Технологии «керамического покрытия» и «APS-напыления» для цилиндров мотоциклов 

Важность силового агрегата для мотоцикла очевидна. В качестве ключевого компонента двигателя в настоящее время существуют два основных типа цилиндров: алюминиевые блоки с литыми чугунными гильзами и цельнометаллические алюминиевые блоки без гильз. Сегодня мы подробно остановимся на цельнометаллических алюминиевых блоках без гильз, которые пользуются популярностью вных мотоциклах с большим объемом двигателя. Так называемый цельнометаллический алюминиевый блок без гильз не является полностью алюминиевым. Для обеспечения износостойкости поверхности цилиндра на алюминиевый блок обычно наносится очень тонкое износостойкое покрытие.

Для цельнометаллических алюминиевых блоков без гильз широко известен «керамический блок цилиндров». На стенках алюминиевого блока методом гальваники создается никель-карбид кремниевое покрытие. Хотя его называют «керамическим блоком», он не изготавливается непосредственно из керамического материала, а получил свое название благодаря свойствам покрытия. Другой тип цельнометаллического алюминиевого блока без гильз использует технологию плазменного напыления для создания износостойкого покрытия на стенках цилиндра, то есть «блок с APS-покрытием». Хотя эта технология не так широко известна среди мотоциклистов, модели, на которых она применяется, наверняка всем знакомы, например, KTM 790, CFMoto 800MT, оппозитный восьмицилиндровый мотоцикл Great Wall Soul и другие.

Что касается технологий «керамического покрытия» и «APS-напыления», обе они придают цельнометаллическому алюминиевому блоку отличную термостойкость, износостойкость, коррозионную стойкость, высокую прочность, низкий коэффициент трения и легкость. Поэтому они особенно эффективны в высокопроизводительных высокооборотных двигателях (например, гоночных мотоциклах и мотоциклах с большим объемом двигателя). Однако по сравнению с технологией «керамического покрытия» технология «APS-напыления» имеет явные преимущества, которые будут подробно рассмотрены ниже.

С точки зрения технологического принципа, процесс «керамического покрытия», то есть электрохимическое осаждение никель-карбидокремниевого композита (Ni-SiC), представляет собой технологию формирования композитного покрытия, в котором частицы карбида кремния внедряются в никелевую матрицу методом электрохимического соосаждения. Основной принцип заключается в том, что под действием электрического поля ионы никеля и взвешенные частицы SiC совместно восстанавливаются и осаждаются на поверхности катода, образуя композитное покрытие с высокой твердостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью. Процесс «APS-напыления», то есть плазменное напыление, представляет собой технологию, при которой плазменная дуга используется в качестве источника тепла для нагрева напыляемого материала до расплавленного или полурасплавленного состояния, который затем с определенной скоростью наносится на предварительно подготовленную поверхность основного материала, формируя поверхностное покрытие.

Это два различных метода поверхностной инженерии: один — гальваническое покрытие, другой — термическое напыление. Помимо различий в технологическом принципе, гальваническое покрытие требует сложных этапов предварительной обработки (таких как обезжиривание, ультразвуковая очистка, шероховатость поверхности, активация поверхности, промывка и т.д.) и последующей обработки (промывка-сушка), в то время как процесс «APS-напыления» имеет относительно простые этапы предварительной обработки (промывка-шероховатость поверхности) и последующей обработки (промывка). Поэтому с точки зрения технологического процесса производства покрытия процесс «APS-напыления» обладает более высокой управляемостью производственного процесса и меньшими факторами риска для качества.

Поскольку процесс «керамического покрытия» предъявляет строгие требования к качеству заготовок цельнолитых алюминиевых блоков цилиндров, не допуская наличия пор, раковин и других дефектов на поверхности цилиндров, для литья заготовок блоков цилиндров в основном используются более дорогие, но обеспечивающие лучшее качество методы литья под низким давлением или гравитационного литья. Алюминиевые сплавы также часто ограничиваются несколькими марками, такими как AC4B. В то же время процесс «APS-напыления» предъявляет относительно низкие требования к качеству заготовок цельнолитых алюминиевых блоков цилиндров, допуская наличие пор и раковин на поверхности цилиндров в пределах установленных норм. Это связано с тем, что процесс «APS-напыления» может заполнять и перекрывать мелкие поры и раковины, а также с тем, что структурные характеристики покрытия, имеющего микропоры на поверхности после «зеркального хонингования», позволяют использовать их в качестве масляных карманов. Поэтому цельнолитые алюминиевые блоки цилиндров, используемые в процессе «APS-напыления», могут быть изготовлены любым методом литья. Для крупносерийного производства цельнолитых алюминиевых блоков цилиндров использование литья под высоким давлением позволяет снизить производственные затраты и повысить эффективность производства, а также обеспечивает более высокий процент выхода годной продукции. Еще одним преимуществом процесса «APS-напыления» является то, что он не ограничивается типом алюминиевого сплава; напыление может быть выполнено на поверхности любого алюминиевого материала.

В отрасли существует однобокое мнение, что технология «APS-напыления» наносит на внутреннюю стенку цилиндра лишь слой железа, и что её твёрдость и термостойкость не могут сравниться с никель-карбидом кремния. Однако на самом деле температура плазменной дуги, создаваемой при «APS-напылении», превышает 10 000 °C, что позволяет плавить такие материалы покрытия, как металлы, металлокерамические композиты и чистую керамику. Поэтому напыляемое покрытие — это не только износостойкое покрытие на основе железа, но и множество других, более качественных материалов, которые обеспечивают более совершенные типы покрытий для двигателей с более высокими характеристиками.

Что касается технологий «гальванического керамического покрытия» и «APS-напыления», то в процессе хонингования покрытий между ними существуют значительные различия. Покрытие «гальванической керамики» имеет традиционную сетчатую структуру хонингования, а поверхность представляет собой перекрестную сетку. Покрытие же «APS-напыления» — это «зеркальное хонингование», поверхность которого имеет зеркальную пористую структуру. Плавные и округлые мелкие поры служат масляными карманами, а гладкая поверхность обладает более низким коэффициентом трения. По сравнению с традиционной сетчатой структурой, при длительной работе двигателя канавки сетки на поверхности гальванического керамического покрытия становятся мельче, и смазывающая способность поверхности цилиндра снижается. Равномерная пористая структура поверхности покрытия «APS-напыления» позволяет равномерно распределять масло по поверхности цилиндра, обеспечивая хороший смазывающий эффект. Кроме того, по мере износа покрытия открываются новые поры, что гарантирует поддержание хорошего смазывания на протяжении всего срока службы двигателя и продлевает его эксплуатационный ресурс.

Гальваническое керамическое покрытие

С точки зрения экологического соответствия, гальваника, как типичный высокозагрязняющий процесс в обрабатывающей промышленности, долгое время находилась под строгим контролем экологических норм как в стране, так и за рубежом. Развитые страны постепенно закрывают традиционные гальванические производства путем модернизации промышленности. В то же время, в Китае на фоне углубления политики «двойного углерода» гальванические предприятия сталкиваются с двойным давлением: необходимостью экологической модернизации или вывода мощностей. Эта тенденция передается по цепочке вниз: производители мотоциклов могут столкнуться с риском перебоев в поставках цилиндров с гальваническим керамическим покрытием. Напротив, технология «APS-напыления» благодаря своим экологически чистым производственным характеристикам, интегрируя эффективную систему пылеулавливания (эффективность улавливания пыли > 99%), позволяет эффективно контролировать выбросы загрязняющих веществ и значительно снижать риски, связанные с экологическим соответствием.

В целом, в данной статье подробно рассматриваются технические характеристики процессов «керамического покрытия» и «APS-напыления» для цилиндров мотоциклетных двигателей. По мере того как технология APS-напыления продолжает добиваться прорывов в комплексных характеристиках и экономической эффективности, она с большей вероятностью станет основным технологическим направлением в будущем. Эта тенденция технологического развития заслуживает постоянного внимания отрасли.