Кіріспе

Жоғары кремнийлі қорытпадан жасалған поршень

Гиперетектілік поршень – ішкі жану қозғалтқышының поршені, ол эутектілік нүктесінен (салмағының 12 пайызынан артық) жоғары кремний мөлшері бар гиперетектілік алюминий қорытпасынан құйылады. Көптеген алюминий-кремний құю қорытпалары гипоэтектілік (эутектілік нүктеден төмен Si құрамы) болып келеді және қатаю кезінде эутектілік реакция арқылы пайда болатын салыстырмалы түрде ұсақ кремний кристалдарын қамтиды. Кремнийдің ұсақ кристалдарынан өзге, гиперетектілік қорытпаларда эутектілік реакциядан бұрын пайда болатын ірі бастапқы кремний кристалдары да болады, нәтижесінде кремнийдің фазалық үлесі айтарлықтай жоғарылайды. Осының салдарынан гиперетектілік алюминийдің жылулық кеңею коэффициенті төмендейді, бұл қозғалтқыш конструкторларына тығыз аралықтарды анықтауға мүмкіндік береді. Бұл қорытпалардағы кремнийдің мөлшері әдетте салмақтың 16-19 пайызын құрайды, ал осы көрсеткіштен асып кеткенде механикалық қасиеттері мен құю мүмкіндігі күрт нашарлайды. Поршень материалында біркелкі таратылған бастапқы кремний бөлшектерін алу үшін арнайы қалыптар, құю және салқындату технологиялары қажет.

Артықшылықтар

Көбінесе автомобильдердің қозғалтқыштары темір цилиндрде жылға қанатын алюминий поршеньдерді пайдаланады. Бензинмен жұмыс істейтін қозғалтқыштағы поршень басының орташа температурасы қалыпты жұмыс кезінде шамамен , ал қозғалтқыш блогы арқылы айналатын салқындатқыш сұйықтығы әдетте шамамен реттеледі. Алюминий осы температура диапазонында темірге қарағанда көбірек кеңейеді, сондықтан поршень қалыпты жұмыс температурасында цилиндрге дұрыс орналасуы үшін, суық күйде бос болуы керек. 1970 жылы, қаушауылдың ластануына байланысты АҚШ үкіметі Қоршаған ортаны қорғау агенттігін (ҚОҚА) құрды, ол автомобиль өндірушілерін қозғалтқыштарын тазалауға бағытталған өзгерістер енгізуді талап ететін ережелерді жазып, күшіне енгізе бастады. 1980-ші жылдардың соңына қарай автомобиль қаушауының ластануы айтарлықтай жақсарды, бірақ қатаң ережелер автомобиль өндірушілерін электронды басқарылатын жанармай құю жүйесін және жоғары эвтектикалық поршеньдерді пайдалануға мәжбүр етті. Поршеньдерге қатысты, қозғалтқыш іске қосылғанда суық болса, аз мөлшерде жанармай поршень сақиналарының арасында қалып қоятын. Қозғалтқыш қызған сайын поршень кеңейіп, осы аз мөлшердегі жанармайды шығарып тастады, бұл қаушаудағы жанылмаған көмірсутектердің мөлшерін арттырды. Поршень қоспасына кремний қосылғанда, поршеньнің кеңеюі күрт төмендеді. Бұл инженерлерге поршень мен цилиндр қабырғасы арасындағы аралықты азайтуға мүмкіндік берді. Кремнийдің өзі алюминийге қарағанда аз кеңейеді. Кремний қосудың тағы бір артықшылығы – поршеньнің қаттырақ болуы және жұмсақ алюминий поршеньнің салыстырмалы түрде құрғақ цилиндрде суық іске қосылғанда немесе қалыптан тыс жоғары температурада жұмыс істегенде сызат түсуіне төзімді болуы. Кремнийді поршеньдерге қосудың ең үлкен кемшілігі – алюминийге кремнийдің арақатынасы артқан сайын поршеньтің сынғыш болуы. Бұл қозғалтқышта алдын ала тұтану немесе детонация болған жағдайда поршеньнің жарылуына бейімдейді.

Қуаттылығы жоғары алмастыру қорытпалары

Автокөлік әуесқойлары қозғалтқыштың қуатын арттырғысы келгенде, күшпен индукцияның бір түрін қолдануы мүмкін. Әрбір циклда ауа мен отынды көбірек қысып, қозғалтқыштың қуатын күрт арттыруға болады. Бұл цилиндрдегі жылу мен қысымды жоғарылатады. Бензин қозғалтқышының қалыпты температурасы шамамен осы мәнге тең. Бұл сондай-ақ көптеген алюминий қорытпаларының балқу температурасына жақын, және поршеньнің деформациялануы мен бұзылуына жол бермейтін тұрақты ауа ағыны ғана осыны қамтамасыз етеді. Күшпен индукция "көтерілген" күйде жұмыс температурасын арттырады, ал егер артық жылу қозғалтқыш оны шығарудан бұрын жиналса, цилиндрдегі жоғары температура ауа-отын қоспасының тұтану оқиғасынан бұрын, қысылу кезінде өзінен-өзі тұтануына себеп болады. Бұл қозғалтқыш детонациясының бір түрі, ол кенеттен соққы толқыны мен қысымның өсуіне әкеледі, бұл поршеньнің беткі шаршауынан зақымдануына, соқтығыс салдарынан беті тозуына себеп болуы мүмкін. "4032" поршенінің қорытпасындағы кремнийдің мөлшері шамамен 11% құрайды. Бұл оның кремнийсіз поршеньге қарағанда аз кеңейетінін білдіреді, бірақ кремний молекулалық деңгейде (эвтектикалық) толық қорытылғандықтан, қорытпа стандартты гиперэвтектикалық "қоңыр" (төмен қысылысты) поршеньге қарағанда мықтырақ және икемдірек. Бұл поршеньдер стандартты поршеньдерге қарағанда аз зақыммен жеңіл детонацияға төтеп бере алады. 4032 және гиперэвтектикалық қорытпалардың төмен жылулық кеңею коэффициенті бар, бұл поршеньді құрастыру температурасында цилиндрге тығыз орналастыруға мүмкіндік береді. "2618" поршенінің қорытпасында 2%-дан кем кремний бар, оны гипоэвтектикалық деп сипаттауға болады. Бұл қорытпа ең аз зақыммен ең көп детонация мен жүктемеге төтеп бере алады. Бұл қорытпадан жасалған поршеньдер әдетте қалың және ауыр болады, өйткені олар көбінесе коммерциялық дизельдік қозғалтқыштарда қолданылады. Бұл поршеньдердің әдеттегі қолданылуы кезінде кездесетін жоғары температуралар мен кремнийдің төмен мөлшерінен туындаған жылулық кеңеюдің жоғары коэффициенті салдарынан жылулық кеңеюдің жоғарылауына байланысты, құрастыру температурасында поршень мен цилиндр арасындағы кеңістік үлкен болуы керек. Бұл "поршеньнің соққысы" деп аталатын жағдайға әкеледі, ол поршеньнің цилиндрде тербелуімен және қозғалтқыш жұмыс температурасына жеткенше жалғасатын естілетін соққылау шуына себеп болады, поршень кеңейіп, поршень мен цилиндр қабырғасы арасындағы кеңістікті азайтады.

Құйылған немесе құйылған

Пістон құйылғанда, қорытпа сұйық күйге дейін қыздырылады, содан кейін негізгі пішін жасау үшін қалыпқа құйылады. Қорытпа салқындап, қатып қалғаннан кейін қалыптан алынып, шикі құйма соңғы пішінге дейін өңделеді. Күші жоғары пістон қажет болған жағдайларда, соқпалы (форж) процесі қолданылады. Соқпалы процесте шикі құйма әлі де ыстық және жартылай қатып қалған күйінде қалыпқа орналастырылады. Гидравликалық пресс арқылы шикі құймаға үлкен қысым түсіріледі. Бұл кез келген мүмкін болатын тесіктерді жояды, сонымен қатар қорытпаның ұсақ бөлшектерін (дәндерін) қарапайым құю арқылы қол жеткізе алмайтыннан да тығыз жақындастырады. Нәтижесінде, материал әлдеқайда мықты болады. 4032 және 2618 қорытпаларынан жасалған, сатудан кейінгі (aftermarket) өнімділік пістондары көбінесе соқпалы болады. 4032 және 2618 қорытпасынан жасалған соқпалы пістонмен салыстырғанда, гиперевтектикалық пістонның беріктігі төмен. Сондықтан, қуаттылықты арттыруға, азот оксидіне және/немесе жоғары айналымдарға қолдану үшін соқпалы пістон (қайсыбір қорытпадан жасалған) артықшылыққа ие. Дегенмен, гиперевтектикалық пістон соқпалы пістонға қарағанда аз жылулық кеңеюге ұшырайды. Осы себепті гиперевтектикалық пістон цилиндрге қарсы тығыз аралықпен орнатылуы мүмкін. Бұл гиперевтектикалық пістонды штаттық (stock) қозғалтқыштар үшін жақсы таңдауға айналдырады, онда ұзақ қызмет ету мерзімі максималды өнімділіктен маңыздырақ. Кейбір көліктерде зауыттан соқпалы пістонмен шығарылады. Dodge Viper 1992-1999 жылғы модельдерінде соқпалы пістон қолданылған, содан кейін гиперевтектикалық пістонға ауыстырылған. Viper-дің соңғы буыны (2013-2017) қайтадан соқпалы пістонды қолданды. Honda S2000-нің барлық модельдерінде соқпалы пістон қолданылады.