Все мы отлично знаем, что на некоторых двигателях используются вкладыши Sputter. Стоят они сильно дороже обычных, рабочая поверхность у них, как правило, темно серая и написано на них «Sputter». А что это значит? Принято считать, что так обозначают «усиленные» вкладыши для высоконагруженных двигателей. Но так ли это?
Если вы знаете английский язык, то вам понятно, что означает в переводе на русский это самое «Sputter», а если с английским у вас не очень хорошо (как, например, у нас), то, благо, сегодня нет никакой проблемы узнать значение этого слова с помощью, скажем, яндекс-переводчика. А значит оно «распыление». Только и всего! Т.е. просто, как бы, что-то на вкладыши распылили:). На самом деле, все несколько сложнее.
Технология Sputter – это процесс физического осаждения из газовой фазы (PVD - Physical Vapor Deposition).
В вакуумной камере инертный газ (обычно аргон) ионизируется и создает плазму. Ионы инертного газа с высокой энергией бомбардируют мишень (катод) из наносимого материала (например, сплава на основе алюминия или олова). Атомы этого материала "выбиваются" (распыляются) с поверхности мишени и осаждаются на подложку, например, стальную ленту будущего вкладыша, формируя тонкое, плотное и однородное покрытие.
В отличие от традиционных методов, технология Sputter позволяет создавать многослойные наноструктурированные покрытия с точным контролем состава и толщины каждого слоя (до микронных и субмикронных значений). Такие покрытия невозможно получить классическими способами.
Возникает естественный вопрос: материал, из которого «выбиваются» атомы, это, например, сплав алюминия и олова. Значит, получается «распыление» атомов алюминия и атомов олова. А на подложку они осаждаются в том же процентном соотношении?
Ответ: Да. Это и есть одно из главных достоинств метода. Почему? Вот почему:
· Sputtering — это физическое выбивание атомов с поверхности мишени за счет кинетической энергии ионов инертного газа. Это не плавление и не испарение, где разные элементы имеют сильно различающуюся летучесть (давление пара). Процесс подобен "атомарному дроблению" поверхности.
· При правильно настроенном процессе (стабильное давление газа, температура и наверное, еще другие параметры, о которых нам не расскажут) атомы разных элементов (Al и Sn в нашем примере) выбиваются с поверхности мишени примерно с той же вероятностью, с которой они в ней присутствуют. Пока мишень не истощена, состав облака распыленных атомов близок к составу мишени.
· Эти атомы, практически не взаимодействуя друг с другом в газовой фазе (из-за высокого вакуума), осаждаются на подложку, формируя слой с тем же химическим составом.
Технология Sputter используется, в частности, для нанесения рабочего антифрикционного слоя на основу вкладыша.
- Подготовка основы: Стальная лента очищается и на нее гальваническим способом может наноситься промежуточный подслой (например, медь-свинец или алюминий) для улучшения усталостной прочности и адгезии.
- Нанесение sputter-покрытия: Лента помещается в вакуумную sputter-установку. В качестве мишени используется сплав, например, AlSn20 (алюминий с 20% олова) или более сложные сплавы с добавками кремния, меди, марганца. Атомы этого сплава распыляются и осаждаются на основу.
- Особенности sputter-слоя: Получаемый слой имеет нанокристаллическую или аморфную структуру, что придает ему уникальные свойства: высочайшая однородность, отсутствие пор и включений, отличная адгезия к основе, повышенная твердость и износостойкость при сохранении хороших антифрикционных свойств.
- Завершение: Наносится микрорельеф (хонингование) и, иногда, сверхтонкий приработочный слой.
Технология Sputter является передовой и запатентованной, поэтому ее используют в основном ведущие мировые производители для своих топовых продуктов:
· Federal-Mogul (бренды Glyco): Пионеры в коммерческом применении sputter-технологии для вкладышей. Их технология называется "Sputtered GlycoBearings".
· Mahle (бренд IROX): Разработали собственную продвинутую технологию "IROX Sputter", которая считается одной из лучших на рынке для высоконагруженных двигателей.
· Kolbenschmidt (отделение Rheinmetall): Активно используют и развивают PVD/sputter-технологии для своих премиальных серий вкладышей.
· Daido Metal (бренд "Dura-Bearing"): Имеют собственные наработки в области sputter-напыления.
· King Engine Bearings (линейка King Racing Series (KRP)): Топовая продукция компании предназначенная для гоночных и турбированных высокофорсированных двигателей.
Важно помнить, что эти же компании производят вкладыши по классическим технологиям (литье, электроосаждение). Продукция со sputter-покрытием всегда позиционируется как высокотехнологичная и поставляется, в первую очередь, для конвейерной сборки современных двигателей и на вторичный рынок для ремонта высокофорсированных моторов.
Как мы знаем из классики, от людей и предметов образуются тени😊. Также практически любая новая технология, наряду с достоинствами имеет и недостатки. Технология Sputter не является исключением:
Достоинства
Высокая усталостная прочность: Наноструктура противостоит образованию микротрещин, что критически важно для турбированных и дизельных двигателей с высокими удельными нагрузками.
Превосходная износостойкость: Плотное, однородное покрытие медленнее изнашивается, увеличивая ресурс вкладыша.
Улучшенные противозадирные свойства: Однородное распределение мягкого компонента обеспечивает стабильный антифрикционный эффект.
Тонкий и контролируемый слой: Позволяет минимизировать габариты двигателя без потери надежности.
Отличная адгезия к основе: Исключает риск отслоения рабочего слоя от стальной спинки при экстремальных нагрузках.
Стабильность свойств: Исключены дефекты литья (раковины, неоднородность состава).
Недостатки
Высокая стоимость: Сложное вакуумное оборудование и длительный процесс делают производство значительно дороже традиционных методов.
Требовательность к качеству сборки и чистоте: Из-за высокой твердости и тонкости слоя вкладыши Sputter менее терпимы к монтажным ошибкам, абразиву и недостаточной смазке при запуске.
Ограниченная толщина слоя: Толщина sputter-покрытия, как правило, меньше, чем у литых баббитов. Это требует более точной обработки посадочных мест.
"Быстрый" отказ: При критическом нарушении условий смазки износ происходит стремительно, в отличие от более пластичных традиционных покрытий.
В сухом остатке имеем: Sputter-технология — это высокотехнологичный "премиум" в производстве вкладышей. Она дает решающие преимущества в производительности и надежности для современных высоконагруженных двигателей, но требует высокой культуры производства, сборки и обслуживания. В обычных атмосферных двигателях с умеренными нагрузками ее преимущества могут быть не столь очевидны на фоне существенно более высокой стоимости.