Алюминиевые сплавы для блока цилиндров (4 видео)

Блок цилиндров является частью двигателя внутреннего сгорания, которая расположена между головкой цилиндров и картером. Он является опорной конструкцией для всего двигателя. Все части двигателя крепятся на блоке цилиндров или в нем самом, и он обеспечивает их соосность.

Рисунок – Алюминиевый блок цилиндров двигателя

Еще не так давно в двигателях большинства автомобилей, кроме спортивных, применяли монолитные чугунные блоки цилиндров.

Содержание

От чугунного к алюминиевому блоку цилиндров
Требования к алюминиевым блокам цилиндров
Теплопроводность
Прочность при повышенных температурах
Прочность и твердость при комнатной температуре
Усталостная прочность
Выбор алюминиевого литейного сплава
Прочность
Литейные свойства
Химический состав и термическая обработка
Втулки алюминиевых блоков цилиндров
Алюсил не виноват: настоящие причины ненадежности алюминиевых моторов
Алюсил? Не, не слышал
В теории все отлично
Хороший пример
Плохой пример
🌟 Видео

Видео:Алюминиевый БЛОК и чугунная ГИЛЬЗАСкачать

От чугунного к алюминиевому блоку цилиндров

Алюминий, как конструкционный материал, конечно, менее прочный, чем чугун. Поэтому долго считалось, что алюминиевый блок цилиндров должен быть намного толще, чем чугунный. Однако оказалось, что хорошо сконструированный алюминиевый блок цилиндров может быть намного легче и почти таким же прочным как чугунный блок. Обычно применение литейных алюминиевых сплавов вместо применяемого ранее серого чугуна дает снижение блока цилиндров на 40-55 %. Несмотря на более высокую стоимость алюминиевых сплавов, по сравнению с серым чугуном, постоянное стремление к снижению потребления топлива приводит к постоянному росту доли алюминиевых блоков цилиндров.

Применение алюминиевых блоков цилиндров началось с бензиновых двигателей в конце 1970-х годов. Замена серого чугуна в дизельных двигателей тормозилась до середины 1990-х годов. К 2005 году доля на рынке алюминиевых блоков цилиндров двигателя достигла 50 %. В настоящее время блоки цилиндров практически всех бензиновых двигателей изготавливают из алюминиевых сплавов. Применение алюминиевых сплавов в дизельных двигателях также неуклонно растет.

Видео:Блок Двигателя! Чугун или Алюминий! Никасил и АлюсилСкачать

Требования к алюминиевым блокам цилиндров

Теплопроводность

Материал современные алюминиевые блоки цилиндров испытывает температуры до 150-200 °C. Высокая теплопроводность литейных алюминиевых сплавов (в три раза больше, чем у серого чугуна) обеспечивает эффективную передачу в систему охлаждения двигателя.

Прочность при повышенных температурах

Требуется сохранение заданной прочности при температурах до 200 °C. Самые большие напряжения возникают в местах болтовых соединений с головкой блока цилиндров. Материал должен выдерживать нагрузки от вращения коленчатого вала и термического расширения блока цилиндров.

Прочность и твердость при комнатной температуре

Материал алюминиевого сплава при комнатной температуре должен обладать достаточной прочностью и твердостью, чтобы обеспечивать ему хорошую обработку резанием и высокое качество сборки.

Усталостная прочность

При работе двигателя блок цилиндров подвергается циклическим растягивающим напряжениям в широком интервале температуры. Этот интервал начинается с отрицательных температур зимой и заканчивается повышенными температурами около 150-200 ºС. Поэтому наиболее важной характеристикой материала блока цилиндров является усталостная прочность.

Известно, что свойства материала любой металлической отливки – и чугунной, и алюминиевой – зависят не только от химического состава материала и его термической обработки, но также от метода разливки, а также от того места отливки, из которого вырезается испытательный образец.

Видео:Чем правильно сварить ГБЦ и подобные алюминиевые сплавы .Скачать

Выбор алюминиевого литейного сплава

Выбор алюминиевого литейного сплава для блока цилиндров требует учета различных факторов. Алюминиевые литейные сплавы, которые применяют в производстве таких сложных литых изделий как блоки цилиндров, должны соответствовать целой комбинации технических требований. Эти требования включают:

низкую стоимость;
хорошие литейные свойства;
хорошую обрабатываемость резанием;
достаточно высокая прочность при повышенных температурах.

Прочность

Уровень прочности сплава определяет, например, минимально допустимую толщину стенки. Поэтому выбор алюминиевого литейного сплава должен производиться уже на первом этапе проектирования блока цилиндров двигателя. Обычно выбор алюминиевого сплава является компромиссом. Высокопрочные литейные сплавы могли бы быть предпочтительным выбором, но часто у них могут быть такие недостатки, как высокая стоимость, низкие литейные свойства и недостаточная прочность при повышенных температурах.

Из соображений цены и по техническим причинам почти все автомобильные алюминиевые блоки цилиндров делают из сплавов, которые основаны на применении вторичного алюминия – алюминиевых сплавов, который получают из алюминиевого лома. Это, например, сплавы EN AC-46200 (AlSi8Cu3) и EN AC-45000 (AlSi6Cu4). При повышенных требованиях к вязкости материала применяют сплавы с более жесткими требованиями по примесям и загрязнениям, которые уже близки к требованиям для сплавов из первичного алюминия.

Литейные свойства

Литейные свойства алюминиевых сплавов обычно повышаются с повышением содержанием в них кремния. С другой стороны, добавки медь, которые нужны для повышения прочности при высокой температуре, оказывают отрицательное влияние на литейные свойства алюминиевых сплавов, в первую очередь, на текучесть сплава при заполнении литейной формы. Кроме того, когда применяется метод литья под высоким давлением, то применяют сплавы с некоторым содержанием железа, а также марганца, чтобы предотвратить налипание жидкого алюминия к стальной литейной форме. Однако повышенное содержание железа снижает прочностные свойства алюминиевой отливки.

Иногда наиболее важными при выборе литейного сплава являются не цена и литейные свойства, а некоторые другие его свойства, например, износостойкость.

Видео:Цинковые и алюминиевые сплавы Как отличить цинк силумин дюральСкачать

Химический состав и термическая обработка

Литейные алюминиевые сплавы, которые применяют для изготовления блоков цилиндров автомобилей, обычно включают сплавы 46200 и 45000 по Европейскому стандарту EN 1706 (громоздкая приставка “EN AC-“ опущена). Химические «формулы» этих сплавов имеет соответственно вид AlSi8Cu3 и AlSi6Cu4. Их американскими аналогами – более известными – являются сплавы А380.2 и А319. Эти доэвтектические алюминиево-кремниевые сплавы обычно производят из вторичного алюминия. Из них отливают автомобильные блоки цилиндров различными методами гравитационного литья.

Таблица – Химический состав и состояния
алюминиевых литейных сплавов для блоков цилиндров

Читайте также: Цилиндр для крановой установки

Относительно высокое содержание меди позволяет этим сплавам сохранять свою прочность при повышенных температурах и, кроме того, обеспечивает им хорошую обрабатываемость резанием. Обычно для этих сплавов – 46200 и 45000 (А380.2 и А319) – применяют состояния F (литое состояние), Т4 (закалка и естественное старение) и Т5 (неполная закалка и искусственное старение). Для отливок из этих сплавов может также применяться и состояние Т6, но для многих изделий из этих сплавов достаточно стабилизирующего состояния Т5.

Почти все блоки цилиндров, которые отливают методом литья под высоким давлением, изготавливают из сплава 46000 (AlSi9Cu3(Fe)). Обычно этот сплав не требует термической обработки, кроме умеренного отпуска для снижения остаточных напряжений.

Блоки цилиндров из алюминиевых сплавов 42100 (AlSi7Mg0,3) и 42000 (AlSi7Mg) получают высокую прочность и удлинение при комнатной температуре, когда подвергаются термической обработке на состояние Т6. В этом случае необходимо внимательно контролировать остаточные напряжения, которые возникают при закалке отливки для достижения состояния Т6. Более высокое сопротивление растрескиванию этих сплавов дают им возможность противостоять термическим усталостным нагрузкам. Это происходит за счет определенного ухудшения обрабатываемости резанием и повышения стоимости из-за дополнительных расходов на термическую обработку на состояния Т6 или Т7. Выполнение требования по пониженному содержанию примесей, таких как железо, марганец, медь и никель, также требует дополнительных расходов по сравнению со вторичными сплавами, которые упоминались выше.

Блоки цилиндров из заэвтектоидных алюминиево-кремниевых сплавов (AlSi17CuMg) обычно отливают методом литья при низком давлении с последующей термической обработкой на состояние Т6. Этот сплав также более дорогой, чем стандартные литейные сплавы из вторичного алюминия.

Видео:Точное литье алюминия Производство блоков цилиндровСкачать

Втулки алюминиевых блоков цилиндров

Алюминиевые литейные сплавы, которые обычно применяют для изготовления блоков цилиндров, недостаточно твердые и износостойкие, чтобы непосредственно работала в паре скольжения с поршнями двигателей. Для этой цели подходят только заэвтектоидные алюминиевые сплавы типа AlSi17CuMg.

Поэтому в алюминиевых блоках цилиндров широко применяют чугунные втулки. Наиболее широко применяется метод установки чугунных втулок, при котором их вставляют в литейную форму блока цилиндра перед ее заливкой. Кроме того, чугунные втулки устанавливают также методом горячей запрессовки. Для создания прочной и износостойкой поверхности скольжения блока цилиндров применяют также различные методы напыления – термические, плазменные, электродуговые и другие.

Source: European Aluminium Association, 2011

Видео:Сварка алюминиевого блока двигателя, собираю пазл из осколков.Скачать

Алюсил не виноват: настоящие причины ненадежности алюминиевых моторов

Легкие цельноалюминиевые моторы с тонким алюсиловым покрытием цилиндров потихоньку становятся пугалом для покупателей машин на вторичном рынке. При этом сам по себе алюсил неправильно было бы считать абсолютным злом. Попробуем разобраться, что это вообще такое и стоит ли бояться этой технологии.

Алюсил? Не, не слышал

Сам по себе алюминий – металл достаточно мягкий, – это знают все, кто гнул в детстве бабушкины алюминиевые вилки. И даже прочности его сплавов, которые используются в автомобилестроении, недостаточно для использования на поверхности цилиндра – он попросту не выдержит трения поршневых колец.

Но соблазн использовать цельноалюминиевый мотор слишком велик. Масса алюминиевого блока в разы меньше, чем у чугунного, он лучше прогревается, у него меньше напряжения в сопряжении блока и головки цилиндров. Казалось бы, запрессовать чугунные гильзы в алюминий и успокоиться, но и тут есть сложности.

Так называемая «мокрая» посадка гильзы, как на моторах ЗМЗ V8, не обеспечивает достаточной жесткости и не технологична, а «сухая» гильза, которую заливают в блок на этапе отливки или штамповки, обходится дорого. И в любом случае чугун ухудшает теплопередачу и тепловой зазор приходится оставлять большим из-за разного коэффициента расширения металлов. А новые требования к моторам заставляют искать способы уменьшения зазоров в цилиндрово-поршневой группе для усовершенствования работы «на холодную» и улучшения экологичности.

Газ-53 с двигателем ЗМЗ V8

Выход нашли сначала в нанесении на алюминий очень тонкого слоя особопрочного материала. Пример тому – покрытие по технологии Nikasil из сверхтвердого карбида никеля, наносимое гальваническим методом на алюминиевую гильзу цилиндра.

Технология была разработана в 60-е годы для роторно-поршневых моторов NSU и применялась на легендарных Ro-80 и на некоторых Porsche, а в 90-е годы пришла в массовое автомобилестроение. Но совсем ненадолго. Буквально за пять-шесть лет выпуска производители «разочаровались» в технологии. Формальным поводом стали случаи разрушения прочнейшего покрытия из-за химических проблем: например, при использовании высокосернистого топлива. Особенно часто сложности встречались в северных штатах США и в Канаде.

Отзвуки громкого скандала с никасилом дошли и до нас, но это как раз тот случай, когда проблема оказалась вовсе не технической – просто это очень дорогой способ, и у него «нашли» «недостаток». Хотя дело было скорее в низкой технологичности и высоких шансах на производственный брак при сложной процедуре. Забавно, что громкий отказ в массовом автомобилестроении от никасила никак не повлиял на его использование в мотоспорте и на заряженных гражданских мотоциклах: там он по-прежнему весьма популярен.

Но потерпев неудачу с никасилом, конструкторы не отчаялись и обратились к более технологичным аналогам. Вспомним, что чугун в моторах появился не просто так. На поверхности этого металла при обработке проявляются зерна графита, благодаря твердости которых чугунные цилиндры обладают высокой износостокостью. Если насытить алюминий кремнием выше определенного порога, то можно получить своеобразный «алюминиевый чугун» – заэвтектический сплав, в котором кремний будет содержаться в виде очень твердых износостойких зерен.

Достаточно лишь в блоке цилиндров, отлитого из заэвтектического сплава, специальным образом обработать поверхность цилиндра, «осадив» алюминий и оставив зерна кремния на поверхности. Технология Alusil или Silumal, основанная на этом принципе, а также гильзы по технологии Locasil, оказались крайне инновационны и недороги. Во многом этот способ даже дешевле «сухих» чугунных гильз в алюминиевом блоке. А о достоинствах цельноалюминиевого мотора я уже писал выше. И все же вал отказов моторов с алюсиловыми цилиндрами вполне обоснованно ставит под сомнение надежность самой технологии. Но в ней ли проблема?

Читайте также: Бесконечный цилиндр это цилиндр у которого диаметр

В теории все отлично

Если ограничиться только широкоизвестными примерами «неудачных» моторов, то можно подумать, что именно в покрытии цилиндров и заключена суть проблемы. Но стоит приглядеться подробнее и обнаружится, что весьма удачных моторов с технологией Alusil хватает. Вот, например, серия двигателей M112-M113 от Mercedes, которые вполне обоснованно считаются крайне надежными, беспроблемными и неприхотливыми. И не беда, что тут гильзы цилиндров с алюсиловым покрытием – моторы проходят все 300-500 тысяч километров до проблем с поршневой группой, и известны примеры с куда большими пробегами – при нормальной эксплуатации износ в этом сопряжении практически отсутствует. В чем же разница между ними и признанными «неудачниками» серии М272-М273?

Двигатель Mercedes-Benz M113.M273

Алюминиевые блоки обеспечивают более стабильные характеристики поршневой группы при нагревании, позволяют почти без ущерба давать нагрузку на непрогретый мотор, а в итоге гарантируют лучшую экологичность и экономичность. И с ресурсом в теории тоже все хорошо: очень «скользкое» покрытие с минимальным коэффициентом трения, хорошими характеристиками удержания масляной пленки и высочайшей твердостью поверхностного слоя может работать очень-очень долго. Почти так же долго, как и очень дорогой Nikasil, и больше, чем чугун. Почему же на практике получается иначе?

Разберем подробно на примере пары двигателей: надежного М112 и крайне неудачного М272 от одного производителя, почтеннейшего Mercedes-Benz. Оба двигателя ставили на целый ряд машин, от С- до S-классов и тяжелых внедорожников на протяжении более 10 лет. Самое время проанализировать накопленный опыт. Представлю героев этой статьи подробнее.

Хороший пример

Моторы серии М112-М113 – унифицированное семейство моторов V6 и V8, с углом развала блока 90 градусов, с рабочим объемом от 2,6 до 5,4 литра. Моторы V8 отличаются от V6 только наличием еще двух цилиндров и отсутствием балансирного вала в развале блока, в остальном они идентичны. На базе шести- и восьмицилиндровых моторов этих серий делали и компрессорные агрегаты для машин AMG.

Блок цилиндров из алюминиевого сплава, сухие гильзы из заэвтектического алюминиевого сплава. Кованый коленчатый вал, кованые шатуны, привод ГРМ двухрядной роликовой цепью, по одному респредвалу на ГБЦ (SOHC), три клапана на цилиндр: два впускных, один выпускной. Распределенный впрыск, система зажигания с двумя свечами на цилиндр. Фазовращателей нет. Впускной коллектор переменной длины. Простой термостат, привод вентилятора через вискомуфту, температура термостатирования 87 градусов. Охлаждение масла в водомасляном теплообменнике.

Двигатель Mercedes-Benz M112

Мощностные показатели более чем неплохие, особенно с учетом сравнительно небольшой массы моторов и малых размеров – ГБЦ очень компактные. Моторы V6 с рабочим объемом 3,7 литра без наддува выдают до 245 л. с. и 344 Нм, а V8 объемом 5,4 литра – все 367 л. с. и 530 Нм крутящего момента. Компрессорные варианты – так и вовсе вплоть до 650 л. с.

Основные недостатки конструкции давно известны. Сравнительно высокий расход масла на угар из-за малого натяга поршневых колец и быстрого износа сальников выпускных клапанов. Течи масла с теплообменника двигателя, а при загрязнении системы вентиляции картера и с крышек ГБЦ, а также других мест. Не очень высокое качество резиновых уплотнений, но сальники выпускных клапанов выходят из строя в основном из-за высокой температуры единственного выпускного клапана.

Трескаются выпускные коллекторы из-за конструктивных просчетов. Сложно менять свечи нижнего ряда, и этой процедурой пренебрегают при обслуживании, из-за чего моторы часто не выдают расчетные характеристики. Сравнительно мал ресурс катализаторов, а при прогрессировании расхода масла они выходят из строя очень быстро. Выпускной коллектор имеет изнашиваемые заслонки, которые теряют уплотнение к пробегу в 200-350 тысяч километров и иногда выходит из строя их привод, после чего мотор значительно теряет либо в тяге «на низах», либо «на верхах».

Если вовремя заменить сальники клапанов, не допускать перегревов, вовремя устранять течи теплообменника и менять прокладки, то мотор даже со стандартным интервалом обслуживания в 15 тысяч километров и «оригинальном» масле способен на более чем 200 тысяч пробега. При качественном обслуживании и при пробегах «за 300» он вполне бодро себя чувствует, не требуя замены поршневой группы и цепей. Задиры поршневой группы на M112/113 – часто следствие пренебрежения интервалами замены воздушного фильтра, плохого масла и перегревов.

Причем перегреть этот мотор достаточно сложно, если только ездить с неисправным термостатом или порванным ремнем привода вентилятора и помпы. Моторы эти имели экологический класс Euro 3 и Euro 4, выпускались с 1997 года и считались очень удачными. Но прогресс – штука неумолимая.

Плохой пример

В 2004 году на моделях C-, E- и S-класса появились новые двигатели серии M272/273 с примерно такими же характеристиками. Моторы серии M113 оставили только для «проходимца» G55. Чем же новые агрегаты были хуже и почему для владельцев они превратились в символ угасания качества марки Mercedes?

Серия двигателей M272-M273 тоже унифицирована, это V6 и V8 охватывает диапазон рабочего объема с 2,5 до 5,5 литра. На первый взгляд моторы мало изменились в сравнении с предшественниками, но тем не менее где-то кроются те изменения, которые сказались на надежности самым радикальным образом.

Под капотом Mercedes-Benz SLK 350 ‘2004–07

Читайте также: Цилиндр двигателя ваз 2113

Блок цилиндров с тем же межцентровым расстоянием, тоже алюминиевый. Целиком отлит из заэвтектического алюминиевого сплава, гильз не имеет. Кованый коленчатый вал, кованые шатуны, привод ГРМ двухрядной роликовой цепью. Два верхних распредвала в каждой ГБЦ (DOHC), четыре клапана и одна свеча на цилиндр. Фазовращатели на впускных и выпускных валах. Впрыск распределенный на большинстве моделей, но есть и варианты с непосредственным (CGI) впрыском. Впускной коллектор переменной длины. Электровентиляторы системы охлаждения, управляемый термостат с электронным управлением. Температура термостатирования без учета нагревательного элемента уже 100 градусов. Охлаждение масла происходит в водомасляном теплообменнике.

Масса и габариты моторов выросли: весить агрегат стал в среднем больше на 10-15 кг и прибавил в ширину восемь см. Правда, мощность немного подросла. Самые объемные V6 3,5 литра выдают 272-316 л. с. в варианте с обычным и непосредственным впрыском, а 5,5 литра V8 все 388 л. с. Крутящий момент остался прежним, 350-360 Нм для V6 и 530 Нм для V8, но сместился в зону низких оборотов: если у М112 максимум достигался при 3 000-3 500 оборотах, то у М272 это уже 2 400-2 500 оборотов, что хорошо сказывается на динамике и экономичности.

Казалось бы, совершенно непринципиальные изменения. Но вот недостатков у нового мотора оказалось куда больше, чем преимуществ. Первые серии двигателей поразили «новшеством» в виде небывало низкого ресурса ГРМ. При пробегах всего в 60 тысяч километров могучая двухрядная цепь могла перескочить и загнуть клапаны мотора. Учитывая специфику V образных двигателей, часто это приводило к отрыву клапанов и полному разрушению агрегата.

Система непрерывного изменения фаз ГРМ оказалась капризной и дорогой: первые ее варианты имели ресурс опять же в пределах 80-100 тысяч километров и хорошую вероятность отказа при меньшем пробеге. Вина лежит в основном на неудачно выбранном материале цепи балансиров, которая быстро изнашивалась, ломала зубья, но сама цепь ГРМ и материалы звезд ГРМ тоже оказались излишне мягкими и изнашивались следом.

И впускной коллектор оказался с сюрпризом: если на моторах М112 выход его из строя был редкостью, то на М272 его замена выполняется уже в рамках обычного техобслуживания, примерно каждые 60 тысяч километров. Mercedes доработал конструкцию, но на это ушло немало времени. Недостатки ГРМ в основном устранили после 2007 года, когда стабильный ресурс цепи достиг примерно 120 тысяч километров, и система управления фазами тоже была доработана для достижения стабильного ресурса, сравнимого с ресурсом цепи. Впускной коллектор так и остался проблемным местом.

Нужно отметить, что все работы по ГРМ на этом двигателе очень дороги, а звезда балансирного вала меняется только вместе с самим валом, что требует снятия двигателя. Стоимость работ и материалов составляет не меньше 200 тысяч рублей. Ну а цена впускного коллектора в 60 тысяч рублей на фоне этого может считаться просто мелочью, тем более что «гаражный сервис» заслонки просто удаляет и без видимого вреда для мотора.

Еще одна проблема проявилась именно с поршневой группой этого двигателя: задиры цилиндров и связанный с ними высокий расход масла стали проявляться при совершенно смешных по мерседесовским меркам пробегам, порядка 80-100 тысяч километров, причем для моторов после 2007 года эта сложность могла вылезти раньше, чем заканчивался ресурс ГРМ.

Как следствие всех этих особенностей выросла стоимость эксплуатации и число отказов, в том числе требующих замены блока цилиндров или гильзовки. Но в общем-то и проблемы «предка» в лице М112 никуда не делись: слабые уплотнения, система вентиляции, теплообменник все также протекает и катализаторы умирают быстро. Правда, такой мотор масла практически не расходует, в отличие от предшественников, для которых пол-литра или литр на 15 тысяч километров пробега был в общем-то нормой, которая еще не говорила о начинающихся проблемах. Самое время взглянуть внимательнее, чем еще отличаются моторы и что может влиять на ресурс поршневой группы. И причем тут вообще алюсил.

Самое очевидное, что сказывается на условиях работы поршневых колец и сальников клапанов, – это изменение рабочей температуры. 87 градусов против 100 кажется не такой уж значительной прибавкой, но надо учесть еще и режим работы вентиляторов. Вискомуфта на М112 обеспечивает резкое снижение температуры сразу после открытия термостата при исправной работе и при заклинивании, а электровентиляторы на М272 срабатывают только при 107 градусах, даже если термостат открылся раньше. Побочным эффектом управляемого термостата является и резкое повышение вероятности детонации при ускорениях после пробок – мотор не успевает остыть быстро даже при снижении порога термостатирования под нагрузкой. А детонация для алюсилового мотора легко разрушает легкий слой поверхностного упрочнения.

Поршни, на первый взгляд, разнятся мало: почти одинаковая компрессионная высота, высота самого поршня различается меньше чем на 3 мм, но вот жаровой пояс у новых моторов М272 составляет всего 5 мм против 7,5 мм у М112. При прочих факторах это означает заметно худшие условия работы поршневых колец: они находятся в гораздо более горячей зоне. А еще маслофорсунки на моторе М272 имеют меньший расход масла, что явно не лучшим образом сказывается и на температуре поршня и, опять же, на условиях работы поршневых колец.

И снова отличия вроде бы невелики, но в сочетании с большим количеством частиц износа в картере мотора из-за износа ГРМ, вероятностью разгерметизации впускного коллектора или отрыва его заслонок, более быстрым износом сальников клапанов из-за повышенной температуры, ресурс поршневой группы сокращается в два-три раза, а число отказов и вовсе в несколько раз.