весах ВСЛ-400-1.

Испытания состояли из нескольких этапов:

Этап 1 - обкатка двигателя. Продолжительность этапа обкатки составляла 30 минут, частота вращения коленчатого вала двигателя - 5000 мин-1. Использовался рекомендованный производителем

винт размером 13х7. После окончания данного этапа двигатель разбирался, износ гильзы контролировался замером ее диаметрального размера в соответствии с методикой описанной выше (рис. 4).

Этап 2 - ресурсные испытания. Испытания такого рода состояли из 4-х подэтапов продолжительностью 10 часов каждый. В зависимости от подэтапа применялись винты разного размера и разный состав топлива (см. табл. 2). После каждого подэтапа прово-

дилась разборка двигателя и измерение его геометрических размеров по ранее приведенной методике (рис. 4, 5). В связи с тем, что данный двигатель не приспособлен для длительной работы, испытания проходили с перерывами - после каждых 10,5 мин работы двигатель остывал в течение 10 мин (до достижения температуры 45оС на головке блока цилиндров). Рабочий цикл, продолжительностью 10,5 мин проводился по режимам, приведенным в табл. 3.

Рис. 4. Схема измерения износа гильзы

Рис. 5. Схема измерения износа поршня

Таблица 2

Применяемые винты и состав топлива в зависимости от времени испытаний

Состав топлива

Время, ч этиловый спирт касторовое ацетон, Размер винта

с2н5он, % масло, % г/л топлива

0...10 80 20 30 13х7

10...20 80 20 30 15х10

20.30 86 14 30 14х10

30.40 92 8 30 12х7

Таблица 3

Режимы испытаний двигателя в течение 10-минутного цикла

Положение дроссельной заслонки, % Время, сек

25 30

50 60

100 60

25 30

75 120

50 60

25 30

100 120

50 60

25 60

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты измерений износа деталей при использовании штатной стальной и алюминиевой гильзы с покрытием методом МДО после 40 ч работы приведены в табл. 4 и 5, для гильзы и поршня, соответственно. Исходя из полученных результатов, построе-

ны гистограммы, позволяющие сравнить величину линейного износа рабочей поверхности штатной и упрочненной гильзы (рис. 6) и поршней при работе с этими гильзами (рис. 7), а так же изменение веса поршня и гильзы в процессе работы (рис. 8).

Таблица4

Линейный и весовой износ штатных гильзы и поршня через 40 ч работы

Деталь Линейный износ (по точкам), мм Весовой износ, г

1 2 3 4 5 6

Гильза 0,083 0,062 0,055 0,076 0,07 0,06 0,029

Поршень 0,024 -0,01 0,006 0,03 -0,006 - 0,007

Таблица 5

Линейный и весовой износ гильзы с МДО и штатного поршня через 40 ч работы

Деталь Линейный износ (по точкам), мм Весовой износ, г

1 2 3 4 5 6

Гильза 0,019 0,029 0,015 0,008 0,003 0 0,003

Поршень 0,007 0,01 0,054 0,009 0,002 - 0,006

Рис. 6. Износ рабочей поверхности базовой и упрочненной гильзы

Рис. 7. Износ поршня при работе со штатной гильзой и упроченной МДО

Рис. 8. Весовой износ гильз и поршней: 1 - при базовой ГЦ; 2 - при ГЦ с МДО-слоем Сравнение начальных и конечных размеров поршней

Таблица 6

Размер поршня по точкам, мм

1 2 3 4 5

Исходные размеры Поршень при штатной ГЦ 26,41 26,41 26,38 26,42 26,42

Поршень при ГЦ с МДО 26,39 26,42 26,42 26,39 26,44

Конечные размеры Поршень при штатной ГЦ 26,39 26,42 26,38 26,39 26,43

Поршень при ГЦ с МДО 26,383 26,41 26,36 26,38 26,44

Можно обратить внимание на различия в распределении износа по контролируемым точкам, при использовании штатной и упрочненной гильз, в частности, на значительную величину износа поршня в точке 3, при работе с упрочненной гильзой. В табл. 6 приведены начальные (перед началом испытаний) и конечные (после 40 ч работы) размеры поршней по контролируемым точкам. Исходя из этих данных, можно сделать вывод, что увеличение износа поршня в точке 3 при взаимодействии с ГЦ, покрытой МДО, является особенностью данного поршня, при этом конечные размеры обоих поршней стремятся к близким оптимальным значениям. Отрицательные значения износа поршня при использовании базовой ГЦ связаны с деформацией поршня в процессе работы под воздействием тепловых и механических нагрузок.

Больший размер второго поршня в точке 3 привел к тому, что вместе с увеличением износа самого поршня изменилась картина износа и рабочей поверхности ГЦ. Из рис. 6 видно, что у базовой гильзы величина износа уменьшается по мере удаления от верхней мертвой точки, в то время как у ГЦ с покрытием -износ в точке 2 максимален, а в точке 3 приближается к износу в точке 1.

Анализируя результаты работы, можно сделать следующие выводы:

1. Линейный износ и весовой износ гильзы с МДО-покрытием после 0,5 часов обкатки двигателя не регистрируется, в то время как линейный износ гильзы без покрытия в среднем по пояскам составил 0,034 мм, а весовой износ равен 0,4 г.

2. В результате испытаний было обнаружено, что износ гильзы цилиндра из алюминиевого сплава с рабочей поверхностью, упрочненной методом МДО, в 2,86 раза меньше, чем у штатной (при сравнении по максимальным показателям износа), а весовой износ гильзы без МДО больше в 9,8 раз.

3. Значения весового износа поршней, работавших со штатной и гильзой с МДО-слоем практически одинаковы, и составляют 0,007 и 0,006 г, соответственно. При этом, максимальное значение линейного износа поршня при работе со штатной ГЦ составило 0,024 мм, а при работе с упрочненной ГЦ - 0,054 мм, что в 2,25 раза больше.

4. Сравнивая исходные и конечные размеры поршней, можно говорить, что в данных условиях трения ГЦ с МДО не оказывает существенного влияния на величину износа поршня, в то время как преобладающим фактором являются исходные размеры поршня и их отклонения от некоторой «оптимальной» величины.

Механика и машиностроение

1. Гзовский М. Тенденции двигателестроения. Пойти своим путем // За рулем. 2006. № 1. [Электронный ресурс]. 1^1.: http://www.zr.rU/a/12101

2. Гурвич И.Б., Сыркин П.Э., Чумак В.И. Эксплуатационная надежность автомобильных двигателей. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Транспорт, 1994. 144 с.

3. Микродуговое оксидирование: теория, технология, обору-

ский список

дование / И.В. Суминов [и др.]. М.: Экомет, 2005. 368 с.

4. Орлов. П.И. Конструкция и расчет деталей авиационных двигателей: учебник для авиационных вузов. М.: Гос. изд-во оборонной промышленности, 1940. 674 с.

5. Соловых Е.К. Тенденции повышения работоспособности гильз цилиндров ДВС // Проблеми трибологм . 2009. №2. С. 47-57.