Защита агрегатов и узлов автомобиля в период эксплуатации Двигатель

Материалы. В автомобильной промышленности основным материалом, применяемым для изготовления двига­телей, являются черные металлы (стали различных марок и чугуны), сплавы цветных металлов на основе алюминия, меди, цинка, магния и других металлов, неметаллические материалы (пластмассы, резина, асбест и др.).

Стали. Ввиду наличия самых разнообразных требований в части химического состава и механических свойств число ис­пользуемых марок сталей весьма велико. Классификация ста­лей выходит за рамки книги, поэтому приводятся только не­которые их свойства. Кроме углеродистых сталей в качестве материала для изготовления деталей двигателя, применяются также легированные стали. Легирующие присадки (хром, никель, молибден, вольфрам, кобальт, титан и др.) повышают коррозионную стойкость деталей из них, а также износостой­кость. Благодаря таким присадкам, как хром, алюминий, крем­ний, сталь подвергается пассивации и приобретает коррозион­ную стойкость к отработавшим газам при повышенной температуре, примесям воды в маслах, органическим и неорга­ническим кислотам. К коррозионностойким относятся жаростой­кие стали, не меняющие своих свойств при повышенной темпе­ратуре, например, в камере сгорания двигателя.

Чугуны. Количество углерода, содержащегося в чугуне, не является однозначным критерием оценки его коррозионно и износостойкости, так как химически связавший углерод (це­ментит Fe₃C) придает чугуну одни свойства, а находящийся в свободном состоянии графит - другие. Поэтому при оценке коррозионной стойкости следует учитывать прежде всего фор­му, в которой находится углерод в чугуне, а не количество углерода. Для производства деталей автомобилей применяют­ся серый, модифицированный, высокопрочный, ковкий и белый чугуны. Закаленный белый чугун содержит цементит и обладает большой твердостью и износостойкостью. По сравнению с белыми, серые чугуны обладают меньшей износостоек но отличаются большей прочностью (менее хрупкие). Присад­ки хрома, никеля, молибдена и другие увеличивают его кор­розионную стойкость.

Сплавы цветных металлов. В двигателях медь применяется чаще всего в виде сплава с другими металлами, например с цинком (латуни), оловом (бронзы). Латуни менее стойки к действию коррозионных факторов, чем бронзы, которые хо­рошо работают в присутствии кислот, имеющихся в маслах. Под влиянием атмосферных факторов бронзы и латуни покры­ваются сульфатами и карбонатами меди, которые не разруша­ют металл и не вызывают образования коррозионных язв.

Алюминий и его сплавы стойки к действию атмосферных факторов. Для улучшения механических свойств к алюми­нию добавляются в определенном количестве медь, цинк, крем­ний, марганец, кобальт, хром, реже - железо, олово, сурьма и висмут. Твердые сплавы алюминия обычно многокомпонент­ные. Кроме магния и меди, в этих сплавах присутствуют кремний и марганец, а также никель и железо. Содержание отдельных компонентов сплава зависит от его назначения. Алюминиевые сплавы обладают хорошей коррозионной стой­костью при повышенных температурах благодаря наличию на их поверхности окисной пленки.

Сплавы цинка имеют ограниченную стойкость к коррозии. В присутствии влаги, растворов солей и отработавших газов сплавы цинка легко подвергаются межкристаллитной корро­зии, что увеличивает их хрупкость вследствие образования язв. Сплавы цинка с алюминием не должны содержать примесей железа, так как оно ускоряет коррозию.

Пластмассы. Детали из пластмасс широко применяются в автомобилестроении, так как имеют целый ряд необходимых качеств, в том числе коррозионную стойкость. Из пластмасс изготавливают поплавки карбюратора и бензобака, крыльчат­ку водяного насоса, детали бензинового насоса и спидометра, гибкие валы и др.

Неметаллические материалы не подвержены классическим видам износа, характерным для металлических деталей. В про­цессе эксплуатации они подвергаются изменениям, которые снижают их пригодность и характеризуются общим понятием старения.

Коррозия двигателя и ее причины. Условия работы и на­значение различных автомобильных деталей отличаются боль­шой неоднородностью. Кроме того, автомобиль может нахо­диться в разных климатических и эксплуатационных условиях. Среди всех агрегатов двигатель автомобиля, как правило, быстрее всего подвергается износу, что является результатом тяжелых условий работы. Некоторые из его трущихся частей работают в особенно тяжелых условиях и подвержены, кроме процессов износа, сложным коррозионным процессам, про­текающим при повышенной температуре в химически агрессив­ной среде, создаваемой отработавшими газами. Другие детали двигателя, работающие в менее жестких условиях, подверга­ются только атмосферной коррозии.

Коррозионные повреждения во время эксплуатации двига­теля, как правило, сопутствуют изнашиванию в результате трения. При хорошей смазке поверхностей сопрягаемых де­талей коррозионные процессы заметны мало. Следует отме­тить, что процессы эти во время эксплуатации автомобиля протекают значительно медленнее и их нельзя рассматри­вать самостоятельно. Например, эксплуатационный износ вкладышей коленчатого вала вызван трением, эрозией и кор­розией.

Особенно опасна коррозия чугуна и стали во время дли­тельных перерывов в работе двигателя, при его плохом обслу­живании, при эксплуатации в коррозионной среде. Несмотря на то что трение возникает только на поверхности совместно работающих деталей, происходят изменения и внутри мате­риала. Верхний слой металла детали, благодаря специальным технологическим приемам, имеет лучшие свойства по сравне­нию с внутренними слоями. Кроме того, коррозия всегда на­чинается на поверхности металла, а затем распространяется вглубь, ухудшая механические свойства материала. Среда, в которой протекают коррозионные процессы, оказывает доми­нирующее влияние на их характер. В зависимости от механиз­ма протекания этих процессов в двигателях внутреннего сго­рания возникает химическая, электрохимическая и фреттинг- коррозия.

Химическая коррозия. Возникает в результате действия на металл при повышенной температуре сухих газов (газовая коррозия) или вследствие коррозионного действия жидких ве­ществ, не проводящих ток (масла). При такой коррозии на поверхности металла обычно образуются пленки окислов или сульфидов. Толщина окисной пленки зависит от длительности коррозионного процесса и температуры. Чем выше темпера­тура и продолжительнее процесс коррозии, тем толще стано­вится пленка окислов. Пленки окислов железа не являются устойчивыми к тепловым и механическим ударам. Локальное разрушение такой хрупкой пленки является причиной дальней­шего развития коррозии в глубь металла. Окисление слоя металла при повышенной температуре с образованием на их поверхности слоя разных окислов является типичным проявлением газовой коррозии, которая наблюдается на элек­тродах свечей, клапанах и деталях выпускного тракта двига­теля.

Электрохимическая коррозия. Является результатом дейст­вия на металлы разных электролитов - воды с растворенны­ми в ней газами и кислотами, щелочей, растворов солей. Кор­розия в среде масляно-водной эмульсии, образующейся вслед­ствие неисправностей или неправильной эксплуатации двигате­ля, также служит примером электрохимической коррозии.

Наиболее часто электрохимическая коррозия возникает в результате образования гальванических элементов между разными металлами, так называемых коррозионных пар. Во влажном воздухе или в газах при температуре выше точки росы пар конденсируется на внутренних частях двигателя и вы­полняет роль электролита. Электрохимическая коррозия отлича­ется таким образом от газовой тем, что в ней происходят элек­трохимические процессы обычно при низкой температуре. Тем не менее этот тип коррозии встречается и в системе охлажде­ния, работающей при повышенной температуре.

Фретинг-коррозия. Одной из главных причин поврежде­ний, определяемых часто ошибочно как износ в результате трения, является фреттинг-коррозия.

Несмотря на хорошие условия смазки трущихся деталей, на границе контактируемых поверхностей происходят химические процессы, вызванные механическим воздействием и принимающие активное участие в процессах фрикционного изнашивания. Особенно сильно фретинг-коррозия проявляется на поверхностях деталей, силь­но прижатых друг к другу, но подверженных взаимным колеба­ниям (беговая дорожка подшипников качения, секции топ­ливных насосов, шлицы и др.). В результате такого взаимо­действия возникают коррозионные язвы, а между трущимися поверхностями появляются мелкие зерна окислов. Этот про­цесс, кроме того, связан с локальным выделением тепла, что приводит к химическим изменениям в смазочных средствах (окисление, смолообразование).

Следует отметить, что фретинг-коррозии подвергаются элементы, работающие без смазки или с малым ее количест­вом (винтовые соединения, шлицевые валы, направляющие элементы, заклепки и др.) и находящиеся под действием ста­тической или динамической нагрузки. Колебательные движе­ния таких элементов могут быть даже незаметными и, как правило, не превышают границ принятых допусков. В резуль­тате действия фретинг-коррозии происходит потускнение по­верхности элементов вследствие осаждения продуктов кор­розии (окислов) или частиц металла. В случае больших дав­лений и высокой частоты колебаний появляются глубокие выкрашивания и волнообразность поверхности. Затем появляют­ся зазоры, бороздки, сваривание частей, а также трещины ко­торые являются результатом растягивающего действия, про­дуктов коррозии. К сожалению, даже смазывание хорошими средствами не в состоянии предотвратить фретинг-коррозию.

Коррозионные повреждения могут проявляться по-разному. В зависимости от агрессивности среды и марки металла встре­чаются следующие виды коррозии: равномерная, точечная, язвенная, межкристаллитная, транскристаллитная и подпо­верхностная. Наиболее опасны межкристаллитная и язвенная коррозии, распространяющиеся в глубь металла и вызывающие растрескивание вследствие появления в поверх­ностном слое надрезов. Совместное действие коррозии и на­пряжений особенно опасно для механизмов, работающих при переменной нагрузке.

В большинстве случаев полностью предотвратить коррозию невозможно. Защита состоит только в замедлении коррозионного воздействии среды.

Снижении износа деталей двигателя от трения и коррозии можно добиться лишь тщательной фильтрацией масла и топлива, а также регулярной заменой масла.

Наличие в маслах и топливе загрязнений, а также соединений серы значительно ускоряет скорость протекания коррозионных процессов и вызывает коррозионные разрушения в период длительного простоя двигатели. Кроме того, выделившиеся из масла капли воды в соединении с оставшимися от сгорания агрессивными газами образуют жидкие водные эмуль­сии или электролиты. Они покрывают гладкую поверхность цилиндров, образуя гальванические элементы, которые, в свою очередь являются источником местной электрохимической коррозии Поэтому необходимо уделять должное внимание функционированию системы вентиляции картера которая по­зволяет своевременно удалять продукты распада и сгорания топлив, содержащих этиловую жидкость.

В периоды длительного простоя автомобиля и во время его хранения, например зимой, происходит сильное коррозионное разрушение поверхностного слоя металла деталей двигателя, работающих на трение. Образующийся в результате коррозии влажный гидрат окиси железа покрывает трущиеся поверх­ности, что затрудняет их смачивание маслом и пуск двигателя, а также значительно ускоряет износ. Образовавшиеся на по­верхности очаги коррозии проникают в глубь металла. В ре­зультате электрохимической коррозии на трущейся поверхно­сти образуются значительные язвы, придающие поверхности определенную шероховатость. В результате этого увеличивает­ся фактическое удельное давление на поверхности деталей, ко­торое приводит к образованию локальных выкрашиваний металла.

Профилактические меры. Процесс естественного изнашива­ния двигателей и всего автомобиля неизбежен и чаще всего не зависит от владельца. Он является результатом взаимодейст­вия сложных процессов, таких, как трение, усталость и корро­зия металла. Однако в ряде случаев разрушительное действие одного из этих факторов является доминирующим и совер­шенно очевидным.

В борьбе с коррозией чугуна и стали применяется много разных методов, которые в зависимости от механизма дейст­вия процессов изнашивания в определенных средах оказыва­ют значительное влияние на величину и скорость коррозии. К числу мероприятий, позволяющих уменьшить потери от кор­розии деталей двигателя, можно отнести следующие.

1) Введение в металл деталей легирующих добавок, кото­рые позволяют повысить коррозионную стойкость. При выборе материала детали наряду с противокоррозионными свойствами необходимо учитывать стоимость, технологические и другие свойства.

2) Исключение использования в узлах металлов, ускоряющих коррозию прилегающих деталей.

3) Широкое использование различных видов термохимиче­ской (цементация, азотирование, цианирование) и термической (закалка, отпуск) обработок, позволяющих получать более качественные поверхностные свойства деталей.

4) Применение металлических или неметаллических покры­тий, наносимых: погружением в ванну расплавленного металла (лужение, цинкование, свинцевание); гальваническим спосо­бом (твердое хромирование шеек коленчатого вала, плунже­ров топливного насоса, цилиндров двигателя); диффузией в верхний слой металла (шерардизация, алитированне, диф­фузионное хромирование); химической обработкой поверхности металлов (оксидирование, фосфатирование, хроматирование); окрашиванием для обеспечения противокоррозионной защиты или создания пленки, устойчивой к воздействию высоких тем­ператур.

5) Применение топлив и смазок, содержащих ингибиторы коррозии.

6) Снижение естественного коррозионного износа деталей правильной эксплуатацией двигателя, состоящей в своевремен­ной замене масел и в регулярном контролировании кислотно­сти охлаждающих жидкостей.

Прекращая эксплуатацию автомобиля на длительное время, следует изолировать внутреннюю часть двигателя от атмос­ферного воздуха и провести соответствующую консервацию.

Кроме того, необходимо:

- защитить автомобиль от атмосферного влияния и прежде всего от резких изменений температуры, которые благоприят­ствуют конденсации влаги внутри двигателя;

- периодически проворачивать коленчатый вал двигателя с вывернутыми свечами до появления свежего слоя масла на трущихся поверхностях.

Если автомобиль часто устанавливают на продолжительную стоянку, следует использовать для двигателя рабоче-консервационное масло.