Восстановление цилиндров с покрытием Nikasil

За последние несколько десятилетий появилось много автомобильных и мотоциклетных двигателей с алюминиевыми блоками цилиндров, причем без применения чугунных гильз. Подобная конструкция мотора имеет несколько преимуществ, в том числе лучшую теплопередачу, меньший расход масла и возможность работы с меньшими зазорами. Однако первоначально основной целью было существенное снижение веса – ведь силуминовый блок цилиндров существенно легче чугунного. Однако алюминиевая поверхность цилиндра изнашивается гораздо быстрее, чем чугун и для повышения износостойкости пришлось придумывать специальные покрытия, по которым могли надежно работать поршни и поршневые кольца.

Одним из самых распространенных типов покрытия стал Nikasil®, когда поверхность алюминиевого цилиндра покрыта тонким слоем никеля. Сама технология была разработана корпорацией Mahle, еще в конце 1960-х годов прошлого века. Правда, автопроизводители не сразу оценили ее преимущества. Например, компания Porsche, начала использовать ее в начале 70-х годов, но на протяжении следующих двадцати лет оставалась в одиночестве, когда Nikasil® стали применять BMW, Jaguar и Ferrari. Кроме того, многие производители спортивных двигателей, в течение последних 20 лет, внедрили некоторые вариации никелевого покрытия цилиндров. Преимущества ее в том, что применяются сравнительно недорогие материалы и проще обработка заготовок.

Однако есть и недостатки. Никелевое покрытие чувствительно к «химическому» воздействию. Так, Jaguar в свое время заменил по гарантии много двигателей, из-за того, что применение сернистого бензина, в сочетании с перегревом, привело к разъеданию покрытия гильз цилиндров. Кроме того, тонкий слой никеля не позволяет растачивать цилиндры в ремонтный размер и, соответственно, отсутствуют и ремонтные поршни. И вот тут появляется еще одна трудность – как быть владельцу автомобиля или мотористу, если в цилиндрах двигателя появились глубокие – в несколько миллиметров глубиной – задиры (по тем или иным причинам). Ведь расточить цилиндр в увеличенный размер невозможно…

Рис. 1 Так выглядит цилиндр мотоциклетного двигателя с глубокими задирами.

Один из способов решения проблемы – использование гальванического процесса для восстановления слоя никеля. Поэтому некоторые компании разработали и успешно применяют подобные процессы. К примеру, одна из компаний, выполняющих подобные работы – Langcourt Performance из Обурна, штат Алабама, которая, имея более чем двадцатипятилетний опыт в этой области, стала одной из ведущей в нанесении гальванических покрытий. Основываясь на ее опыте, мы попробуем рассказать об этой технологии от начала и до конца. Стоит только отметить, что основную часть продукции этой фирмы составляют отдельные цилиндры мотоциклетных или лодочных двигателей. Обработка блока цилиндров автомобильного двигателя сложнее, но принципиально ничем не отличается от нижеописанной.

Первый шаг – при поступлении в ремонт деталь (отдельный цилиндр или блок целиком) регистрируют, чтобы иметь возможность отслеживать ее перемещение в технологическом процессе. Сразу после этого она направляется в мастерскую для тщательной мойки и очистки. Чистота – один из основных моментов, обеспечивающих высокое качество восстановления детали.

После первичной мойки деталь направляется на пескоструйную обработку, чтобы удалить остатки загрязнений. Затем поврежденный цилиндр помещают в ванну с азотной кислотой – для травления и удаления исходного никелевого покрытия. Травление продолжается от одного до полутора часов, в зависимости от толщины покрытия и концентрации кислоты. Во время травления, на поверхности кислоты образуется желтая пленка, которую обязательно нужно удалять.

После травления, цилиндр снова тщательно промывают, а затем перемещают на пост сварки. Здесь поврежденный участок заваривают – т. е. наплавляют во вмятину слой алюминия, чтобы восстановить поврежденную поверхность.

После чего деталь поступает на участок механической обработки. Здесь, с помощью пневмоинструмента со специальными фрезами, с наплавленного участка удаляют избыток металла, приближаясь к первоначальному размеру отверстия. Затем цилиндра растачивают, с небольшим припуском под нанесение нового покрытия. Для этого Langcourt использует пятиосевой обрабатывающий центр Rottler F69 ATC, очень быстро растачивает грубо обработанный цилиндр.

Рис. 2 Поврежденный цилиндр, подготовленный к нанесению покрытия.

Сразу после расточки цилиндр очищают горячим паром, а затем промывают горячей водой, с использованием особой щетки из пемзы, которая очищает цилиндр от остатков моющих средств и делает расточенную поверхность шершавой, для лучшей адгезии покрытия.

Затем ремонтируемые цилиндры сортируются по диаметру и длине отверстия. Это делается для того, чтобы несколько однотипных деталей можно было «окунуть» в гальваническую ванну одновременно.

Перед началом «гальваники» цилиндры устанавливают на специальную арматуру, изготовленную из полипропилена. Так как он не реагирует с кислотами, щелочами и электролитами, используемыми при нанесении никелевого покрытия и защищает прочие поверхности обрабатываемых деталей. Подготовленные таким образом детали замачивают, погружая в ванну с водой, а затем переносят в емкость с раствором каустической соды. Щелочная ванна, занимающая всего несколько минут, «вскрывает» поры на поверхности цилиндра, чтобы улучшить сцепление никеля с основным металлом. Затем снова следует промывка водой, чтобы убрать избыток щелочи.

Потом цилиндры помещают на три минуты в азотную кислоту, которая удаляет оксиды алюминия и разъедает поверхность, чтобы подготовить цилиндр для следующего этапа обработки.

И опять цилиндры ополаскивают водой, чтобы без промедления поместить их в ванну с борной кислотой, которая действует как буфер кислотности (pH). Если не поддерживать нужную кислотность электролита, то покрытие хорошего качества вам не получить. Уровень рН проверяется лакмусовой бумагой несколько раз в течение дня. Затем сборка деталей помещается в раствор цинката. При этом химически удаляется слой оксида с алюминия и одновременно на поверхность детали осаждается слой цинка, который защищает алюминий от окисления.

Затем детали последний раз промывают водой, прежде чем направить в гальваническую ванну. Стоит отметить, что раствор электролита в ванне подогрет до 140° С. Внутрь каждого цилиндра, по его центру, помещают анод, то есть «плюсовой» электрод. А «-» подсоединяется непосредственно к деталям. Из-за разницы потенциалов никеля осаждается на поверхности цилиндра. После того, как цилиндры погружены в электролит, включаются выпрямители, а затем быстро проверяется напряжение на каждом аноде. Оно составляет не более 10 В, а сила тока определяется площадью обрабатываемой поверхности. Причем она плавно увеличивается до нужного уровня. Окончательное нанесение никелевого покрытия занимает от одного до трех часов.

 

Рис. 3 Гальванический участок. Хорошо видны ванны с электролитом

 

По завершении гальванического процесса цилиндры перемещают для финишной обработки на хонинговальный участок. Где установлен станок Rottler H75A, с ЧПУ. С помощью алмазных брусков достигается точная геометрия и шероховатость поверхности отремонтированного цилиндра.

Рис. 4 Так выглядит цилиндр с восстановленным покрытием после хонингования

 

Чем хороша подобная технология? Прежде всего, это удобно для тех, кто хочет сохранить дорогой или редкий блок, вернув изношенным цилиндрам исходный размер. По сути, так можно восстановить почти любой алюминиевый цилиндр, если повреждение (задир, вмятина, глубокая царапина) не слишком велико.

Рис. 5 Блок цилиндров Porsche до и после: слева – цилиндр с повреждениями, справа – восстановленный

 

Однако, применение кислот, щелочей и других, не слишком «полезных» химикатов делают эту технологию сложной, довольно дорогой, требующей строгого соблюдения техники безопасности и предъявляющей особые требования к производственным помещениям. В ряде случаев ничуть не худших результатов можно достичь с помощью более привычной и безопасной металлообработки – расточки и хонингования. То есть поврежденный алюминиевый блок или отдельный цилиндр можно… загильзовать. А как это делается – мы расскажем в следующий раз.