RU155348U1

RU155348U1 - PISTON ENGINE CYLINDER HOUSING

Info

Publication number: RU155348U1
Application number: RU2015114291/06U
Authority: RU
Inventors: Владимир Евгеньевич Низовцев; Денис Александрович Климов; Андрей Дмитриевич Бортников; Лев Аронович Финкельберг; Александр Николаевич Костюченков
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2015-10-10

Abstract

Гильза цилиндра поршневого двигателя, выполненная с рельефом в виде ромбической сетки, нанесенной на рабочую поверхность и с нанесенным на последнюю антифрикционным покрытием, отличающаяся тем, что покрытие выполнено в виде наноструктурного функционально-градиентного материала (ФГМ), представляющего собой смесь фракций порошка карбонитрида титана, легированного кремнием (Ti-Si-C-N) с размерами фракций, мкм:в соотношении, мас.%:A cylinder liner of a piston engine made with a relief in the form of a rhombic grid deposited on the working surface and coated on the last anti-friction coating, characterized in that the coating is made in the form of a nanostructured functional gradient material (FGM), which is a mixture of fractions of titanium carbonitride powder fractions, doped with silicon (Ti-Si-CN) with the size of the fractions, microns: in the ratio, wt.%:

Description

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к гильзам цилиндра поршневого двигателя и может быть использована в конструкциях двигателей внутреннего сгорания и поршневых двигателях с внешним подводом тепла.The utility model relates to the field of engine building, namely to cylinder liners of a piston engine and can be used in the construction of internal combustion engines and piston engines with external heat supply.

Известна гильза цилиндра, внутренняя поверхность которой облицована тонкими пластинами из стальной холоднокатанной термообработанной ленты (Соболев Н.И., Титунин Б.А. «Пластинирование деталей машин», М., Машиностроение, 1987 г., стр. 141-144). Пластины формируют на оправке в форме обечайки, на внутреннюю поверхность гильзы наносят клеевую композицию, а затем вводят внутрь гильзы оправку с обечайкой и выдерживают в течение установленного времени для отверждения. После этого проводят окончательную обработку облицованной поверхности.A well-known cylinder liner, the inner surface of which is lined with thin plates of cold-rolled steel heat-treated tape (Sobolev NI, Titunin B. A. "Lamination of machine parts", M., Engineering, 1987, pp. 141-144). The plates are formed on a mandrel in the shape of a shell, an adhesive composition is applied to the inner surface of the sleeve, and then a mandrel with a shell is inserted into the sleeve and held for a set time for curing. After that, the final processing of the lined surface is carried out.

Недостатком известного технического решения является низкая износостойкость, обусловленная несоответствием жесткости (твердости) и гибкости материала, необходимой для придания требуемой формы обечайке.A disadvantage of the known technical solution is the low wear resistance due to the mismatch of stiffness (hardness) and flexibility of the material necessary to give the required shape to the shell.

Известна гильза цилиндра двигателя, выполненная из стали или чугуна, на внутренюю (рабочую) поверхность которой наносят по меньшей мере два слоя алюминия и бронзы, причем наружный слой является притирочным слоем, а нижележащий слой является износостойким (патент РФ №2156370, кл. F02F 1/00, 2000 г.). При этом твердость износостойкого слоя превышает твердость притирочного слоя. Использование притирочного слоя такого же типа, как и примененный для нижележащего износостойкого обеспечивает хорошее приставание притирочного слоя, что снижает выкрашивание или стесывание частиц из притирочного слоя, т.е. износостойкость гильзы цилиндра обеспечивается за счет приработки в процессе эксплуатации притирочного слоя. Нижележащий износостойкий слой может быть изготовлен из материала, содержащего твердые частицы в форме карбидов, окислов или нитридов, заделанных в металлическое связывающее вещество. Однако использование разных материалов вызывает ухудшение приставание притирочного слоя к износостойкому, что приводит к снижению износостойкости покрытия.Known cylinder liner made of steel or cast iron, on the inner (working) surface of which is applied at least two layers of aluminum and bronze, the outer layer being a lapping layer and the underlying layer being wear-resistant (RF patent No. 2156370, class F02F 1 / 00, 2000). Moreover, the hardness of the wear-resistant layer exceeds the hardness of the lapping layer. The use of a lapping layer of the same type as that used for the underlying wear-resistant layer ensures good adherence of the lapping layer, which reduces chipping or chipping of particles from the lapping layer, i.e. the wear resistance of the cylinder liner is ensured by running-in during the operation of the lapping layer. The underlying wear resistant layer may be made of a material containing solid particles in the form of carbides, oxides or nitrides embedded in a metal binder. However, the use of different materials causes deterioration of the adherence of the lapping layer to a wear-resistant layer, which leads to a decrease in the wear resistance of the coating.

Недостатком известного технического решения является ограниченное практическое применение, обусловленное несоответствием требований, предъявляемых к рабочей поверхности гильзы - сочетанию высокой износостойкости с низкой теплопроводностью.A disadvantage of the known technical solution is the limited practical application, due to the mismatch of the requirements for the working surface of the sleeve - a combination of high wear resistance with low thermal conductivity.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является известная гильза поршневого двигателя, выполненная с рельефом в виде ромбической сетки, нанесенной на рабочую поверхность и с нанесенным на последнюю антифрикционным покрытием (патент РФ №123465, кл. F02F 1/00, 2012 г.). Антифрикционное покрытие в известном техническом решении наносится на рабочую поверхность методом натирания специальными безалмазными антифрикционными брусками следующего состава: дисульфида молибдена - 8%, олова - 11%, меди - 44% и связующего элемента, в качестве которого используется закись железа - 37%.The closest set of essential features to the claimed technical solution is the well-known piston engine sleeve, made with a relief in the form of a rhombic grid deposited on the work surface and coated on the last antifriction coating (RF patent No. 123465, CL F02F 1/00, 2012 .). An anti-friction coating in a known technical solution is applied to the working surface by rubbing with special diamond-free anti-friction bars of the following composition: molybdenum disulfide - 8%, tin - 11%, copper - 44% and a binder, which is used as iron oxide - 37%.

Недостатком известного технического решения является недостаточная износостойкость и, соответственно, долговечность цилиндропоршневой группы, обусловленная тем, что в процессе приработки дисульфид молибдена смывается с рабочей поверхности под действием смазки. В результате в известном техническом решении состав антифрикционного покрытия и способ его нанесения не позволяют существенно снизить коэффициент трения.A disadvantage of the known technical solution is the insufficient wear resistance and, accordingly, the durability of the cylinder-piston group, due to the fact that during the running-in, the molybdenum disulfide is washed off from the working surface under the influence of lubricant. As a result, in a known technical solution, the composition of the antifriction coating and the method of its application do not significantly reduce the friction coefficient.

В основу предлагаемого технического решения положена задача повышения износостойкости и долговечности поршневого двигателя.The basis of the proposed technical solution is the task of increasing the wear resistance and durability of the piston engine.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого технического решения, заключается в снижении коэффициента трения в цилиндро-поршневой группе двигателя.The technical result achieved by the implementation of the proposed technical solution is to reduce the coefficient of friction in the cylinder-piston group of the engine.

Заявленный технический результат достигается тем, что гильза цилиндра поршневого двигателя выполнена с рельефом в виде ромбической сетки нанесенной на рабочую поверхность и с нанесенным на последнюю антифрикционным покрытием. Согласно предлагаемому техническому решению покрытие выполнено в виде наноструктурного функционально-градиентного материала (ФГМ), представляющего собой смесь фракций порошка карбонитрида титана, легированного кремнием (Ti-Si-C-N) с размерами фракций:The claimed technical result is achieved by the fact that the cylinder liner of the piston engine is made with a relief in the form of a rhombic mesh deposited on the working surface and coated on the last anti-friction coating. According to the proposed technical solution, the coating is made in the form of a nanostructured functional gradient material (FGM), which is a mixture of fractions of titanium carbonitride powder doped with silicon (Ti-Si-C-N) with fraction sizes:

нанодиапазонаnanoscale от 0,01 до 0,04 мкмfrom 0.01 to 0.04 microns субмикронного уровняsubmicron level от 0,2 до 0,3 мкм0.2 to 0.3 microns микронного уровняmicron level от 0,1 до 5,0 мкмfrom 0.1 to 5.0 microns

в соотношении мас. %in the ratio of wt. %

нанодиапазонаnanoscale 8-10%8-10% субмикронного уровняsubmicron level 50-60%50-60% микронного уровняmicron level 30-42%30-42%

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной задачи с достижением технического результата, так как:These essential features provide a solution to the problem with the achievement of a technical result, since:

- выполнение покрытия в виде наноструктурного функционально-градиентного материала (ФГМ), представляющего собой смесь фракций порошка карбонитрида титана, легированного кремнием (Ti-Si-C-N) с заданными размерами фракций и в заданном соотношении мас. % обеспечивает снижение коэффициента трения, что повышает износостойкость и долговечность двигателя.- execution of the coating in the form of a nanostructured functional gradient material (FGM), which is a mixture of fractions of titanium carbonitride powder doped with silicon (Ti-Si-C-N) with the specified size of the fractions and in the given ratio wt. % provides a decrease in the coefficient of friction, which increases the wear resistance and durability of the engine.

Настоящая полезная модель поясняется следующим описанием. Для изготовления гильзы цилиндра поршневого двигателя с наноструктурным функционально-градиентным материалом (ФГМ) в качестве антифрикционного покрытия порошок карбонитрида титана, легированный кремнием (Ti-Si-C-N), измельчают до на неструктурных размеров известным способом (например вихревым виброакустическим методом) до следующих размеров фракций:The present utility model is illustrated by the following description. For the manufacture of a cylinder liner of a piston engine with a nanostructured functional gradient material (FGM) as an antifriction coating, titanium carbonitride powder doped with silicon (Ti-Si-CN) is ground to non-structural dimensions by a known method (for example, by vortex vibroacoustic method) to the following fraction sizes :

Полученный материал для нанесения покрытия представляет собой смесь фракций состоящий в мас. %The resulting coating material is a mixture of fractions consisting in wt. %

На рабочей поверхности гильзы предварительно выполняют рельеф в виде ромбической сетки, на которую известными методами (холодного газодинамического напыления, газодетонационного напыления, ионно-инплантантного магнетронного напыления) наносят полученный порошок. Толщина слоя покрытия, в зависимости от назначения, составляет от 0,3 до 300 мкм. Зависимость физико-механических свойств от гранулометрического состава покрытия ФГМ приведена в табл. 1.The relief in the form of a rhombic grid is preliminarily performed on the working surface of the sleeve, onto which the obtained powder is applied by known methods (cold gas-dynamic spraying, gas-detonation spraying, ion-implant magnetron sputtering). The thickness of the coating layer, depending on the purpose, is from 0.3 to 300 microns. The dependence of physico-mechanical properties on the particle size distribution of the FGM coating is given in table. one.

Экспериментальные данные показывают, что покрытие на основе наноструктурного карбонитрида титана, легированного кремнием, позволяет получить рабочую поверхность гильзы цилиндра с модулем упругости около 600 ГПа, твердостью 91-93 HRc, прочностью 1500 МПа, термической стабильностью коэффициента трения до 950°C, жаро- и коррозионной стойкостью до 1200°C, стойкостью износа 3,5-5,0×10^-7 мм³Н^-1мин^-1. Сравнительные данные по коэффициентам трения для покрытий из различных материалов приведены в табл. 2.Experimental data show that a coating based on nanostructured titanium carbonitride doped with silicon allows one to obtain a cylinder liner working surface with an elastic modulus of about 600 GPa, a hardness of 91-93 HRc, a strength of 1500 MPa, thermal stability of the friction coefficient up to 950 ° C, heat and corrosion resistance up to 1200 ° C, wear resistance 3.5-5.0 × 10 ^-7 mm ³ N ^-1 min ^-1 . Comparative data on the friction coefficients for coatings of various materials are given in table. 2.

Нанесение на рабочую поверхность гильзы поршневого двигателя антифрикционного покрытия в виде наноструктурного функционально-градиентного материала, представляющего собой смесь фракций порошка карбонитрида титана, легированного кремнием, с заданными размерами фракций и в определенном соотношении мас. % позволяет снизить коэффициент трения до 0,01-0,018, что позволяет значительно увеличить износостойкость и долговечность цилиндро-поршневой группы двигателя.Application of an antifriction coating in the form of a nanostructured functional gradient material on the working surface of a piston engine liner, which is a mixture of fractions of titanium carbonitride powder doped with silicon with specified fraction sizes and in a certain ratio of wt. % allows to reduce the friction coefficient to 0.01-0.018, which can significantly increase the wear resistance and durability of the cylinder-piston group of the engine.

Claims

A cylinder liner of a piston engine made with a relief in the form of a rhombic grid deposited on the working surface and coated on the last anti-friction coating, characterized in that the coating is made in the form of a nanostructured functional gradient material (FGM), which is a mixture of fractions of titanium carbonitride powder fractions, doped with silicon (Ti-Si-CN) with fraction sizes, microns:

nanoscale 0.01-0.04 submicron level 0.2-0.3 micron level 0.1-5.0

in the ratio, wt.%:

nanoscale 8-10 submicron level 50-60 micron level 30-42