“Все новое - хорошо забытое старое.” Роджер Бекон, 1214 год нашей эры “Нам нет необходимости наступать на те же грабли, что уже были.” Виктор Степанович Черномырдин
Гильза блока цилиндров из чугуна, какого?
Так как наша компания старается серьезно относиться ко всему чем занимается, и в свете расширения поставок чугунных заготовок гильз мы решили проанализировать что сейчас происходит с материалами гильз на нашем рынке. Представляем проведенный(кратенький) анализ данного вопроса.
В качестве материала для изготовления гильзы цилиндра чаще всего используется серый чугун, который хорошо удерживает масляную пленку, отличается высокой износоустойчивостью и коррозийной стойкостью, а также имеет относительно низкую стоимость. Для повышения износостойкости, и коррозионной стойкости серого чугуна в его сплав добавляют хром, молибден, фосфор, ванадий, медь.
Основные виды серых чугунов это: модифицированные, высокопрочные и ковкие. В серых чугунах графит имеет пластинчатую форму, в высокопрочных -шаровидную, а в ковких- хлопьевидную. Формирование структуры чугуна происходит при затвердевании отливки. Основными факторами, влияющими на структурообразование чугуна, являются его химический состав, скорость охлаждения отливки в форме и последующая термообработка заготовки.
Применение серого чугуна в машиностроении
| Марка чугуна | Области применения |
| СЧ10 | Патрубки, пробки, крышки, фланцы |
| СЧ15 | Блоки цилиндров, корпуса насосов, муфты поворота, картеры, ступицы |
| СЧ18 | Зубчатые колеса, звездочки приводных цепей, корпуса редукторов и подшипников, кронштейны, ходовые колеса |
| СЧ21 | Головки цилиндров, гильзы цилиндров, корпус заднего моста, маховики |
| СЧ28 | Зубчатые колеса с фрезерованными или литыми зубьями, звездочки крюковых или роликовых цепей, детали гидромеханизмов (корпус, цилиндр, поршень) |
| СЧ25,СЧ45 | Компрессорные и дизельные цилиндры, блоки автомобильных цилиндров, штампы, коленчатые и кулачковые валы |
Исходя из реальных условий эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, требования к гильзам цилиндров можно сформулировать следующим образом:
- высокая механическая, статическая и усталостная прочность;
- кавитационная и термоциклическая стойкость;
- высокая износостойкость и низкий коэффициент трения;
- коррозионная стойкость;
- стабильность свойств в процессе эксплуатации;
- гидрогазонепроницаемость;
- хорошая обрабатываемость резанием;
- технологичность получения заготовок.
Технология производства чугуна очень сложная и трудоемкая процедура. Для получения заготовки нужных свойств необходимо провести огромный перечень мероприятий, начиная от выплавки в доменных печах болванок, дальнейшей переплавкой в заготовки и последующей термической, и механической обработкой. Выбирая один из способов переплавки болванок, создавая определенный набор легирующих добавок, получают чугун необходимых свойств и качества.
Таким образом, опыт применения серых чугунов для гильз цилиндров показывает, что наибольший эффект в повышении надёжности работы и ресурстности гильзы даёт комплексное легирование чугуна такими элементами как Cr, Ni, Mo, Cu в оптимальном соотношении с основными элементами. Главное при этом – достижение такого уровня легирования, которое в процессе трения способно в диапазоне рабочих режимов двигателя обеспечить образование на поверхности защитных вторичных слоёв. Необходимое условие – способность этих слоёв противостоять развитию схватывания, локализовать разрушения в весьма малых объёмах вторичных структур и иметь положительную реакцию на ужесточение режимов трения в цилиндре двигателя без возникновения катастрофических форм изнашивания.
Разнообразие чугунов, применяемых различными производителями, по химическому составу видно из таблицы ниже. Конечно, приведенные данные в данной таблице не могут быть справочным материалом для литейщиков, однако прослеживается система перечня и содержания легирующих элементов в составе чугуна: Cr 0,2-0,6; Ni 0,15-0,6; Cu 0,2-0,0,8; Ti 0,02-0,15; V 0,04; Mo 0,25-0,4.
| Марка двигателя (чугуна), страна (фирма)-производитель | Химический состав, % | ||||||||||
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Cu | Ti | V | Mo | |
| Нелегированные и низколегированные | |||||||||||
| GKN (Великобритания), 5 | 3,2 | 2,0 | 0,65 | 0,2 | - | 0,4 | - | - | - | - | - |
| GKN (Великобритания), 11 | 3,4 | 2,5 | 0,65 | 0,18 | - | 0,3 | 0,25 | - | - | - | 0,4 |
| GKN (Великобритания ), 28 | 3,2 | 1,9 | 0,65 | 0,25 | - | - | - | 0,8 | 0,04 | - | - |
| ЗМЗ-53 (СНГ), СЧ 24-44 | 3,1-3,4 | 2,2-2,4 | 0,7-1,2 | 0,18-0,25 | до 0,12 | 0,2-0,35 | 0,15-0,35 | - | - | - | - |
| ЗИЛ-130 (СНГ), СЧ 18-36 | 3,2-3,6 | 1,9-2,4 | 0,7-1,2 | 0,2-0,3 | до 0,12 | 0,2-0,35 | до 0,35 | - | - | - | - |
| Caterpiller (США) | 3,2 | 2,17 | 0,73 | - | - | 0,25 | - | 0,23 | 0,03 | 0,04 | - |
| Среднелегированные | |||||||||||
| Komatsu (Япония) | 3,29 | 2,16 | 0,72 | 0,07 | - | 0,33 | 0,32 | 0,55 | 0,02 | 0,05 | 0,16 |
| ЯМЗ-236,-238 (СНГ) | 3,2-3,5 | 2,1-2,6 | 0,6-0,8 | до 0,2 | до 0,12 | 0,3-0,45 | до 0,12 | 0,15-0,4 | до 0,08 | - | - |
| КамАЗ-740 (СНГ) | 3,1-3,4 | 1,9-2,5 | 0,6-0,9 | до 0,2 | до 0,12 | 0,25-0,5 | 0,15-0,4 | 0,25-0,4 | до 0,12 | - | - |
| Низколегированные фосфористые | |||||||||||
| AE Franse(Франция), 38С | 2,8-3,5 | 1,7-2,5 | 0,5-1,0 | 0,35-0,65 | 0,1 | 0,2-0,5 | - | - | - | - | - |
| Tev.-Thompson(Гер.),A62 | 3,2-3,5 | 1,8-2,2 | 0,6-1,0 | 0,3-0,5 | 0,07 | 0,2-0,5 | - | - | - | - | - |
| Tev.-Thompson(Гер.),A82 | 3,2-3,5 | 1,8-2,2 | 0,6-1,0 | 0,3-0,5 | 0,07 | 0,2-0,5 | 0,3-0,6 | - | - | - | - |
| ЗИЛ-130 (СНГ), КМЗ | 3,1-3,5 | 1,8-2,5 | 0,5-1,0 | до 0,4 | до 0,15 | 0,25-0,6 | до 0,3 | до 0,3 | - | - | - |
| NPR (Япония) CI(Cu,Cr) | 3,0-3,7 | 1,4-2,5 | 0,5-1,0 | 0,5-1,0 | 0,12 | 0,2-0,5 | - | 0,2-0,5 | - | - | - |
| Среднелегированные фосфористые | |||||||||||
| Tev.-Thompson(Гер.),A92 | 3,8-4,3 | 1,0-1,4 | 0,1-0,4 | 0,1-0,4 | 0,04 | 0,2-0,4 | - | 0,4-0,8 | - | - | 0,4 |
| ЗМЗ-2401 (СНГ) | 3,3-3,7 | 2,2-2,6 | 0,5-0,7 | 0,3-0,45 | до 0,1 | 0,5-0,75 | 0,15-0,5 | 0,5-0,8 | до 0,15 | - | - |
| Deutz (Германия) | 3,57 | 1,9 | 0,70 | 0,45 | - | 0,33 | 0,13 | 0,32 | - | - | - |
| FIAT (Италия) | 3,30 | 2,25 | 0,67 | 0,53 | - | 0,41 | 0,17 | 0,40 | 0,03 | - | 0,43 |
| NPR(Япон.) CI(Ni,Cr,Mo) | 3,0-3,7 | 1,4-2,5 | 0,5-1,0 | 0,2-0,5 | 0,12 | 0,5-1,2 | 0,15-0,25 | - | - | - | 0,25 |
Вот такой ряд легирующих элементов желательно иметь в составе чугунов применяемых в гильзах цилиндров.
Нам стало интересно, а из какого чугуна представлены на нашем рынке заготовки для гильз.
Итак, сейчас на нашем рынке представлены заготовки под брендами: «A-Trac» Индия, «ADE» Юго-Восточная Азия (с слов продавца), «KS» Германия, «UM» Механика, «Asvela» Литва, и маслота (втулка (обычно из чугуна)), полученная гравитационным или цетробежным способом литья): «Механика» г.Рязань, «Мотордеталь» г. Кострома, «ГильзаПро» г.Ростов на Дону(Турция-Китай).
И возникают закономерные вопросы: «Что это?» и «В чем разница?».
Мы постарались, в первую очередь для себя понять каким чугуном мы гильзуем блоки цилиндров в нашем цеху и провели небольшой ряд изыскательских работ, и вот, что получилось:
| Клеймо образца | Массовая доля элемента, % | ||||||
| C | Al | Si | P | Cr | Mn | Fe | |
| KS | 3,14 | 2,13 | 0,43 | 0,17 | 0,65 | 96,62 | |
| ADE | 3,51 | 0,98 | 2,19 | 0,17 | 0,17 | 0,55 | 95,93 |
| Asvela | 3,46 | 2,18 | 0,34 | 0,16 | 0,64 | 96,67 | |
| Atrac | 3,58 | 0,09 | 2,12 | 0,36 | 0,23 | 0,65 | 96,53 |
| Мотордеталь | 3,42 | 1,85 | - | 0,21 | 0,74 | 97,20 | |
| СЧ20-СЧ25 | 3,3-3,5 | 1,4-2,4 | 0,7-1,0 | 0,7-1,0 | |||
Мы взяли образцы чугуна когда-либо используемых в нашем цеху заготовок гильз и сделали анализ.
Вывод напрашивается сам собою. Чугун представленных, в таблице брендов очень схож с СЧ20-25 ГОСТ 1412-85 с добавлением хрома в пределах 0,15- 0,25 % (средние значения за три итерации). Образцы не значительно отличаются структурно.
| ASVELA |  |
| A-Trac |  |
| KS |  |
| ADE |  |
| Мотордеталь |  |
К сожалению, необходимых выше перечисленных легирующих элементов (см. таблицу выше), обнаружено не было, вне зависимости от региона производства будь -то: Юго-Восточная Азия, или Турция, или якобы Германия а-ля Ю-В Азия, или Индия, или даже Китай.
И мы обратились к опыту Советского двигателестроения. Вот такую таблицу нам удалось найти с помощью одного профессионала, имеющего огромный опыт работы с двигателями и имеющего склонность интересный материал подшивать в папочки. Эта таблица (см. ниже) взята из одного руководства по ремонту двигателей. Эх, как много нас заставили уничтожить. Да, и сейчас навязывают всякую…
И, так:
Все новое - хорошо забытое старое!
Нам понравился состав гильз для двигателя КАМАЗ-740.
Действительно, в период проектирования двигателя ЯМЗ-740, вначале он так назывался, когда проектировался на ЯМЗ, в него были заложены самые передовые конструкторские решения и современные технологии. Химический состав, применяемых гильз это подтверждает. Но дальше для нас встал вопрос кто из производителей чугуна сможет справиться с таким списком легирующих элементов, и какое предприятие сможет правильно осуществить термический процесс литья заготовок термообработку заготовок, но и в дальнейшем произвести высокоточную обработку с соблюдением всех параметров по допускам и шероховатости. Мы стали искать.
В августе 2022 года на выставке МИМС2022 мы познакомились с представителями Иранской компании «Ghaem».
Для справки: «Tamin Kala Ghaem (TKG), являясь одной из дочерних компаний GHAEM Industrial Group, в настоящее время поставляет гильзы цилиндров, поршни, поршневые кольца, клапаны и сборочные комплекты на международный рынок, который включает европейские страны, такие как Германия, Польша, Литва, восточные страны, такие как Турция, Ирак, Афганистан, Пакистан, в Южную Африку. Эквадор, Ливия,
Являясь первой компанией в Иране по производству изделий, она получила сертификат ISO IATF 16949: 2016.
Все процессы и руководящие принципы в этой компании были разработаны и внедрены в соответствии с требованиями стандарта менеджмента качества ISO 9001:2015.
Более подробно о Tamin Kala Ghaem
И, мы начали воплощать нашу задачу- «Гильзовать БЦ в соответствии с стандартами производителя». Не открою секрет, что и отечественные двигателестроительные заводы, и иностранные применяют материалы только ими одобренные, ну и конечно, никак ни серый чугун- эконом вариант (см. таблицу выше).
В итоге, после нескольких месяцев кроПОТливой работы, согласования химсостава, согласования чертежей, формы проточки под буртом и такое согласовывалось, двух коллективов в Москве и в Тегеране на нашем складе и соответственно в нашем цеху появились гильзы, соответствующие мировым стандартам по химическому составу, механическим свойствам и твердости.
|
Клеймо образца |
Массовая доля элемента, % |
|||||||||
| C | Al | Si | P | Ni | Cr | Mn | Cu | Mo | Fe | |
| GHAEM | 3,3 | * | * | * | * | * | * | * | * | 95,92 |
| KS | 3,14 | 2,13 | 0,43 | 0,17 | 0,65 | 96,62 | ||||
| ADE | 3,51 | 0,98 | 2,19 | 0,17 | 0,17 | 0,55 | 95,93 | |||
| Asvela | 3,46 | 2,18 | 0,34 | 0,16 | 0,64 | 96,67 | ||||
| Atrac | 3,58 | 0,09 | 2,12 | 0,36 | 0,23 | 0,65 | 96,53 | |||
| Мотордеталь | 3,42 | 1,85 | - | 0,21 | 0,74 | 97,20 | ||||
| СЧ20-СЧ25 | 3,3-3,5 | 1,4-2,4 | 0,7-1,0 | 0,7-1,0 | ||||||
«*» - данные элементы представлены в полном соответствии с ТЗ и чертежами, утвержденными с производителем.
Твердость произведенных гильз, как и в оригинале составляет около 43-47 HRC, проверяли лично. Все размеры, допуски и величины шероховатости выполнены в соответствии с чертежами нами утвержденными, на основании конструкторской документации.
Мы считаем, что наша Команда выполнила поставленную задачу:
«Гильзовать БЦ в соответствии с стандартами производителя»
Совместными усилиями специалистов нашей компании и компании «GHAEM» на Российском рынке появились реальные заготовки гильз, соответствующие реальным стандартам двигателестроительных заводов.
И, еще одна фенечка: наши партнеры, многие наши коллеги их знают, дали совет, и, конечно мы им воспользовались:
Только у нашей компании есть гильзы с увеличенным буртом по высоте – 20мм.
У всех заготовок полу-готовых гильз, из Юго-Восточной Азии, Турции, Китая и Индии высота бурта– 5 мм и этого бывает не достаточно для гильзовки некоторых моторов у которых при расточке вскрывается рубашка охлаждения и требуются гильзы с большим по высоте буртом, а это бензиновые и дизельные двигатели Volvo, это бензиновые 4-х цилиндровые двигатели Ford, семейства Ecoboost и так далее. Необходимо использовать гильзы с увеличенным буртом, так как между цилиндрами имеются каналы для охлаждающей жидкости глубиной 7-12 мм ,и соответственно, бурт гильзы должен опираться ниже этих каналов.
Еще раз жизнь показывает, что только совместным творчеством можно решать не разрешимые задачки.
Благодарим наших коллег и партнеров за активное участие в данном проекте: Владимира и Дмитрия Богдановых, господина Салмана, группу неравнодушных сотрудников нашей компании.
Немного слов о полу-готовых (semi-finish) заготовках гильз.
До недавнего времени изготовление гильз для гильзовки блоков цилиндров производилось или из маслот, или из готовых гильз, которые проходили по размерам. Обработка чугунной заготовки (маслоты) до нужного размера, с съемом 6-8 мм на сторону, трудоемко и затратно. Единственный способ ускорения процесса подготовки гильзы из маслоты обрабатывать заготовки на станках с ЧПУ и желательно, хотя бы маленькими партиями. Однако, ни каждая мастерская имеет в своем парке подобные станки. И можно сказать, с появлением полу-готовых гильз Asvela, был осуществлен технологический прорыв при гильзовке блоков цилиндров с применением полу-готовых гильз. Подбирается полу-готовая гильза по требуемому размеру (припуск под обработку по размеру поршня, припуск на натяг). Требуемые операции: Токарь-подрезка по длине и заходная фаска, расточник- внутренняя расточка + хонинговка под размер поршня.
На настоящее время данный опыт подхватили многие производители (продавцы) чугунного литья. Однако, есть много нюансов и мы постарались их учесть при согласовании ТЗ и рабочих чертежей с производителем. Совершенству- нет предела! Работы продолжаются.
В совокупности нам удалось многократно сократить расходы и повысить экономический эффект, применяя полу-готовые гильзы из специального чугуна, также при не значительном увеличении стоимости специального чугуна в разы увеличить ресурсность гильзованного блока цилиндров.
Мы предлагаем нашим партнерам широкий перечень полу-готовых гильз высокого качества (механическая обработка (шероховатость поверхностей, допуски на размер) и химический состав в соответствии с стандартами производителей двигателей), с правильно выполненным буртом и галтелью под установку в блок цилиндров. В таблице ниже представлены заготовки с буртом 5 и 20 мм, а также маслота:
| Под поршень | d внутренний | D внешний | Высота | Диаметр бурта | Высота бурта | |
| Бурт 5мм | 86mm | 85 | 89.05 | 180 | 92 | 5 |
| 83mm | 82 | 87.05 | 180 | 90 | 5 | |
| 81mm | 80 | 84.05 | 180 | 87 | 5 | |
| 88mm | 87 | 91.05 | 180 | 94 | 5 | |
| 92mm | 91 | 95.05 | 180 | 98 | 5 | |
| 89mm | 88 | 92.05 | 180 | 95 | 5 | |
| 94mm | 93 | 97.55 | 180 | 101 | 5 | |
| Бурт 20мм | 77mm | 76 | 81.05 | 180 | 84 | 20 |
| 79mm | 78 | 83.55 | 180 | 86.5 | 20 | |
| 81mm | 80 | 85.05 | 180 | 88 | 20 | |
| 83mm | 82 | 87.05 | 180 | 90 | 20 | |
| 84mm | 83 | 88.05 | 180 | 91 | 20 | |
| 85mm | 84 | 89.05 | 180 | 92 | 20 | |
| 86mm | 85 | 91.05 | 180 | 94 | 20 | |
| 88mm | 87 | 92.05 | 180 | 95 | 20 | |
| 89mm | 88 | 93.05 | 180 | 96 | 20 | |
| 92mm | 91 | 96.05 | 180 | 99 | 20 | |
| 93mm | 92 | 97.05 | 180 | 100 | 20 | |
| 94mm | 93 | 98.55 | 180 | 102 | 20 | |
| Маслота | 58 | 90 | 165 | |||
| 73 | 96 | 165 | ||||
| 79 | 88 | 165 | ||||
| 80 | 101 | 180 | ||||
| 88 | 113 | 225 |
Всем спасибо. Успехов в нашем нелегком труде.
Постскриптум:
Про термообработку, так необходимую для высвобождения графита в нужной форме, про перлитно-ферритную структуру чугуна - в следующем обзоре о чугуне.
