Współczesne benzyny silnikowe

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2003, vol. 10, No 1-2
ANALYSIS OF PISTON DEFECTS IN INTERNAL COMBUSTION
ENGINES AGAINST THE BACKGROUND OF MATERIAL FAULTS
OF CASTINGS MADE FROM ALSI ALLOYS
Romuald Janik
Ryszard Kochel
OBR SM „BOSMAL”
43-300 Bielsko – Biała , ul. Sarni Stok 93
Abstract
The paper discusses various cases of piston′s working surface damage which can be practically encountered
in spark ignition combustion engines operated at changeable mechanical and thermal loads, resulted directly or
indirectly from particular material faults of piston castings made from light AlSi alloys ( silumins ). Analyzed
incidents of the damage have concerned pistons made from near-eutectoid AlSi, i.e. from alloys comprising 11 –
13 % of Si. Examples of piston defects presented in the paper are based directly on results of own
investigations of authors accomplished in BOSMAL R&D Center both on engine dynamometers or in course
road tests, as well as on base of results of valuation of other type combustion engines, operated outside
BOSMAL by external users.
ANALIZA USZKODZEŃ TŁOKÓW W SILNIKACH
SPALINOWYCH ZI NA TLE WAD MATERIAŁOWYCH ODLEWÓW
ZE STOPÓW AlSi
Streszczenie
W referacie przedstawiono różne przypadki uszkodzeń powierzchni roboczych tłoków, jakie spotyka się
praktycznie w silnikach spalinowych ZI pracujących przy zmiennych stanach obciążeń mechanicznych i
cieplnych, które wynikają bezpośrednio lub pośrednio z określonych wad materiałowych odlewów tych tłoków
wykonanych ze stopów lekkich AlSi ( siluminy ). Analizowane przypadki uszkodzeń dotyczyły tłoków wykonanych
ze stopów AlSi okołoeutektycznych, a więc ze stopów zawierających 11 – 13 % Si. Prezentowane w materiale
przykłady uszkodzeń tłoków oparte są bezpośrednio na wynikach badań własnych, realizowanych przez autorów
w OBR SM „BOSMAL” na silnikach samochodowych pracujących na stanowiskach hamownianych lub w
warunkach jazdy samochodów po drodze, jak również na wynikach oceny innych typów silników spalinowych,
eksploatowanych poza OBR SM przez zewnętrznych użytkowników.
1. Wstęp
Rozwój współczesnych silników spalinowych ukierunkowany jest w dużej mierze na
podwyższanie parametrów roboczych oraz sprawności działania tych silników, co osiąga się
głównie w wyniku wzrostu ich szybkobieżności, zwiększenia średniego ciśnienia
efektywnego w cylindrach, optymalizacji procesów spalania w komorze, powszechnego
stosowania doładowania silników itp. Wzrost tych parametrów powoduje w konsekwencji
zwiększenie obciążeń cieplnych i mechanicznych głównych elementów i zespołów silników,
zwłaszcza znaczny wzrost obciążeń tłoków, w tym szczególnie groźny w skutkach wzrost
zakresów obciążeń zmiennych, powodujących zmęczenie materiału tych tłoków. Taki stan
rzeczy zmusza producentów tłoków do wnikliwego uwzględniania wszystkich czynników
konstrukcyjnych i eksploatacyjnych, a dalej do bardzo starannego doboru materiałów na te
tłoki oraz do precyzyjnego opracowania technologii ich wykonania, aby ostatecznie sprostać
stawianym wymaganiom technicznym.
Dobór materiału na tłoki polega na szukaniu rozsądnego kompromisu pomiędzy
wymaganiami konstrukcyjnymi ze strony silników spalinowych, właściwościami
technicznymi poszczególnych materiałów a możliwościami technologicznymi w zakresie
wykonawstwa tych tłoków. Z wieloletnich doświadczeń badawczych autorów wynika, że
w praktyce spotyka się wiele przypadków tłoków do różnych typów silników spalinowych,
w których stwierdza się widoczne odchyłki w stosunku do założeń odnośnie właściwości
technicznych materiałów oraz odstępstwa od przyjętych technologii wykonania tych tłoków,
które powodują w konsekwencji uszkodzenia tłoków w trakcie eksploatacji i w wielu
przypadkach przyczyniają się do zniszczenia całego silnika. Stwierdzenia te oparte są na
wynikach badań wielu silników spalinowych, zwłaszcza silników samochodowych,
realizowanych w OBR SM „BOSMAL” w różnych warunkach technicznych ( badania
stanowiskowe, drogowe ) w latach 90-tych ub. stulecia, ale i również na wynikach badań
z ostatnich lat.
2. Materiały na tłoki do silników spalinowych – wymagania jakościowe
Wymagania jakościowe jakie stawiane są materiałom stosowanym do produkcji tłoków do
współczesnych silników spalinowych obejmują następujące zagadnienia techniczne:
•
wysoka wytrzymałość doraźna materiału, szczególnie w wysokich temperaturach
roboczych tłoków,
•
duża wytrzymałość zmęczeniowa,
•
właściwa twardość materiału w temperaturze otoczenia oraz w temperaturach
podwyższonych,
•
dobra przewodność cieplna,
•
niski współczynnik rozszerzalności cieplnej,
•
mała masa właściwa,
•
właściwa odporność na zużycie cierne,
•
odporność na korozję,
•
dobre właściwości technologiczne w zakresie możliwości odlewania materiału, obróbki
skrawaniem, itp.,
We współczesnych trakcyjnych silnikach spalinowych z zapłonem iskrowym stosuje się
tłoki wykonane prawie wyłącznie ze stopów lekkich, zwłaszcza ze stopów odlewniczych AlSi
{ siluminy ), z uwagi na znacznie mniejszą masę w porównaniu do tłoków żeliwnych, dobre
przewodnictwo cieplne, dużą odporność na korozję, pomimo niższej wytrzymałości
i twardości oraz dużego współczynnika rozszerzalności cieplnej w porównaniu do żeliwa.
Spośród stopów aluminium – krzem, stosowanych jako tworzywo do produkcji tłoków
wyróżnia się dwie grupy materiałów ze względu na zawartość Si: stopy eutektyczne
( 9 - 13 % SI ) i nadeutektyczne ( 15 – 25 % Si ). Stopy eutektyczne nazywane są również ze
względów praktycznych stopami okołoeutektycznymi, z uwagi na zmienne położenie punktu
eutektycznego ( 12,5 % Si ) pod wpływem różnych pierwiastków stopowych dodawanych do
siluminów, poza tym ze względu na rodzaj stosowanej modyfikacji stopu, itp. Stopy
okołoeutektyczne przeważają jeżeli chodzi o konstrukcję tłoków do typowych trakcyjnych
silników spalinowych. Klasyczny stop AlSi – typu AK12 wg PN-76/H-88027, który
odpowiada popularnym stopom na tłoki, takim jak: Mahle 124, Natural 3210, czy
Kolben – Schmidt 1275, posiada następujący skład chemiczny:
Si ⇒
Mg ⇒
Cu ⇒
11,5 - 13,0 %
0,8 - 1,5 %
0,8 - 1,5 %
Ni ⇒
Fe ⇒
Mn ⇒
Zn ⇒
Ti ⇒
0,8 - 1,3 %
0,6 - 0,8 %
∠ 0,7 %
∠ 0,2 %
∠ 0,1 %
Stopy te wyróżniają się dobrymi właściwościami mechanicznymi, małą masą właściwą,
dużą przewodnością cieplną, mniejszym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej w
porównaniu do siluminów podeutektycznych oraz dobrą obrabialnością skrawaniem.
3. Wady materiałowe odlewów jako źródło uszkodzeń tłoków w silnikach – wyniki
badań
Obserwowane w ostatnich latach w przemyśle motoryzacyjnym kierunki działań
technicznych i organizacyjnych zmierzających do ograniczenia ilości przeprowadzanych
kompleksowych badań jakościowych zespołów samochodów, w tym również badań
kompletnych silników spalinowych, prowadzą w konsekwencji do zmniejszenia informacji
odnośnie rzeczywistego poziomu jakości tych wyrobów znajdujących się na rynku.
Wprowadzanie w to miejsce krótkich, uproszczonych badań kontrolnych kompletnych
zespołów ( ze względów oszczędnościowych ), a przy tym preferowanie badań jakościowych
poszczególnych detali przez samych podwykonawców nie wystarcza dla rzetelnej oceny
jakości wyrobów finalnych, pomimo ogólnego wzrostu poziomu kultury technicznej
wytwórców, wprowadzania nowoczesnych technologii wytwarzania wyrobów, itp. Sytuacja
taka powoduje, że większość informacji o ewentualnie gorszym poziomie jakości wyrobów
wychwytują dopiero użytkownicy tych wyrobów w trakcie ich normalnej eksploatacji,
narażając się przy tym na określone kłopoty techniczne oraz niejednokrotnie na duże
niebezpieczeństwa związane z użytkowaniem tych wyrobów. Znacznej redukcji uległo
prowadzenie bieżących badań jakościowych dla stosowanych materiałów konstrukcyjnych
oraz eksploatacyjnych w zakresie ich właściwości użytkowych, które to badania pozwalają na
wcześniejsze wychwycenie ukrytych wad materiałowych tych wyrobów ( skład chemiczny,
struktura, właściwości mechaniczne, itp. ).
Typowe wady materiałowe odlewów tłoków do silników spalinowych wynikają głównie z
pewnych niedoskonałości technologicznych w procesie krystalizacji składników stopowych w
czasie odlewania w kokilach, niewłaściwie dobranego procesu modyfikacji siluminów, jak
również niewłaściwie przeprowadzonej obróbki cieplnej odlewów. Czynniki te mają
zasadniczy wpływ na końcową strukturę materiału, decydują o wielkości zanieczyszczeń
niemetalicznych, o stopniu zagazowania odlewu, itp., co w konsekwencji rzutuje na
pogorszenie właściwości mechanicznych odlanego materiału, a szczególnie na obniżenie jego
wytrzymałości doraźnej i zmęczeniowej. Stwierdzone w ostatnim okresie w naszym Ośrodku
przypadki uszkodzeń tłoków w różnych typach silników spalinowych w trakcie ich badań na
stanowiskach hamownianych oraz w badaniach drogowych w samochodach, których główne
przyczyny tkwiły w określonych wadach samego materiału tych tłoków, jak również
sygnalizowane z rynku przypadki podobnych uszkodzeń w trakcie normalnej eksploatacji
silników świadczą o tym, że problem ten występuje rzeczywiście, choć skala tego problemu
jest słabo rozpoznana.
Uszkodzenia tłoków w silnikach spalinowych wynikające z określonych wad
materiałowych ujawniają się głównie w części pierścieniowej, w obszarze piasty sworzni, jak
również w części prowadzącej tłoków ( pęknięcia półek międzypierścieniowych, wyłamanie
fragmentów półek, wykruszenia krawędzi rowków pierścieniowych, itp. ). Na rys. 1
przedstawiono przykład drastycznego wyłamania dużego fragmentu półki w tłoku
4-cylindrowego silnika lotniczego o pojemności skokowej 2400 cm3, w trakcie jego
eksploatacji po ok. 100 godz. pracy, zaś na rys. 2 przedstawiono przykład wyraźnego zatarcia
powierzchni na części prowadzącej tłoka w silniku samochodowym o pojemności 704 cm3 ,
po ok. 20 godz. pracy na hamowni, spowodowanego zmianą obróbki cieplnej odlewów
tłoków – z 2 - stopniowej na 1- stopniową ( przesycanie + starzenie na wyżarzanie ).
Analizowane przypadki uszkodzonych tłoków w badanych silnikach spalinowych
wykazały, że na ogół nie stwierdzano niezgodności w zakresie składu chemicznego
w stosowanych siluminach, jak również twardości tych materiałów były prawidłowe dla tych
stopów. Natomiast w wielu wypadkach mikrostruktura badanych tłoków była nieprawidłowa,
nie gwarantująca optymalnych właściwości wytrzymałościowych materiału.
Rys. 1 Tłok silnika lotniczego o pojemności skokowej 2400 cm3 , po 100 godz. pracy w samolocie. Widoczne
odłamanie dużego fragmentu półki międzypierścieniowej od podłoża
Fig. 1 The piston of the aero-engine of 2400 ccm cubic capacity, after 100 hours work in the aeroplane
Rys 2 Tłok samochodowego silnika o pojemności skokowej 704 cm3, po 20 godz. pracy na stanowisku
hamownianym. Wyraźne zatarcie powierzchni roboczej tłoka w części prowadzącej
Fig. 2 The piston of the engine car of 704 ccm cubic capacity, after 20 hours work on the engine test bench
Mikrostruktura siluminów tłokowych składa się z eutektyki ( α + Si ) rozmieszczonej w
przestrzeniach międzydendrytycznych fazy α. Przy czym w wielu wypadkach stwierdzono
duże wydzielenia Si nadeutektycznego, jak również różne kruche związki międzymetaliczne
oraz wydzielenia tlenków. Ponadto w mikrostrukturze badanych tłoków widoczne były liczne
mikropęknięcia oraz występowała porowatość gazowa, które to w określonych sytuacjach
stanowią źródło pęknięć zmęczeniowych materiału. Badania metalograficzne wykazały
również wiele przypadków braku modyfikatorów w tych stopach, takich jak: Na, Sn, Sb,
a zwłaszcza P, co wskazuje na to, że w tych konkretnych sytuacjach uzyskiwano
rozdrobnienie krzemu eutektycznego poprzez przyspieszone chłodzenie w kokili. Przy czym
odlewanie stopu do zbyt zimnej formy powoduje występowanie niebezpiecznych naprężeń
w odlewie, które po dalszej obróbce mechanicznej mogą się ujawnić w postaci licznych
mikropęknięć. Proces ten rozprzestrzenia się dalej w odlanych tłokach w trakcie pracy
w silniku na skutek działania zmiennych obciążeń cieplnych i mechanicznych.
Obserwowane w badaniach metalograficznych przebiegi linii pęknięć zmęczeniowych
stopu układały się przede wszystkim po najsłabszych miejscach materiału, a więc po
granicach wydzieleń dużych kryształów krzemu nadeutektycznego i skupiskach tych
kryształów, jak również po licznych i rozgałęzionych liniach wydzieleń kruchych faz
międzymetalicznych. Na rys. 3, 4, 5 i 6 przedstawiono wybrane przykłady
charakterystycznych wad materiałowych i nieprawidłowości w strukturze siluminów
z badanych w OBR SM tłoków silników spalinowych.
Rys. 3 Mikrostruktura próbki materiału z części pierścieniowej tłoka. Widoczne mikropęknięcia biegnące od
powierzchni w głąb materiału
Fig. 3 Microstructure of material sample taken from piston ring area. Seen microcracks running from surface
into material
Rys. 4 Mikrostruktura próbki materiału z części pierścieniowej tłoka. Widoczne mikropęknięcia biegnące w
kryształach krzemu eutektycznego i nadeutektycznego
Fig. 4 Microstructure of material sample taken from piston rings area. Seen microcracks running in silicon
eutecics and above – eutectics cristals
Rys. 5 Mikrostruktura próbki materiału z części pierścieniowej tłoka. Widoczne mikropęknięcia biegnące w
kruchych fazach międzymetalicznych, tlenkach i wydzieleniach krzemu
Fig. 5 Microsructure of material sample taken from piston rings area. Seen microcracks running in fragile
phases between – metalic, oxides and release of silicon
Rys. 6 Mikrostruktura próbki materiału z denka tłoka . Widoczna porowatość
( czarne skupiska ) w przestrzeniach międzydendrytycznych fazy α
Fig. 6 Microstructure of material of piston crown. Seen porosity in between
– dendrite areas of the α phase
Podsumowanie
•
•
Wyniki niniejszej pracy badawczej potwierdzają w pełni potrzebę prowadzenia na
bieżąco przez wyspecjalizowane placówki badawcze kompleksowych badań wyrobów
przemysłu samochodowego, silnikowego dla oceny aktualnego poziomu jakości tych
wyrobów, w tym prowadzenia specjalistycznych badań metalograficznych dla oceny
właściwości strukturalnych i mechanicznych stosowanych materiałów konstrukcyjnych.
W produkcji tłoków do silników spalinowych spotyka się stosunkowo często ze
zjawiskiem występowania w seryjnej produkcji pewnych wad materiałowych stopów
AlSi ( siluminy ), stosowanych jako główne materiały konstrukcyjne do tych tłoków.
Wady te wynikają z właściwości fizycznych tych materiałów, dużych wymagań
technicznych w procesach technologicznych obróbki tych materiałów, a więc w
procesie odlewania i obróbki cieplnej, w procesie obróbki skrawaniem, itp. Nie
spełnienie tych wysokich wymagań technicznych może prowadzić do pojawiania się
•
określonych, ukrytych wad materiałowych, wystąpienia mikropęknięć materiału,
propagacji tych pęknięć po najsłabszych miejscach ( duże ziarna krzemu
nadeutektycznego, skupiska krzemu eutektyczxnego, itp. ), które w konsekwencji stają
się źródłem uszkodzeń tłoków w trakcie ich eksploatacji w silnikach spalinowych.
Dynamika rozwoju pierwotnych mikropęknięć wewnętrznych materiału, prowadzących
do wystąpienia poważnych uszkodzeń zewnętrznych tłoków w silnikach spalinowych,
może być spotęgowana w trakcie eksploatacji na skutek występowania pewnych
zaburzeń i anomalii w procesie spalania w silniku, np. przy wypadaniu zapłonów, przy
występowaniu spalania stukowego w komorze spalania, jak również w przypadku
pogorszenia warunków smarowania układu tłok - cylinder itp.
Literatura
[1] Janik R., Kochel R.: Analiza uszkodzeń tłoków silnika spalinowego Limbach L 2400
DF1, Ekspertyza OBR SM, Bielsko – Biała 2003.
[2] Kozaczewski W.: Konstrukcja złożeń tłok- cylinder silników spalinowych, WkiŁ,
Warszawa 1979.
[3] Niewczas A.: Trwałość zespołu tłok – pierścienie tłokowe – cylinder silnika
spalinowego, WNT, Warszawa 1998.
[4] Pietrowski S.: Siluminy tłokowe. Krzepnięcie metali i stopów, Monografia PAN,
Katowice, Bielsko – Biała, Częstochowa, Opole 1997.
[5] Pietrowski S.: Siluminy, Politechnika Łódzka, Łódź 2001.