RU2168039C2 - Reduced heat removal internal combustion engine and method of its manufacture - Google Patents
Reduced heat removal internal combustion engine and method of its manufacture Download PDFInfo
- Publication number
- RU2168039C2 RU2168039C2 RU96113571/06A RU96113571A RU2168039C2 RU 2168039 C2 RU2168039 C2 RU 2168039C2 RU 96113571/06 A RU96113571/06 A RU 96113571/06A RU 96113571 A RU96113571 A RU 96113571A RU 2168039 C2 RU2168039 C2 RU 2168039C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- engine
- coating
- coating layer
- parts
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению, в частности, двигателестроению, а более конкретно, к деталям поршневого двигателя внутреннего сгорания, омываемым горячими газами и имеющим поверхностные покрытия. The invention relates to mechanical engineering, in particular, engine building, and more particularly, to parts of a reciprocating internal combustion engine, washed by hot gases and having surface coatings.
Известен, являющийся аналогом данного двигателя, двигатель внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом, у которого тепловая изоляция деталей, ограничивающих камеру сгорания, выполнена путем нанесения на их поверхности, омываемые горячими газами, однослойные покрытия из керамики или огнеупорных окислов металлов. Слой наносят плазменным напылением (патент США N 4074671, кл. 123-191, опубл. 1978 г.). Known, which is an analog of this engine, is an internal combustion engine with a reduced heat sink, in which the thermal insulation of parts restricting the combustion chamber is made by applying single-layer coatings made of ceramics or refractory metal oxides washed by hot gases on their surfaces. The layer is applied by plasma spraying (US patent N 4074671, CL 123-191, publ. 1978).
Однако в известном двигателе возникают трудности в связывании материала покрытия с материалом деталей, теплоизоляционный слой имеет тенденцию трескаться и отслаиваться при высоких напряжениях, какие имеют место при работе двигателя внутреннего сгорания. However, in the known engine, difficulties arise in bonding the coating material to the material of the parts, the heat-insulating layer tends to crack and peel off at high voltages, which occur during operation of the internal combustion engine.
Известен двигатель внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом, у которого поверхность камеры сгорания выполнена с многослойным керамическим покрытием, наносимым плазменным напылением (заявка Японии N 61-268850, кл. F 02 F 3/00, опубл. 1986 г.). Known internal combustion engine with a reduced heat sink, in which the surface of the combustion chamber is made with a multilayer ceramic coating applied by plasma spraying (Japanese application N 61-268850, class F 02 F 3/00, publ. 1986).
В известном двигателе, хотя и уменьшаются потери тепла в системе охлаждения, но не достигаются высокие КПД двигателя и ресурс работы его деталей вследствие недостаточных теплоизоляционных свойств покрытий и недостаточно качественной адгезии их к поверхностям деталей, высокого уровня термических напряжений, возникающих при работе двигателя, и недостаточного теплового излучения от деталей к рабочему телу. In the known engine, although heat losses in the cooling system are reduced, high engine efficiencies and the service life of its parts are not achieved due to insufficient thermal insulation properties of coatings and insufficient quality adhesion to the surfaces of the parts, a high level of thermal stresses arising during engine operation, and insufficient thermal radiation from parts to the working fluid.
В качестве наиболее близкого аналога данного двигателя принят двигатель внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом, имеющий камеру сгорания, ограниченную деталями с двухслойным теплоизолирующим покрытием (патент США N 4495907, кл. В 32 В 15/04, опубл. 1985 г.). As the closest analogue of this engine, an internal combustion engine with a reduced heat sink is adopted, having a combustion chamber limited to parts with a two-layer heat insulating coating (US patent N 4495907, CL 32 V 15/04, publ. 1985).
В известном двигателе, как и в вышеописанных аналогах, не достигаются высококачественное связывание внутреннего слоя покрытия с поверхностями деталей и наилучшие теплоизоляционные свойства вследствие свойств используемых материалов и особенностей их взаимодействия с материалом деталей двигателя. Кроме того, это связано с тем, что используемое изотермическое напыление покрытия имеет весьма существенный недостаток - низкую температуру пламени, а для обеспечения удовлетворительной адгезии покрытия к поверхностям требуется специальная предварительная обработка этих поверхностей (Самсонов Г.В. и Эпик А.П. Тугоплавкие покрытия. М.: Металлургия, 1973, с. 117- 118). Следствием отмеченного являются недостаточно высокие КПД и ресурс работы двигателя и повышенная стоимость его изготовления. In the known engine, as in the above analogues, high-quality bonding of the inner coating layer to the surfaces of the parts and the best thermal insulation properties are not achieved due to the properties of the materials used and the characteristics of their interaction with the material of the engine parts. In addition, this is due to the fact that the isothermal coating spraying used has a very significant drawback - a low flame temperature, and to ensure satisfactory adhesion of the coating to surfaces, special preliminary treatment of these surfaces is required (Samsonov G.V. and Epik A.P. Refractory coatings M.: Metallurgy, 1973, p. 117-118). The consequence of the aforementioned is the insufficiently high efficiency and engine operating life and the increased cost of its manufacture.
В качестве наиболее близкого аналога предлагаемого способа изготовления двигателя внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом принят способ изготовления двигателя внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом, заключающийся в том, что перед сборкой двигателя на поверхности его деталей, образующих камеру сгорания, сначала наносят первый слой покрытия, а затем на него наносят второй слой покрытия (патент США N 4495907, кл. В 32 В 15/04, опубл. 1985). As the closest analogue of the proposed method for manufacturing an internal combustion engine with a reduced heat sink, a method of manufacturing an internal combustion engine with a reduced heat sink is adopted, which consists in the fact that before assembling the engine on the surface of its parts forming the combustion chamber, first apply the first coating layer, and then on a second coating layer is applied thereto (US Pat. No. 4,495,907, class B 32 B 15/04, publ. 1985).
Используемый при реализации известного способа метод плазменного напыления покрытия на поверхности деталей двигателя, образующих его камеру сгорания, не обеспечивает ни достаточно качественную адгезию слоев покрытия к поверхностям деталей, ни прочную связь слоев покрытия между собой, ни качественное выполнение защитной функции со стороны наружного слоя по отношению к внутреннему слою. В литературе также отмечается трудоемкость и нетехнологичность рассматриваемого метода, а также недостаточная работоспособность двигателя внутреннего сгорания, изготовленного с его использованием. Последнее особенно касается деталей, двигателей, изготавливаемых из алюминиевых сплавов (см., например, книгу Никитин М.Д. и др. Теплозащитные и износостойкие покрытия деталей дизелей. Л.: Машиностроение, 1977, стр.70, 160). Used in the implementation of the known method, the method of plasma spraying of a coating on the surface of engine parts forming its combustion chamber does not provide sufficiently high-quality adhesion of coating layers to surfaces of parts, nor strong bond of coating layers to each other, nor high-quality performance of the protective function from the outer layer with respect to to the inner layer. The literature also notes the complexity and low technology of the method under consideration, as well as the insufficient performance of the internal combustion engine manufactured using it. The latter is especially true for parts and engines made of aluminum alloys (see, for example, the book by Nikitin MD and others. Heat-protective and wear-resistant coatings of diesel parts. L .: Mashinostroenie, 1977, p. 70, 160).
Техническим результатом предложенных изобретений является разработка двигателя внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом и способа изготовления двигателя внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом, при совместной реализации которых достигалось бы уменьшение потерь тепла, образующегося при сгорании топлива, в охлаждающую среду и повышение КПД двигателя при одновременном повышении ресурса его работы за счет усовершенствования конструкции покрытия, наносимого на поверхности деталей, образующих камеру сгорания, путем использования двух или нескольких его слоев, выбора материала этих слоев и методов их нанесения и максимального использования положительных свойств, вносимых каждым из этих слоев и каждым из используемых методов их нанесения, в отношении повышения теплоизоляционных качеств, снижения термических напряжений, повышения прочности и снижения стоимости изготовления при их совместной реализации, а также использования возникающих при этом новых свойств. The technical result of the proposed inventions is the development of an internal combustion engine with a reduced heat sink and a method of manufacturing an internal combustion engine with a reduced heat sink, the joint implementation of which would reduce the heat loss generated by the combustion of fuel into the cooling medium and increase the efficiency of the engine while increasing its service life by improving the design of the coating applied to the surface of the parts forming the combustion chamber by the use of two or more of its layers, the choice of the material of these layers and the methods of their application and the maximum use of the positive properties introduced by each of these layers and each of the methods used to apply them, with respect to improving thermal insulation qualities, reducing thermal stresses, increasing strength and reducing manufacturing costs in their joint implementation, as well as the use of new properties arising from this.
Данный технический результат в части двигателя внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом достигается за счет того, что в двигателе внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом, имеющем камеру сгорания, ограниченную деталями с двухслойным теплоизолирующим покрытием, согласно изобретению первый слой покрытия выполнен из многофазного кристаллического пористого материала, а второй слой покрытия, обращенный к камере сгорания, выполнен в виде сплошной пленки из тугоплавкого материала, а также за счет того, что первый слой покрытия, имеющий толщину 0,1 - 0,3 мм, содержит твердые включения фазы α-Al2O3, диспергированные в матрице из фазы γ-Al2O3 и соединениях муллита 3Al2O3•2SiO2 и кроме того, за счет того, что толщина стенок между соседними порами в первом слое покрытия составляет 0,18 - 0,22 их радиуса, и за счет того, что второй слой покрытия в виде пленки выполнен толщиной 2 - 20 мкм из материала со степенью черноты не менее 0,8 в интервале рабочих температур.This technical result in the part of the internal combustion engine with a reduced heat sink is achieved due to the fact that in the internal combustion engine with a reduced heat sink having a combustion chamber bounded by parts with a two-layer heat insulating coating, according to the invention, the first coating layer is made of multiphase crystalline porous material, and the second the coating layer facing the combustion chamber is made in the form of a continuous film of refractory material, and also due to the fact that the first coating layer I, having a thickness of 0.1 - 0.3 mm, contains solid inclusions of the α-Al 2 O 3 phase dispersed in the matrix from the γ-Al 2 O 3 phase and mullite compounds 3Al 2 O 3 • 2SiO 2 and, in addition, due to the fact that the wall thickness between adjacent pores in the first coating layer is 0.18 - 0.22 of their radius, and due to the fact that the second coating layer in the form of a film is made of a thickness of 2 - 20 μm from a material with a blackness of at least 0 , 8 in the range of operating temperatures.
Данный технический результат в части способа достигается за счет того, что в способе изготовления двигателя внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом, заключающемся в том, что перед сборкой двигателя на поверхности его деталей, образующих камеру сгорания, сначала наносят первый слой покрытия, а затем на него наносят второй слой покрытия, согласно изобретению первый слой покрытия наносят путем анодно-катодно-микродугового оксидирования, а второй слой покрытия наносят в виде пленки методом ионного осаждения. This technical result in terms of the method is achieved due to the fact that in the method of manufacturing an internal combustion engine with a reduced heat sink, which consists in the fact that before assembling the engine on the surface of its parts forming the combustion chamber, the first coating layer is first applied and then applied to it the second coating layer according to the invention, the first coating layer is applied by anodic-cathode-microarc oxidation, and the second coating layer is applied in the form of a film by ion deposition.
При такой конструкции двигателя, изготовленного с помощью предложенного способа, благодаря использованию такого покрытия, наносимого на поверхности деталей, образующих камеру сгорания, в сочетании с использованием при этом упомянутых материалов для них и совместным использованием упомянутых методов нанесения первого (внутреннего) и второго (наружного) слоев достигается повышение теплоизоляционных качеств при интенсивном тепловом излучении от деталей к рабочему телу, повышение прочности каждого из слоев и покрытия в целом, снижение термических напряжений в деталях, следствием чего является повышение КПД двигателя при одновременном повышении ресурса его работы. Достигается также снижение стоимости изготовления деталей. With this design of the engine, made using the proposed method, due to the use of such a coating applied to the surface of the parts forming the combustion chamber, in combination with the use of the mentioned materials for them and the joint use of the above methods of applying the first (internal) and second (external) layers, an increase in thermal insulation qualities is achieved with intense heat radiation from parts to the working fluid, an increase in the strength of each of the layers and the coating as a whole, and a decrease thermal stresses in the details, the consequence of which is an increase in engine efficiency while increasing its service life. A reduction in the cost of manufacturing parts is also achieved.
На фиг. 1 показана принципиальная схема предложенного двигателя внутреннего сгорания, на фиг. 2 - двухслойное покрытие, наносимое на поверхности деталей двигателя, образующих его камеру сгорания (в увеличенном масштабе). In FIG. 1 shows a schematic diagram of the proposed internal combustion engine, FIG. 2 - a two-layer coating applied to the surface of engine parts forming its combustion chamber (on an enlarged scale).
Двигатель содержит гильзу 1 цилиндра с внутренней поверхностью 2, поршень 3 с днищем 4 и боковой поверхностью 5, на которой выполнены канавки 6 для компрессионных колец, головку 7 цилиндра с впускным 8 и выпускным 9 каналами и с торцевой поверхностью 10, обращенной к днищу поршня, впускной 11 и выпускной 12 клапаны, установленные в головке цилиндра. Камера сгорания 13 в данном примере выполнения двигателя ограничена поверхностью днища поршня, внутренней поверхностью верхнего пояса гильзы, торцевой поверхностью головки, обращенной к днищу поршня, поверхностями тарелок 14 и 15 соответственно впускного 11 и выпускного 12 клапанов. Поверхности деталей, образующих камеру сгорания 13, выполнены с покрытием, состоящим в рассматриваемом примере из двух слоев 16 и 17. Первый, внутренний, слой 16 нанесен на поверхности деталей двигателя и выполнен из многофазного материала ячеистой глобулярной кристаллической структуры, имеющего теплопроводность 0,09 - 0,18 Вт/ м•град и состоящего из твердых включений высокопрочной фазы α-Al2O3, распределенной в матрице из γ-Al2O3 и соединениях муллита 3Al2O3•2SiO. Толщина первого слоя составляет 0,1- 0,3 мм. Имеющиеся в первом слое поры усиливают его теплоизоляционный эффект. Радиус пор выбирается в зависимости от задаваемой высоты выталкивания топлива и смазочного материала из поры (капилляра), плотности продуктов сгорания и их паров и других факторов и составляет 0,075 - 0,2 мм. Установлено, что для обеспечения наибольшего теплоизоляционного эффекта толщина стенок между соседними порами составляет 0,18 - 0,22 радиуса поры. При величинах этого отношения меньше 0,18, и увеличении размера ячеек и при величинах этого отношения больших 0,22, обуславливающих усиление сплошности структуры, отмечено снижение упомянутого эффекта. Межосевое расстояние пор составляет 0,18 - 0,48 мм при толщине стенки между соседними порами 0,015 - 0,4 мм. Многочисленными экспериментами установлено, что наилучшие теплоизоляционные свойства первого слоя с учетом его прочностных характеристик достигаются при содержании фазы α-Al2O3, γ-Al2O3 и соединений муллита, соответственно, 35 - 40%, 45 - 50% и остальное до 100% и общей толщине рассматриваемого первого слоя 16 покрытия от 0,1 до 0,3 мм. Первый слой 16 может содержать и другие фазы, например η-Al2O3 и Al3O4 в количестве 7-15%.The engine comprises a cylinder liner 1 with an inner surface 2, a piston 3 with a bottom 4 and a side surface 5, on which grooves 6 are made for compression rings, a cylinder head 7 with an inlet 8 and an outlet 9 channels and with an
Второй слой 17 покрытия, обращенный к камере сгорания, выполнен в виде сплошной пленки из тугоплавкого металла равномерной толщины, имеющего степень черноты не менее 0, 80 в интервале рабочих температур. Толщина слоя 17 составляет 2 - 20 микрон. В качестве материала для этого слоя используются кристаллиты карбида титана TiC размером 200-2000 
В качестве второго слоя, а также последующих слоев в случае многослойного покрытия могут использоваться комбинации TiC + TiN, TiC + TiN + Al2O3 и др. , при этом процентное содержание компонентов определяется исходя из необходимости получения заданных теплоизоляционных и прочностных свойств покрытия.Combinations of TiC + TiN, TiC + TiN + Al 2 O 3 and others can be used as the second layer, as well as subsequent layers in the case of a multilayer coating, and the percentage of components is determined based on the need to obtain the specified thermal insulation and strength properties of the coating.
Приповерхностная зона слоя 16, обращенная к слою 17, кроме упомянутых фаз 
При работе двигателя внутреннего сгорания наличие упомянутого двухслойного покрытия обеспечивает уменьшение отвода тепла от деталей двигателя в охлаждающую среду и в то же время способствует увеличению доли теплового излучения от деталей к рабочему телу. При этом повышается КПД двигателя и одновременно снижается температура его деталей. Дополнительный эффект, вызванный совместным использованием двух упомянутых слоев 16 и 17, состоит, во-первых, в том, что слой 17 в виде сплошной тонкой пленки равномерной толщины в условиях работы двигателя успешно выполняет защитные функции по отношению к пористым ячейкам слоя 16, не нарушая оптимальную геометрию пор. Следствием этого является максимальное использование теплоизоляционных качеств, которыми обладает слой 16. During operation of the internal combustion engine, the presence of the aforementioned two-layer coating provides a decrease in heat removal from engine parts to the cooling medium and at the same time contributes to an increase in the fraction of thermal radiation from the parts to the working fluid. This increases the efficiency of the engine and at the same time decreases the temperature of its parts. An additional effect caused by the joint use of the two mentioned
Кроме того, проникновение ионов титана и углерода в приповерхностную зону слоя 16 обеспечивает качественную адгезию слоя 17 к слою 16 по сравнению с адгезией слоя 17 (в случае однослойного покрытия) или внутреннего слоя покрытия к поверхностям деталей двигателя. In addition, the penetration of titanium and carbon ions into the surface zone of
Предлагаемый способ изготовления двигателя с уменьшенным теплоотводом реализуется следующим образом. Перед сборкой двигателя сначала на поверхности его деталей (из алюминиевых сплавов, черных или легированных металлов с предварительно нанесенным на их поверхность слоем из алюминиевых сплавов) с использованием метода анодно-катодного микродугового оксидирования наносят первый, внутренний слой покрытия. Этот метод, предусматривающий проведение электрохимического микроплазменного процесса, описан в литературе (см., например, Республиканский научно-технический семинар "Анод 88", 16 февраля 1988 г. Тезисы докладов, г.Казань, 1988 г., с. 73 - 82). При использовании его в процессе реализации способа изготовления двигателя последовательно каждую из упомянутых выше его деталей, погружают в электролитическую ванну, наполненную электролитом, состоящим из основания - 1-10% раствора гидрата окиси калия по ГОСТ 9285 -78 и химического реактива - 1-10% раствора стекла натриевого жидкого Na2SiO3 по ГОСТ 13078-81. Процесс, в котором деталь является анодом, а ванна куда она погружена - катодом, ведут при температуре электролита 303-333K, при пульсирующем электрическом токе частотой 50 Гц, напряжением 400-600 В, поверхностной плотности тока 5-30 А/дм2. Соотношение катодного и анодного токов находится в пределах 1,0-1,3. Продолжительность процесса зависит от толщины наносимого покрытия и составляет 60-200 мин. Варьированием указанных режимов, в частности, соотношения катодного и анодного токов, напряжения, плотности тока можно изменить, например, количественное содержание и соотношение фаз первого слоя покрытия, расположение и размеры пор и толщины разделяющих их стенок и, следовательно, управлять получением слоя с необходимыми теплофизическими и физикомеханическими свойствами.The proposed method of manufacturing an engine with a reduced heat sink is implemented as follows. Before assembling the engine, first on the surface of its parts (from aluminum alloys, ferrous or alloyed metals with a layer of aluminum alloys previously applied to their surface) using the anodic-cathodic microarc oxidation method, a first, inner coating layer is applied. This method, which involves conducting an electrochemical microplasma process, is described in the literature (see, for example, Republican Scientific and Technical Seminar "Anode 88", February 16, 1988. Abstracts, Kazan, 1988, pp. 73 - 82) . When using it in the process of implementing an engine manufacturing method, each of the above-mentioned parts is sequentially immersed in an electrolytic bath filled with an electrolyte consisting of a base - 1-10% potassium hydroxide solution according to GOST 9285 -78 and a chemical reagent - 1-10% glass solution of sodium liquid Na 2 SiO 3 according to GOST 13078-81. The process in which the part is the anode, and the bath where it is immersed - the cathode, is carried out at an electrolyte temperature of 303-333K, with a pulsating electric current with a frequency of 50 Hz, a voltage of 400-600 V, a surface current density of 5-30 A / dm 2 . The ratio of cathodic and anodic currents is in the range of 1.0-1.3. The duration of the process depends on the thickness of the coating and is 60-200 minutes By varying these modes, in particular, the ratio of the cathode and anode currents, voltage, current density, you can change, for example, the quantitative content and phase ratio of the first coating layer, the location and size of the pores and thickness of the walls separating them and, therefore, control the production of a layer with the necessary thermophysical and physicomechanical properties.
В таблице 1 приведены примеры, иллюстрирующие изобретение в части нанесения первого, внутреннего, слоя на поверхности деталей двигателя, образующих его камеру сгорания. Table 1 shows examples illustrating the invention in terms of applying a first, inner, layer to the surface of engine parts forming its combustion chamber.
Установка для реализации анодно-катодного микродугового метода нанесения покрытия содержит источник питания и контрольно-измерительные приборы, ванну и систему крепления деталей, защитное ограждение. Источник питания, состоящий из конденсатора, поставленного на фазное напряжение сети и включенного последовательно с нагрузочным сопротивлением, обеспечивает режим попеременного чередования полупериодов напряжения положительной и отрицательной полярностей с разными амплитудными значениями, которые могут изменяться по величине с ростом покрытия и изменения его сопротивления. Installation for implementing the anodic-cathodic microarc method of coating contains a power source and instrumentation, a bath and a system for attaching parts, a protective fence. A power source, consisting of a capacitor supplied to the phase voltage of the network and connected in series with the load resistance, provides alternating alternating half-periods of voltage of positive and negative polarities with different amplitude values, which can vary in magnitude with the growth of the coating and changes in its resistance.
В результате нанесения на поверхности деталей первого слоя покрытия с использованием описанного электрохимического микроплазменного процесса образуется оксидный слой, представляющий собой композиционный дисперсно-упрочненный материал ячеистой глобулярной кристаллической структуры, при этом оксидный слой образуется из основного материала и остается с ним структурно связанным, что обеспечивает, с одной стороны, высококачественное сцепление слоя покрытия с поверхностями деталей, а, с другой стороны, позволяет получить покрытие с наилучшими теплофизическими и физикомеханическими свойствами. As a result of applying the first coating layer on the surface of parts using the described electrochemical microplasma process, an oxide layer is formed, which is a composite dispersion-strengthened material of a cellular globular crystalline structure, while the oxide layer is formed from the base material and remains structurally connected with it, which ensures on the one hand, high-quality adhesion of the coating layer to the surfaces of the parts, and, on the other hand, allows to obtain the coating with the most the best thermophysical and physicomechanical properties.
После нанесения первого слоя покрытия снимают с него верхний "рыхлый" слой, например, посредством шлифования, а затем на первый, внутренний, слой покрытия наносят наружный слой с использованием метода ионного осаждения. Этот метод может быть реализован на известных установках типа "Булат". Установка содержит вакуумную камеру с установленными в ней электродуговыми испарителями металлов, входящих в состав слоя покрытия, например, титана, и подложкодержателем для размещения деталей двигателя. После размещения деталей на подложкодержателе, возбуждения вакуумной дуги в парах испаряемого материала катода испарителя, очистки и разогрева поверхности обрабатываемых деталей бомбардировкой ионами испаряемого металла путем подачи отрицательного потенциала на подложкодержатель осуществляют формирование наружного слоя покрытия на деталях двигателя в среде реакционного газа, например ацетилена, подаваемого в вакуумную камеру. Предварительный разогрев поверхностей деталей до температуры 493K, наличие в нанесенном слое покрытия карбида титана и в некоторых случаях полимерной составляющей обеспечивают получение пленки равномерной толщины с плотной беспористой структурой с хорошими антикоррозионными свойствами и высокой износостойкостью. Кроме того, проникновение ионов титана и углерода в процессе ионной бомбардировки в приповерхностную зону первого слоя, которая была сформирована благодаря использованию анодно-катодно-микродугового оксидирования, а также возможное образование при этом в этой зоне химических соединений типа карбо -оксисилицидов титана способствуют еще большему повышению адгезии второго слоя покрытия к первому и его коррозионной стойкости. Изменением при этом давления углеродосодержащего газа можно получить оптимальную степень черноты наружного слоя покрытия. After applying the first coating layer, the upper “loose” layer is removed from it, for example, by grinding, and then the outer layer is applied to the first, inner coating layer using the ion deposition method. This method can be implemented on well-known installations of the "Damask steel" type. The installation contains a vacuum chamber with electric arc evaporators of metals installed in it, which are part of the coating layer, for example, titanium, and a substrate holder for accommodating engine parts. After placing the parts on the substrate holder, exciting the vacuum arc in the vapor of the evaporated cathode material of the evaporator, cleaning and heating the surface of the workpieces by ion bombardment of the evaporated metal by applying a negative potential to the substrate holder, the outer coating layer is formed on the engine parts in a reaction gas medium, for example, acetylene fed into vacuum chamber. Preheating the surfaces of the parts to a temperature of 493 K, the presence of titanium carbide and, in some cases, a polymer component in the applied coating layer, provide a film of uniform thickness with a dense non-porous structure with good anticorrosion properties and high wear resistance. In addition, the penetration of titanium and carbon ions during the ion bombardment into the near-surface zone of the first layer, which was formed through the use of anodic-cathode-microarc oxidation, as well as the possible formation of chemical compounds such as titanium carbo-oxysilicides in this zone contribute to a further increase adhesion of the second coating layer to the first and its corrosion resistance. By varying the pressure of the carbon-containing gas, the optimum blackness of the outer coating layer can be obtained.
Для нанесения второго слоя покрытия могут быть использованы также установки дугового испарения с автономным ионным источником для предварительной очистки и разогрева поверхности ионами инертного газа и получения ионов реакционного газа и установки магнетронного распыления, например, с цилиндрическим магнетроном для нанесения слоя покрытия на внутренние поверхности деталей, в нашем случае, на внутреннюю поверхность верхнего пояса гильзы цилиндра. For applying a second coating layer, arc evaporation units with an autonomous ion source can also be used for preliminary cleaning and heating of the surface with inert gas ions and for producing reaction gas ions and magnetron sputtering, for example, with a cylindrical magnetron for applying a coating layer to the internal surfaces of parts, in our case, on the inner surface of the upper zone of the cylinder liner.
Пример 1. Наружный слой покрытия наносили на днище поршня на установке типа "Булат". Между анодом и катодом испарителя, изготовленного из титана, зажигали дуговой разряд, на подложкодержатель подавали напряжение 1000 В, и в вакуумной камере при давлении в ней 1,0•10-2 Па и токе разряда дуги 90A в течение 10 мин производили очистку и разогрев поверхностей, размещенных в камере деталей, бомбардировкой их ионами испаряемого титана. После этого напряжение на подложкодержателе снижали до 50B и в камеру вводили реакционный углеродсодержащий газ - ацетилен, при этом давление в камере устанавливали 5 Па. В этих условиях детали выдерживали 5 мин, что обеспечивало осаждение слоя покрытия толщиной 6,5 мкм.Example 1. The outer coating layer was applied to the piston bottom on a installation of type "Damask steel". An arc discharge was ignited between the anode and cathode of an evaporator made of titanium, a voltage of 1000 V was applied to the substrate holder, and cleaning and heating were performed for 10 min in a vacuum chamber at a pressure of 1.0 • 10 -2 Pa and an arc discharge current of 90A for 10 min surfaces placed in the chamber of parts, bombarded by ions of evaporated titanium. After that, the voltage on the substrate holder was reduced to 50 V and a reaction carbon-containing gas, acetylene, was introduced into the chamber, while the pressure in the chamber was set to 5 Pa. Under these conditions, the parts were kept for 5 min, which ensured the deposition of a coating layer with a thickness of 6.5 μm.
Пример 2. Наружный слой покрытия наносили на наружные поверхности тарелок клапанов, на установке типа "Булат". Между анодом и катодом испарителя, изготовленного из титана, зажигали дуговой разряд, на подложкодержатель подавали напряжение 1100 В и в вакуумной камере при давлении в ней 1,0•10-2 Па и токе разряда дуги 85A в течение 5 мин. производили очистку и разогрев поверхностей, размещенных в камере деталей бомбардировкой их ионами испаряемого титана. После этого напряжение на подложкодержателе снижали до 100B и в камеру вводили смесь метана и азота (относительное соотношение объемов этих газов определяется необходимым составом наружного слоя покрытия), при этом давление в камере устанавливали 1 Па. В этих условиях детали выдерживали 10 мин, что обеспечивало осаждение слоя покрытия толщиной 3 мкм.Example 2. The outer coating layer was applied to the outer surfaces of the valve plates, on the installation of the type "Damask steel". An arc discharge was ignited between the anode and cathode of the evaporator made of titanium, a voltage of 1100 V was applied to the substrate holder and in a vacuum chamber at a pressure of 1.0 × 10 −2 Pa and an arc discharge current of 85 A for 5 min. they cleaned and heated surfaces placed in the parts chamber by bombarding them with evaporated titanium ions. After that, the voltage on the substrate holder was reduced to 100 V and a mixture of methane and nitrogen was introduced into the chamber (the relative ratio of the volumes of these gases is determined by the necessary composition of the outer coating layer), while the pressure in the chamber was set to 1 Pa. Under these conditions, the parts were held for 10 min, which ensured the deposition of a coating layer with a thickness of 3 μm.
Пример 3. Наружный слой покрытия наносили на внутреннюю поверхность верхнего пояса гильзы на установке с цилиндрическим магнетроном. Предварительно осуществляли разогрев деталей с помощью автономного подогревателя и в область мишени цилиндрического магнетрона подавали в отношении 1:1 смесь инертного и реакционного газов, например аргона и ацетилена, и устанавливали давление в рабочей камере 3•10-1 Па. Между катодом и анодом подавали напряжение и устанавливали ток разряда 5 А. В этих условиях детали выдерживали 20 мин, что обеспечивало осаждение слоя покрытия 2 мкм.Example 3. The outer layer of the coating was applied to the inner surface of the upper belt liner in the installation with a cylindrical magnetron. The parts were preliminarily heated using an autonomous heater and a mixture of inert and reaction gases, for example argon and acetylene, was supplied to the target region of the cylindrical magnetron in a ratio of 1: 1, and the pressure in the working chamber was set at 3 · 10 -1 Pa. A voltage was applied between the cathode and the anode and the discharge current was set to 5 A. Under these conditions, the parts were held for 20 min, which ensured the deposition of a coating layer of 2 μm.
Таким образом, последовательное использование при изготовлении двигателя внутреннего сгорания двух описанных методов нанесения слоев покрытия обеспечивает, во- первых, высококачественное сцепление внутреннего слоя с поверхностями деталей двигателя, а наружного слоя с внутренним, во-вторых, позволяет получить покрытие с наилучшими теплофизическими и физикомеханическими свойствами, обеспечив при его создании возможность максимального использования этих свойств и максимальный ресурс работы деталей с этим покрытием. Оба используемых метода нанесения покрытий и, следовательно, данный способ изготовления двигателя в целом обладают высокой технологичностью и производительностью. Thus, the consistent use in the manufacture of an internal combustion engine of the two described methods for applying coating layers provides, firstly, high-quality adhesion of the inner layer to the surfaces of the engine parts, and secondly, it allows to obtain a coating with the best thermophysical and physicomechanical properties providing at its creation the possibility of maximum use of these properties and the maximum service life of parts with this coating. Both methods used for coating and, therefore, this method of manufacturing the engine as a whole have high adaptability and productivity.
Совместная реализация данных изобретений: двигателя внутреннего сгорания с уменьшенным теплоотводом и способа его изготовления - обеспечивает создание двигателя внутреннего сгорания с повышенным КПД и одновременно с высоким ресурсом работы и низкой стоимостью изготовления. The joint implementation of these inventions: an internal combustion engine with a reduced heat sink and a method for its manufacture — provides for the creation of an internal combustion engine with increased efficiency and at the same time with a high service life and low manufacturing cost.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96113571/06A RU2168039C2 (en) | 1996-07-05 | 1996-07-05 | Reduced heat removal internal combustion engine and method of its manufacture |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU96113571/06A RU2168039C2 (en) | 1996-07-05 | 1996-07-05 | Reduced heat removal internal combustion engine and method of its manufacture |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU96113571A RU96113571A (en) | 1998-10-20 |
| RU2168039C2 true RU2168039C2 (en) | 2001-05-27 |
Family
ID=20182846
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU96113571/06A RU2168039C2 (en) | 1996-07-05 | 1996-07-05 | Reduced heat removal internal combustion engine and method of its manufacture |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2168039C2 (en) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2175116A1 (en) * | 2007-08-09 | 2010-04-14 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Internal combustion engine |
| WO2011129720A1 (en) * | 2010-04-15 | 2011-10-20 | Zaligin Yury Removich | Thin-layer ceramic coating and friction surface based thereon |
| RU2499898C2 (en) * | 2012-02-10 | 2013-11-27 | Алексей Александрович Никифоров | Method of lubrication of internal combustion engine |
| RU2518773C2 (en) * | 2008-12-16 | 2014-06-10 | Сименс Акциенгезелльшафт | Wall cooling multireflection laminated complex and method of its production (versions) |
| RU2551017C2 (en) * | 2010-08-25 | 2015-05-20 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Ice and method of its operation |
| EP2818677A4 (en) * | 2012-02-22 | 2015-11-25 | Ngk Insulators Ltd | Engine combustion chamber structure and inner wall structureof flow path |
| RU2616146C1 (en) * | 2016-01-12 | 2017-04-12 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of thermal protection of internal combustion engine piston from aluminium alloys |
| RU2624091C1 (en) * | 2015-03-17 | 2017-06-30 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Piston for ice, ice with such piston and method of such piston manufacture |
| RU2694441C1 (en) * | 2018-10-04 | 2019-07-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of producing thick-layer heat-shielding coatings by microarc oxidation on high-silicon aluminum alloy |
| RU2722126C1 (en) * | 2018-07-04 | 2020-05-26 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Internal combustion engine |
-
1996
- 1996-07-05 RU RU96113571/06A patent/RU2168039C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 3. САМСОНОВ Г.В., ЭПИК А.П. Тугоплавкие покрытия. - М.: Металлургия, 1973, с.117-118. 4. * |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2175116A1 (en) * | 2007-08-09 | 2010-04-14 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Internal combustion engine |
| EP2175116A4 (en) * | 2007-08-09 | 2012-02-08 | Toyota Chuo Kenkyusho Kk | Internal combustion engine |
| RU2518773C2 (en) * | 2008-12-16 | 2014-06-10 | Сименс Акциенгезелльшафт | Wall cooling multireflection laminated complex and method of its production (versions) |
| WO2011129720A1 (en) * | 2010-04-15 | 2011-10-20 | Zaligin Yury Removich | Thin-layer ceramic coating and friction surface based thereon |
| RU2453640C2 (en) * | 2010-04-15 | 2012-06-20 | Юрий Рэмович Залыгин | Thin-layer ceramic coating, method of making same, friction surface based on thin-layer ceramic coating and method of making same |
| RU2551017C2 (en) * | 2010-08-25 | 2015-05-20 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Ice and method of its operation |
| RU2499898C2 (en) * | 2012-02-10 | 2013-11-27 | Алексей Александрович Никифоров | Method of lubrication of internal combustion engine |
| EP2818677A4 (en) * | 2012-02-22 | 2015-11-25 | Ngk Insulators Ltd | Engine combustion chamber structure and inner wall structureof flow path |
| RU2624091C1 (en) * | 2015-03-17 | 2017-06-30 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Piston for ice, ice with such piston and method of such piston manufacture |
| RU2616146C1 (en) * | 2016-01-12 | 2017-04-12 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of thermal protection of internal combustion engine piston from aluminium alloys |
| RU2722126C1 (en) * | 2018-07-04 | 2020-05-26 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Internal combustion engine |
| RU2694441C1 (en) * | 2018-10-04 | 2019-07-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of producing thick-layer heat-shielding coatings by microarc oxidation on high-silicon aluminum alloy |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Walsh et al. | Plasma electrolytic oxidation (PEO) for production of anodised coatings on lightweight metal (Al, Mg, Ti) alloys | |
| Yerokhin et al. | Plasma electrolysis for surface engineering | |
| US5616229A (en) | Process for coating metals | |
| RU2168039C2 (en) | Reduced heat removal internal combustion engine and method of its manufacture | |
| CN106702329B (en) | Micro-arc oxidation ceramic coating based on multi-arc ion aluminizing on titanium alloy surface and preparation method thereof | |
| Sidky et al. | Review of inorganic coatings and coating processes for reducing wear and corrosion | |
| CN101265603A (en) | Multiple layer hydrogen infiltration -resistant compound film preparation method | |
| Markov et al. | Formation of wear-and corrosion-resistant coatings by the microarc oxidation of aluminum | |
| JP2003531302A5 (en) | ||
| CN103590008B (en) | One is coated with interlayer in TiAl alloy and MCrAlY and prepares Al 2o 3the method of diffusion barrier | |
| CN102330095A (en) | Preparation method of Al2O3 coating on surface of steel-matrix material | |
| RU2601674C2 (en) | Protective coating for titanium last stage buckets | |
| CN111979569B (en) | Thermal barrier coating, coated member, and method of manufacturing coated member | |
| CN112962065B (en) | Nickel-based alloy surface composite structure coating and preparation method thereof | |
| CN111020479B (en) | High-shielding-piece corrosion-resistant multi-element coating, preparation method thereof and device used by preparation method | |
| CN115896713A (en) | Novel high-bonding-force high-temperature-resistant wear-resistant corrosion-resistant Al 2 O 3 /SiO 2 Composite coating and preparation method thereof | |
| JPS62178336A (en) | Sliding or frictional blank with functional section consisting of ceramic material and manufacture thereof | |
| JPH07113182A (en) | Method and apparatus for coating metallic substrate with coating layer of metal or metal alloy | |
| SU926083A1 (en) | Method for electrolytically applying silicate coatings | |
| Sergeyev et al. | Analysis of physical and mechanical properties of Galvanic-plasma wear-resistant coatings | |
| KR20010105385A (en) | Process for electrolytic coating of a substrate | |
| JP2728264B2 (en) | Method for producing conductor roll having excellent electrical conductivity and conductor roll | |
| Karakozov et al. | Microarc oxidation‐A promising method of producing ceramic coatings | |
| CN118222972A (en) | Boronizing agent and nickel matrix superalloy boronizing method | |
| Sergeyev et al. | Experimental Study Of The Wear Resistance Of A Coated Rotor In A Rotary Engine Using The Galvanic Plasma Method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050706 |