Раскрытие кристаллов кремния

Что понимается под раскрытием?

Под раскрытием понимается осаживание окружающей кристаллы кремния алюминиевой основы. Данная операция необходима, т. к. алюминий в качестве пары скольжения для поршневых колец слишком мягок и поэтому недостаточно износостоек. Поэтому кристаллы кремния в последней технологической операции от окружающего алюминия до определённой глубины освобождаются (раскрываются). Тем самым поршни и поршневые кольца скользят по армированной кристаллами кремния, очень твёрдой и, благодаря этому, очень износоустойчивой рабочей поверхности. Глубина раскрытия (R ) составляет, в зависимости от требований к двигателю и применяемого метода раскрытия, от 0,3 до 0,7 um Ниже минимальной глубины R_pk = 0,3 um раскрытия, однако, не должно быть.

Различные методы раскрытия кремния

Раскрытие травлением

При раскрытии травлением окружающий алюминий вытравляется 10-20% - едким натром при 60° С. Длительность процесса травления определяет при этом глубину раскрытия. При раскрытии травлением кристаллы кремния могут быть раскрыты очень щадяще и глубоко. В отличие от механического раскрытия и раскрытия притиркой кромки кристаллов кремния не округляются. Кромки остаются такими же острыми, какими они получились после хонингования (изобр. 1). Острые кромки вызывают при приработке двигателя незначительно больший износ поршневых колец. Раскрытие травлением для серийного производства блоков цилиндров по методам ALUSIL® и LOKASIL® более не применяется. Собственно процесс травления не представляет собой проблемы, однако количество ванн обработки и очистки велико, и это делает процесс дорогим.

Для блоков цилиндров, изготовленных по Silitec®- методу ради очень малых кристаллов кремния (2-4 |jm) в настоящее время всё ещё применяется более щадящее раскрытие травлением. Механическое раскрытие не смогло до сих пор, из-за недостаточной технологической надёжности, при данном методе пробить себе дорогу.

На изображениях 2 и 3 показана поверхность раскрытого травлением отверстия цилиндров алюминиевого блока цилиндров, изготовленного по LOKASIL -методу, в 150- и 300-кратном увеличении.

Изображение 2

Изображение 3

Раскрытие притирочной пастой (существовавший до сих пор метод раскрытия для ALUSIL® и LOKASIL®- рабочих поверхнос тей цилиндров)

Данный метод применяется исключительно для среднего и капитального ремонта алюминиевых блоков цилиндров. Приданном виде раскрытия окружающий слой алюминия удаляется абразивной пастой с частицами кремния. Притирка осуществляется, однако, не с помощью оправки или притирочной гильзы, но войлочные бруски служат носителями притирочной пасты (изобр. 5).

Свободные режущие зёрна принимают на себя процесс раскрытия. Процесс раскрытия по исполнению очень прост и возможен с минимальной трудоёмкостью. Последующая очистка блока цилиндров от притирочной пасты, однако, более трудоёмка, чем при механическом раскрытии. По этой причине травление притиркой не применяется в серийном производстве. По величине зёрен кремния в пасте и плотности упаковки кристаллов кремния на внутренней поверхности цилиндра паста должна быть подобрана в соответствии с целью применения. Для достижения определённой глубины раскрытия абразивные зёрна притирочной пасты должны быть меньше промежутков между кристаллами кремния внутренней поверхности цилиндра. Предложенная в главе "3.8. Инструменты" притирочная паста пригодна как для обработки Silitec®- рабочих поверхностей цилиндров, так и для рабочих поверхностей цилиндров, произведённых по ALUSIL®и LOKASIL® - методам. Хотя метод раскрытия притиркой применим при всех 3-х вышеназванных методах, для ALUSIL - и LOKASIL®- рабочих поверхностей цилиндров рекомендуется всё же, в первую очередь, механический метод раскрытия.

Изображение 5

Параметры обработки при раскрытии притиркой

При раскрытии притиркой можно работать с выгодными по затратам инструментами. Могут применяться стандартные хонинговальные головки с установкой с помощью зубчатых реек и войлочные бруски. Для получения по всем отверстиям цилиндров равномерных результатов на каждую следующую обрабатываемую рабочую поверхность цилиндра постоянно следует наносить ещё неиспользованную притирочную пасту. Поскольку абразивные зёрна должны прокатываться по поверхности, давление нажатия должно быть малым. Благодаря малому давлению зёрна должны иметь возможность попасть между войлочным бруском и стенкой цилиндра, осуществляя тем самым процесс раскрытия. При слишком высоком давлении нажатия притирочная паста будет, скорее всего, отжата и удалена от стенки цилиндра.

Ведущие бруски, необходимые при хонинговании стали и чугуна для достижения совершенной геометрии отверстия, при раскрытии притиркой применяться не должны. Качество поверхности может ухудшиться, и кристаллы кремния могут быть разрушены. Изменение геометрии отверстия при раскрытии притиркой и без того невозможно. Снятие материала происходит, в лучшем случае, в мм-области.

 Внимание!

Притирочная паста, которая после обработки блока цилиндров не будет удалена без остатка, может привести к износу двигателя. Маленькие острые зёрна кремния в пасте действуют как песок и вызывают значительный абразивный износ. Для обеспечения того, чтобы при очистке блока цилиндров все свободные частицы были удалены с внутренней поверхности цилиндров, рекомендуется отверстия после собственно операции мойки дополнительно протереть пропитанной бензином тряпкой из микроволокна или ей подобной.

Раскрытие механически (новый KS - метод раскрытия для ALUSIL® и LOKASIL®-pa6oчих поверхностей цилиндров)

При механическом раскрытии алюминий удаляется с помощью специально разработанных KS высокопористых брусков для раскрытия. Пористый металл со связкой из искусственной смолы содержит абразивные зёрна из благородного корунда. Бруски для раскрытия, благодаря пористой структуре и эластичности связки, очень мягки и гибки. Благодаря гибкости бруски обладают свойством гнуться под выступающими из стенки цилиндра кристаллами кремния, в то время как алюминий между данными кристаллами снимается. При механическом раскрытии острые края кристаллов кремния дополнительно округляются (изобр. 1 и 2), что влияет на уменьшение износа поршневых колец.

Данный, запатентованный KS Aluminium Technologie AG, метод раскрытия пробил себе дорогу в серийном производстве в качестве стандартного метода раскрытия для ALUSIL®- и LOKASIL рабочих поверхностей цилиндров. Наряду с меньшим временем такта выпуска, механическое раскрытие позволяет применение нормального хонинговального масла и, тем самым, бесступенчато присоединяется к предыдущим технологическим операциям При помощи данного метода возможно достижение средних глубин раскрытия. Чем глубже должно быть произведено раскрытие, тем выше должно быть давление прижатия брусков для раскрытия. Более высокое давление прижатия уменьшает, однако, стойкость брусков для раскрытия.

Изображение 1

Изображение 2

*** для достижения всестороннего раскрытия кристаллов кремния при механическом раскрытии направление вращения инструментов должно изменяться каждые 30 секунд на противоположное.

Контроль результатов

Качество обработки окончательно обработанной алюминиево-кремниевой поверхности зависит, в значительной мере, от 2-х важных факторов: достигнутой глубины раскрытия кристаллов кремния и масштаба разрушения кристаллов.

Глубина раскрытия обеспечивает, что в углублениях между кристаллами кремния будет задерживаться достаточно масла для смазывания поршневых колец и поршня. Примечание: толщина смазывающей плёнки на внутренней поверхности цилиндра может быть измерена новейшими измерительными средствами. Она составляет 1-2 рм.

Разрушение кристаллов при сплошном армировании рабочей поверхности должно удерживаться как можно меньшим. В качестве граничного значения признано здесь 30%. При значении 30% и выше можно, однако, исходить из того, что или при хонинговании, или при сверлении отверстий цилиндров работали не с требуемой тщательностью, или же с неверными параметрами обработки, или не с теми инструментами.

Глубина раскрытия

Глубину раскрытия можно точно измерять только прибором для измерения шероховатости с соответствующим программным обеспечением для оценки. Однако также съёмки с прозрачной плёнкой или микроскоп для наблюдения в отражённом свете дают ответ по качеству обработки и глубине раскрытия. Описания к различным параметрам поверхности находятся в главе "4.1 Малая наука о поверхности".

Масштаб разрушения кристаллов кремния

Степень разрушения кристаллов кремния невозможно определить описанием методом ощупывания острым щупом. Это возможно установить только с помощью микроскопа для наблюдения в отражённом свете, с увеличением от 100 до 150. В серийном производстве масштабы разрушения на рабочих поверхностях не могут быть всякий раз изза трудоёмкости количественно учтены. Ради простоты поверхности сравниваются с картинами рабочих поверхностей известной степени разрушения.

Степень разрушения можно оценить следующим образом:

Выломанные или разрушенные зёрна кремния видны как чёрные углубления. Ряд картин сравнения для степени разрушения по ALUSIL®-рабочим поверхностям цилиндров представлены далее.