Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ В ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИИ

Злобин В.Н. 1 Васильев И.П. 2 Зеляковский Д.В. 1, 3
1 ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»
2 Луганский университет им. В. Даля
3 ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет»
Принципиальное отличие ионной имплантации от этих способов заключается в том, что ионы наносимого металла внедряются в кристаллическую решетку поверхности без границы раздела, что исключает скалывание этого слоя. В статье рассмотрено применение ионной имплантации для улучшения свойств поверхностей деталей двигателей внутреннего сгорания. Описана установка ионной имплантации и принцип ее работы. Приведены примеры использования способа при нанесении покрытий на прецизионные детали дизелей и приготовлении катализаторов для нейтрализаторов двигателей. Способ связан с нетепловым характером легирования, относится низкотемпературное осуществление процесса, возможность введения любой примеси в разные твердые тела, точный контроль глубины и профиля распределения примеси, легирование через диэлектрические и тонкие металлические покрытия, возможность полной автоматизации процесса.
ионная имплантация
источник ионов
распылитель
плунжерная пара
поршень
катализатор
1. Злобин В.Н. Источник ионов для технологических установок / В.Н. Злобин, И.П. Васильев, В.В. Лукин // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. – 2005. – № 4 (14). – С. 45–48.
2. Злобин В.Н. Нанотехнология для производства нейтрализаторов] / В.Н. Злобин, И.П. Васильев, В.М. Фокин // Строй МАСТЕР (Россия, Волгоград). – 2006. – № 10 (54). – С. 59.
3. Злобин В.Н. Особенности работы источника ионов установки ионной имплантации / В.Н. Злобин, А.В. Зотов, В.И. Васильев // Вісн. Східноукр. нац. ун–ту імені Володимира Даля. – 2002. – № 11 (57). – С. 137–142.
4. Клюс О.В. Использование метода ионной имплантации при нанесении каталитических покрытий на детали двигателей внутреннего сгорания / О.В. Клюс, И.П. Васильев, П.Н. Гавриленко, Ю.А. Черкасов, В.Н. Злобин // Прогрессивные технологии, машины и механизмы в машиностроении: сборник научных трудов Междунар. научно-технической конф. БАЛТЕХМАШ-2002. – Калининград (Россия), 2002. – С. 259–261.
5. Устройство для нанесения покрытий в вакууме / И.П. Васильев, В.Н. Злобин, П.Н. Гавриленко, Т.Х. Аглемерьян (СССР); Ворошиловградский машиностроительный институт и РФ ДХТИ (СССР). – № 4346878/24–21; Заявлено 22.12.87; Зарег. 15.07.90.
6. Хирвонен Дж.К. Ионная имплантация / под ред. Дж.К. Хирвонена; пер с анг. – М.: Металлургия, 1985. – 392 с.
7. Bannikov M. G. Investigation of Properties and Structure of Surfaces Processed by Ion Implantation Technique / M.G. Bannikov, V.M. Gromenko, A.J Chattha., I.P. Vasilev // Proceedings of First International Conference on Frontiers of Advanced Engineering Materials (FAEM – 2004). Lahore (Pakistan), 2004. – Р. 270–273.
8. Klyus O. Zastosowanie implantacji jonowej dla nanesiena powіok katalitycznych na elementy komory spalania silnikуw wysokoprкїnych / О. Klyus, P. Gavrilenko, S. Cherkasov, I. Vasilev, V. Zlobin // Alternative feeding of diesel engines problems of maintenance of power units: 5th International scientific conference on combustion engines KONSSPAL’ 2002. – Tadeusz Koњciuszko Military Academy, Wrocіaw (Poland). 14–15 May 2002. – Р. 133–136.
9. Zlobin V.N. Potential of use of ion implantation as a means of catalyst manufacturing / V.N. Zlobin, M.G. Bannikov, I.P. Vasilev, J.A. Cherkasov, P.N. Gawrilenko // Automobile Engineering. – 2002. – Vol. 216. – № D5. – P. 385–390.

В настоящее время большое внимание уделяется высокотехнологичным способам нанесения различных покрытий с заданными свойствами. Существующие способы, такие как плазменный, детонационный, обладают следующим недостатком. Эти покрытия имеют определенную толщину, что при частых циклах изменения температур приводит к их скалыванию.

Принципиальное отличие ионной имплантации от этих способов заключается в том, что ионы наносимого металла внедряются в кристаллическую решетку поверхности без границы раздела, что исключает скалывание этого слоя [2, 6].

Кроме этого, к преимуществам этого способа, который в основном связан с нетепловым характером легирования, относится низкотемпературное осуществление процесса, возможность введения любой примеси в разные твердые тела, точный контроль глубины и профиля распределения примеси, легирование через диэлектрические и тонкие металлические покрытия, возможность полной автоматизации процесса.

Традиционная установка ионной имплантации содержит: источник ионов, систему вытягивания и ускорения ионов, анализатор ионов по массе, систему фокусировки и сканирования, приемное устройство.

Работа установки происходит следующим образом: ионы вытягиваются из источника ионов, поступают в систему ускорения, где разгоняются сильным электростатическим полем. Для удаления многозарядных и других нежелательных по каким-либо причинам ионов служит электромагнитный сепаратор, в котором ионы разделяются по массам.

В предлагаемой установке отсутствуют анализатор ионов по массе и система фокусировки и сканирования, что позволяет повысить возможности имплантации путем использования многозарядных ионов, что увеличивает проникновение ионов по глубине, а при нанесении покрытий на неметаллические поверхности используется слой нейтралей металлов для предварительной металлизации таких поверхностей.

Максимальный диаметр пучка ионов на обрабатываемой поверхности составляет 500 мм при плотности тока 5–20 мкА/см2.

Фотография установки ионной имплантации представлена на рис. 1, схема установки на рис. 2.

pic_36.tif

Рис. 1. Установка ионной имплантации

pic_37.wmf

Рис. 2. Схема установки ионной имплантации: 1 – вакуумная камера; 2 – источник ионов; 3 – форвакуумный насос; 4 – высоковакуумный агрегат; 5 – вентиль предварительной откачки; 6 – вентиль основной откачки; 7 – натекатель; 8 – вакууметр; 9 – блок питания и управления; 10 – баллон с азотом; 11 – баллон с кислородом; 12 – стол; 13 – обрабатываемая деталь

pic_38.wmf

Рис. 3. Схема источника ионов: 1 – анод газового кольцевого разряда; 2 – катод газового разряда (он же анод разряда мишени); 3 – катод разряда мишени (он же анод в паре мишень – деталь); 4 – катод в паре мишень – деталь; 5 – сменная часть мишени

Схема источника ионов представлена на рис. 3 [1, 3].

Были отработаны технологии нанесения упрочняющих покрытий на прецизионные поверхности топливной аппаратуры дизелей. Образцы покрытий представлены на рис. 4 а, б.

pic_39.tif pic_40.tif

а б

Рис. 4. а – распылители завода ЯЗДА (г. Ярославль) (справа после обработки ионной имплантацией); б – плунжерные пары топливного насоса дизеля (справа после обработки ионной имплантацией)

Отрабатывалась технология нанесения каталитических покрытий на носители в виде насыпного керамического носителя, металлического носителя в виде прессованного металловолокна и листового носителя с использованием в качестве подложки g-Аl2O3 [7, 9].

На рис. 5 представлен носитель ШН-2 с покрытием платиной.

pic_41.tif

Рис. 5. Каталитический носитель ШН-2 с покрытием платиной

Также была отработана технология нанесения катализаторов на поверхности деталей камеры сгорания [4, 8]. Катализатор наносился на поршни двигателя ЗИЛ-6451 (ОАО «Завод им. ИА. Лихачева», г. Москва) (рис. 6).

pic_42.tif

Рис. 6. Платиновое каталитическое покрытие на поршнях дизеля ЗИЛ-6451

При испытаниях по 13-ступенчатому ездовому циклу было зафиксировано снижение выбросов NOx на 13 %, СН на 50 %, СО на 12 %.

Для наиболее эффективного использования каталитического воздействия необходимо использовать камеры сгорания специальной формы, например представленную на рис. 7.

pic_43.tif

Рис. 7. Камера сгорания дизеля с переменной геометрией соединительного канала: 1 – предкамера; 2 – накладка; 3 – выступ; 4 – каталитическое покрытие

В этой камере сгорания 75 % сгорающего топлива подвергается контакту с поверхностью выступа и, соответственно, каталитической обработки.

На рис. 8 представлен выступ камеры сгорания с каталитическим покрытием.

pic_44.tif

Рис. 8. Выступ камеры сгорания дизеля с переменной геометрией соединительного канала после ионной имплантации

Было разработано устройство для нанесения каталитических покрытий способом ионной имплантации [5].

Из приведенного следует, что одним из перспективных способов улучшения трибологических и каталитических свойств деталей двигателей внутреннего сгорания является ионная имплантация. При этом открывается широкий спектр возможного использования этого способа на трущихся деталях двигателей (прецизионных деталях топливной аппаратуры, распредвалах и т.д.) и на каталитических носителях, как керамических, так и металлических. Изменением режима обработки и наносимого покрытия возможно получить покрытие с заданными свойствами.

Рецензенты:

Рябцев В.Г., д.т.н., профессор кафедры «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве», ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет», г. Волгоград;

Рогачев А.Ф., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Математическое моделирование и информатика», ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет», г. Волгоград.


Библиографическая ссылка

Злобин В.Н., Васильев И.П., Зеляковский Д.В. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ В ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИИ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 7-4. – С. 707-711;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38805 (дата обращения: 03.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074