Выбар матэрыялу для поршневых кольцаў ва ўмовах эксплуатацыі пад высокім ціскам і высокай хуткасцю

Ва ўмовах эксплуатацыі пад высокім ціскам і высокай хуткасцю поршневыя кольцы вытрымліваюць надзвычай моцныя механічныя нагрузкі і цеплавыя нагрузкі. Высокі ціск стварае значны супрацьціск за кольцам, што рэзка павялічвае нармальную сілу паміж кольцам і сценкай цыліндру. Тым часам зваротна-паступальны рух з высокай хуткасцю павялічвае лінейную хуткасць трыбалагічнай пары, значна павялічваючы нагрэў ад трэння. Гэта пагражае разбурэннем плёнкі змазачнага алею, што прыводзіць да задзірання, сцірання або анамальнага зносу. Такім чынам, правільны выбар матэрыялу з'яўляецца краевугольным каменем забеспячэння надзейнай герметызацыі газу, кантролю падачы алею і працяглага тэрміну службы.

Выбар і эвалюцыя асноўных матэрыялаў

Традыцыйны шэры чыгун мае адносна нізкую трываласць на расцяжэнне (звычайна паміж 200 і 300 МПа), што робіць яго вельмі схільным да разбурэння пры стомленасці пры выгібе ў сучасных умовах высокага ціску і высокай хуткасці. У выніку яго выкарыстанне ў значнай ступені адыгрывае другарадную ролю. Сёння ў прамысловасці дамінуюць тры асноўныя матэрыялы:

• Каваны чыгун (вузлападобны чыгун)Апрацоўка сферычным графітам павялічвае трываласць на расцяжэнне да 600–800 МПа, забяспечваючы пры гэтым спрыяльны модуль пругкасці і ўдаратрываласць. Чыгунныя кольцы шырока выкарыстоўваюцца ў якасці першага кампрэсійнага кольца ў цяжкіх дызельных рухавіках і высокапрадукцыйных бензінавых рухавіках.

• Мартэнсітная нержавеючая сталь / легаваная сталь Si-CrСталёвыя кольцы маюць выключна высокую мяжу цякучасці (>1000 МПа) і найвышэйшую ўстойлівасць да цеплавога згасання. Пры эквівалентных патрабаваннях да трываласці канструкцыі сталёвыя кольцы можна распрацоўваць танчэйшымі і лягчэйшымі. Гэта значна памяншае зваротна-паступальную інэрцыю на высокіх хуткасцях і мінімізуе «вібрацыю кольцаў» у канаўцы поршня.

• Парашковая металургіяПрацэсы спякання дазваляюць гнутка кантраляваць сітаватасць матэрыялу і легіруючыя элементы. Самазмазвальныя або цвёрдыя фазы могуць быць раўнамерна ўключаны ў мікраструктуру, што забяспечвае выдатную ўстойлівасць да зачаплення і высокую магчымасць налады.

Асноўныя тэхналогіі апрацоўкі паверхняў і пакрыццяў

Ва ўмовах экстрэмальна высокага ціску і высокай хуткасці адны толькі базавыя матэрыялы не могуць цалкам ліквідаваць знос і драпіны на цыліндры. Абавязкова патрэбныя перадавыя тэхналогіі мадыфікацыі паверхні і пакрыцця:

Прынцыпы сістэмнага супастаўлення для выбару матэрыялаў

Распрацоўка матэрыялаў поршневых кольцаў для прымянення пад высокім ціскам і высокай хуткасцю патрабуе выканання ключавых трыбалагічных прынцыпаў:

1. Трыбалагічная сумяшчальнасцьЦвёрдасць пакрыцця і марфалогія паверхні павінны ідэальна спалучацца з матэрыялам гільзы цыліндру (напрыклад, чыгун, алюмініева-крэмніевы сплаў або пакрытыя гільзы), каб прадухіліць заўчасны і агрэсіўны знос сценкі гільзы.

2. Цеплаправоднасць і цеплаэлектрычнае пашырэннеВысокае цяпло ад трэння павінна хутка рассейвацца праз поршневае кольца ў астуджаную сценку цыліндру. Выбар матэрыялаў з высокай цеплаправоднасцю і дакладны разлік каэфіцыентаў цеплавога пашырэння прадухіляе закрыццё канцавога зазору і наступнае заклініванне кольцаў пры падвышаных тэмпературах.

3. Балансаванне зніжэння вагі і калянасці канструкцыіПераход на высокатрывалую сталь дазваляе выкарыстоўваць больш тонкія папярочныя сячэнні (памяншэнне восевага кольца). Гэта дазваляе падтрымліваць неабходную радыяльную тангенцыяльную сілу, адначасова істотна памяншаючы зваротна-паступальную масу і страты на паразітнае трэнне.

Паколькі канструкцыя сілавога агрэгата імкнецца да больш высокай шчыльнасці магутнасці і цеплавой эфектыўнасці, выбар матэрыялу поршневых кольцаў хутка развіваецца ў бок гібрыднай парадыгмы:высокатрывалыя сталёвыя падкладкі ў спалучэнні з нанакампазітнымі PVD/DLC-пакрыццямі.