Эффективные антифрикционные покрытия для юбок поршня

Исследование антифрикционных покрытий для дизельных двигателей

К.В. Гаврилов¹, А.В. Морозов², М.В. Селезнев³, Ю.В. Рождественский¹, Н.А. Хозенюк¹, А.А. Дойкин¹, В.С. Худяков¹

1 –Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)» Россия; 454080, г. Челябинск, пр-т Ленина, д. 76
2 – Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук. Россия; 119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 101, к.1
3 – Федеральное автономное учреждение «25 Государственный научно-исследовательский институт химмотологии Министерства обороны Российской Федерации». Россия; 121351, г. Москва, Молодогвардейская ул., 10

В данной статье представлен анализ антифрикционных свойств твердых смазочных покрытий, которые помогают снижать трение и обеспечивают хорошую устойчивость к износу в колонных сопряжениях “юбка поршня – гильза цилиндра” высокофорсированных дизелей.

Введение

Оценка потерь на трение в силовых агрегатах показывает важную закономерность:

• До 66% потерь приходится на юбку поршня, поршневые кольца и подшипники
• 34% составляют потери в газораспределительном механизме и трансмиссии
• Потери в сопряжениях «поршень – цилиндр» достигают 45-50% от общего объема потерь

Для высокофорсированных дизелей характерны значительные тепловые изменения, которые могут привести к смешанным и граничным режимам трения, требующим особого внимания к антифрикционным свойствам покрытий.

Цель работы

Цель работы: Провести сравнительный анализ коэффициента трения антифрикционных твердосмазочных покрытий для уменьшения трения и износа в сопряжении «юбка поршня – гильза цилиндра» ДВС.

Исследуемые материалы

Для эксперимента выбраны твердосмазочные покрытия Modengy, разработанные в России. Толщина всех покрытий не превышает 20 мкм, что должно обеспечивать защиту от задиров в новых ДВС.

• Покрытия представляют собой суспензии твердых смазок с уникальными связующими веществами
• Наносятся распылением, трафаретной печатью или окунанием
• Толщина покрытий не превышает 20 мкм
• В качестве контрольного образца использовано покрытие на основе графита

Рис. 1. Фотография (а) и спектрограмма (б) материала покрытия №1

Химический состав был определен с помощью сканирующего электронного микроскопа FEI Quanta 650. Основным компонентом является углерод.

Методика эксперимента

Эксперименты по измерению коэффициента трения проводились с использованием лабораторного трибометра. Движение осуществлялось возвратно-поступательно, где пластина соприкасается с неподвижным образцом.

Рис. 2. Фотографии пары трения, установленной в держателях трибометра, где 1 – образец-пальчик, 2 – пластина, 3 – термокамера

Условия испытаний:

• Нагрузки: от 50 Н до 450 Н с шагом 100 Н
• Температура: 110± 5 °С
• Частота движения: 20 Гц
• Амплитуда перемещения: 6 мм
• Длительность каждого теста: 5 минут
• Общее время испытаний: 25 минут

Перед началом теста образцы очищались в ультразвуковой ванне с использованием нефраса и этилового спирта. Притирка не проводилась для имитации реальных условий эксплуатации.

Результаты эксперимента и их обсуждение

Рис. 3. Зависимость коэффициента трения μ от времени испытания t, где цифрами обозначены номера образцов

Для повышения точности результатов проводились три повторных испытания на новых образцах. Полученные данные подвергались статистическому анализу.

Таблица 1. Результаты испытаний

* – подготовка поверхности Mn-фосфатированием

Рис. 4. Зависимость коэффициента трения μ от нормальной нагрузки P, где цифрами обозначены номера образцов

Основные выводы из анализа результатов:

• С увеличением нагрузки коэффициент трения уменьшается для всех покрытий
• Отсутствие Mn-фосфатирования приводит к снижению износостойкости
• Акустическое излучение у образцов с покрытием на 70% ниже, чем без покрытия
• Покрытия обеспечивают стабильное трение

Рис. 5. СЭМ фотографии покрытия №1, полученные на BSE (а) EDS (б) детекторах

Микроскопический анализ показал, что использовано магниевое фосфатирование толщиной около 3 мкм. После испытаний толщина покрытия и фосфатно-марганцевого подслоя составляет примерно 10 мкм.

Заключение

Исследования проводились в отсутствие смазки, чтобы изучить антифрикционные свойства покрытий для юбки поршня высокофорсированного дизеля при кратковременных режимах граничного и сухого трения.

Проведенное исследование показало, что коэффициент трения образцов с твердосмазочным покрытием меньше, а нагрузка схватывания выше, чем у образцов без покрытия. Для покрытий Modengy для деталей ДВС и Modengy 1006 возможно достичь пятикратного снижения потерь на трение и повысить срок эксплуатации юбки поршня высокофорсированного дизеля.

• Все покрытия значительно снижают коэффициент трения
• Достигаются значения 0,12…0,14 для лучших покрытий Modengy
• Предотвращается металлический контакт в паре трения
• Возможно пятикратное снижение потерь на трение
• Повышается срок эксплуатации юбки поршня

Дополнительно, для дальнейшего изучения трибосопряжения «поршень-цилиндр», планируется провести эксперименты, направленные на изучение трибологических свойств как юбки поршня, так и гильзы цилиндра с учетом различных характеристик смазочного материала.

Литература

• Holmberg K., Andersson P., Nylund N.O., Makela K., Erdemir A. Global energy consumption due to friction in trucks and buses // Tribology International. — 2014, V. 78, 94 – 114.
• Bartz W.J. Fuel economy improvement in engine and gear oils. In: Proceedings of the 24th Leeds–Lyon symposium on tribology, tribology for energy conservation. — 1998, 13—24.
• Taylor R.I., Coy R.C. Improved fuel efficiency by lubricant design: a review // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. —2000, 1–15.
• Ye Z., Zhang C., Wang Y., Cheng H.S., Tung S., Wang Q.J., He X. An experimental investigation of piston skirt scuffing: a piston scuffing apparatus, experiments, and scuffing mechanism analyses // Wear. —2004, Vol. 257, № 1–2, 8–31.
• Горячева И.Г., Морозов А.В., Рождественский Ю.В., Гаврилов К.В., Дойкин А.А. Разработка метода расчетно-экспериментальной оценки трибологических параметров сопряжения поршень – цилиндр дизеля // Трение и износ. — 2013, Vol. 34, № 5, 446–457.
• Milojević S., Pešić R., Davinić A., Taranović D. Coated al piston as technological solution to lowering of friction losses inside IC engine // 12. International Conference on Accomplishments in Electrical and Mechanical Engineering and Information Technology. — 2015, 741—746.
• Zhang J., Li H. Influence of manganese phosphating on wear resistance of steel piston material under boundary lubrication condition // Surface & Coatings Technology. — 2016, Vol.34, 530 —536.
• Buyukkaya E. Thermal analysis of functionally graded coating AlSi alloy and steel pistons // Surface and Coatings Technology. — 2008, V.202, 3856–3865.
• MAHLE GmbH (Ed.), Pistons and engine testing, DOI 10.1007/978-3-8348-8662-0
• Shaw A., Qu J., Wang C., England R. Tribological study of diesel piston skirt coatings in CJ-4 and PC-11 engine oils // Wear. — 2017, Vol.376-377, 1673—1681.
• Kumar V., Kumar S.S., Kumar A.A. Wear evaluation of engine piston rings coated with dual layer hard and soft coatings // Journal of Tribology, —2019, V. 141, 10.
• Westerfield Z., Totaro P., Kim D. and Tian T. An Experimental Study of Piston Skirt Roughness and Profiles on Piston Friction Using the Floating Liner Engine // SAE Technical Paper. — 2016.
• MAHLE GmbH (2012) Piston materials. In: MAHLE GmbH (eds) Pistons and engine testing. ATZ/MTZ-Fachbuch. Vieweg+TeubnerVerlag, Wiesbaden.
• Сентюрихина Л.Н., Опарина Е.М. Твердые дисульфидмолибденовые смазки. М.: Химия, 1966. – 152 с.