چکیده:
در تحقیـق حاضـر موضوعـات مرتبـط بـا کیفیـت اتصـال بیـن بوش های چدنـی، مغزی هـای قـرار گرفتـه در یـک پوسـته موتـور خـودرو دایکسـت شـده از نظـر فرسـایش ماکـرو و میکروسـکوپی سـطح در تمـاس سـیلندر مـورد بررسـی قـرار گرفتـه اسـت. مشـخص گردیـد کـه فـن آوری معمـول روش ریخته گری پــر فشــار (دایکســت) HPDC1 پوسته های موتــور از جنـس آلیـاژ Al-Si بـه همـراه بوش هـای چدنـی کـه در آن بوش سـیلندر دوبـاره بـاز تولیـد میشـود، اتصـال فلـزی آنهـا اطمینـان بخـش نیسـت.
بــا کار کــردن موتــور، فاصلــه میکروســکوپی ضخیمتــر شــده و موجــب بدتــر شــدن شــرایط بــرای تجمــع حــرارت از بــوش بــه پوســته موتــور می شود، تــا بــه طــور موضعــی نیــز روی ســطح ســیلندر، کاهش هــای اثــرات هونینــگ و ترک هــای طولــی بــه وجــود می آید. مکانیــزم ارائــه شــده در خصــوص فرســایش میکروســکوپی ســطح ســیلندر، متناســب بــا مورفولــوژی جدایــش گرافیــت مــورد تأییــد قــرار گرفــت.
مکانیــزم بــه وجــود آمــدن شکســت های میکروســکوپی در ناحیــه یوتکتیــک فسـفر و رسـوبات گرافیـت ارائـه شـد کـه ایـن شکسـت هـا بـا تشـکیل ترک هـای میکروسـکوپی در یوتکتیـک و لایـه لایـه شـدن در مـرز زمینـه و یوتکتیــک ایجــاد میشــوند.
1- مقدمه
در جریــان کار کــردن موتــور، مجموعــه پیســتون و ســیلندر از درون ســیلندر در هنــگام فراینــد احتــراق تحــت یــک فشــار بــالا بــه همــراه بارهـای حرارتـی متنـاوب و همچنیـن نیروهـای جانبـی از طـرف سیسـتم میــل لنــگ قــرار دارد. ســرعت های بــالا، متغیــر دورانــی میــل لنــگ بــه پیسـتون منتقـل شـده بـه طـور قابـل توجهـی شـرایط کاری رینگ هـای پیسـتون بـا سـطح سـیلندر تحـت تأثیـر قـرار داده و موجـب فرسـایش سایشــی میگــردد.
ویژگی هــای مالشــی (تریبولوژیــک) بوش های ســیلندر و رینگ هــای پیســتون در ایجــاد تلفــات انــرژی در موتورهــا بــا احتــراق درونــی حســاس و تعیینکننــده اســت. (1)
بنابرایــن تلاش های مســتمری در جریــان اســت تــا بــا ارتقــای آلیاژهـای بـوش سـیلندر و رینگ هـا همچنیـن هندسـه سـاختار سـطحی شـرایط کاری بهبـود و فرسـایش و اصطحـکاک کاهـش یابـد. بـه منظـور کاهـش هزینه هـای تحقیـق ایـن تلاش ها بیشـتر براسـاس آزمایشـات آزمایشـگاهی انجـام میشـود. تحقیقـات اندکـی بـر روی ایـن موضـوع و بـر روی اجزایـی از موتـور بـا کارکـرد زیـاد صـورت پذیرفتـه اسـت.
بـه طـور معمـول در خودروهـای سـورای کار کـرده سـطح تمـاس سـیلندر در بوش های چدنـی و مغزی هـای قـرار داده شـده در فراینـد دایکسـت پوسته های موتــور بــاز تولیــد می شود.
بایــد در نظــر گرفتــه شــود کــه چنیــن اتصالــی میتوانــد موجــب بــه وجــود آمــدن یــک فاصلــه میکروســکوپی شــده و جریــان حــرارت را دچــار پیچیدگــی نمایــد (2) یــک اتصــال محکــم فلــزی میتوانــد بــا ایجــاد یــک لایــه آلفینــه شــده از یــک آلیــاژ Al-Si بیــن ســطح بــوش چدنــی نشــانده شــده و پوســته موتــور بــه وجــود آیــد. (5، 4، .3) البتــه ایــن راه حــل مســتلزم هزینه هــای بالاتــر تولیــد اســت.
براســاس تحقیقــات نگارنــده (6) ایــن نــوع اتصــال بــوش چدنــی نشـانده شـده (مغـزی) بـا پوسـته موتـور سـاخته شـده از آلیـاژ Al-Si در موتـور مرسـدس بنـزCDI V6 و موتـور مرسـدس بنـز CDI V8 انجـام شــده اســت.
همچنیــن بــرای دســتیابی بــه یــک اتصــال فلــزی پیوســته بیــن بوش هــای چدنــی نشــانده شــده (مغــزی) بــا پوســته ســاخته شــده از آلیــاژ Al-Si از روش اســپری حرارتــی ســطح خارجــی پــوش چدنــی بــا پودرهایــی از آلیــاژ Al-Si نیــز اســتفاده می شود. (8 و 7)
براســاس تحقیقــات نگارنــده (9) بوش هــای اســپری حرارتــی شــده بـرای تولیـد پوسـته موتـور ریختگـی آلیاژهـا Al-Si بـه روش دایکسـت توســط شــرکت میتسوبیشــی بــرای موتــور NNC، شــرکت ولــو بــرای موتـور N2P2S و مرسـدس بنـز در موتـور اسـتفاده شـده اسـت. از پوسته های موتــور بــا بوش های چدنــی نشــانده شــده در قالــب دایکســت بــه صــورت مغــزی عمــر طولانــی و خوصیــات بــالای عملکــرد مــورد انتظــار می باشــد.
آلیــاژ و فــن آوری بــرای آماده ســازی ســطوح تمــاس ســیلندر بایــد اطمینــان از یــک ضریــب اصطــکاک پاییــن، مقاومــت بــالا بــه ســایش و خوردگــی شــیمیایی، حساســیت پاییــن، چســبندگی، ظرفیــت بــالای جــذب ارتعــاش و مقاومــت بــه فرســایش کندگــی، هدایــت حرارتــی خــوب و قابلیــت انتقــال بارهــای مکانیکــی و حرارتــی بــه وجــود آیــد. (9 و 10)
براسـاس داده هـای تولیـد کننـدگان خـودرو و آلیـاژ اصلـی بـه کار رفتـه بـرای بوش های سـیلندر چـدن خاکسـتری یـا گرافیـت ورقـه ای در یـک زمینـه پرلیتـی (9) اسـت تـا بـا الزامـات عملکـردی بـرای بوش هـا یعنـی خصوصیــات ریخته گری و قابلیــت ماشین کاری انطبــاق داشــته باشــد. (11)
قیمــت پائیــن یــک عامــل در انتخــاب و اســتفاده ایــن آلیــاژ ریختگــی اســت. خصوصیــات اصطکاکی مناســب چــدن بــا خــود روغــن کاری گرافیــت (12) و حضــور یوتکتیــک فســفر تشــریح می شود (13) کــه تجمــع ذرات ریــز میکروســکوپی در لایــه تحــت مالــش در کنــار قابلیت هــای وســیع شبیه ســازی ســاختار هندســی ســطحی اســت. (15 , 14 , 10)
تأثیــر قابــل توجــه بوش های ســیلندر بــا اصطــکاک مخلــوط ایجــاد شــده در نقــاط رفــت و برگشــت موقعیت هــای ZZ و ZW پیســتون یعنــی جایــی کــه یــک کاهــش اساســی یــا فقــدان گــوه روانــکار بــه وجــود می آید.
تحــت ایــن شــرایط همچنیــن هنــگام آغــاز بــه کار موتـور، ضخامـت فیلـم روغـن میتوانـد آنچنـان نـازک باشـد کـه تمـاس فلـزی بیـن اجـزای بـه وجـود آیـد، علـت دیگـر فرسـایش بیشـتر سـطح تمـاس سـیلندر، حضـور ذرات سـخت ناشـی از آلایندگی هـای وارد شـده بـه ناحیـه اصطـکاک، از هـوا، سـوخت یـا روغـن و همچنیـن ذرات جـدا شــده از ســطوح رینگ هــای پیســتون یــا ســطح ســیلندر اســت.
بـه دلیـل هزینه های بـالای کار بـر روی آلیاژهـا و راه حل هـای سـاختاری جدیـد کـه بتوانـد بـرای بـوش موتورهـا بـا احتـراق داخلـی بـه کار رود، برای اســتفاده در موتــور آزمایشــی تصمیم گیــری می شود. هزینه های موتــور آزمایشــی بــه صــورت طولانــی بســیار بالاســت بنابرایــن نتایــج آزمایـش در خصـوص فرسـایش موتـور خـودرو بـا کار کـردن در شـرایط مختلـف بایـد مـورد توجـه تولیـد کننـدگان قـرار گیـرد.
هــدف تحقیــق حاضــر تعییــن راه حــل ســاختاری و آلیــاژی بــرای بوش های ســیلندر موتــور یــک شــرکت خودروســاز مشــهور کــه در آن گریپــاژ موتــور تجریــه شــده و درک مکانیــز فرســایش ســطوح ســیلندر مــورد نظــر بــوده اســت.
2- روش آزمایش
2-1- آلیاژ
آلیــاژ مــورد مطالعــه از یــک موتــور خــودرو متعلــق بــه یــک شــرکت مشـهور ژاپنـی گرفتـه شـده کـه ایـن موتـور مسـافتی معـادل 250 هـزار کیلومتـر را طـی کـرده بـود، در شـکل 1 تصویـری از مقطـع موتـور ارائـه شــده اســت.
ترکیب شیمیایی بوش چدنی سیلندر
(3.2%C, 2.75%Si, 0.42%P, 0.43%Cr, 0.70%Mn, 0.27%Cu, rest Fe,)
پوسته سیلندر از آلیاژ
(11.64%Si, 2.73%Cu, 0.81%Fe, 0.55%Zn, 0.19%Mn, 0.14%Cr, 0.12%V, 0.02%Mg, Al – rest).
2-2 ساختار بوش سیلندر
بـوش سـیلندر یـک قطعـه و مغـزی چدنـی اسـت کـه در ریخته گـری پـر فشـار (دایکسـت) پوسـته موتـور درون قالـب قـرار داده میشـود، و بـه منظـور اطمینـان از اتصـال خـوب بـه پوسـته موتـور سـطح بیرونـی آن شـیارهایی ایجـاد مـی گـردد، فاصلـه بیـن برجسـتگی ها 1300 میکـرون و ارتفــاع آن ها 300 میکــرون و ضخامــت مغــزی آمــاده شــده از ســطح تمــاس تــا برجســتگی ها 240 تــا 243 میکــرون اســت.
اثــر مفیــد اســتفاده از یــک مغــزی چدنــی ریزســاختار مشــخص خــرد شــده پوســته موتــور در ناحیــه مجــاور آن اســت (شکل 2)
خـرد شـدن ریزسـاختار آلیـاژ آلومینیـم بـر افزایـش خصوصیـات مکانیکی و اســتحکام خســتگی آن تأثیــر داشــته کــه بایــد بــرای اتصــال بــوش (مغـزی) بـه پوسـته ریختگـی مفیـد باشـد.
از سـویی دیگـر، مطالعـات ریزسـاختار نشـان داد کـه بـوش چدنـی تحـت عملیـات پوشـش آلفیـن قـرار نگرفتـه اسـت، و بـه همیـن دلیـل اتصـال فلـزی بـا پوسـته نداشـته و نمونه ها بریــده شــده عمــود بــر ســطح ســیلندر، خــود بــه خــود از آلیـاژ ریختگـی Al-Si جـدا می شـد، بنابرایـن مشـاهدات شـرایط اتصـال بیـن بـوش و بلـوک ریختگـی بـه طـور مسـتقیم بـر روی مقطـع نشـان داده شـده در شـکل 1 انجـام گردیـد.
ایــن موضــوع در شــکل 3 نشــان داده شــده و جهــت روشــن شــدن، تصویــر اتصــال بــرای ســه ناحیــه در امتــداد طــول بــوش ارائــه شــده اســت.
بخصــوص کیفیــت پاییــن اتصــال از جانــب ســر ســیلندر جالــب توجــه اســت، چنیــن تصــور می شود کــه ظهــور ترک هــای میکروســکوپی، خصوصـا قابـل مشـاهده بـه وضـوح در نواحـی اتصـال بـوش و پوسـته موتـور (از جانـب سـر سـیلندر شـکل 3a) نتیجـه مقادیـر بـالا و متغیـر فشــار و درجــه حــرارت بــه طــور متنــاوب و همچنیــن اثــر ضرایــب متفـاوت انبسـاط حرارتـی بیـن آلیـاژ بـوش و آلیـاژ پوسـته موتـور بـوده اســت.
حرکــت رینگ هــای پیســتون بــر روی ســطح ســیلندر ایجــاد تغییــر شکل های متنــاوب الاســتیک در لایــه نزدیــک بــه ســطح بوش هــا میکنـد. ایـن سـطح از تنـش بـرای ایجـاد تـرک در اسـکلت یوتکتیـک فســفر حتــی تــا عمــق 55 میکــرون کافــی اســت. (شکل 4)
مشـخص اسـت کـه بـالا رفتـن درجـه حـرارت سـطحی بـوش موجـب کاهــش ضریــب انتقــال حــرارت می شــود و ایــن امــر بــا حضــور یــک فاصلــه در مــرز بیــن بــوش و پوســته ســیلندر اثــر معکوســی بــر فراینــد تجمـع حـرارت دارد، از سـویی دیگـر مشـخص اسـت کـه تبـادل خـوب حرارتــی امــکان افزایــش عملکــرد موتورهــا را فراهــم میکنــد. (6)
2-3 فرسایش درشت ساختاری سطح سیلندر
بــرای تعییــن فرســایش درشــت ســاختار (ماکــرو)، ســطح ســیلندر در ناحیــه ای کــه رینگ هایــی پیســتون حرکــت نمیکــرده و در ناحیــه بیــن نقــاط رفــت و برگشــت، مــورد آزمایــش قــرار گرفــت (شــکل 5) نتایـج بـه دسـت آمـده غیـر یکنواختـی سـطح پرداخـت شـده (هـون شــده) بــه عــرض شــیارهای هــون (شــکل 5b) و عمق هــای متفــاوت را نشـان داد.
ایـن نتیجـه یـک اثـر قابـل توجـه افـت چشـمگیر هونینـگ بـه ویـژه در نواحـی نقـاط رفـت و برگشـت اسـت. حاصـل ایـن امـر بدتر شـدن شـرایط روانـکاری و افزایـش میـل بـه گریپـاژ و در نتیجـه افزایـش فرسـایش سـطوح سـیلندر اسـت.
ترک های متعـددی در امتـداد طـول بـوش در سـطح کاری آشـکار شـده کـه نشـان دهنـده توجـه کـم بـه فیلتـر کـردن هـوا و وارد شـدن ذرات ســخت بــه محفظــه احتــراق اســت. همچنیــن بــه نظــر میرســد کــه خـودرو در شـرایط محیطـی بسـیار پـر گـرد و غبـار کار کـرده اسـت.
2-4 فرسایش میکروسکوپی سطح سیلندر
مطالعـات ریزسـاختار آلیـاژ بـوش نشـان داد کـه شـکل، انـدازه و توزیـع ذرات گرافیــت، همچنیــن ســاختار زمینــه رســوبات یوتکتیــک فســفر بــا الزامــات اســتاندارد BN-78/1372-01 انطبــاق دارد. البتــه مشــخص اســت کــه موفولــوژی ذرات گرافیــت تعییــن کننــده مکانیــزم فرســایش میکروســکوپی ســطح بــوش می باشد .(22)
مطالعـات بـر روی مقاطـع متالوگرافیـک نمونه های بریـده شـده عمـود بـر سـطح سـیلندر انجـام گردیـد.
مشـخص شـد مورفولـوژی ذرات گرافیـت دارای همـان اثـرات بـر مکانیزم فرسـایش میکروسـکوپی بـوش مطابـق شـماتیک ارائـه شـده در تحقیـق (23) اسـت (شـکل 6)
نتایــج مطالعــه بــر روی اثــر رســوبات یوتکتیــک فســفر بــر مکانیــزم فرسـایش میکروسـکوپی سـطح سـیلندر در شـکل های 4 و ۷ ارائـه شـده کــه ملاحظه می شود ترک هایــی تحــت یــک زوایــه و یــا مــوازی سـطح تمـاس بخصـوص در لایـه نزدیـک بـه سـطح تـا یـک عمـق 35 میکرونــی قابــل تشــخیص اســت.
بـه وجـود آمـدن شـکاف، ترک ها در یوتکتیـک فسـفر و پوسـته پوسـته شــدن در مــرز ســاختار یوتکتیــک همچنیــن ذرات گرافیــت بــر روی هــم تأثیــر مشــترک دارنــد. رســوبات گرافیــت مشــکل گوشــه دار (شــکل ۷b) یـا مـوازی بـا سـطح تمـاس (شـکل ۷c) بـه ویـژه نامناسـب هسـتند. بســیاری از شــکاف ها از پاییــن بــه وســیله ترک ها در یوتکتیــک فســفر و ترک ها حرکــت کــرده در امتــداد ســطح زمینــه یوتکتیــک فسـفر یـا امتـداد سـطح جدایـش گرافیـت و زمینـه محـدود شده اند. (شکل های ۷c و ۷d)
عمـق قابـل ملاحظه ای کـه ترک ها در طـول و عمـود بـر سـطح تمـاس و ذرات یوتکتیــک (شــکل 4) مشــاهده شده اند میتوانــد بــه لحــاظ تنش هــای متغیــر و متنــاوب ســطح بــالا بــه وجــود آمــده از بارهــای حرارتـی و رینگ های پیسـتون باشـد، علـت چنیـن آسـیبی را میتـوان در حساسـیت پاییـن بـه تغییـر شـکل پاسـتیک و الاسـتیک یوتکتیـک فسـفر در مقایسـه بـا سـاختار زمینـه جسـت و جـو کـرد، زیـرا یوتکتیـک فســفر نســبت بــه زمینــه بســیار ســختتر و در نتیجــه بســیار تردتــر اســت.
میکــرو ســختی اندازه گیری شــده بــه وســیله روش Pharr و Oliver بــرای یوتکتیــک فســفر و زمینــه بــه ترتیــب 1020 و 425 ویکــرز بــوده اســت، میتــوان چنیــن تصــور نمــود کــه ذرات ســخت و خــرد شـده یوتکتیـک و همچنیـن ذرات زمینـه در بـه وجـود آمـدن تـرک بـر روی سـطح تمـاس مشـارکت دارنـد. از سـویی دیگـر مشـخص اسـت کـه گرافیـت و میکـروذرات یوتکتیـک باعـث ایجـاد یـک لایـه تریبولوژیـک (12 و 13) بــر روی ســطح تمــاس میشــوند کــه یــک امتیــاز بــرای کاهــش کار اصطحــکاک میباشــند.
3- نتیجه گیری
در تحقیق حاضر نتایجی بدین شرح قابل استنتاج است:
-3-1در فــن آوری ریخته گری پرفشــار (دایکســت) پوسته های موتــور بـا قـرار دادن بـوش سـیلندر چدنـی، اتصـال فلـزی یبـن بـوش و پوسـته موتــور بــه وجــود نمی آید، در واقــع بارهــای بــالای متغیــر و متنــاوب حرارتـی و فشـار گاز ر محفظـه احتـراق همچنیـن متفـاوت بـودن ضریـب انبسـاط حرارتـی بـوش چدنـی و آلیـاژ Al-Si موجـب توسـعه ترک های میکروســکوپی می شود. از طرفــی گــپ و فاصلــه میکروســکوپی مانــع جریـان حـرارت شـده و تأثیـر منفـی بـر قـدرت موتـور دارد (.6)
3-2 غیــر یکنواختــی بــر روی ســطح هــون و پرداخــت شــده بــوش بــا وجــود علائمی بــا عرض هــا و عمق هــای مختلــف خصوصــا در ناحیــه نقــاط رفــت و برگشــت قابــل رویــت و تشــخیص اســت.
3-3 در امتـداد طـول بـوش تعـدادی خـراش قابـل توجـه بـا عرض هـای مختلـف مشـاهده شـد. احتمـالاً ایـن خراش هـا بـه وسـیله ذرات گـرد و غبـار بـه همـراه هـوای وارد شـده بـه محفظـه احتـراق بـه وجـود آمـده، ذرات ســطح بــوش کــه از یوتکتیــک فســفر و زمینــه و همچنیــن ذرات جـدا شـده از سـطح تمـاس لغزنـده بـه رینگ های پیسـتون کـه پوشـش کـروم دارنـد ایجـاد بریـدی کـرده اسـت.
3-4 مشــخص گردیــد کــه فرســایش میکروســکوپی ســطح بــوش بــه دلیــل عمــل ذرات گرافیــت، بــا شــماتیک ارائــه شــده در ایــن تحقیــق ســازگار اســت .(23)
3-5 مشــخص گردیــد کــه فرســایش درشــت ســاختار بــوش در ناحیــه ذرات یوتکتیـک فسـفر بـه وسـیله میکروترک ها و پوسـته پوسـته شـدن در مــرز زمینــه بــا یوتکتیــک بــه وجــود آمــده کــه بــه مــوازات ســطح لغـزش هسـتند. بـا حضـور ذرات گرافیـت در نزدیـک ایـن ترک ها، ایـن ترک ها از فصــل مشــترک زمینــه و گرافیــت و یــا از بیــن گرافیت هــای بــوش توســعه مییابنــد. بدیــن ترتیــب میکروترک های بــه وجــود آمـده در نواحـی میکروسـکوپی آلیـاژ از پاییـن شـروع بـه ایجـاد بریدگـی میکننــد.
منبع: 2/2024 Engineering Foundry of Archives
منبع فارسی: ماهنامه مرداد 1403 – صنعت ریخته گری
ترجمه: عبدالحمید قدیمی
منابع:
- Kim, J.-K., Xavier, F.-A. & Kim, D.-E. (2015). Tribological proper- ties of twin wire arc spray coated aluminum cylinder Materials & Design. 84, 231-237. DOI: 10.1016/j.matdes.2015.06.122.
- Longa, W. (1978). Theory of foundry processes. AGH, Wydział Odlewnictwa, Instytut Odlewnictwa. (in Polish).
- Pietrowski, S. & Szymczak, (2004). Construction of the connec- tion between alfined coating and silumin. Archives of Foundry. 4(14), 393-404. (in Polish).
- Pietrowski, (2004). Construction of the alfined layer on gray cast iron. Archives of Foundry. 4(11), 95-104. (in Polish).
- Pietrowski, & Szymczak, T. (2006). The influence of selected technological factors on the structure of the alfined layer on iron alloys. Archives of Foundry. 6(19), 251-266. (in Polish).
- Pawlus, P., Michalski, J. & Ochwat, S. (2012). Surface character- istics of cylinder liners intended for pouring using the Alfin Pomiary Automatyka Robotyka. 4, 61-65. (in Polish).
- Mahle Diesel Symposium, Stuttgart
- Volvo, DAF, MAN, PSA-BMW technical information from Mahle project meetings. Unpublished materials. Krotoszyn 2005-2010. (in Polish)
- Gruszka, J. (2011). Global trends in cylinder liners technology. Pol- skie Towarzystwo Naukowe Silników 50(3), 1-7.
- Kozaczewski, W. (2004). Construction of the piston-cylinder group of combustion engines. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności WKŁ. (in Polish).
- Podrzucki, Cz. (1991). Cast iron: structure, properties, application. Kraków: Wydaw. ZG STOP.
- Çakır, & Akcay, İ.H. (2014). Frictional behavior between piston ring and cylinder liner in engine condition with application of reciprocat- ing test. International Journal of Materials Engineering and Technology. 11(1), 57-71.
- Shirokov, V., Arendar, L.A., Slyn’ko, H.I. & Volchok, I.P. (2003). Influence of phosphide eutectics on the wear resistance of high- strength cast irons. Materials Science. 39(2), 295-298. DOI: 10.1023/B: MASC.0000010284.56057.72.
- Uetz, H. (1969). Einfluß der honbearbeitung von zylinderlauf- buchsen auf die innere grenz-schicht und den einlaufverschleiß. Forschungsvereinigung MTZ, 3.
- Ronen, , Etsion, I. & Kligerman, Y. (2001). Friction-reducing surface-texturing in reciprocating automotive components. Tribology Transaction. 44(3), 359-366. DOI: 10.1080/10402000108982468.
