كلياتي در مورد سرسيلندر

در يك موتور درونسوز، سرسيلندر به قطعه‌اي گفته مي‌شود كه بر فراز بخش بالايي سيلندرها قرار دارد. در ساختمان بلوك سيلندر يك موتور، قسمت فوقاني آن باز بوده و پيستون‌ها در درون سيلندرها قابل ديدن هستند. براي تكميل ساختار بلوك سيلندر، به سرسيلندر نياز است. سرسيلندر، يك قطعه ريخته‌گري شده است كه معمولا از جنس چدن با آلياژهاي آهن، آلومينيم يا مس ساخته مي‌شود. شكل كلي سرسيلندر متناسب با شكل سيلندر موتور است به نحوي كه بايد تمام قسمت‌هاي آنها بر يكديگر منطبق باشند. سرسيلندر بايد با قسمت فوقاني سيلندر و سرسيلندر تطابق كامل داشته باشد تا بتواند از نشت گازهاي محبوس در سيلندر يا گاز محترق در اتاقك انفجار جلوگيري كند، در ضمن مي‌بايستي داراي مجاري متعددي در امتداد مجاري سيلندر داشته باشد تا جريان آب و روغن از پوسته موتور به سرسيلندر رفته و پس از انجام وظايف روغن‌كاري و خنك‌كاري، دوباره به سيلندر برگردد. سرسيلندر بايد داراي سطحي بسيار صاف و پرداخت شده در قسمت تحتاني باشد. البته اين حالت براي سطح فوقاني سيلندر نيز الزامي است. تاب برداشتگي يا وجود خراش‌هاي عميق در قسمت بالاي بدنه موتور و يا قسمت تحتاني سرسيلندر، مي‌تواند مانع آب‌بندي كامل آن شود.

سرسيلندر، داراي مجاري متعددي است كه برخي از آنها براي آب و روغن تعبيه شده‌اند. گروهي ديگر از اين مجاري، براي ورود هوا به داخل اتاقك احتراق تعبيه شده‌اند كه به آنها مانيفولد هوا مي‌گويند. گروه سوم نيز براي خارج كردن گازهاي ناشي از احتراق از اتاقك احتراق در نظر گرفته شده‌اند كه به آنها مانيفولد دود مي‌گويند. سيستم ديگري كه بر روي سرسيلندر موتورها نصب مي‌شود، سيستم سوپاپ‌هاست كه شامل سوپاپ، ميل سوپاپ، اسبك‌ها، فنرها و ديگر تجهيزات مربوطه است. اتاقك درونسوزي كه عمل تراكم مخلوط هوا و سوخت و نيز عمل انفجار اين مخلوط در آن صورت مي‌گيرد نيز در بدنه سرسيلندر تعبيه شده و از لحاظ شكل و ابعاد، داراي گونه‌هاي فراواني است.

شكل 1: نمونه‌اي از موتور ماشين و مقطع سرسيلندر

 آلياژ‌هاي مورد استفاده در سرسيلندر  

در گذشته، بيشتر از آلياژهاي چدني و آهني در توليد سرسيلندر استفاده مي‌شد، اما امروزه با پيشرفت تكنولوژي و شناخت آلياژ‌هاي آلومينيم و ويژگي خاص آنها، توليد حجم وسيعي از قطعات موتور از جمله سرسيلندر، توسط ريخته‌گري آلياژ‌هاي آلومينيم انجام مي‌گيرد. آلياژ مورد استفاده براي توليد سرسيلندر، بايد داراي دو خصوصيت مهم باشد:

1 . مقاومت در برابر تغيير فرم و تنش حاصل از احتراق سوخت و نيروهاي وارد بر آن كه باعث جلوگيري از نشت گاز مي‌شود.

2 . داشتن چقرمگي در دماي بالا كه باعث جلوگيري از به‌وجود آمدن ترك در ناحيه بين سوپاپ ورودي و خروجي در معرض احتراق، مي‌شود.

آلياژ‌هاي آلومينيم ريختگي يكي از پركاربردترين آلياژ‌هاي ريختگي بوده و بين ديگر آلياژ‌ها از بهترين قابليت ريختگي برخوردار است. از خواص مطلوب اين آلياژ‌ها مي‌توان به مواردي همچون سياليت خوب براي پر كردن مقاطع باريك، نقطه ذوب پايين نسبت به ديگر فلزات، انتقال حرارت سريع از آلومينيم مذاب به قالب و در نتيجه كاهش زمان هر سيكل ريختگي، كنترل آسان انحلال هيدروژن توسط روش‌هاي گاززدايي و ... اشاره كرد. آلياژ ريختگي آلومينيم علاوه بر عناصر استحكام‌دهنده، بايد داراي مقاديري كافي از عناصر سازنده يوتكتيك (معمولا سيليسيم) به منظور دادن سياليت لازم براي جبران كاهش حجم ناشي از موارد ريختگي باشد.

آلياژ مورد استفاده در هر سرسيلندر از جنس آلياژ آلومينيم - مس - سيليسيم است. آلومينيم، سيليسيم و CuAl2سيستمي سه جزئي را تشكيل مي‌دهند. حد حلاليت مس در آلومينيم جامد تحت‌تاثير وجود عنصري ثالث قرار نمي‌گيرد. مس، باعث افزايش استحكام و سيليسيم باعث بهبود قابليت ريختگي و كاهش تردي در دماي بالا مي‌شود. آهن و منگنز مهم‌ترين ناخالصي در اين آلياژ‌ها بوده و به صورت اجزاي ساختماني كه يك سري محلول جامد است، ظاهر مي‌شوند. اين اجزاي ساختماني به شكل‌هايي نظير استخوان ماهي يا نوشته چاپي در ساختمان ميكروسكوپي، ظاهر مي‌شوند.

اين آلياژ‌ها با بيشتر از 3 تا 4 درصد مس، قابليت عمليات حرارتي دارند، اما معمولا عمليات حرارتي آنها در مواردي به كار مي‌رود كه شامل مقداري منيزيم باشند زيرا باعث بهبود عمليات حرارتي آلياژ مي‌شود. آلياژ‌هاي با درصد سيليسيم متوسط (5 تا 7 درصد Si) داراي چقرمگي خوبي بوده و بيشتر در سرسيلندرها مورد استفاده قرار مي‌گيرد. آلياژ‌هاي با سيليسيم بالاتر (بيشتر از 10 درصد) داراي ضريب انبساط حرارتي پاييني هستند كه مزيتي براي قطعات با دماي كاري بالا محسوب مي‌شود.

آلياژ مورد استفاده در سرسيلندر بايد داراي استحكام و چقرمگي بالايي باشد. استحكام و چقرمگي در مقابل هم قرار دارند، بنابراين بايد بين اين دو خصوصيت آلياژ مورد استفاده در سرسيلندر، تعادلي برقرار شود. از طريق اضافه كردن عناصر ديگر، مي‌توان استحكام آلياژ‌هاي آلومينيم را افزايش داد. مثلا، با افزودن Sc به آلياژ Al-Si و حتي ديگر آلياژ‌هاي آلومينيم مي‌توان مقاومت گرمايي و چقرمگي آلياژ را افزايش داد. محققان در زمينه تاثير افزودن عناصر مختلف به آلياژ‌هاي آلومينيم بر مدول يانگ، مطالعه كرده و متوجه شدند كه ليتيم بيشترين تاثير را در بهبود مدول يانگ دارد.

در تحقيقي ديگر، 3 آلياژ مختلف AlSi7MgCu 0.5, AlSi6Cu4 و AlMg3SiScZr براي ريخته‌گري سرسيلندر مورد بررسي قرار گرفت. دو آلياژ اول به طور وسيعي براي توليد سرسيلندر استفاده مي‌شوند. در حالي كه آلياژ AlMg3SiScZr بتازگي براي اين منظور مورد استفاده قرار مي‌گيرد. هر 3 آلياژ در شرايط ريخته‌گري مشابه، داراي استحكام كششي تقريبا يكساني هستند. خواص مكانيكي آلياژ AlMg3SiScZr از بقيه بهتر بوده، اما استعداد بيشتري براي ترك گرم دارد. اضافه شدن Sc و Zr به آلياژ AlMg3Si باعث ايجاد تاثيرات مثبت بر خواص مكانيكي آن شد، اما باعث افزايش قيمت آلياژ مي‌شود. خواص كششي، سياليت و مقاومت به ترك گرم خوب دو آلياژ AlSi6Cu4 و AlSi7MgCu0.5 باعث شده است كه به عنوان آلياژي مناسب براي توليد سرسيلندرهاي آلومينيومي، باقي بمانند.

خواص حرارتي و مكانيكي آلياژهاي (AlMg3Sil, AlSi7Mg, AlSi5Cu3, AlMg3Sil (Sc,Zr را به منظور بررسي مقاومت آنها در برابر شكست ترمومكانيكال، مورد بررسي قرار داده و بهترين نتايج مربوط به آلياژ AlSi7Mg به دست آمده است. اين آلياژ، رايج‌ترين آلياژ در توليد سرسيلندرهاي آلومينيمي موتورهاي ديزلي به شمار مي‌رود.

از ديگر آلياژ‌هاي مورد استفاده براي ريخته‌گري سرسيلندر، مي‌توان به دو آلياژ (AlSi5Cu3Mg (AS5U3G و AlSiCu3Mg (AS7U3G) اشاره كرد كه در شركت‌هاي پژو و سيتروئن مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

روش ريخته‌گري سرسيلندر  

براي توليد سرسيلندرهاي آلومينيمي از روش‌هاي مختلف ريخته‌گري استفاده مي‌شود كه مي‌توان تفاوت آنها را در سه زمينه زير بيان كرد:

1 . نيرويي كه باعث پر شدن قالب مي‌شود

2 . جنس قالب

3 . سيستم راهگاهي

يكي از متداول‌ترين روش‌هاي ريخته‌گري در توليد سرسيلندر آلومينيمي، ريخته‌گري ثقلي است كه مذاب توسط نيروي وزن خودش در 3 نوع قالب ماسه‌اي، دائمي و يا پوسته‌اي، تزريق مي‌شود. از ديگر روش‌ها مي‌توان به ريخته‌گري تحت فشار كم اشاره كرد كه مذاب توسط فشار از پايين وارد قالب فلزي مي‌شود. يكي از عوامل مهم در كيفيت قطعات ريخته‌گري، طراحي سيستم راهگاهي است. اگر سيستم راهگاهي به طور مناسب طراحي نشده باشد، امكان ايجاد جريان‌هاي توربولانس در حين پر شدن قالب به وجود مي‌آيد و كيفيت قطعه تحت‌تاثير قرار مي‌گيرد. نوع جريان حاصل از ريخته شدن مذاب از پاتيل به درون سيستم راهگاهي، عامل مهمي در ايجاد اكسيدها و عيوب، از جمله عيب نشتي در سرسيلندرهاست.

يكي از عوامل بسيار موثر در كيفيت قطعه ريخته‌گري شده، فرايند پر شدن قالب است. در خصوص سرسيلندرهاي ريخته‌گري شده، اين عامل بسيار تاثيرگذار است. در تحقيقي، تاثير 3 سيستم راهگاهي متفاوت در ريخته‌گري ثقلي سرسيلندر (مطابق شكل 2) بررسي شده است.

استفاده از سيستم راهگاهي از بالا، باعث ايجاد شرايط سرد شدن بهتر در قسمت اتاقك اشتعال سرسيلندر شده و با به وجود آوردن شرايط انجماد جهت‌دار، خواص مكانيكي بهتري را در اين قسمت از قطعه، ارائه مي‌دهد. از ديگر مزاياي اين روش، جلوگيري از ايجاد جريان توربولانس سطحي است. از مزاياي سيستم راهگاهي از پايين مي‌توان به ايجاد جريان آرام مذاب در قالب اشاره كرد. از معايب اين روش شرايط سرد شدن محدود براي اتاقك اشتعال است كه باعث كاهش خواص مكانيكي اين قسمت از قطعه مي‌شود. انجماد جهت‌دار محدود در اين قسمت، مي‌تواند باعث ايجاد حفرات انقباضي شود. در سيستم راهگاهي دوطرفه، تمام مزاياي سيستم راهگاهي از بالا وجود دارد و به خاطر شيب‌دار بودن كل سيستم در طول پر شدن، ميزان جريان توربولانس بسيار كاهش مي‌يابد.

شكل 2: سه سيستم راهگاهي متفاوت الف - از بالا، ب - از پايين و ج - 2 طرفه

نكته مهمي كه بايد در سيستم راهگاهي مورد توجه قرار گيرد، پرشدن كامل سيستم راهگاهي در حين ريخته‌گري است. تمام سطوح ديواره‌ها بايد طوري طراحي شده باشند كه در تماس كامل با مذاب قرار داشته و هيچ فاصله‌اي در حين پر شدن به وجود نيايد. اگر مذاب از ديواره‌ها جدا شود، به علت به وجود آمدن فضاي بين آنها، جريان توربولانس سطحي به وجود آمده و باعث مكش هوا به داخل جريان و ايجاد اكسيداسيون مي‌شود.

در سيستم راهگاهي دوطرفه، ارتفاع ريخته شدن مذاب از پاتيل تا حوضچه سيستم راهگاهي، بسيار كم بوده و جريان مذاب، به آرامي قالب را پر مي‌كند.

در سيستم راهگاهي از بالا، اين ارتفاع به 15 تا 20 سانتي‌متر مي‌رسد. ارتفاع زياد، باعث متمايل شدن جريان مذاب به سمت راست شده و با برگشت مذاب از كناره‌ها به وسط، ميزان جذب هوا و اكسيداسيون افزايش مي‌يابد. مهم‌ترين مزيت سيستم راهگاهي از پايين، آرام بودن جريان در حين پر شدن قالب است.

 شكل3: فرايند ريخته‌گري در سيستم راهگاهي دوطرفه

عيوب متداول در ريخته‌گري سرسيلندر  

از رايج‌ترين عيوب در توليد سرسيلندرها، مي‌توان به عيب نشتي اشاره كرد. اين عيب ناشي از وجود حفرات گازي و انقباضي در قطعه است كه اكثرا خود را در فرايند ماشين‌كاري نشان مي‌دهد.

عوامل به وجود آمدن اين حفره‌ها عبارتند از:

1 . نفوذ هيدروژن در مذاب

2 . انقباض در حين فرايند انجماد

3 . واكنش بين قالب و مذاب

4 . اكسيداسيون دماي بالا  

5 . مك‌ها (كه به صورت كروي بوده و به علت به دام افتادن گاز در حين فرايند انجماد به وجود مي‌آيند).

بر طبق مطالعات انجام شده، برخي دلايل ايجاد اين ضايعات عبارتند از:

1 . به هم خوردن رژيم حرارتي قالب

2 . پايين بودن چگالي ذوب

3 . تنظيم نبودن دماي مذاب و استفاده از مشعل بر روي كوره نگهدارنده

5 . تلاطم ذوب

6 . آببند نبودن قالب

7 . استفاده از رزين مصرفي در ماهيچه‌ها

  تخلخل انقباضي

تركيبي از تخلخل گازي و انقباضي

 شكل 4: نمونه‌اي از تخلخل‌هاي گازي و انقباضي در سرسيلندرها

يكي از مشخصه‌هاي بارز تخلخل انقباضي، شكل نامنظم و خشن آن است. اين مشخصه، راهي خوب براي تشخيص عيب است. تخلخل‌هاي گازي به شكل حباب‌هاي داراي سطحي صاف و هموار در قطعه قابل مشاهده‌اند. از منابع اصلي اين تخلخل‌ها مي‌توان به هيدروژن محلول در مذاب، هواي حبس شده در راهگاه و بخارات آب در قالب، اشاره كرد. تخلخل گازي ممكن است به صورت اتفاقي باشد و در جاهايي كه جريان غيرمتعارف است، متمركز شود (نظير هواي محبوس شده در ميان مسير جريان‌هاي سنگين). تخلخل انقباضي همواره بين سطوح متمركز مي‌شود و پس از انجماد رخ داده و گرم‌ترين مقطع يك قطعه ريختگي است.

شكل 5: فرايند LHIP: 1. حفرات حاوي H₂ 2 . حفرات انقباضي 3. حفرات حاوي و N₂ 4. حفره‌هاي باز

يكي از راه‌هاي بهبود خواص سرسيلندرهاي آلومينيومي، استفاده از فرايند فشار ايزواستاتيك مايع در دماي بالا¹ (LHIP) است. در اين فرايند، قطعه در حمام مايع داغ (نمك مذاب) قرار گرفته و از تمامي جهات، تحت فشار قرار مي‌گيرد. اين عمل مطابق شكل 5 باعث افزايش چگالي قطعه مي‌شود. اعمال هم‌زمان فشار و دما باعث حذف حفرات انقباضي و گازي (هيدروژن) مي‌شود. تحت اين فشار و دما، هيدروژن در آلياژ حل مي‌شود. حفرات گازي حاوي از بين نمي‌روند زيرا نيتروژن قابليت انحلال در آلياژ آلومينيم را ندارد، تنها اندازه حفرات كوچك‌تر مي‌شود. ترك‌ها و حفرات باز هم توسط نفوذ مايع پر مي‌شوند.

به عنوان مثال، علميات LHIP بر روي آلياژ AlSi7Mg انجام شد و چگالي از  g/cm3 2/614 به g/cm3 2/672 معادل 2/2 درصد افزايش رسيد.

نتيجه‌گيري  

سرسيلندر، از جمله قطعات خودرو است كه در معرض تنش ديناميكي و دماي بالا قرار دارد. از اين رو، بايد داراي خواص مكانيكي خوب از جمله استحكام و چقرمگي بالا باشد. از آليا‌هاي متداول براي توليد سرسيلندر مي‌توان به خانواده آلياژ آلومينيم- سيليسيم- مس، نظير AS7U3G, AS5U3G, AlSi7MgCu0.5, AlMg3SiScZr و AlSi6Cu4 اشاره كرد. ريخته‌گري ثقلي و ريخته‌گري تحت فشار پايين، از جمله روش‌هاي توليد صنعتي سرسيلندر به شمار مي‌روند. در اين فرايندها، طراحي سيستم راهگاهي بايد با دقت تمام انجام شود زيرا ايجاد تلاطم در مذاب در حين پر شدن قالب، مي‌تواند باعث بروز انواع عيوب در قطعه شود. از انواع سيستم راهگاهي در ريخته‌گري سرسيلندر، مي‌توان به سيستم راهگاهي از بالا، از پايين و دوطرفه اشاره كرد كه هر كدام داراي معايب و مزاياي خود هستند. از عيوب بسيار رايج در سرسيلندرهاي ريخته شده، عيب نشتي است كه علت آن وجود حفرات انقباضي و گازي در قطعه است. از جمله منابع اصلي اين تخلخل‌ها مي‌توان به هيدروژن محلول در مذاب، هواي حبس شده در راهگاه و بخارات آب در قالب اشاره كرد كه با انجام عمليات كيفي مناسب در مذاب، طراحي مناسب در سيستم راهگاهي و قالب، مي‌توان تا حد زيادي آنها را كاهش داد.