آشنایی با مواد و فرایند تولید سرسیلندر خودرو
آلومینیم و آلیاژهای آنها، به دلیل نقطه ذوب كم و داشتن سیالیت خوب و همچنین پذیرفتن عملیات‌های حرارتی و مكانیكی برای افزایش خواص مكانیكی، در صنایع مختلف بخصوص در صنعت خودرو، كاربرد بیشتری داشته و موارد مصرف این آلیاژ‌ها روز‌به‌روز توسعه می‌یابد. امروزه، استفاده از این آلیاژ‌ها به منظور جایگزینی با فلزهای گران و سنگین رو به افزایش است. این جایگزینی به خاطر خواص مكانیكی خوب آلیاژهای آلومینیم همراه با نسبت استحكام به وزن بالای آنهاست كه باعث كاهش وزن و به دنبال آن بهبود بازده سوخت می‌شود. از بین این آلیاژ‌ها، آلیاژ آلومینیم – سیلیسیم – مس، جایگاهی خاص در تولید قطعات خودرو دارد. از جمله این قطعات می‌توان به سرسیلندر اشاره كرد. آلیاژی كه در سرسیلندر استفاده می‌شود، اكثرا به روش ریخته‌گری ثقلی در قالب فلزی تولید می‌شود كه یكی از مشكلات جدی فرایند تولید آن، میزان نشتی بالا در ریخته‌گری این قطعات است.
كلیاتی در مورد سرسیلندر
در یك موتور درونسوز، سرسیلندر به قطعه‌ای گفته می‌شود كه بر فراز بخش بالایی سیلندرها قرار دارد. در ساختمان بلوك سیلندر یك موتور، قسمت فوقانی آن باز بوده و پیستون‌ها در درون سیلندرها قابل دیدن هستند. برای تكمیل ساختار بلوك سیلندر، به سرسیلندر نیاز است. سرسیلندر، یك قطعه ریخته‌گری شده است كه معمولا از جنس چدن با آلیاژهای آهن، آلومینیم یا مس ساخته می‌شود. شكل كلی سرسیلندر متناسب با شكل سیلندر موتور است به نحوی كه باید تمام قسمت‌های آنها بر یكدیگر منطبق باشند. سرسیلندر باید با قسمت فوقانی سیلندر و سرسیلندر تطابق كامل داشته باشد تا بتواند از نشت گازهای محبوس در سیلندر یا گاز محترق در اتاقك انفجار جلوگیری كند، در ضمن می‌بایستی دارای مجاری متعددی در امتداد مجاری سیلندر داشته باشد تا جریان آب و روغن از پوسته موتور به سرسیلندر رفته و پس از انجام وظایف روغن‌كاری و خنك‌كاری، دوباره به سیلندر برگردد. سرسیلندر باید دارای سطحی بسیار صاف و پرداخت شده در قسمت تحتانی باشد. البته این حالت برای سطح فوقانی سیلندر نیز الزامی است. تاب برداشتگی یا وجود خراش‌های عمیق در قسمت بالای بدنه موتور و یا قسمت تحتانی سرسیلندر، می‌تواند مانع آب‌بندی كامل آن شود.
سرسیلندر، دارای مجاری متعددی است كه برخی از آنها برای آب و روغن تعبیه شده‌اند. گروهی دیگر از این مجاری، برای ورود هوا به داخل اتاقك احتراق تعبیه شده‌اند كه به آنها مانیفولد هوا می‌گویند. گروه سوم نیز برای خارج كردن گازهای ناشی از احتراق از اتاقك احتراق در نظر گرفته شده‌اند كه به آنها مانیفولد دود می‌گویند. سیستم دیگری كه بر روی سرسیلندر موتورها نصب می‌شود، سیستم سوپاپ‌هاست كه شامل سوپاپ، میل سوپاپ، اسبك‌ها، فنرها و دیگر تجهیزات مربوطه است. اتاقك درونسوزی كه عمل تراكم مخلوط هوا و سوخت و نیز عمل انفجار این مخلوط در آن صورت می‌گیرد نیز در بدنه سرسیلندر تعبیه شده و از لحاظ شكل و ابعاد، دارای گونه‌های فراوانی است.
آلیاژهای مورد استفاده در سرسیلندر
در گذشته، بیشتر از آلیاژهای چدنی و آهنی در تولید سرسیلندر استفاده می‌شد، اما امروزه با پیشرفت تكنولوژی و شناخت آلیاژهای آلومینیم و ویژگی خاص آنها، تولید حجم وسیعی از قطعات موتور از جمله سرسیلندر، توسط ریخته‌گری آلیاژهای آلومینیم انجام می‌گیرد. آلیاژ مورد استفاده برای تولید سرسیلندر، باید دارای دو خصوصیت مهم باشد:
1 . مقاومت در برابر تغییر فرم و تنش حاصل از احتراق سوخت و نیروهای وارد بر آن كه باعث جلوگیری از نشت گاز می‌شود.
2 . داشتن چقرمگی در دمای بالا كه باعث جلوگیری از به‌وجود آمدن ترك در ناحیه بین سوپاپ ورودی و خروجی در معرض احتراق، می‌شود.
آلیاژهای آلومینیم ریختگی یكی از پركاربردترین آلیاژهای ریختگی بوده و بین دیگر آلیاژ‌ها از بهترین قابلیت ریختگی برخوردار است. از خواص مطلوب این آلیاژ‌ها می‌توان به مواردی همچون سیالیت خوب برای پر كردن مقاطع باریك، نقطه ذوب پایین نسبت به دیگر فلزات، انتقال حرارت سریع از آلومینیم مذاب به قالب و در نتیجه كاهش زمان هر سیكل ریختگی، كنترل آسان انحلال هیدروژن توسط روش‌های گاززدایی و … اشاره كرد. آلیاژ ریختگی آلومینیم علاوه بر عناصر استحكام‌دهنده، باید دارای مقادیری كافی از عناصر سازنده یوتكتیك (معمولا سیلیسیم) به منظور دادن سیالیت لازم برای جبران كاهش حجم ناشی از موارد ریختگی باشد.
آلیاژ مورد استفاده در هر سرسیلندر از جنس آلیاژ آلومینیم – مس – سیلیسیم است. آلومینیم، سیلیسیم و CuAl2 سیستمی سه جزئی را تشكیل می‌دهند. حد حلالیت مس در آلومینیم جامد تحت تاثیر وجود عنصری ثالث قرار نمی‌گیرد. مس، باعث افزایش استحكام و سیلیسیم باعث بهبود قابلیت ریختگی و كاهش تردی در دمای بالا می‌شود. آهن و منگنز مهم‌ترین ناخالصی در این آلیاژ‌ها بوده و به صورت اجزای ساختمانی كه یك سری محلول جامد است، ظاهر می‌شوند. این اجزای ساختمانی به شكل‌هایی نظیر استخوان ماهی یا نوشته چاپی در ساختمان میكروسكوپی، ظاهر می‌شوند.
این آلیاژ‌ها با بیشتر از 3 تا 4 درصد مس، قابلیت عملیات حرارتی دارند، اما معمولا عملیات حرارتی آنها در مواردی به كار می‌رود كه شامل مقداری منیزیم باشند زیرا باعث بهبود عملیات حرارتی آلیاژ می‌شود. آلیاژهای با درصد سیلیسیم متوسط (5 تا 7 درصد Si) دارای چقرمگی خوبی بوده و بیشتر در سرسیلندرها مورد استفاده قرار می‌گیرد. آلیاژهای با سیلیسیم بالاتر (بیشتر از 10 درصد) دارای ضریب انبساط حرارتی پایینی هستند كه مزیتی برای قطعات با دمای كاری بالا محسوب می‌شود.
آلیاژ مورد استفاده در سرسیلندر باید دارای استحكام و چقرمگی بالایی باشد. استحكام و چقرمگی در مقابل هم قرار دارند، بنابراین باید بین این دو خصوصیت آلیاژ مورد استفاده در سرسیلندر، تعادلی برقرار شود. از طریق اضافه كردن عناصر دیگر، می‌توان استحكام آلیاژهای آلومینیم را افزایش داد. مثلا، با افزودن Sc به آلیاژ Al-Si و حتی دیگر آلیاژهای آلومینیم می‌توان مقاومت گرمایی و چقرمگی آلیاژ را افزایش داد. محققان در زمینه تاثیر افزودن عناصر مختلف به آلیاژهای آلومینیم بر مدول یانگ، مطالعه كرده و متوجه شدند كه لیتیم بیشترین تاثیر را در بهبود مدول یانگ دارد.
در تحقیقی دیگر، 3 آلیاژ مختلف AlSi7MgCu 0.5, AlSi6Cu4 و AlMg3SiScZr برای ریخته‌گری سرسیلندر مورد بررسی قرار گرفت. دو آلیاژ اول به طور وسیعی برای تولید سرسیلندر استفاده می‌شوند. در حالی كه آلیاژ AlMg3SiScZr بتازگی برای این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرد. هر 3 آلیاژ در شرایط ریخته‌گری مشابه، دارای استحكام كششی تقریبا یكسانی هستند. خواص مكانیكی آلیاژ AlMg3SiScZr از بقیه بهتر بوده، اما استعداد بیشتری برای ترك گرم دارد. اضافه شدن Sc و Zr به آلیاژ AlMg3Si باعث ایجاد تاثیرات مثبت بر خواص مكانیكی آن شد، اما باعث افزایش قیمت آلیاژ می‌شود. خواص كششی، سیالیت و مقاومت به ترك گرم خوب دو آلیاژ AlSi6Cu4 و AlSi7MgCu0.5 باعث شده است كه به عنوان آلیاژی مناسب برای تولید سرسیلندرهای آلومینیومی، باقی بمانند.
خواص حرارتی و مكانیكی آلیاژهای (AlMg3Sil, AlSi7Mg, AlSi5Cu3, AlMg3Sil (Sc,Zr را به منظور بررسی مقاومت آنها در برابر شكست ترمومكانیكال، مورد بررسی قرار داده و بهترین نتایج مربوط به آلیاژ AlSi7Mg به دست آمده است. این آلیاژ، رایج‌ترین آلیاژ در تولید سرسیلندرهای آلومینیمی موتورهای دیزلی به شمار می‌رود.
از دیگر آلیاژهای مورد استفاده برای ریخته‌گری سرسیلندر، می‌توان به دو آلیاژ (AlSi5Cu3Mg (AS5U3G و AlSiCu3Mg (AS7U3G) اشاره كرد كه در شركت‌های پژو و سیتروئن مورد استفاده قرار می‌گیرند.
روش ریخته‌گری سرسیلندر
برای تولید سرسیلندرهای آلومینیمی از روش‌های مختلف ریخته‌گری استفاده می‌شود كه می‌توان تفاوت آنها را در سه زمینه زیر بیان كرد:
1 . نیرویی كه باعث پر شدن قالب می‌شود.
2 . جنس قالب
3 . سیستم راهگاهی
یكی از متداول‌ترین روش‌های ریخته‌گری در تولید سرسیلندر آلومینیمی، ریخته‌گری ثقلی است كه مذاب توسط نیروی وزن خودش در 3 نوع قالب ماسه‌ای، دائمی و یا پوسته‌ای، تزریق می‌شود. از دیگر روش‌ها می‌توان به ریخته‌گری تحت فشار كم اشاره كرد كه مذاب توسط فشار از پایین وارد قالب فلزی می‌شود. یكی از عوامل مهم در كیفیت قطعات ریخته‌گری، طراحی سیستم راهگاهی است. اگر سیستم راهگاهی به طور مناسب طراحی نشده باشد، امكان ایجاد جریان‌های توربولانس در حین پر شدن قالب به وجود می‌آید و كیفیت قطعه تحت‌تاثیر قرار می‌گیرد. نوع جریان حاصل از ریخته شدن مذاب از پاتیل به درون سیستم راهگاهی، عامل مهمی در ایجاد اكسیدها و عیوب، از جمله عیب نشتی در سرسیلندرهاست.
یكی از عوامل بسیار موثر در كیفیت قطعه ریخته‌گری شده، فرایند پر شدن قالب است. در خصوص سرسیلندرهای ریخته‌گری شده، این عامل بسیار تاثیرگذار است. در تحقیقی، تاثیر 3 سیستم راهگاهی متفاوت در ریخته‌گری ثقلی سرسیلندر بررسی شده است.
استفاده از سیستم راهگاهی از بالا، باعث ایجاد شرایط سرد شدن بهتر در قسمت اتاقك اشتعال سرسیلندر شده و با به وجود آوردن شرایط انجماد جهت‌دار، خواص مكانیكی بهتری را در این قسمت از قطعه، ارائه می‌دهد. از دیگر مزایای این روش، جلوگیری از ایجاد جریان توربولانس سطحی است. از مزایای سیستم راهگاهی از پایین می‌توان به ایجاد جریان آرام مذاب در قالب اشاره كرد. از معایب این روش شرایط سرد شدن محدود برای اتاقك اشتعال است كه باعث كاهش خواص مكانیكی این قسمت از قطعه می‌شود. انجماد جهت‌دار محدود در این قسمت، می‌تواند باعث ایجاد حفرات انقباضی شود. در سیستم راهگاهی دوطرفه، تمام مزایای سیستم راهگاهی از بالا وجود دارد و به خاطر شیب‌دار بودن كل سیستم در طول پر شدن، میزان جریان توربولانس بسیار كاهش می‌یابد.
نكته مهمی كه باید در سیستم راهگاهی مورد توجه قرار گیرد، پرشدن كامل سیستم راهگاهی در حین ریخته‌گری است. تمام سطوح دیواره‌ها باید طوری طراحی شده باشند كه در تماس كامل با مذاب قرار داشته و هیچ فاصله‌ای در حین پر شدن به وجود نیاید. اگر مذاب از دیواره‌ها جدا شود، به علت به وجود آمدن فضای بین آنها، جریان توربولانس سطحی به وجود آمده و باعث مكش هوا به داخل جریان و ایجاد اكسیداسیون می‌شود.
در سیستم راهگاهی دوطرفه، ارتفاع ریخته شدن مذاب از پاتیل تا حوضچه سیستم راهگاهی، بسیار كم بوده و جریان مذاب، به آرامی قالب را پر می‌كند.
در سیستم راهگاهی از بالا، این ارتفاع به 15 تا 20 سانتی‌متر می‌رسد. ارتفاع زیاد، باعث متمایل شدن جریان مذاب به سمت راست شده و با برگشت مذاب از كناره‌ها به وسط، میزان جذب هوا و اكسیداسیون افزایش می‌یابد. مهم‌ترین مزیت سیستم راهگاهی از پایین، آرام بودن جریان در حین پر شدن قالب است.
عیوب متداول در ریخته‌گری سرسیلندر
از رایج‌ترین عیوب در تولید سرسیلندرها، می‌توان به عیب نشتی اشاره كرد. این عیب ناشی از وجود حفرات گازی و انقباضی در قطعه است كه اكثرا خود را در فرایند ماشین‌كاری نشان می‌دهد.
عوامل به وجود آمدن این حفره‌ها عبارتند از:
1 . نفوذ هیدروژن در مذاب
2 . انقباض در حین فرایند انجماد
3 . واكنش بین قالب و مذاب
4 . اكسیداسیون دمای بالا
5 . مك‌ها (كه به صورت كروی بوده و به علت به دام افتادن گاز در حین فرایند انجماد به وجود می‌آیند).
بر طبق مطالعات انجام شده، برخی دلایل ایجاد این ضایعات عبارتند از:
1 . به هم خوردن رژیم حرارتی قالب
2 . پایین بودن چگالی ذوب
3 . تنظیم نبودن دمای مذاب و استفاده از مشعل بر روی كوره نگهدارنده
5 . تلاطم ذوب
6 . آببند نبودن قالب
7 . استفاده از رزین مصرفی در ماهیچه‌ها
یكی از مشخصه‌های بارز تخلخل انقباضی، شكل نامنظم و خشن آن است. این مشخصه، راهی خوب برای تشخیص عیب است. تخلخل‌های گازی به شكل حباب‌های دارای سطحی صاف و هموار در قطعه قابل مشاهده‌اند. از منابع اصلی این تخلخل‌ها می‌توان به هیدروژن محلول در مذاب، هوای حبس شده در راهگاه و بخارات آب در قالب، اشاره كرد. تخلخل گازی ممكن است به صورت اتفاقی باشد و در جاهایی كه جریان غیرمتعارف است، متمركز شود (نظیر هوای محبوس شده در میان مسیر جریان‌های سنگین). تخلخل انقباضی همواره بین سطوح متمركز می‌شود و پس از انجماد رخ داده و گرم‌ترین مقطع یك قطعه ریختگی است.
یكی از راه‌های بهبود خواص سرسیلندرهای آلومینیومی، استفاده از فرایند فشار ایزواستاتیك مایع در دمای بالا (LHIP) است. در این فرایند، قطعه در حمام مایع داغ (نمك مذاب) قرار گرفته و از تمامی جهات، تحت فشار قرار می‌گیرد. این عمل باعث افزایش چگالی قطعه می‌شود. اعمال هم زمان فشار و دما باعث حذف حفرات انقباضی و گازی (هیدروژن) می‌شود. تحت این فشار و دما، هیدروژن در آلیاژ حل می‌شود. حفرات گازی حاوی از بین نمی‌روند زیرا نیتروژن قابلیت انحلال در آلیاژ آلومینیم را ندارد، تنها اندازه حفرات كوچك‌تر می‌شود. ترك‌ها و حفرات باز هم توسط نفوذ مایع پر می‌شوند.
به عنوان مثال، علمیات LHIP بر روی آلیاژ AlSi7Mg انجام شد و چگالی از g/cm3 2/614 به g/cm3 2/672 معادل 2/2 درصد افزایش رسید.
نتیجه‌گیری
سرسیلندر، از جمله قطعات خودرو است كه در معرض تنش دینامیكی و دمای بالا قرار دارد. از این رو، باید دارای خواص مكانیكی خوب از جمله استحكام و چقرمگی بالا باشد. از آلیا‌های متداول برای تولید سرسیلندر می‌توان به خانواده آلیاژ آلومینیم- سیلیسیم- مس، نظیر AS7U3G, AS5U3G, AlSi7MgCu0.5, AlMg3SiScZr و AlSi6Cu4 اشاره كرد. ریخته‌گری ثقلی و ریخته‌گری تحت فشار پایین، از جمله روش‌های تولید صنعتی سرسیلندر به شمار می‌روند. در این فرایندها، طراحی سیستم راهگاهی باید با دقت تمام انجام شود زیرا ایجاد تلاطم در مذاب در حین پر شدن قالب، می‌تواند باعث بروز انواع عیوب در قطعه شود. از انواع سیستم راهگاهی در ریخته‌گری سرسیلندر، می‌توان به سیستم راهگاهی از بالا، از پایین و دوطرفه اشاره كرد كه هر كدام دارای معایب و مزایای خود هستند. از عیوب بسیار رایج در سرسیلندرهای ریخته شده، عیب نشتی است كه علت آن وجود حفرات انقباضی و گازی در قطعه است. از جمله منابع اصلی این تخلخل‌ها می‌توان به هیدروژن محلول در مذاب، هوای حبس شده در راهگاه و بخارات آب در قالب اشاره كرد كه با انجام عملیات كیفی مناسب در مذاب، طراحی مناسب در سیستم راهگاهی و قالب، می‌توان تا حد زیادی آنها را كاهش داد.
