СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА НАРУЖНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ ГИЛЬЗЫ ЦИЛИНДРА
PROCEDURE FOR APPLICATION OF COATING ON EXTERNAL SURFACE OF CYLINDER SLEEVE

Настоящее изобретение относится к способу нанесения покрытия на наружную поверхность гильзы цилиндра согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.
Для снижения массы автомобилей и для сокращения таким путем расхода потребляемого их двигателями топлива блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания изготавливают литьем из легких металлов, преимущественно из алюминия. Однако подобные легкие металлы обладают столь низкими трибологическими свойствами, что в блок цилиндров при его литье приходится интегрировать 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.
Из US 5333668 известно применение в этих целях цинкового сплава с 5%-ным содержанием алюминия. Однако недостаток получаемого из этого сплава известного из уровня техники покрытия состоит в очень быстром его окислении и в наличии у него лишь посредственных прочностных показателей, что снижает прочность металлической связи с покрытием и материалом, в который при изготовлении из него блока цилиндров заливается по своему периметру гильза цилиндра.
В основу настоящего изобретения была положена задача устранить указанный выше недостаток, присущий уровню техники, и разработать помимо этого простой и недорогой в реализации способ нанесения покрытия на гильзу цилиндра.
Указанная задача решается с помощью отличительных признаков, представленных в независимом пункте формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения заявлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Ниже предлагаемый в изобретении способ нанесения покрытия на гильзу, заливаемую в материал блока цилиндров при его литье, 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 наружная поверхность, торец и внутренняя поверхность гильзы цилиндра могут быть предварительно обработаны точением.
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, такие, например, как EN AC-AlSi10Mg(Fe), EN AC-AlSi10Mg(Cu), EN AC-AlSi9Cu3(Fe), EN AC-AlSi12(Cu), и литейные материалы на основе магния, такие, например, как EN MC-MgAl9Zn1(A), EN MC-MgY4RE3Zr.
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 методом погружения. 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. Для струйной обработки можно использовать, например, крупнозернистый корунд, т.е. кристаллический оксид алюминия (АlО).
После такой подготовки наружную поверхность гильзы цилиндра подвергают травлению и/или промазывают флюсом, для чего можно использовать двойную соль в виде хлорида цинка и хлорида алюминия или нашатырь (хлорид аммония). Цель подобной обработки заключается в удалении оксидов с наружной поверхности гильзы цилиндра с тем, чтобы способствовать приплавлению к ней описанного ниже металлического слоя.
После этого на наружную поверхность гильзы цилиндра наносят покрытие ее погружением в расплав цинка, алюминия и меди, содержащий от 3 до 12% меди, от 2 до 8% алюминия, и остальное - цинк. Для ускорения дисперсионного твердения в расплав можно добавлять магний в количестве до 1%.
При этом гильзу цилиндра погружают в расплав на такую глубину, при которой расплавом смачивается небольшой по угловой протяженности, сплошной по всей осевой длине гильзы цилиндра сегмент ее наружной поверхности, но не внутренняя поверхность гильзы цилиндра. Затем гильзу цилиндра начинают поворачивать вокруг ее продольной оси, приводя при этом расплав путем воздействия на него ультразвуком в высокочастотное движение. Таким путем способствуют сплавлению между собой сплава, из которого изготовлена гильза цилиндра, и расплавленного цинкового сплава с образованием при этом слоистой системы, состоящей из интерметаллических фаз и твердых растворов и обеспечивающей возникновение металлической связи между наружной поверхностью гильзы цилиндра и окружающим ее металлическим слоем.
По истечении 3-5 минут толщина металлического слоя достигает 100-300 мкм, и гильзу цилиндра извлекают из расплава. Затем гильзу цилиндра в горизонтальном положении закрепляют в держателе для отекания с нее избыточного расплава и затвердевания нанесенного на нее металлического слоя.
Преимущество, связанное с наличием в сплаве медного компонента, состоит в том, что он препятствует увеличению плотности возможно образующейся в процессе нанесения покрытия оксидной пленки до слишком большой величины, и поэтому такая оксидная пленка легко удаляется с наружной поверхности гильзы цилиндра при ее заливке в материал, из которого отливают блок цилиндров. Температура ликвидуса расплава лежит в пределах от 440 до 520°С, и поэтому при литье блока цилиндров металлический слой подплавляется материалом, из которого отливают блок цилиндров, благодаря чему обеспечивается образование металлической связи между гильзой цилиндра и материалом, в который она заливается по своему периметру при литье блока цилиндров. При изготовлении блока цилиндров гравитационным литьем снабженные покрытием гильзы цилиндров необходимо нагревать до температуры порядка 300-400°С. При изготовлении же блока цилиндров литьем под давлением необходимость в подобном нагреве снабженных покрытием гильз цилиндров отсутствует.