مقدمه
آلومینیم و آلیاژهای آن، به دلیل نقطه ی ذوب پایین، داشتن سیالیت خوب و همچنین پذیرفتن عملیات های حرارتی و مکانیکی برای افزایش خواص مکانیکی، در صنایع مختلف بخصوص در صنعت خودرو، کاربرد زیادی داشته و موارد مصرف این آلیاژها روز به روز در حال توسعه است. امروزه استفاده از این آلیاژها به منظور جایگزینی با فلزهای گران و سنگین رو به افزایش است. این جایگزینی به خاطر خواص مکانیکی خوب آلیاژهای آلومینیم همراه با نسبت استحکام به وزن بالای آن ها است که باعث کاهش وزن و به دنبال آن بهبود بازدهی سوخت می شود. از بین این آلیاژها، آلياژ آلومینیم – سیلیسیم- مس جایگاه خاصی در تولید قطعات خودرو دارد. از جمله این قطعات می توان به سرسیلندر اشاره کرد. آلیاژی که در سرسیلندر استفاده می شود اکثراً به روش ریخته گری ثقلی در قالب فلزی تولید می شود که یکی از مشکلات جدی فرایند تولید، میزان نشتی بالا در ریخته گری این قطعات می باشد.
کلیاتی در مورد سرسیلندر
در یک موتور درون سوز، سرسیلندر به قطعه ای گفته می شود که بر فراز بخش بالایی سیلندرها قرار دارد. در ساختمان بلوک سیلندر یک موتور، قسمت فوقانی آن باز بوده و پیستون ها در درون سیلندرها قابل دیدن هستند. برای تکمیل شدن ساختار بلوک سیلندر به سرسیلندر نیاز است. سرسیلندر یک قطعه ریخته گری شده است که معمولاً از جنس چدن یا آلیاژهای آهن، آلومینیم یا مس ساخته می شود. سرسیلندر باید با قسمت فوقانی سیلندر و سرسیلندر تطابق کامل داشته باشد تا بتواند از نشت گازهای محبوس در سیلندر با گاز محترق در اتاقک انفجار جلوگیری کند. در ضمن می بایست سرسیلندر دارای مجاری در امتداد مجاری سیلندر باشد تا جریان آب و روغن از پوسته موتور به سرسیلندر رفته و پس از انجام وظایف روغن کاری و خنک کاری دوباره به سیلندر برگردد.
سرسیلندر باید دارای یک سطح بسیار صاف و پرداخت شده در قسمت تحتانی باشد. البته این حالت برای سطح فوقانی سیلندر نیز الزامی است. تاب برداشتگی یا وجود خراش های عمیق در قسمت بالای بدنه موتور و یا قسمت تحتانی سرسیلندر می تواند مانع آب بندی کامل گردد.
سرسیلندر دارای مجاری متعددی است. برخی از آن ها جهت آب و روغن تعبیه شده اند. گروهی دیگر از این مجاری جهت ورود هوا به داخل اتاقک احتراق تعبیه شده اند، که به آن ها مانیفولد هوا می گویند. گروه سوم جهت خارج کردن گازهای ناشی از احتراق از اتاقک احتراق در نظر گرفته شده اند که به آن ها مانیفولد دود می گویند. سیستم دیگری که بر روی سرسیلندر موتورها نصب می شود، سیستم سوپاپ ها است که شامل سوپاپ، میل سوپاپ، اسبک ها، فنرها و دیگر تجهیزات مربوطه است. اتاقک درون سوزی که عمل تراکم مخلوط هوا و سوخت و نیز عمل انفجار این مخلوط در آنجا صورت می گیرد نیز در بدنه سرسیلندر تعبیه شده است که از لحاظ شکل و ابعاد دارای گونه های فراوانی است.
آلیاژهای مورد استفاده در ساخت سرسیلندر
در گذشته اکثرأ از آلیاژهای چدنی و آهنی در تولید سرسیلندر استفاده می گردید. ولی امروزه با پیشرفت تکنولوژی و شناخت آلیاژهای آلومینیم و ویژگی خاص آن ها، تولید حجم وسیعی از قطعات موتور از جمله سرسیلندر، توسط ریخته گری آلیاژهای آلومینیم انجام می گیرد. آلیاژ مورد استفاده برای تولید سرسیلندر باید دارای دو خصوصیت مهم باشد. اولین خصوصیت مقاومت به تغییر فرم و تنش حاصل از احتراق سوخت و نیروهای وارد بر آن است که باعث جلوگیری از نشت گاز می شود. دومین خصوصیت داشتن چقرمگی در دمای بالا است. این عامل باعث جلوگیری از به وجود آمدن ترک در ناحیه ی بین سوپاپ ورودی و خروجی می شود که در معرض احتراق است.
آلیاژهای آلومینیم ریختگی یکی از پرکاربردترین آلیاژهای ریختگی بوده که در بین آلیاژها بهترین قابلیت ریختگی را دارد. از خواص مطلوب این الیاژها می توان به مواردی چون سیالیت خوب برای پر کردن مقاطع باریک، نقطه ذوب پایین نسبت به دیگر فلزات، انتقال حرارت سریع از آلومینیم مذاب به قالب و در نتیجه کاهش زمان سیکل ریختگی، کنترل آسان انحلال هیدروژن توسط روش های گاز زدایی و … اشاره کرد. آلیاژ ریختگی آلومینیم علاوه بر عناصر استحکام دهنده باید دارای مقدار کافی از عناصر سازنده یوتکتیک (معمولاً سیلیسیم) به منظور دادن سیالیت لازم جهت جبران کاهش حجم که در تمام موارد ریختگی به وجود می آید، باشد.
آلیاژ مورد استفاده در سرسیلندر از جنس آلیاژ آلومینیم- مس-سیلیسیم است. آلومینیم، سیلیسیم و CuAl2 تشکیل سیستم سه جزئی را می دهند. حد حلالیت مس در آلومینیم جامد تحت تاثیر وجود عنصر ثالث دیگر قرار نمی گیرد. مس سبب افزایش استحکام و سیلیسیم باعث بهبود قابلیت ریختگی و کاهش تردی در دمای بالا می شود. آهن و منگنز مهم ترین ناخالصی در این آلیاژها می باشند و به صورت اجزاء ساختمانی (Fe,Mn-Si)α که یکسری محلول جامد است ظاهر می گردند. این اجزء ساختمانی به اشکالی چون شکل استخوان ماهی یا نوشته چاپی در ساختمان میکروسکوپی ظاهر می گردند.
این آلیاژها با بیشتر از ۳ تا ۴٪ مس قابلیت عملیات حرارتی دارند. اما معمولاً عملیات حرارتی این آلیاژها در مواردی به کار می رود که شامل مقداری منیزیم باشند چرا که باعث بهبود عملیات حرارتی الياژ می گردد. آلیاژهای با درصد سیلیسیم متوسط (۷-۵٪ Si) دارای چقرمگی خوبی بوده که بیشتر در سرسیلندرها مورد استفاده قرار می گیرد. الیاژهای با سیلیسیم بالاتر (بیشتر از ۱۰٪) دارای ضریب البساط حرارتی پایینی هستند که این مزیتی برای قطعات با دمای کاری بالا محسوب می شود.
همان طور که گفته شد آلیاژ مورد استفاده در سرسیلندر باید دارای استحکام و چقرمگی بالایی باشد. استحکام و چقرمگی در مقابل هم قرار دارند، بنابراین باید بین این دو خصوصیت آلیاژ مورد استفاده سرسیلندر یک تعادلی برقرار گردد. توسط اضافه کردن عناصر دیگر می توان استحکام آلیاژهای آلومینیم را افزایش داد. به عنوان مثال با افزودن Se به آلیاژ Al-Si و حتی دیگر آلیاژهای آلومینیم، می توان مقاومت گرمایی و چقرمگی آلیاژ را افزایش داد. محققان بر روی تأثیر افزودن عناصر مختلف به آلیاژهای آلومینیم بر مدول یانگ، مطالعه کرده و متوجه شدند که لیتیم بیشترین تأثیر را در بهبود مدول یانگ دارد.
در تحقیقی سه آلیاژ مختلف AlSi6Cu4 ،AlSi7MgCu0.5 و AlMg3SiScZr برای ریخته گری سرسیلندر را مورد بررسی قرار گرفتند، دو آلیاژ اول به طور وسیعی برای تولید سرسیلندر استفاده می شوند در حالی که آلیاژ AlMg3SiScZr اخیراً برای تولید سرسیلندر مورد استفاده قرار گرفته است. هر سه آلیاژ در شرایط ریخته گری مشابه دارای استحکام کششی تقریبا یکسانی می باشند. خواص مکانیکی آلیاژ AlMg3SiScZr از بقیه بهتر است ولی در مقابل مستعد به ترک گرم بیشتر می باشد. اضافه شدن Se و Zr به آلیاژ پایه ی AlMg3Si باعث ایجاد تاثیرات مثبت بر خواص مکانیکی آن گشته است ولی از طرفی باعث افزایش قیمت آلیاژ می شود. خواص کششی، سیالیت و مقاومت به ترک گرم خوب دو آلیاژ AlSi6Cu4 و AlSi7MgCu0.5 باعث شده که آلیاژی مناسب برای تولید سرسیلندرهای آلومینیمی باقی بمانند.
از دیگر آلیاژهای مورد استفاده برای ریخته گری سرسیلندر می توان به دو آلیاژ (AlSi5Cu3Mg(AS5U3G و (AlSi7Cu3Mg(AS7U3G اشاره کرد که در شرکت های پژو و سیتروئن استفاده می گردند.
روش ریخته گری سرسیلندر
برای تولید سرسیلندرهای آلومینیمی از روش های مختلف ریخته گری استفاده می شود که می توان تفاوت آن ها را در سه زمینه عنوان کرد:
١- نیرویی که باعث پر شدن قالب می شود
۲- جنس قالب
۳- سیستم راهگاهی
یکی از متداول ترین روش های ریخته گری در تولید سرسیلندر آلومینیمی، ریخته گری ثقلی است که مذاب توسط نیروی وزن خودش در سه نوع قالب ماسه ای، دائمی و یا پوسته ای تزریق می شود. از روش های دیگر می توان به ریخته گری تحت فشار کم اشاره کرد که مذاب توسط فشار از پایین وارد قالب فلزی می شود. یکی از فاکتورهای مهم در کیفیت قطعات ریخته گری، طراحی سیستم راهگاهی است. اگر سیستم راهگاهی به طور مناسب طراحی نشده باشد، امکان ایجاد جریان های آشفته در حین پر شدن قالب به وجود می آید و کیفیت قطعه تحت تاثیر قرار می گیرد. نوع جریان حاصل از ریخته شدن مذاب از پاتیل به درون سیستم راهگاهی، عامل مهمی در ایجاد اکسیدها و عیوب، از جمله عيب نشتی در سرسیلندرها می باشد.
یکی از عوامل بسیار مؤثر در کیفیت قطعه ریخته گری شده فرایند پر شدن قالب می باشد. در خصوص سرسیلندرهای ریخته گری شده، این عامل بسیار تأثیر گذار است.
در سیستم راهگاهی نکته ی مهمی که باید مورد توجه قرار گیرد، پر شدن کامل سیستم راهگاهی در حین ریخته گری است. تمام سطوح دیواره ها باید طوری طراحی شده باشند که در تماس کامل با مذاب قرار داشته باشند و هیچ فاصله ای در حین پر شدن به وجود نیاید. اگر مذاب از دیواره ها جدا شود به علت به وجود آمدن فضایی بین این دو، جریان توربولانس سطحی به وجود آمده و باعث مکش هوا به داخل جریان و ایجاد اکسیداسیون می گردد.
عیوب متداول در ریخته گری سرسیلندر
از رایج ترین عیوب در تولید سرسیلندرها می توان به عیب نشتی اشاره کرد. این عیب ناشی از وجود حفرات گازی و انقباضی در قطعه است که اکثراً در فرایند ماشین کاری خود را نشان می دهد.
از منابع حفره ها می توان به عوامل زیر اشاره کرد:
١- نفوذ هیدروژن در مذاب
۲- انقباض در حین فرایند انجماد
٣- واکنش بین قالب و مذاب
۴- اکسیداسیون دمای بالا
۵- مک ها (که به صورت کروی اند و به علت به دام افتادن گاز در حین فرایند انجماد به وجود می آیند).
طبق مطالعات انجام شده برخی از دلایل ایجاد این ضایعات از این قرارند:
۱- بهم خوردن رژیم حرارتی قالب
۲- پایین بودن وزن مخصوص ذوب
۳- تنظیم نبودن دمای مذاب و استفاده از مشعل بر روی کوره نگهدارنده
۴- تلاطم ذوب
۵- آب بند نبودن قالب
۶- استفاده از رزین مصرفی در ماهیچه ها
یکی از مشخصه های بارز تخلخل انقباضی شکل نامنظم و خشن آن است و این مشخصه راه خوبی برای مشخص کردن این عیب است. تخلخل های گازی به شکل حباب های دارای سطحی صاف و هموار در قطعه قابل مشاهده اند. از منابع اصلی این تخلخل ها می توان به هیدروژن محلول در مذاب، هوای حبس شده در راهگاه و بخارات آب در قالب اشاره کرد. تخلخل گازی ممکن است به صورت رندوم باشد و در جاهایی که جریان مذاب غیر متعارف است متمرکز میشود (از قبیل هوای محبوس شده در میان مسیر جریان های سنگین). تخلخل انقباضی همیشه در بین سطوح متمرکز می شود و پس از انجماد رخ داده و گرمترین مقطع یک قطعه ریختگی می باشد.
یکی از راههای بهبود خواص سرسیلندرهای آلومینیمی استفاده از فرایند فشار ایزواستاتیک مایع در دمای بالا (LHIP) می باشد. در این فرایند قطعه در حمام مایع داغ (نمک مذاب) قرار گرفته و از همه ی جهات تحت فشار قرار می گیرد. این عمل باعث افزایش دانسیته قطعه می شود. اعمال همزمان فشار و دما باعث حذف حفرات انقباضی و گازی (هیدروژن) می گردد. تحت این فشار و دما هیدروژن در آلیاژ حل می شود. حفرات گازی حاوی نیتروژن از بین نمی روند زیرا نیتروژن قابلیت انحلال در آلیاژ آلومینیم را ندارد. فقط سایز این حفرات کوچک تر می گردد. ترک ها و حفرات باز هم توسط نفوذ مایع پر می شوند.
جمع بندی
سرسیلندر از قطعاتی در خودرو است که در معرض تنش دینامیکی و دمای بالا قرار دارد. از این رو باید دارای خواص مکانیکی خوب از جمله استحکام و چقرمگی بالا باشد. از آلیاژهای متداول برای تولید سرسیلندر می توان به خانواده آلیاژهای آلومینیم – سیلیسیم- مس اشاره کرد. ریخته گری ثقلی و ریخته گری تحت فشار پایین از روش های تولید صنعتی سرسیلندر به شمار می روند. در این فرایندها باید طراحی سیستم راهگاهی با دقت تمام انجام شود، چرا که ایجاد تلاطم در مذاب در حین پر شدن قالب می تواند باعث ایجاد انواع عیوب در قطعه گردد. از عیوب بسیار رایج در سرسیلندرهای ریخته شده، عیب نشتی است که علت آن وجود حفرات انفباضی و گازی در قطعه می باشد. از منابع اصلی این تخلخل ها می توان به هیدروژن محلول در مذاب، هوای حبس شده در راهگاه و بخارات آب در قالب اشاره کرد که با انجام عملیات کیفی مناسب در مذاب، طراحی مناسب در سیستم راهگاهی و قالب می شود تا حد زیادی عیوب را کاهش داد.
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.