PZM – Motoryzacja

Twardość

Mniejsza ścieralność żeliwa niż stopów lekkich jest wynikiem dużej twardości żeliwa w podwyższonych temperaturach oraz zawartości grafitu, który nadaje żeliwu właściwości samo-smarne i poprawia przyczepność oleju. Nie należy jednak zapominać, że zużycie korozyjne, w wyniku działania powstających podczas spalania mieszanin kwasów i skondensowanej pary wodnej, może być dla żeliwa znacznie większe niż dla stopów aluminium. Podana w tablicy w książce Niewiarowskiego ścieralność określa ilość materiału startego w jednakowych warunkach, przy czym jako jednostkę przyjęto ilość startego stopu eutektycznego Al-Si 12-Cu-Ni. Chociaż nie ma bezpośredniej zależności między twardością i wytrzymałością, to jednak na podstawie stosunkowo łatwego pomiaru twardości w różnych temperaturach można wyciągnąć istotne wnioski o wytrzymałości materiału w różnych temperaturach pracy. Twardość stopów aluminium po odlaniu lub odkuciu tłoka jest znacznie mniejsza niż twardość żeliwa, lecz może być zwiększona przez obróbkę cieplną.

Właściwości wytrzymałościowe

Właściwości wytrzymałościowe materiałów na tłoki określa się przy użyciu takich wielkości, jak: wytrzymałość na rozciąganie w różnych temperaturach, granica plastyczności, wydłużenie, moduł sprężystości lub wytrzymałość na zmęczenie powodowane zginaniem obukierunkowym. Wymienione właściwości stosowanych obecnie materiałów na tłoki podano w tablicy w książce Niewiarowskiego. Materiały, z których wykonuje się tłoki, można podzielić na cztery grupy: stopy aluminium, żeliwa, stopy magnezu i staliwa. Stopy aluminium w zastosowaniu na tłoki (podobnie jak stopy łożyskowe) powinny mieć strukturę złożoną z twardych składników rozmieszczonych równomiernie w miękkiej osnowie. Zależnie od składu chemicznego stopu składnikami twardymi są: związki Al-Cu, Al-Cu-Ni lub kryształki krzemu. Stopy te można podzielić na trzy zasadnicze grupy. Stopy Al-Cu reprezentowane przede wszystkim przez stopy Y oraz stopy Al-Si-Cu (np. stop LA 5) w porównaniu z innymi stopami aluminium odznaczają się większą, wytrzymałością w podwyższonych temperaturach i są dość rozpowszechnione.

Wnioski

Jednak ze względu na mniejszą odporność na ścieranie, a zwłaszcza większą rozszerzalność cieplną, stopy takie zostały w znacznym stopniu wyparte przez stopy Al-Si. Stopy eutektyczne zawierają ll-f-13% Si oraz małe dodatki Cu, Ni, Mg, Co, Cr,. Mn, Fe i innych metali, a zwłaszcza stopy nadeutektyczne np.: Al-Si-25-Cu-Ni. odznaczają się najmniejszą rozszerzalnością cieplną ze wszystkich stopów aluminium stosowanych na tłoki. Szczególnie korzystne jest oczywiście stosowanie stopów nadeutektycznych w silnikach dwusuwowych i przy chłodzeniu powietrzem (wysokie temperatury tłoka podczas pracy). Ogólnie biorąc stopy aluminium z uwagi na mały ciężar właściwy stanowią zasadniczy materiał na tłoki większości silników szybkoobrotowych. Ze względu na dużą przewodność cieplną (niższa temperatura tłoka w czasie pracy silnika) stopy te zostały wprowadzone do silników średnioobrotowych (okrętowych i kolejowych), zwłaszcza doładowanych, w których tłoki przejmują znaczną ilość ciepła od gorących spalin.

Zadania i warunki pracy

Tłok przekazuje siły wynikające z ciśnienia gazów za pośrednictwem korbowodu na wał silnika oraz prowadzi górną część korbowodu. W silnikach wodzikowych wymagane prowadzenie korbowodu zapewnia wodzik. Duże przyspieszenia tłoka w ruchu posuwisto-zwrotnym wywołują znaczne siły bezwładności. Poważne obciążenie spowodowane ciśnieniem gazów i siłami bezwładności, przy dużej prędkości ruchu i braku możliwości zapewnienia warunków tarcia płynnego, decyduje o wielkości pracy tarcia, a więc w pewnym stopniu i o zużyciu tłoka oraz gładzi cylindrowej. Zwykle w obliczeniach naprężeń w elementach układu korbowego silnika wolnobieżnego, wywołanych siłami ciśnienia gazów, nie uwzględnia się zmniejszającego te naprężenie oddziaływania sił bezwładności. W silnikach szybkobieżnych, w których mogą występować bardzo duże siły bezwładności, właściwy obraz obciążeń otrzymuje się obliczając poszczególne siły z uwzględnieniem i bez uwzględnienia sił bezwładności. Dotyczy to zwłaszcza silników pracujących ze zmiennymi prędkościami obrotowymi.

Materiały, półfabrykaty i obróbka cieplna

Warunki pracy tłoka w cylindrze są niekorzystne, ze względu na wysokie ciśnienie, temperaturę oraz prędkość. Wysokie temperatury pogarszają właściwości mechaniczne metalu, z którego wykonany jest tłok, a różnice lokalnych temperatur poszczególnych części lub powierzchni tłoka (zwłaszcza w dużych silnikach) powodują dodatkowo powstawanie wewnętrznych naprężeń cieplnych, które mogą wywoływać pęknięcia. Wskutek nagrzewania się lub ostygania tłoka zmieniają się jego wymiary, co może doprowadzić do naruszenia ustalonych luzów w miejscach współpracy z, innymi elementami i wywołać zatarcie tłoka w cylindrze (np. przy niewłaściwym doborze materiału) lub przegrzaniu tłoka w wyniku uszkodzenia układu chłodzenia. O wyborze materiału na tłoki decydują następujące jego właściwości: gęstość, przewodność i rozszerzalność cieplna, ścieralność, twardość oraz wytrzymałość na stałe i zmienne obciążenia w podwyższonych temperaturach. Istotne znaczenie ma również obrabialność i właściwości odlewnicze dla tłoków odlewanych.