Покрытие цилиндров алюминиевого блока: 403 — Доступ запрещён – 403 — Доступ запрещён
- 25.04.2020
Никасил — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 21 мая 2016; проверки требуют 11 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 21 мая 2016; проверки требуют 11 правок.Никасил — липофильный никелькремниевый сплав, получаемый методом электрофоретического осаждения и применяемый для защиты поверхности цилиндров в двигателях внутреннего сгорания.
Название — акроним от НИкель, КАрбид и СИЛициум.
Nikasil разработал немецкий производитель Mahle в 1967 году. Изначальная цель — использование для уплотнения вершин ротора, апекса роторных двигателей (NSU Ro 80, Citroën GS Birotor и Mercedes C111).[1] Это покрытие используется при работе алюминиевых цилиндров и поршней, минимизируя их износ и трение. В отличие от других способов, в том числе применение чугунных гильз цилиндров, никасиловое покрытие позволяет изготовлять двигатели без гильз, что, в свою очередь, даёт возможность использовать бóльшие диаметры цилиндров. Алюминиевые блоки имеют бóльшую теплопроводность, нежели чугунные, что важно для реализации высокой выходной мощности двигателя. Покрытие получило дальнейшее развитие благодаря американской корпорации Chrome в начале 1990-х годов (торговое название «Nicom»), использовавшей его как замену хромированным цилиндров для двигателей, и при ремонтной замене на снегоходах, мотоциклах, квадроциклах, гидроциклах и автомобилях с заводскими хромированными цилиндрами.
Никасил — сплав никеля и карбида кремния. Карбид кремния — очень твёрдый материал (намного твёрже стали), который может быть сплавлен с никелем. На поверхность алюминиевого цилиндра никель наносится гальваническим способом. Так как поршневые кольца могут протереть никелевый слой, для большей защиты алюминиевого поршня от прямого контакта с алюминиевым цилиндром наносится очень твёрдый слой карбида кремния. После расточки цилиндр необходимо покрыть сплавом, но, так как никасиловое покрытие очень прочное, алюминиевый цилиндр растачивается намного реже, чем железный или хромированный.
Porsche в 1970 году начала использовать никасил на гоночных автомобилях Porsche 917, а позже, в 1973 году и на модели 911 RS. Porsche также использовали его на серийных автомобилях, но в течение короткого времени перешли на алюсил за счет экономии средств. Никасиловые цилиндры всегда использовались для моделей 911 Turbo и RS. Алюминиевые цилиндры с никасиловым покрытием позволили Porsche создать двигатели с воздушным охлаждением, которые имели самую высокую удельную производительность среди двигателей своего времени. Никасил до сих пор используется в современных 911.
Никасил стал очень популярным в 1990-х годах. Он использовался такими компаниями, как Audi, BMW, Ferrari, Jaguar и Moto Guzzi в своих новых сериях двигателей. В 1981 году компанией Moto Guzzi было запатентовано собственное покрытие, названное Нигусил. Тем не менее, сера, которая находится в низкокачественном бензине, в большей части мира, вызвала с течением времени разрушение никасила в некоторых цилиндрах, что приводило к дорогостоящему ремонту двигателя.
Никасил или аналогичные покрытия под другими торговыми марками до сих пор широко используются в гоночных двигателях, в том числе на Формуле 1 и Champ Car. Suzuki в настоящее время использует на гонках проверенное никелевое фосфор-кремний-карбидное запатентованное покрытие торговой марки SCEM (Suzuki Composite Electro-chemical Material) для максимального диаметра цилиндров и отвода тепла, например, на мотоциклетных двигателях Suzuki моделей TL1000S, V-Strom 650, TU250X, Hayabusa и GSX-R.[4]
Автомобильные двигатели, использующие никасиловое покрытие:
Одноразовые, но не совсем: способы капремонта современных моторов
Что делали владельцы старых автомобилей, когда мотор начинал гнать масло в цилиндры и коптить небо сизым дымом? Они делали капремонт – растачивали изношенные стенки цилиндров и ставили поршни большего диаметра. И мотор мог "ходить" еще 150-200 тысяч километров, а то и больше.Тенденции современного автомобилестроения таковы, что классические чугунные блоки под несколько ремонтных размеров поршней уже стали исчезающим видом, куда чаще двигатели являются «одноразовыми». Нет ремонтных размеров цилиндропоршневой группы, нет ремонтных размеров вкладышей коленчатого вала.
Что может произойти с таким мотором и что делать, если он всё же сломался, а заменить на новый агрегат – не вариант из-за слишком высокой цены? Моторы бывают разные, но почти всегда можно найти альтернативный путь и вернуть его к жизни. Другой вопрос, имеет ли это смысл с точки зрения финансовой?
Алюминиевые блоки с чугунными гильзами
Самый простой вариант – «обычный» мотор с чугунными гильзами, а иногда даже и с блоком из того же чугуна, но не имеющий ремонтных размеров поршневой группы и коленчатого вала.
А кстати, почему? Существует «теория заговора», согласно которой производители специально ограничивают выпуск деталей для ремонта, лишь бы потребитель косяком шел в салоны за новыми машинами. Но если это и правда, то отчасти. Дело в том, что многие современные чугунные моторы по стойкости к выработке – не чета старым.
Вследствие прогресса в материалах чугунная гильза по износостойкости вплотную приблизилась к весьма недешевым технологиям с применением алюсила и никасила, о которых подробно расскажем ниже.
Естественный износ чугуна, по сути, остался в прошлом. Зачастую естественная выработка цилиндра при пробеге свыше трехсот тысяч километров оказывается минимальной. А если износ меньше глубины хонингования (две-три сотые доли миллиметра), то нет и нужды в расточке.
Разумеется, для производителя это хороший повод отказаться от ремонтных размеров и выпускать только несколько градаций «номинальных» поршней и колец. Но, к сожалению, износ бывает не только естественным. При залегании поршневых колец, попадании абразива в цилиндры, перегревах, детонации или других неприятностях с мотором могут выйти из строя один или все цилиндры.
На них появляются задиры, эллипсность или даже кольцевая выработка, возможны и нарушения геометрии шатунно-поршневой группы. Если бы была возможна расточка, то проблема решалась бы просто переточкой в новый размер, дефекты такого рода обычно при этом удаляются без проблем. Но точить-то нельзя! Попросту нет в продаже поршней нового размера, а если проблемы с коленчатым валом, то и его точить тоже нельзя – нет вкладышей.
Способ ремонта №1: покупка шот-блока
Значит, моторы все же одноразовые? Отнюдь. Решить проблему такого мотора можно несколькими способами. Первый из них – штатный, рекомендуемый производителем. И зачастую, кстати, не самый плохой. Это покупка так называемого шот-блока, то есть блока цилиндров в сборе с поршнями и коленчатым валом. Поставить на него головки блоков, картер, навесное оборудование – и мотор готов.
Обычно минусом такого решения является цена, но если вспомнить, что оригинальные поршни обычно тоже стоят недешево, да и работа стоит немало, то… Вопрос, как всегда, в цене на конкретные экземпляры. Например, известные моторы Opel Z22SE или Saab B207 как продукция компании GM имеют большой выбор шот-блоков, причем далеко не только от производителя. Цена их в США очень приятная – от полутора тысяч долларов. За две с половиной можно приобрести тюнинговый усиленный блок со строкер-китом на 2.5 – 2.7 литра или рассчитанный под большее давление наддува и солидный крутящий момент. А вот на немолодые Тойоты шот-блок обойдется минимум в три с половиной тысячи. При этом изрядная часть моторов большого объема имеет шот-блоки ценой около пяти тысяч. И тут уже придется задуматься об альтернативе простой замены.
Способ ремонта №2: гильзование блока цилиндров и «родные» поршни
Дальше всё зависит от точности мехобработки и от качества сборки. Оригинальная поршневая группа номинального размера прекрасно будет работать в таком моторе. Можно гильзовать только поврежденный цилиндр и тем самым уменьшить цену работ. Многое зависит от мастерства исполнителей работ, но если в вашем городе есть точные станки, то это сравнительно недорогой способ восстановления мотора.
Но помните, что при тепловой обработке блока цилиндров возможны деформации и нарушение геометрии. Поэтому рекомендуется гильзовать все цилиндры сразу и производить расточку с учетом новой геометрии от «базы» блока, а не старых осей цилиндров. При необходимости же ремонта только одного цилиндра лучше использовать технологии холодной посадки гильз прессом или установку с зазором.
Способ ремонта №3: «родные» расточенные гильзы и поршни большего диаметра
Блок цилиндров просто растачивается под новые кастомные поршни – не оригинальные, а заказные, под нужный размер. Обычно речь идет о так называемой ковке – поршнях, полученных мехобработкой из болванки, полученной изотермической штамповкой. Такие поршни заметно прочнее обычных литых, но, как всякая индивидуальная работа, она может оказаться не самой удачной.
Даже поршни от солидного производителя требуют большего теплового зазора из-за более высокого коэффициента расширения сплавов для ковки и неучтенной тепловой деформации. И разумеется, более прочный поршень не всегда означает больший срок службы двигателя, так как изнашиваются и кольца, и сам цилиндр. В этом случае многое будет зависеть как от обработки самого цилиндра (в этом случае он сохраняет свои параметры по теплопередаче и геометрии, в отличие от гильзования), так и от нового поршня.
Аналогично действуют и тогда, когда оригинальная поршневая группа очень дорога или редка, а мотор строится для использования каждый день. Это хороший способ в случае, если поршни под ремонтируемый мотор уже освоены хотя бы малой серией или есть испытанные образцы. Ведь работать испытателем тестового мотора не хочется никому.
Впрочем, если вы наберете желающих заказать пятьсот или тысячу поршней, то ваш заказ имеет все шансы быть произведенным по оригинальным технологиям Kolbenschmidt или Mahle, правда, и цена поршней будет как минимум не ниже, чем у оригинальных, зато размер – любой в пределах разумного допуска к штатному и полностью отработанная в серии конструкция.
Полностью алюминиевые блоки без гильз
Делать блоки цилиндров из алюминия без чугунных гильз крайне выгодно. Во-первых, это меньшая масса мотора. Во-вторых, теплопроводность алюминия выше, чем у чугуна, а значит, лучше теплоотвод от самых нагруженных частей мотора. Наконец, и поршни, и головка блока цилиндров тоже выполнены из алюминия, а значит, их коэфициент теплового расширения будет близок к коэффициенту расширения блока. Поэтому можно уменьшить тепловые зазоры до минимума, обусловленного разницей температур поршня и блока цилиндров.
Технологии цельноалюминиевых блоков цилиндров условно можно разделить на три группы материалов, и во всех случаях это будет не «чистый» алюминий, а блок из «крылатого» металла с прочным покрытием цилиндров.
Никасиловые алюминиевые блоки
В первую очередь это Nikasil, который был первым получившим массовое признание как способ производства надежных цельноалюминиевых двигателей без чугунных гильз. Название от компании Mahle стало нарицательным, хотя, может быть, торговая марка аналогичного покрытия от фирмы Kolbenschmidt – Galnical – оказалась не столь благозвучна и вторична…
В первую очередь оно предназначалось для роторных моторов, но получило широчайшее распространение в девяностых годах, а в Формуле-1 используется до сих пор, как и в мотоциклетных моторах. Например, «монстр» Suzuki Hayabusa имеет именно такое покрытие цилиндров. Более прочного и удачного материала для цилиндров пока не придумали, его слой твердый и достаточно вязкий, он толстый и не трескается, его можно немного расточить, если уж удалось его каким-то образом сносить. Но это бывает крайне редко, покрытие практически вечное.
Вот только никель-карбид-алюминиевое покрытие, столь прочное и износостойкое, боится сернистых соединений. И на машинах в США и Канаде, в которых использовали высокосернистый бензин, покрытие быстро выходило из строя. Такого бензина сейчас и не встретить, но есть и другая причина, по которой от покрытия отказались. Оно вечное, но оно и дорогое – технология требует сложного способа гальванического нанесения и механической обработки высокопрочного материала.
Алюсиловые алюминиевые блоки
Поэтому компания Kolbenschmidt предложила использовать весьма старую (запатентована еще в 1927 году компанией Schweizer & Fehrenbach) технологию Alusil для производства блоков цилиндров. Поскольку Кольбеншмидт на тот момент принадлежал Audi Group, то технология быстро была доведена до практического использования.
Основная идея достаточно проста: гильза или весь блок цилиндров целиком изготовлены из сплава алюминия с высоким содержанием кремния, его в нем не менее 17% – это так называемый заэвтектический сплав. При этом кремний содержится в материале не в растворенном виде, а как кристаллы.
И если «осадить» алюминий, то получится сплошной слой из выступающих кристаллов кремния, очень твердый, «скользкий» и износостойкий, по нему уже могут работать самые твердые поршневые кольца. Этот способ проще и куда дешевле, а покрытие — вытравливаемое химическим способом или получаемое специальной обработкой в слое высококремнистого алюминия. По твердости алюсил не уступает никасилу.
Дополнительным плюсом технологии является близость алюминиевых сплавов блока и поршня – те тоже отливают из заэвтектического алюминия, а значит, тепловой зазор будет наименьшим. Вот только упрочненный слой куда тоньше, чем у Никасила, а само покрытие куда более хрупкое, под тончайшей рубашкой из кристаллов кремния всё тот же алюминий. Оно боится и перегрева, и попадания твердых частиц, и даже нагара с колец. А еще боится агрессивных химических соединений серы и других.
При этом способ его производства часто допускает образование каверн и зон с неоднородным качеством покрытия. И пусть сейчас это самая распространенная технология для цельноалюминиевых моторов, но всё же у нее есть свои рамки применения и вытеснить простые чугунные гильзы она не смогла.
Но есть и один почти не используемый плюс: теоретически возможна расточка и восстановление слоя покрытия. Тут нужна лишь специальная технология расточки, удаляющая слой алюминия, а затем формирующая слой сплошного кремния на поверхности и слегка «сглаживающая» кристаллы. Но она требует массовости, а значит, и крупных заводов по восстановлению блоков цилиндров. А их пока нет.
В активе Кольбеншмидта есть еще технология Locasil – сплав, в котором содержание кремния составляет все 27%, но отлить блок цилиндров из него уже нельзя, он слишком хрупкий, зато можно сделать гильзу для блока цилиндров, она будет более износостойкой, чем алюсиловая, но технологии для ремонта у них одни и те же.
Экзотика: плазменное напыление
Встречаются и более редкие варианты. Например, VW в блоках цилиндров печально известных моторов 2.5 TDI используют плазменное напыление. Схожую технологию лазерного нанесения кремния вместо алюсила с химическим травлением используют на новых моторах BMW «глобальной серии» B38-58. Теоретически эта технология прогрессивна и позволяет получить достаточно толстый слой упрочнения с хорошими характеристиками, но явно пока не доведена до совершенства.
Способ ремонта №1: расточка алюминиевых блоков с покрытием
Разумеется, все технологии с поверхностным упрочнением слоя алюминия не предусматривают износ зеркала цилиндра, а значит, и моторов с ремонтными размерами поршневой группы почти нет. Разве что совсем старые моторы BMW под Никасил имели пару ремонтных размеров, но быстро выяснилось, что покрытие либо служит и не изнашивается, либо повреждается и тогда надо менять блок цилиндров в сборе. Соответственно, ремонтные размеры для никасиловых моторов быстро пропали.
Более свежие конструкции обычно не дают даже возможности купить «оригинальные» поршни по заводскому каталогу – только шот-блок в сборе. Обосновывается это, как обычно, заботой о потребителях и высокими стандартами качества. Но поскольку детали поршневой группы заказываются производителем машины «на стороне», то в каталогах производителей поршней оригинальные запчасти найти можно, нужно только выяснить, кто из десятка производителей поставлял их на конвейер.
Иногда можно заказать и ремонтные размеры, например, если у вас есть возможность восстановления покрытия типа алюсила, то этот вариант обеспечит сохранение всех заводских характеристик мотора. Полное восстановление заводских параметров обеспечивает гальваническое или плазменное напыление никасилоподобного или хромового покрытия с последующей расточкой или высокоточное напыление без дальнейшей обработки. Но если уж в серийном производстве не могут обеспечить стабильное качество и ресурс такого покрытия, то при использовании ремонтных технологий ресурс может оказаться еще меньше, всё зависит от исполнителя.
Шансы на качественный ремонт есть, технология широко применяется для мелкосерийного гоночного моторостроения, а там высочайшие требования к покрытию. Вот только цена работ и процедура тестирования будут соответствующие. Из славного советского прошлого множеству заводов достались восстановительные технологии из этой серии. Возможно, где-то применяются ноу-хау, позволяющие производить такое восстановление надежно и недорого, но лично мне такие места не известны. Кто знает, поделитесь!
Дополнительным плюсом использования таких технологий является возможность восстановления только поврежденного цилиндра, что делает такой вариант выгодным при возвращении к жизни именно поврежденного, но не изношенного временем блока.
Способ ремонта №2: гильзование алюминиевых блоков
Но по-настоящему массовой технологией является гильзование. Используются как алюминиевые гильзы с никасиловым покрытием или алюсил-подобные технологии, так и старые добрые чугунные. Алюминиевые гильзы позволяют избежать многих сложностей внедрения чугуна в изначально алюминиевый мотор, но в большинстве случаев алюминиевая гильза поставляется уже с готовой к работе поверхностью и не подвергается дальнейшей мехобработке. А это налагает высокие требования к качеству исполнения всех работ. В противном случае возможны как нарушение геометрии самой гильзы, так и нарушение геометрии шатунно-поршневой группы и, соответственно, снижение ресурса мотора и его характеристик.
Чугунные гильзы куда дешевле, выполняются не под конкретный мотор а подбираются по размеру. В результате гильзовка мотора по этой технологии заметно дешевле и применяется куда чаще. В отличие от посадки чугунной гильзы, в чугун применяется только «горячая» посадка или с применением жидкого азота для охлаждения гильзы и уменьшения ее диаметра.
При использовании качественных гильз и точной мехобработки ресурс поршневой группы может оказаться даже выше, чем у оригинального покрытия, но опять же возможны ошибки в работе мастерской, а значит, могут появиться и локальные перегревы цилиндров, и термодеформации.
Минусами технологии применения чугунных гильз традиционно являются уже упомянутое ухудшение теплоотвода, необходимость использования сильного нагрева блока для «горячей посадки», азотного охлаждения материала или высокотехнологичной технологии сварки вращением и большая вероятность ошибки, чем при использовании алюминиевых гильз.
Чаще всего это будет единственная доступная технология разумного восстановления мотора. Причин на то много: например, нет специализированных алюминиевых гильз, технологий расточки и обработки алюсила и нанесения никасила, что типично для России. Если блок цилиндров был перегрет и нарушилась его геометрия, то нужна гильза, рабочую поверхность которой можно будет расточить под новую геометрию блока, и тут выбор технологий восстановления сужается до чугуна или растачиваемых алюсиловых гильз.
Поршни под гильзованные моторы подбираются из числа оригинальных по уже описанной технологии или изготавливаются специальные заказные, как и для моторов со штатной рабочей поверхностью цилиндра из чугуна.
Что в итоге?
99% всех двигателей производится по описанным технологиям, а значит, шансы на восстановление есть всегда. Главное – найти хорошего исполнителя с обкатанной технологией восстановления, поставщика качественных запчастей и ответственно отнестись к проверке получившего новую жизнь мотора.
Очень часто прошедший полное восстановление двигатель служит недолго вовсе не из-за ремонтных технологий, а из-за экономии «на спичках»: на шпонках, болтах, цепях, натяжителях…
И кроме того, всегда есть альтернатива в виде контрактного мотора , шот-блока или нового/восстановленного заводом двигателя, просто соотнесите материальные затраты, временные и шансы на успешную реализацию проекта. А может быть, имеет смысл сразу поставить в машину мотор более надежной серии? Но про так называемый swap мы расскажем как-нибудь потом.
Post scriptum
Вне рамок обсуждения остались технологии штатно заменяемых цилиндров и гильз, но я не могу вспомнить машин, в которых это используется, корме «воздушников» на Porsche 911 да некоторых мотоциклов.
Читайте также:
Виды и технологии рабочих поверхностей блоков цилиндров
Основной момент каждой концепции алюминиевых блоков цилиндров — точное определение профиля требований. Основной структурный элемент каждой концепции — рабочая поверхность цилиндра. Поскольку при применении обычных литейных алюминиевых материалов невозможно в достаточной степени реализовать свойства трения и износа, то подбирается подходящий метод для данного случая применения, оптимальный как по сроку службы рабочих поверхностей цилиндров, так и по изготовлению, а также экономически.
Большие различия имеются, как всегда, в концепциях рабочих поверхностей бензиновых и дизельных двигателей. В то время, как развитие алюминиевых рабочих поверхностей у бензиновых двигателей продвинулось очень далеко и метод ALUSIL® широко применяется в изготовлении двигателей, он до сих пор не смог пробить себе дорогу у дизельных двигателей. Поэтому заливаемые гильзы цилиндров из серого чугуна ещё регулярно применяются у дизельных двигателей. Развитие рабочих поверхностей идёт в настоящий момент в направлении покрытия данных поверхностей железом. Это производится либо способом термонапыления (плазменное покрытие), либо дуговым методом напыления проволоки, либо способом PVD. Эти новые методы освещены подробнее в последующих главах.
Обзор различных технологий рабочих поверхностей
ALUSIL®-paбочие поверхности цилиндров
При методе ALUSIL® весь блок цилиндров состоит из заэвтектического алюминиево-кремниевого сплава. Для такого заэвтектического сплава характерно повышенное содержание кремния; у наиболее часто применяемого ALUSIL®- сплава (AISi17Cu4Mg) содержание кремния — 17%.
В противоположность заэвтектическому сплаву, эвтектический алюминиево-кремниевый сплав содержит только 12-13 % кремния. При такой доле кремния степень насыщения алюминия достигнута. Более высокая доля кремния приводит к тому, что при застывании расплава образуются первичные кристаллы кремния. Это означает, что та часть кремния, которая из-за насыщения алюминия кремнием не может войти в соединение с алюминием,выкристаллизовывается и откладывается среди (насыщенного) алюминиево-кремниевого сплава (эвтектика). Для облегчения выкристаллизования кремния в расплав добавляется небольшое количество фосфора. Кристаллы кремния растут вокруг гетерогенного алюминиево-фосфидного зародыша. Величина кристаллов кремния находится в пределах от 20 до 70 |jm. Данные первичные кристаллы кремния, соответствующим образом обработанные и раскрытые, без дополнительного армирования, образуют устойчивую к износу внутреннюю поверхность цилиндра для поршня и поршневых колец. Изображение 1: речь идёт о съёмке прозрачной плёнкой1 — здесь показана с увеличением окончательно обработанная АШЗИ®-рабочая поверхность цилиндра (механическое шлифование для раскрытия). Отчётливо видны раскрытые кристаллы, выпукло лежащие в кристаллической решётке алюминия. Кристаллы кремния вырастают тем больше, чем дольше длится процесс застывания. Благодаря различной скорости охлаждения в блоке цилиндров в нижней части цилиндров образуются несколько большие кристаллы кремния, чем в верхней части, которая, в силу конструкционных особенностей, быстрее охлаждается. На изображении 2 показана трёхмерная картина шероховатости одной окончательно обработанной .
Изображение 1 |
Изображение 2 |
0axfilm — тонкая прозрачная плёнка для прямой съёмки структур поверхностей.
На изображении 3 представлены различия строения между доэвтектическим, эвтектическим и заэвтектическим алюминиево-кремниевыми сплавами
Из-за гомогенного распределения первичного кремния во всей отливке получаются в целом худшие свойства обрабатываемости со снятием стружки и меньшая стойкость инструментов, чем у стандартных алюминиевых сплавов. Меньшая скорость резания увеличивает к тому же время обработки, что негативно влияет на производственный такт выпуска.
Данная проблема при обработке может быть решена применением режущих инструментов (PKD), оснащённых алмазами. Только для изготовления отверстий в цельном материале и при нарезании резьбы не имеется инструментов, оснащённых алмазами.
Обработка рабочих поверхностей цилиндров подробно описана, начиная от главы 3.3 под названием «Обработка алюминиевых рабочих поверхностей цилиндров».
Изображения 3
а) эвтектический
б) доэвтектический с зернистой структурой
в) доэвтектический с улучшенной структурой
г) заэвтектический
Рабочие поверхности цилиндров LOKASIL®
При методе LOKASIL® стандартный сплав для литья под давлением (напр., AISi9Cu3) обогащается локально кремнием в зоне рабочих поверхностей цилиндров. Это достигается благодаря высокопористым цилиндрическим фасонным частицам из кремния, которые вкладываются в литейную форму и при методе литья прессованием (Squeeze Casting, см. такж главу «2.2.5. Прессование») под высоким давлением заливаются в блок цилиндров. Находящийся под высоким давлением (900-1000 бар) алюминиевый сплав во время процесса литья продавливается (инфильтрируется) сквозь поры кремниевых фасонных частиц (Preform).
Необходимые для армирования рабочей поверхности цилиндра кристаллы кремния имеются, таким образом, только в зоне рабочих поверхностей цилиндров. Благодаря такому местному обогащению кремнием получают свойства рабочих поверхностей, эквивалентные ALUSIL®-MeTOfly. Благодаря меньшей доле кремния в алюминиевом сплаве получают блоки цилиндров, которые, в противоположность ALUSIL -методу, до рабочих поверхностей цилиндров очень хорошо обрабатываются резанием. На изображении 1 показывается с 20-ти, соотв., 50-кратным увеличением под микроскопом разрез блока цилиндров, изготовленного LOKASIL®-Meтодом. Отчётливо видно обогащение кремнием в зоне рабочих поверхностей цилиндров (более тёмная зона).
Изображение 1 |
Кремний-Preforms (изобр. 2) имеется в двух различных исполнениях. Различают между LOKASIL®-! и LOKASIL®-!!. Оба исполнения перед заливкой в блок цилиндров вначале ещё обжигаются в печи. При этом выгорает связка из органической смолы и активируется неорганическая связка, связывающая кристаллы кремния вплоть до заливки.
отовая комбинация материалов содержит после заливки в блок цилиндров при LOKASIL®-! примерно 5-7% волокна и 15 % кремния. При LOKASIL®-!! — это 25 % кремния и ровно 1% неорганической связки. Размеры частиц кремния при LOKASIL®-! состаляют от 30 до 70 |JM, при LOKASIL -II — от 30 до 120 |jm. На изображении 3 показана структура LOKASIL®-!, увеличенная под микроскопом. Отчётливо видны волокна, находящиеся между кристаллами кремния. На изображении 4 показана структура LOKASIL®-!!.
Изображение 2 |
Рабочие поверхности цилиндров, покрытые нитридом титана
Сранительно новый метод, не применяемый ещё в серийном производстве, представляет собой покрытие рабочих поверхностей цилиндров нитридом титана (TiN) или нитридом титана и алюминия (TiAIN). Для достижения нужной износостойкости хонингованные алюминиевые рабочие поверхности цилиндров покрываются PVD-методом («Physical Vapour Deposition»: физическое отделение газообразной фазы). Толщина покрытия относительно невелика, так что структура хонингования при покрытии остаётся. Сравнительно высокие затраты и недостаточная надёжность процесса стоят, однако, на пути широкого применения данного метода.
При применении PVD-метода испаряется в вакууме существующий в твёрдой форме материал-донор. Это происходит либо путём ионной бомбардировки, либо в форме электрической дуги. На изображении 5 схематически показано, как ионизированные ионы газа аргона выбивают из материала-донора мельчайшие частицы. Испарённые или выбитые металлические частицы движутся по баллистическим орбитам через вакуумную камеру или откладываются на покрываемых поверхностях. Длительность процесса покрытия определяет требуемую толщину покрытия. Если подвести в PVD-камеру реагирующие газы, такие, как кислород, азот, или углеводороды, то могут быть отделены также оксиды, нитриды или карбиды.
Изображение 5 |
Покрытые никелем рабочие поверхности цилиндров
С целью достижения необходимой износостойкости рабочие поверхности цилиндров покрывались в прошлом в течение некоторого времени дисперсионным слоем никеля и карбида кремния : Ni-SiC), который наносился гальваническим способом на тонко обработанную рабочую поверхность цилиндра. В качестве названий марок стали известными оба понятия — Galnikal® и Nikasil®. Толщина никелевого слоя в среднем — от 10 до 50 |jm. В данный слой интегрированы для улучшения износостойкости твёрдые фазы из карбида кремния (7-10 объёмных %). Величина зерна интегрированного карбида кремния — 1-3 рм. В качестве основного материала блока цилиндров применимы выгодные алюминиевые сплавы, такие, как Silumin® (напр., AISi9Cu3). На изображении 2 виден разрез в увеличении под микроскопом покрытой никелем рабочей поверхности цилиндра.
Из-за неравномерной толщины никелевого слоя, возникающего при гальваническом покрытии, рабочие поверхности цилиндров после нанесения никелевого покрытия должны быть выглажены обычным хонингованием и структурированы. По сравнению с гильзой из серого чугуна никелевый слой сравнительно гладок и не имеет графитовых жил, в которых может отлагаться смазочное масло. Заключительная операция хонингования особенно важна для создания каналов распределения масла и оптимизации объёма масла, остающегося на рабочей поверхности цилиндра.
Никелевые покрытия требуют больших инвестиций в гальванические установки и устройства дезактивирования ядовитых веществ ванн предварительной подготовки.
Не в последнюю очередь также удаление образующихся никелевых шлаков негативно сказывается на стоимости производства. Покрытие никелем нашло применение, главным образом, в серийном производстве одноцилиндровых двигателей. Многоцилиндровые блоки, напротив, находят применение в серийном производстве только в единичных случаях. Были проблемы при изготовлении с пористостью чугуна на поверхности цилиндра, что имело следствием отделение слоя. Проблемы проявлялись в прошлом также при частой эксплуатации на коротких участках, во взаимосвязи с серосодержащим горючим. У двигателей, которые или вообще не достигали своей рабочей температуры, или достигали её редко, эксплуатация на коротких участках приводила к образованию конденсата, который, совместно с образующейся от сжигания серой, вёл к возникновению сернистой кислоты. Данные кислотосодержащие продукты сгорания вели к коррозии, к упомянутому отделению слоя и, в конечном счёте, к отказу от покрываемых никелем рабочих поверхностей цилиндров при серийном изготовлении двигателей для легковых автомобилей.
В противоположность к ALUSiL®-MeTOду, восстановление отверстий цилиндров в ходе среднего или капитального ремонта — включая новое никелевое покрытие — возможно только при высокой трудоёмкости и с большими трудностями. Из-за недостатка подходящих специальных предприятий это практически едва ли выполнимо. На изображении 1 показан алюминиевый ребристый цилиндр мотоциклетного двигателя с Galnikal®- покрытием.
Слои плазменного напыления на железной основе
Данный метод применяется в серии уже несколько лет. При плазменном покрытии в плазменной горелке возбуждается электрическая дуга. Подводимый плазменный газ (водород или аргон) ионизируется до состояния плазмы и покидает сопло горелки с высокой скоростью. Посредством газаносителя материал покрытия (напр., в составе 50% легированной стали и 50% молибдена) в виде порошка наносится в плазменном луче с температурой 15000-20000° С. Материал покрытия расплавляется и в жидком состоянии напрыскивается со скоростью от 80 до 100 м/с на покрываемую поверхность. В плазменный напрыскиваемый слой из железа при необходимости могут быть дополнительно интегрированы керамические материалы. Процесс происходит при атмосферном давлении. На Изображении 3 показан схематически процесс покрытия.
Полученная при плазменном покрытии толщина слоя составляет 0,18-0,22 мм. Покрытие обрабатывается окончательно хонингованием. Остающаяся после хонингования толщина слоя составляет приблизительно 0,11-0,13 мм.
На изображении 4 показан в увеличении под микроскопом разрез рабочей поверхности цилиндра с плазменным покрытием. На изображении 5 видна увеличенная рабочая поверхность готовой обработанной рабочей поверхности цилиндра. Отчётливо распознаваемы углубления в рабочей поверхности, получающиеся из пористого плазменного слоя. В углублениях может отлагаться моторное масло, что улучшает свойства трения и износа рабочей поверхности.
Благодаря плазменному покрытию увеличивается срок службы двигателя, а благодаря меньшему потреблению горючего и масла уменьшаются вредные выбросы. Благодаря малой толщине слоя плазменного покрытия можно реализовать, по отношению к заливаемым гильзам цилиндров из серого чугуна, ещё меньшие расстояния между цилиндрами, что позитивно отражается на конструктивной длине двигателя.
Изображение 3 |
1. Водяное охлаждение 2. Подвод горючего газа 3. Выходное сопло 4. Подвод порошка 5. Плазменный луч 6. Плазменное покрытие |
Лазерное легирование рабочих поверхностей цилиндров
Изображение 1
1. Лазерный луч
2. Струя порошка
3. Вращающееся лазерное оптическое устройство
4. Легированный слой
5. Оплавляемая зона
Лазерное легирование представляет собой дальнейший метод армирования кремнием рабочих поверхностей цилиндров. При лазерном легировании рабочая поверхность цилиндра изготовленного из стандартного алюминиево-кремниевого сплава (напр., AISi9Cu3) блока цилиндров с помощью вращающегося лазерного оптического устройства оплавляется и металлургически легируется параллельным подводом порошка (кремний и т.д.) (изобр. 1). Тем самым получают тонкий слой с очень тонко отделённой твёрдой фазой (в основном кремнием) в зоне внутренней поверхности цилиндра. Отверстия цилиндров после лазерного легирования должны ещё хонинговаться, и частицы кремния должны быть раскрыты. Т. к. размеры частиц малы (в пределах нескольких цм), раскрытие интегрированных кремниевых кристаллов целесообразно производится химическим травлением. Процесс раскрытия химическим травлением подробнее описан в главе «3.6.2.Различные методы раскрытия кремния».
Гильзы из серого чугуна Мокрые гильзы из серого чугуна
Данный вид конструкции находит на сегодняшний день лишь относительно редко применение в двигателях для легковых втомобилей. Причиной этого является различное поведение алюминиевого блока цилиндров и гильзы цилиндра из серого чугуна при тепловом расширении. Особенно это требует выдерживания жёстких полей допусков по длине гильзы цилиндра при изготовлении с тем, чтобы наверняка избежать проблем с уплотнением головки блока цилиндров (по данному вопросу см. также главу «2.3.1. Различные виды конструкций блоков цилиндров»).
Заливаемые гильзы цилиндров из серого чугуна
Данная концепция объединяет в значительной степени весовые преимущества материала алюминия и отсутствие проблем свойств скольжения рабочих поверхностей цилиндров из серого чугуна. Изготовление производится, чаще всего, выгодным методом литья под давлением (конструкция Open-Deck). При изготовлении методом литья под давлением получаются сравнительно малые зазоры между гильзой и окружающим литьём, а также, в целом, хорошие показатели теплопроводности. Для обеспечения глухой посадки гильзы из серого чугуна в блоке применяются различные методы. Простейшим методом является изготовление с канавками по наружному диаметру (изобр. 2). Несмотря на применяемый метод литья под давлением, здесь могут быть, однако, проблемы с механическою связью и, тем самым, с глухой посадкой гильзы в блоке. Причиной этого являются оставшиеся между гильзой и алюминиевым блоком, хотя и очень маленькие, воздушные зазоры. Поэтому перешли к использованию так называемых гильз шероховатого литья (изобр. 3). Благодаря сильно изборождённой внешней наружной поверхности при заливке происходит истинное защемление гильзы материалом блока
Дальнейшее улучшение — хотя и за счёт более высоких расходов — приносит альфинирование или плазменное покрытие гильз перед заливкой. При альфинировании гильзы покрываются вначале алюминием в ванне с чистым алюминием. Тем самым возникает особая внутренняя, металлургическая связь алюминия с гильзой из серого чугуна. При данном методе речь идёт об относительно высокозатратном методе подготовки литья. Поэтому перешли — когда это необходимо, — к тому, чтобы гильзы из серого чугуна вначале с наружной стороны сделать струйной обработкой шероховатыми, а затем покрыть напыляемым плазменным слоем из алюминия. В противоположность альфинированию, при плазменном покрытии всё же не возникает металлургической связи серого чугуна с алюминием.
Нанесённые таким способом на гильзы алюминиевые слои при заливке в блок цилиндров вновь немного оплавляются и лучше соединяются с материалом блока по сравнению с гильзами без алюминиевого покрытия. Проблемы связи, которые при известных условиях могли бы появиться, можно таким способом уменьшить или их избежать.
Заливаемые алюминиевые гильзы (ALUSIL®, Silitec®)
Наряду с изготовлением монолитных блоков цилиндров из ALUSIL — материала возможно также изготовление блоков цилиндров с заливаемыми алюминиевыми гильзами с высоким содержанием кремния (ALUSIL®, Silitec®). Необходимое для армирования цилиндра обогащение кремнием существует при данном методе только в зоне рабочей поверхности цилиндра. Остальной блок цилиндров состоит из стандартного алюминиево-кремниевого сплава (напр., AISi9Cu3).
Компактное набрызгивание заливаемых гильз
Здесь речь идёт об относительно новом методе для изготовления алюминиевых гильз с высоким содержанием кремния (Silitec ). Требуемый материал гильз для заливки изготавливается так называемым методом компактного набрызгивания. Ради простоты и понятности в последующем тексте применяется понятие Silitec®. Здесь в одной камере металлический расплав алюминия с помощью распыляющего газа (азот) мельчайше распыляется, и, таким образом, слой за слоем образует заготовку (изобр. 1). Форма конуса распыления обуславливает позднейшую форму полуфабриката. Принципиально с помощью данного метода возможно изготовление труб, шайб, штанг или листов непосредственно в ходе одного рабочего процесса. По технике изготовления компактное набрызгивание находится между спеканием и классическим формообразующим литьём По сравнению с обычными литейными материалами создается возможность, похоже, как и при спекании, производить материалы необычного состава. Содержание кремния при данном методе может доходить до 25%. Получают очень тонкую структуру с гомогенным распределением элементов и фаз и хорошими возможностями формоизменения.
Таким способом полученный сырой материал в форме болта перерабатывается методом непрерывного выдавливания в трубы, которые затем, распиленные на куски, применяются как заливаемые детали для блока цилиндров (изобр. 3). Для улучшения связи перед заливкой делают струйным способом наружную поверхность гильз шероховатой. Из-за опасности расплавления вНН©й’®-гильз заливка производится более быстрым методом литья под давлением.
Обработка цилиндров производится как и у прочих алюминиево-кремниевых рабочих поверхностях цилиндров. Кристаллы кремния очень тонко распределены в структуре и имеют величину 4 — 10 рм (изобр. 2). Из-за очень малых размеров частиц раскрытие кристаллов кремния при окончательной обработке рабочих поверхностей цилиндров предъявляет особые требования. У изготовленных данным методом блоков цилиндров используется поэтому в серийном производстве преимущественно раскрытие обработкой едким натром.
Изображение 1 |
1. Литейный тигель
2. Расплав
3. Кольцевое сопло
4. Камера набрызгивания
5. Конус набрызгивания
6. Заготовка
7. Вращающаяся тарелка
Изображение 2 Равномерное распределение кристаллов кремния |
;
Восстановление цилиндров с покрытием Nikasil
За последние несколько десятилетий появилось много автомобильных и мотоциклетных двигателей с алюминиевыми блоками цилиндров, причем без применения чугунных гильз. Подобная конструкция мотора имеет несколько преимуществ, в том числе лучшую теплопередачу, меньший расход масла и возможность работы с меньшими зазорами. Однако первоначально основной целью было существенное снижение веса – ведь силуминовый блок цилиндров существенно легче чугунного. Однако алюминиевая поверхность цилиндра изнашивается гораздо быстрее, чем чугун и для повышения износостойкости пришлось придумывать специальные покрытия, по которым могли надежно работать поршни и поршневые кольца.
Одним из самых распространенных типов покрытия стал Nikasil®, когда поверхность алюминиевого цилиндра покрыта тонким слоем никеля. Сама технология была разработана корпорацией Mahle, еще в конце 1960-х годов прошлого века. Правда, автопроизводители не сразу оценили ее преимущества. Например, компания Porsche, начала использовать ее в начале 70-х годов, но на протяжении следующих двадцати лет оставалась в одиночестве, когда Nikasil® стали применять BMW, Jaguar и Ferrari. Кроме того, многие производители спортивных двигателей, в течение последних 20 лет, внедрили некоторые вариации никелевого покрытия цилиндров. Преимущества ее в том, что применяются сравнительно недорогие материалы и проще обработка заготовок.
Однако есть и недостатки. Никелевое покрытие чувствительно к «химическому» воздействию. Так, Jaguar в свое время заменил по гарантии много двигателей, из-за того, что применение сернистого бензина, в сочетании с перегревом, привело к разъеданию покрытия гильз цилиндров. Кроме того, тонкий слой никеля не позволяет растачивать цилиндры в ремонтный размер и, соответственно, отсутствуют и ремонтные поршни. И вот тут появляется еще одна трудность – как быть владельцу автомобиля или мотористу, если в цилиндрах двигателя появились глубокие – в несколько миллиметров глубиной – задиры (по тем или иным причинам). Ведь расточить цилиндр в увеличенный размер невозможно…
|
|
|
Рис. 1 |
Один из способов решения проблемы – использование гальванического процесса для восстановления слоя никеля. Поэтому некоторые компании разработали и успешно применяют подобные процессы. К примеру, одна из компаний, выполняющих подобные работы – Langcourt Performance из Обурна, штат Алабама, которая, имея более чем двадцатипятилетний опыт в этой области, стала одной из ведущей в нанесении гальванических покрытий. Основываясь на ее опыте, мы попробуем рассказать об этой технологии от начала и до конца. Стоит только отметить, что основную часть продукции этой фирмы составляют отдельные цилиндры мотоциклетных или лодочных двигателей. Обработка блока цилиндров автомобильного двигателя сложнее, но принципиально ничем не отличается от нижеописанной.
Первый шаг – при поступлении в ремонт деталь (отдельный цилиндр или блок целиком) регистрируют, чтобы иметь возможность отслеживать ее перемещение в технологическом процессе. Сразу после этого она направляется в мастерскую для тщательной мойки и очистки. Чистота – один из основных моментов, обеспечивающих высокое качество восстановления детали.
После первичной мойки деталь направляется на пескоструйную обработку, чтобы удалить остатки загрязнений. Затем поврежденный цилиндр помещают в ванну с азотной кислотой – для травления и удаления исходного никелевого покрытия. Травление продолжается от одного до полутора часов, в зависимости от толщины покрытия и концентрации кислоты. Во время травления, на поверхности кислоты образуется желтая пленка, которую обязательно нужно удалять.
После травления, цилиндр снова тщательно промывают, а затем перемещают на пост сварки. Здесь поврежденный участок заваривают – т. е. наплавляют во вмятину слой алюминия, чтобы восстановить поврежденную поверхность.
После чего деталь поступает на участок механической обработки. Здесь, с помощью пневмоинструмента со специальными фрезами, с наплавленного участка удаляют избыток металла, приближаясь к первоначальному размеру отверстия. Затем цилиндра растачивают, с небольшим припуском под нанесение нового покрытия. Для этого Langcourt использует пятиосевой обрабатывающий центр Rottler F69 ATC, очень быстро растачивает грубо обработанный цилиндр.
|
|
|
Рис. 2 |
Сразу после расточки цилиндр очищают горячим паром, а затем промывают горячей водой, с использованием особой щетки из пемзы, которая очищает цилиндр от остатков моющих средств и делает расточенную поверхность шершавой, для лучшей адгезии покрытия.
Затем ремонтируемые цилиндры сортируются по диаметру и длине отверстия. Это делается для того, чтобы несколько однотипных деталей можно было «окунуть» в гальваническую ванну одновременно.
Перед началом «гальваники» цилиндры устанавливают на специальную арматуру, изготовленную из полипропилена. Так как он не реагирует с кислотами, щелочами и электролитами, используемыми при нанесении никелевого покрытия и защищает прочие поверхности обрабатываемых деталей. Подготовленные таким образом детали замачивают, погружая в ванну с водой, а затем переносят в емкость с раствором каустической соды. Щелочная ванна, занимающая всего несколько минут, «вскрывает» поры на поверхности цилиндра, чтобы улучшить сцепление никеля с основным металлом. Затем снова следует промывка водой, чтобы убрать избыток щелочи.
Потом цилиндры помещают на три минуты в азотную кислоту, которая удаляет оксиды алюминия и разъедает поверхность, чтобы подготовить цилиндр для следующего этапа обработки.
И опять цилиндры ополаскивают водой, чтобы без промедления поместить их в ванну с борной кислотой, которая действует как буфер кислотности (pH). Если не поддерживать нужную кислотность электролита, то покрытие хорошего качества вам не получить. Уровень рН проверяется лакмусовой бумагой несколько раз в течение дня. Затем сборка деталей помещается в раствор цинката. При этом химически удаляется слой оксида с алюминия и одновременно на поверхность детали осаждается слой цинка, который защищает алюминий от окисления.
Затем детали последний раз промывают водой, прежде чем направить в гальваническую ванну. Стоит отметить, что раствор электролита в ванне подогрет до 140° С. Внутрь каждого цилиндра, по его центру, помещают анод, то есть «плюсовой» электрод. А «-» подсоединяется непосредственно к деталям. Из-за разницы потенциалов никеля осаждается на поверхности цилиндра. После того, как цилиндры погружены в электролит, включаются выпрямители, а затем быстро проверяется напряжение на каждом аноде. Оно составляет не более 10 В, а сила тока определяется площадью обрабатываемой поверхности. Причем она плавно увеличивается до нужного уровня. Окончательное нанесение никелевого покрытия занимает от одного до трех часов.
|
|
|
Рис. 3 |
По завершении гальванического процесса цилиндры перемещают для финишной обработки на хонинговальный участок. Где установлен станок Rottler H75A, с ЧПУ. С помощью алмазных брусков достигается точная геометрия и шероховатость поверхности отремонтированного цилиндра.
|
|
|
Рис. 4 |
Чем хороша подобная технология? Прежде всего, это удобно для тех, кто хочет сохранить дорогой или редкий блок, вернув изношенным цилиндрам исходный размер. По сути, так можно восстановить почти любой алюминиевый цилиндр, если повреждение (задир, вмятина, глубокая царапина) не слишком велико.
|
|
|
Рис. 5 |
Однако, применение кислот, щелочей и других, не слишком «полезных» химикатов делают эту технологию сложной, довольно дорогой, требующей строгого соблюдения техники безопасности и предъявляющей особые требования к производственным помещениям. В ряде случаев ничуть не худших результатов можно достичь с помощью более привычной и безопасной металлообработки – расточки и хонингования. То есть поврежденный алюминиевый блок или отдельный цилиндр можно… загильзовать. А как это делается – мы расскажем в следующий раз.
ХОТИТЕ СТАТЬ АВТОРОМ?
Пришлите свою статью
Алюминиевый блок цилиндров — гильзовка или покрытие |
Как происходит гильзовка блока цилиндров? – сегодня мы попытаемся понять, что лучше гильзы или покрытия из Nikasil и Alusil.
Споры не утихают, что лучше алюминиевый блок или чугунный. Прогресс неизменная вещь в нашем мире, так на смену тяжелым чугунным двигателям пришли новые легкие и алюминиевые. Производители уверяют, что алюминиевые блоки по всем направлениям превосходят чугунные: они легче, не подвержены коррозии, теплопроводность в 4 раза выше чем у чугунного блока. Так ли все хорошо?
Чугунный блок
Большинство автопроизводителей идут по пути наименьшего сопротивления и с каждым годом стараются уменьшить вес производимых автомобилей. И замена чугунного двигателя, к слову, он в три раза тяжелее алюминиевого, не заставила себя долго ждать.
Чугунный блок является очень прочным элементом, отличается низким коэффициентом трения между стенками цилиндра и поверхностью поршня. Ремонтопригодность – это второе имя чугунного блока. Стенки цилиндра восстанавливаются при помощи расточки и установки поршней ремонтного размера
Алюминиевый блок
Алюминиевый блок обладает положительными моментами, но трение алюминиевого сплава поршней об алюминиевый блок недопустимо, поэтому производители пытаются оградить блок от поршня, для этого существует несколько вариаций:
- “Мокрая” чугунная гильзовка
- Тонкостенные покрытия (никасиловое или алюсиловое покрытие)
- “Сухая” чугунная гильзовка от производителя
“Сухая” гильзовка от производителя
Двигатели Gamma 1.4 л. и 1.6 л., устанавливаемые на Hyundai Solaris и Kia Rio, изготавливаются с помощью метода “сухой” гильзовки – чугунная гильза с неровными внешними краями заливается жидким алюминием. “Сухая” гильзовка вызывает трудности при ремонте блока, в отличии от “мокрой” где блок возможно разгильзовать, заменить гильзы и поршни.
Nikasil и Alusil
Тонкостенные покрытия (никасиловое или алюсиловое покрытие) в теории такой метод имел только положительные стороны, но на практике все оказалось куда плачевнее. Официальная версия производителей: “Сера, находящаяся в топливе, вступает в реакцию с покрытием и уничтожает его”.
Скорее всего технология с покрытием Nikasil оказалась дорогостоящей и трудоемкой, с высоким процентом брака, который списали на высокосернистый бензин. Вторая теория гласит о том, что Nikasil и Alusil прочное, но тонкое покрытие, находящееся на алюминиевом сплаве блока и при высоких температурах просто-напросто вдавливается в алюминий.
Блок цилиндров с “мокрыми” гильзами
Мокрые гильзы контактируют с охлаждающей жидкостью. Жесткость и герметичность обеспечивает затяжка головки блока цилиндров. Производители начинают уходить от этой технологии, так как не получалось обеспечить достаточную жесткость блока, а главной проблемой являлось попадание охлаждающей жидкости в масло.
Заговор или нет?
В эру алюминиевых блоков средний пробег двигателя приравнивается к 200 тысячам километров, а о периоде чугунных “миллионников” уже никто и не вспомнит.
Пробег в 200 000 километров является оптимальным вариантом для первого владельца, а вот второй или третий собственник точно столкнется с проблемой алюминиевого блока.
Автопроизводители перестали уделять должное внимание к надежности автомобиля, тем самым подталкивая владельцев к покупке нового, а не подержанного авто.
Алюминиевый мотор: стоит ли связываться? Новости дня — Свободная Пресса
Производить алюминиевые блоки ДВС без чугунных гильз — выгодное дело. Такой мотор легче, а теплопроводность алюминия лучше по сравнению с чугуном. К тому же, головка блока и сами поршни также изготовляются из «летучего металла», а значит, нет проблем с разностью коэффициентов теплового расширения. Проблема, по сути одна — алюминиевым цилиндрам необходимо прочное покрытие. Об этом и поговорим.
Nikasil
Именно это покрытие первым получило массовое применение. А компания Mahle, которая стала использовать этот способ производства моторов без чугунных гильз, вписала свое имя в историю. Впрочем, была и другая «контора» под названием Kolbenschmidt, но она поначалу осталась в тени конкурента.
Первоначально никасиловое покрытие считалось панацей для роторных силовых агрегатов, а пик его популярности пришелся на 90-е годы прошлого столетия. Но, например, в Формуле-1 и в мотоциклетных двигателях (яркий тому пример — Suzuki Hayabusa) это покрытие до сих пор актуально.
В принципе, более прочного и надежного вещества для цилиндров так и не изобрели. Никасиловое покрытие твердое и в тоже время вязкое. Оно не трескается и вполне пригодно для проведения ремонта — его структура «не против» небольшой расточки при необходимости. Но надобность в этом возникает в крайне редких ситуациях.
Читайте также
Как авто штурмовали рекорды скоростей
Англичане готовятся превзойти рубеж в 1609 км/ч
Казалось бы, идеальное решение найдено, но все не так просто. Едва никасил пошел «в массы», выяснилось, что при всех плюсах у покрытия есть и серьезный недостаток — боязнь сернистых соединений. Это и подвело эту технологию в Северной Америке.
Дело в том, что как раз в те годы в США и Канаде был в ходу «вредный» для никасила бензин. Поэтому покрытие чрезвычайно быстро «умирало», что, понятно, вызывало негодование со стороны автовладельцев.
В наши дни сернистого бензина днем с огнем не сыщешь, однако никасиловое покрытие из обращения изъяли. Почему?
А потому что оно все-таки слишком хорошее и долговечное, а значит — дорогое. Процесс производства весьма сложен, и требует особого гальванического нанесения, а также нуждается в механической обработке. Но главная причина — в сверхнадежности: она сегодня автопроизводителям банально не нужна.
Alusil
После «заката» никасила у той самой «теневой» фирмы Kolbenschmidt появился шанс на реванш. Именно она откопала в закромах старинную технологию алюсилового покрытия для блоков цилиндров: метод Alusil был запатентован еще в 1927 году фирмой Schweizer & Fehrenbach, но особого признания тогда не снискал, и поэтому был отправлен на полку.
Продвижению алюсила «в народ» сильно поспособствовало то, что фирма Kolbenschmidt в те годы относилась к Audi Group. Специалисты «Ауди» быстро взяли быка за рога, и внедрили технологию Alusil в производство.
Смысл в том, что гильза, а при желании и весь блок цилиндров, производятся из сплава «летучего металла» с повышенным (не менее 17%) содержанием кремния в виде кристаллов. На выходе получается так называемый заэвтектический сплав. Он представляет собой кристаллический, твердый слой, с «запрятанным» внизу алюминием.
Такое покрытие не боится износа, а процесс производства проще (а главное, дешевле), нежели у никасилового покрытия. При этом алюсил в прочности и надежности ничем конкуренту не уступает. Да и благодаря «родственности» алюминиевых сплавов блока и поршня тепловые зазоры, опять же, можно свести до минимума.
Но и у алюсила хватает недостатков. Во-первых, сам слой покрытия получается тоньше, чем у того же никасила. Во-вторых, оно достаточно хрупкое. В-третьих, алюсил не выдерживает испытания перегревом и «атаки» каких-либо твердых частиц — даже банального нагара с колец.
Читайте также
Кроссовер или универсал 4Х4?
Проходимость, универсальность, управляемость: выбираем компромисс
В-четвертых, одной из особенностей процесса производства является то, что никто не сможет со стопроцентной уверенностью сказать, удастся ли избежать каверн или мест с неоднородным качеством покрытия. И хотя алюсил на сегодняшний день весьма распространен во «вселенной» алюминиевых силовых агрегатов, полностью одержать победу над банальными чугунными гильзами он так и не сумел.
Плазменное напыление
Даже такую экзотику можно обнаружить на современных двигателях. Плазменное напыление, например, встречается на силовых агрегатах от VW — на 2.5 TDI. Да-да, именно на тех самых двигателях, дурная слава о которых добралась даже до людей, которые о машинах ничего не знают в принципе.
Похожим методом лазерного нанесения кремния с применением химического травления пользуются и в баварском концерне. Причем не на каких-то редких — экспериментальных или особо элитных машинах, — а на новых моторах BMW «глобальной серии» B38−58.
Теоретически, плазменное напыление — это технология перспективная и прогрессивная, только вот пока до совершенства она доведена крайне условно. Так что связываться с ней точно не стоит.
Как отремонтировать алюминиевый блок цилиндров
Многие автопроизводители давно устанавливают на свои автомобили моторы с алюминиевыми блоками цилиндров. По сравнению с чугуном, алюминий имеет почти в 3 раза меньшую удельную массу и в 4 раза лучше проводит тепло. Благодаря этим свойствам, мотор с алюминиевым блоком на много меньше весит и практически моментально происходит нагрев до рабочей температуры, чем мотор такого же объёма, но с чугунным блоком. Кроме того, ему необходим значительно меньший объем антифриза для охлаждения.
Типы алюминевых блоков цилиндров
Существует несколько типов алюминиевых БЦ (блоков цилиндров).
- Первые из них, это блоки с «мокрыми» стальными, или чугунными гильзами. Моторы с такими БЦ сейчас не выпускаются, т.к. они не входят в рамки современных экологических норм из-за особенностей своей конструкции. Их ремонт сводится к замене комплектов гильз с поршнями.2 .Второй тип, это алюминиевые блоки с залитыми в них при изготовлении чугунными «сухими» Ремонт таких блоков ни чем не отличается от ремонта монолитного чугунного БЦ. Чугунные гильзы растачиваются под размер ремонтный, увеличенный. Следом за этим стенки цилиндров хонингуются. Обычно эти блоки имеют два ремонтных размера.
Восстановление блока цилиндров гильзами ремонтного размера
При значительном повреждении рабочей поверхности гильзы, или необходимости восстановления БЦ с гильзами крайнего размера ремонтного, гильзы можно заменить. Они просто растачиваются до полного их удаления.Новым гильзам необходимо иметь наружный диаметр на 0,05 – 0,07 мм. больше посадочного места в блоке и упорный выступ вверху. Такой натяг и нанесение герметика вверху и внизу гильзы при её установке, не даёт охлаждающей жидкости просочиться в цилиндр и поддон. Так же посадка гильзы с натягом обеспечивает хороший отвод тепла от её стенок к алюминиевому блоку. Но при посадке чугунной гильзы в алюминиевый блок с таким натягом нельзя применять запрессовку.Дело в том, что чугун гильзы твёрже алюминия блока и при прессовании легко образует задиры. В районе задира стенка гильза не прилегает своей поверхностью к посадочному месту. В этом месте не будет отводиться тепло и может возникнуть местный перегрев. Кроме того, при расточке и хонинговании гильзы после её запрессовки, стенка гильза в месте не прилегания к посадочному месту будет «дышать», ухудшая точность обработки рабочей поверхности. Выход из этой ситуации, установка «от руки» гильзы, охлаждённой в жидком азоте в нагретый блок цилиндров.
Преимуществами алюминиевых блоков цилиндров с сухими гильзами
Преимуществами алюминиевых БЦ (блоков цилиндров) с сухими гильзами являются меньший вес мотора с таким блоком, его более быстрый прогрев и меньший объём антифриза, требующийся для нормального охлаждения, по сравнению с моторами на основе чугунного БЦ.Однако разница коэффициентов расширения алюминиевого поршня и чугунной гильзы при нагреве во время работы мотора никуда не делась. Из-за этой разницы, промежуток промеж цилиндра и поршня нельзя уменьшить менее 0,025 – 0,04 мм. По причине постоянного изменения зазора (при запуске холодного мотора, зазор больше, а после нагрева до рабочей температуры, уменьшается), скорость износа поршневой группы не отвечала современным требованиям. Как следствие, повышенный угар масла, мешающий выполнять современные нормы экологии двигателем.
Изготовление поршня из алюминия покрытого железом
Что бы как можно больше уменьшить промежуток промеж цилиндра и поршня, нужно делать их из металла с одинаковым тепловым расширением, т.е. из алюминия. Но алюминий по алюминию работать не может. Из-за его низкой твёрдости, при работе алюминиевого поршня по алюминиевому цилиндру, происходят задиры вплоть до заклинивания.Фирма Mahle решила эту проблему, покрыв алюминиевый поршень тонким слоем (порядка 0,03 мм.) железа.
Такой поршень нормально работает по алюминию цилиндра. Поскольку расширение алюминиевых поршня и цилиндра одинаковы, стало возможным сделать зазор между ними не более 0,02 мм. Для повышения износостойкости цилиндров, в алюминиевом сплаве БЦ увеличили содержание кремния более 18%.При изготовлении такого блока после расточки цилиндров, применяется химическое травление их стенок, для оголения кристаллов кремния на их поверхности. Такое покрытие производитель назвал Silumal.
Расточка и хонингование алюминевых блоков Silumal
Ремонт таких блоков цилиндров производится так же, как и чугунных, расточкой до ремонтного размера и последующим хонингованием.Однако хонингование алюминиевых блоков сильно отличается от чугунных. Обработка обычно делается в три приёма. При этом применяются бруски с разными размерами абразива.От самого крупного к самому мелкому. Абразивные частицы таких брусков содержат карбид кремния, т.к. при хонинговании нужно резать не только мягкий алюминий, но и очень твёрдый кремний. Так же состав покрытия брусков хон-головки не позволяет прилипать к ним алюминиевой стружке, которая может стать причиной основательных задиров на стенке цилиндра. После хонингования нужна ещё одна операция.Надо оголить кристаллы кремния. Вместо химического травления, при ремонте применяют полировку специальной силиконовой пастой с содержанием небольшого количества кремния. При этом снимается тонкий слой алюминия (0,001мм.), а кристаллы кремния на стенках цилиндра не затрагиваются.Все самое интересное и актуальное Вы можете узнать на нашем сайте quality21.
