Защита рабочих поверхностей поршня

Материалы, которые были высокоразвиты на сегодняшний день, и процессы точной обработки, используемые для поршней, обеспечивают высокую износостойкость и хорошие эксплуатационные свойства. Несмотря на нанесение защитных покрытий на юбку поршня, наличие специальных аварийных свойств для фазы обкатки и неблагоприятных условий эксплуатации (сухое трение после частых попыток холодного пуска, временные нагрузки, недостаточная смазка) является преимуществом.

В некоторых случаях может потребоваться защита от износа в области канавок. Сильные термические нагрузки на головку поршня необходимо компенсировать дополнительными локальными защитными мерами. Описанные ниже покрытия и обработки доказали свою пригодность для различных задач во многих применениях.

С использованием автоматизированного оборудования, специально разработанного для обработки поверхностей, поршни могут быть обработаны различными способами:
- Лужение всей поверхности поршня.
- Нанесение фосфата и графита (метод распыления или напыления).
- Нанесение графита (трафаретная печать) с фосфатом или без него: (a) Юбка поршня, (b) Шатунная шейка и область колец.

- Частичное железнение юбки поршня (в сочетании с рабочими поверхностями цилиндров из алюминия).
- Твердотельное анодирование: (a) Первая канавка, (b) Головка поршня (полностью или частично).

Улучшение скользящих свойств. Тонкий слой олова, наносимый химическим процессом на поршень из легкого металла, защищает от заедания при холодном пуске и во время обкатки в условиях недостаточной смазки. Толщина слоя составляет около 1 мкм.

В случаях узких монтажных допусков и очень высоких требований к защите от заедания все чаще используется покрытие GRAFAL. Это покрытие состоит из синтетической смолы, наполненной графитом, которая прочно прилипает к рабочей поверхности поршня. Толщина слоя обычно составляет 20 мкм. Поршни для двигателей легковых автомобилей обычно обрабатываются версией GRAFAL 255, наносимой методом трафаретной печати, в то время как для поршней двигателей грузовых автомобилей и промышленных двигателей используется версия GRAFAL 240 (распыление) или GRAFAL 255 (трафаретная печать).

В алюминиевых поршнях пара "палец-бобышка" обычно не критична с точки зрения процессов скольжения и не требует специальных покрытий — при условии правильной формы и допусков. В случае поршней Ferrotherm, напротив, требуются специальные защитные меры. В качестве альтернативы втулкам бобышек здесь все чаще используется фосфатное покрытие для верхней части поршня.

Повышение защиты от износа. Поршни FERROSTAN используются в паре с необработанными цилиндрами SILUMAL или другими необработанными материалами цилиндров на основе Al-Si. Юбка поршней FERROSTAN покрыта слоем железа толщиной 6 мкм и твердостью HV 350–600. Железный слой осаждается из специальных электролитов с точными размерами. Для сохранения и улучшения скользящих свойств железненный поршень дополнительно покрывается слоем олова толщиной 1 мкм. Новинкой в технологии является нанесение слоев, содержащих частицы железа, методом трафаретной печати. Эти слои, известные как FERROPRINT, успешно внедрены в массовое производство.

Из-за повышенных термических и механических нагрузок на фланцах первой канавки поршней бензиновых двигателей все чаще наблюдаются износ и фреттинг-эффекты. В качестве эффективной меры противодействия в массовое производство внедрено твердотельное анодирование для уязвимых областей. При твердотельном анодировании алюминиевых сплавов поверхностный слой алюминиевой подложки преобразуется электролитическим способом в оксид алюминия. Образующийся слой имеет керамическую природу с твердостью около 400 HV. В данном применении толщина слоя составляет около 15 мкм, а параметры процесса оптимизированы так, чтобы шероховатость слоя была относительно умеренной, что исключает необходимость последующей обработки фланцев канавок.

Использование термической защиты. Поршни для дизельных двигателей подвергаются сильным циклическим температурным нагрузкам в области головки и камеры сгорания. Это может привести к образованию трещин из-за температурных колебаний. Твердый оксидный слой на головке алюминиевого поршня, показанный на Рис. 7-22, обычно толщиной около 80 мкм, повышает устойчивость к температурным колебаниям и предотвращает образование трещин на краях камеры сгорания и/или на головке поршня. Вырезы в направлении поршневого пальца целесообразны для предотвращения концентрации напряжений в области максимальных растягивающих нагрузок.

Рис. 7-22. Головка поршня с твердотельным анодированием