Инновационный материал компании KING для вкладышей с полимерным покрытием

1. Введение

• В 1839 году американский инженер Айзек Баббит изобрел первый антифрикционный сплав. С тех пор свинцовые и оловянные сплавы для вкладышей двигателей называются баббитами. История двигателей внутреннего сгорания тесно связана с баббитами, служившими в качестве поверхностного антифрикционного слоя во вкладышах миллионов автомобилей, компрессоров, самолетов, насосов и других машин. Триметаллические вкладыши со свинцовым баббитовым покрытием до сих пор незаменимы в гоночных автомобилях и авиационных поршневых двигателях.
• Однако почти двухвековая эра баббитов заканчивается. Технология материалов развивается, новые материалы и нано-технологии предоставляют уникальные возможности для создания подшипников скольжения из материалов, значительно превосходящих традиционные. Наиболее быстро развивающейся областью современных подшипниковых материалов является разработка антифрикционных полимерных покрытий.

Автор статьи - Др. Дмитрий Копелиович

Зам. Ген. Директора компании King Engine Bearings Ltd. (Израиль) по исследованиям и разработкам.

Ведущий мировой эксперт по проектированию, технологиям производства и материалам для вкладышей двигателей внутреннего сгорания.

Основатель и владелец SubsTech (Substances & Technologies), substech.com– ведущего профессионального вебсайта по технологии материалов.

Основатель и владелец Smooth Sliding (smoothsliding.com), инженерной консалтинговой компании, предоставляющей услуги по вопросам функционирования вкладышей двигателей и других гидродинамических подшипников.

Автор многочисленных научных и инженерных публикаций и патентов.

2. Полимерные покрытия

• Во вкладышах современных двигателях часто реализуется смешанный режим трения с частым металлическим контактом. Недостаток масла во время работы в таком режиме может быть компенсирован твердой смазкой, распределенной в форме мелких частиц внутри полимерного покрытия, нанесенного на поверхность вкладышей.
• Помимо антифрикционных свойств покрытие должно выдерживать нагрузки, передаваемые валом и при этом не изнашиваться. Первоначально полимерные покрытия, содержащие частицы твердой смазки, были разработаны для двигателей старт-стоп, в которых частое нарушение гидродинамического трения неизбежно из-за часто повторяющегося цикла замедление-ускорение. Однако полимерные покрытия доказали свою эффективность и в других приложениях.

Разработанные в Компании Кинг вкладыши с покрытиями К-40, К-334 и К-340 уже несколько лет с успехом продаются на рынке.

• К-340 это наиболее прочное покрытие, обладающее очень высокой износостойкостью, ударостойкостью и усталостной прочностью. Покрытие может работать при нагрузках вплоть до 120 МПа.

• К-334 для вкладышей pMax Kote™ это износостойкое покрытие, предназначенное для нанесения на относительно мягкую основу. К-334 был разработано для модификации материала pMax Black™. Модифицированный материал pMax Kote™ обладает повышенной износостойкостью в условиях металлического контакта, а также лучшей стойкостью к кавитационной эрозии.
• К-40 это относительно мягкое покрытие. Оно обладает исключительной прирабатываемостью и другими антифрикционными свойствами. К-40 был разработан для двигателей, вкладыши которых испытывают постоянный металлический контакт, как, например, вкладыши в двигателях в гонках Драгстер.

Рис.1 Вкладыш Кинг pMax Kote™ с полимерным покрытием К-33

3. Разработка инновационного материала Force 105 (PL)

• В 2019 году King Engine Bearings поставил задачу разработать материал с долговечным полимерным покрытием, который бы заменил традиционные триметаллические материалы во вкладышах для широкого ряда приложений в двигателях. Новый материал имеет триметаллическую конструкцию: стальное основание – промежуточный слой – покрытие. Параллельно разрабатывались инновационное полимерное покрытие и материал промежуточного слоя. Разработанный материал (Рис.2) получил название Force 105 (PL).

Рис.2 Вкладыш Force 105 (PL

• Вкладыши Force 105 (PL) сочетают задиростойкость с очень высоким сопротивлением износу и усталостной прочностью, сравнимой с подшипниками Спаттер. Уникальные качества нового материала стали результатом использования специальных нано-размерных добавок в оптимальной пропорции и передовой технологии приготовления и нанесения покрытия. Помимо полимерного покрытия во вкладышах Force 105 (PL) используется специальный высокопрочный алюминиевый сплав, обеспечивающий надежность и долговечность работы при экстремальных нагрузках.

• Вкладыши Force 105 (PL) прошли все стадии испытаний, начиная от лабораторных, долговременных стендовых испытаний под нагрузкой до 120 МПа, испытаний в двигателях на динамометрах и заканчивая дорожными испытаниями в автомобилях с высоконагруженными двигателями.

Рис.3 Вкладыши Force 105 (PL) после стендовых испытаний при 120 МПа

• На Рис.3 представлены вкладыши, прошедшие стендовые испытания на долговечность при нагрузке 120 МПа. Такая нагрузка в два раза превышает предел нагрузки традиционных триметаллических вкладышей с баббитовым покрытием на основе свинца. Исследования вкладышей не выявили ни усталостных трещин, ни отслоений покрытия, ни износа, величину которого можно было бы измерить. Уникальные качества нового материала были продемонстрированы в сравнительных испытаниях с вкладышами из традиционных подшипниковых материалов (Рис.4).

Рис.4 Традиционный триметаллический вкладыш (справа) и Force 105 (PL) (слева) после сравнительных испытаний

• В отличие от традиционного материала, имеющего значительный износ и множественные усталостные трещины, вкладыш Force 105 (PL) не имеет заметных признаков работы при высокой нагрузке. Одним из наиболее важных свойств полимерных покрытий является их способность противостоять прямому трению. Большую часть времени вкладыши двигателя работают в гидродинамическом режиме трения, при котором поверхность вкладыша отделена от стального вала масляной пленкой. Однако гидродинамическое трение часто нарушается, и материал вкладыша испытывает прямой контакт с поверхностью вала. Такое происходит при масляном голодании, несоосности и непараллельности вала, изгиба коленчатого вала под нагрузкой, повышенной нагрузки и низких оборотах, особенно характерных для двигателей старт-стоп. На Рис.5 представлены вкладыши, после успешных стендовых испытаний в много-цикловом режиме старт-стоп.

Рис.5 Вкладыши Force 105 (PL), после 1 млн. циклов прямого контакта (старт-стоп) при нагрузке 60 МП

• Результаты динамометрических испытаний шатунных вкладышей Force 105 (PL) в двигателе Ford EcoBoost, 2000 представлены на Рис.6.

• Испытания проводились в компании "Jasper Engines" (США) в течение 50 часов.
  
  Условия испытания:
  
  - Синтетическое масло 5W20
  - Температура 90-110 ⁰С
  - Первые 25 часов при 50-100% от максимального момента
  - Следующие 25 часов при 50-100% от максимальной мощности
  
  Дорожные испытания шатунных вкладышей из нового материала проводились в автомобиле Рено Меган с турбо-дизельным двигателем К9К. Вкладыши были исследованы после пробега 70 тысяч км (Рис.7).

Рис.7 Верхние шатунные вкладыши после дорожных испытаний 70 тыс. км

• Испытанные вкладыши находятся в отличном состоянии. В дополнение к уже перечисленным свойствам покрытие Force 105 (PL) продемонстрировало прекрасную абсорбционную способность. Серые следы на поверхности покрытия оставлены вкрапленными частицами загрязненного масла, хорошо видными под микроскопом (Рис.8). Инородные частицы внедрились в покрытие в гребнях, образованных на поверхности в результате расточки вкладыша.

Рис.8 Инородные частицы, абсорбированные покрытием (микроскоп)