Segmenți de piston din fontă: Un ghid complet pentru elementul de etanșare central al motoarelor cu ardere internă

Ca „gardieni ai inimii” unui motor cu ardere internă, segmenții de piston din fontă îndeplinesc o misiune crucială de etanșare în condiții extreme de temperatură ridicată, presiune ridicată și viteză mare. Lucrând în coordonare precisă cu cilindrul și pistonul, aceștia asigură funcționarea eficientă și stabilă a motorului. Datorită performanței lor generale excelente, segmenții de piston din fontă au devenit cel mai utilizat tip.

​I. Funcții principale: Etanșare, Controlul uleiului, Conducerea căldurii și Suport​

Segmenții de piston din fontă joacă patru roluri cheie indispensabile într-un motor:

1. ​Funcția de etanșare (sarcină principală):​
   • Previne eficient scurgerile de gaze la temperatură înaltă și presiune înaltă din camera de ardere în carter, reducând la minimum absolut scurgerile de gaze.
   • ​Stadializarea presiuniiPrimul segment de compresie suportă aproximativ 76% din presiunea gazului, aceasta scade la 20% la al doilea segment și rămâne doar aproximativ 4% la al treilea segment, creând o etanșare eficientă „pas cu pas”.
2. ​Funcția de control al uleiului:​
   • Segmentul de ulei este responsabil pentru răzuirea precisă a excesului de ulei lubrifiant de pe peretele cilindrului, lăsând în același timp o peliculă de ulei ultra-subțire pentru a asigura o lubrifiere adecvată și a controla consumul de ulei. Această performanță este esențială în motoarele moderne de mare viteză.
3. ​Funcția de conducere a căldurii:​
   • 70-80% din căldura de la coroana pistonului este transferată prin segmenții pistonului către pereții cilindrului pentru disipare. Acest lucru este vital pentru menținerea ansamblului pistonului la o temperatură de funcționare adecvată și prevenirea deteriorării prin supraîncălzire.
4. ​Funcție de suport:​
   • Previne contactul direct dintre piston și peretele cilindrului, asigurând o mișcare lină a pistonului, reducând frecarea și prevenind „șocirea pistonului”.

​II. Proprietăți excepționale ale fontei​

Fonta este materialul ideal pentru segmenții de piston datorită alinierii perfecte a proprietăților sale unice cu cerințele exigente ale motorului:

• ​AutolubrifiereGrafitul din fontă acționează ca un lubrifiant solid natural, absorbind uleiul lubrifiant și oferind proprietăți superioare de autolubrifiere în condiții de lubrifiere limită.
• ​Proprietăți mecanice excelenteModulul de elasticitate ridicat, deformarea permanentă redusă, rezistența necesară la oboseală la încovoiere și duritatea corespunzătoare îndeplinesc cerințele de performanță ale unei componente elastice.
• ​Tipuri de materiale:
  • ​Fontă griMaterialul de bază, compus de obicei din carbon 3,1-3,5%, siliciu 1,6-2,1%, mangan 0,6-1,0%, cu cantități mici de elemente de aliere precum crom și cupru.
  • ​Fontă aliatăAdăugarea de elemente precum cuprul, cromul și molibdenul oferă o rezistență mai bună la căldură, rezistență la uzură și rezistență la coroziune.
  • ​Fontă ductilăPrezintă o rezistență la încovoiere (80-120 kg/mm²) și un modul de elasticitate (15.000-17.000 kg/mm) mult mai mari decât fonta obișnuită, oferind o rezistență puternică la impact.

​III. Procese de fabricație și tratamente de suprafață​

Procesele precise de fabricație sunt esențiale pentru performanța segmenților de piston:

1. ​Procese de turnare:
   • Principalele metode includ turnarea într-o singură bucată, turnarea în butoi și turnarea eliptică avansată despicată (de exemplu, procesul german Goetze), aceasta din urmă eliminând eficient defectele de contracție a miezului din semifabricat.
2. ​Tehnologii cheie de tratare a suprafețelor:
   • ​Placare cu cromDuritate ridicată (700-1000 HV), coeficient de frecare scăzut, rezistență ridicată la coroziune; poate prelungi durata de viață a inelului superior de 3-5 ori.
   • ​Acoperire cu molibden (acoperire cu molibden)Molibdenul are un punct de topire ridicat (2620°C), duritate mare (HV>700), coeficient de frecare scăzut, conductivitate termică bună, rezistență la uzură și stabilitate termică.
   • ​FosfatareStratul de fosfat are proprietăți bune de retenție a uleiului, benefice pentru rodajul inițial și o prevenire puternică a ruginii.
   • ​NitrurareFormează un strat de nitrură dură la suprafață, cu o rezistență la uzură care depășește cromarea; un proces alternativ mai ecologic (de exemplu, nitrurare gazoasă, nitrurare cu plasmă, nitrurare în baie de sare QPQ).

​IV. Principalele tipuri și caracteristici structurale​

Pe baza structurii și funcției, segmenții de piston se împart în principal în segmenți de compresie și segmenți de ulei:

• ​Tipuri de inele de compresie:
  • ​Inel dreptunghiular (simplu)Structură simplă, bună pentru disiparea căldurii, dar poate cauza „pomparea uleiului”.
  • ​Inel facial conicContact în linie, bun pentru etanșare și rodaj, razuiește uleiul în jos și îl distribuie în sus.
  • ​Inel de torsiuneCombină avantajele inelului conic, eliminând în același timp necesitatea de a pompa ulei. Direcția de instalare este esențială.
  • ​Inel trapezoidal (cheie de taietură)Proprietăți bune antiaderente și de etanșare, potrivite pentru motoarele diesel cu sarcină termică mare.
  • ​Inel cu față de butoiFormează o pană de ulei atât în ​​timpul cursei ascendente, cât și în timpul celei descendente, reducând uzura.
• ​Tipuri de inele de ulei:
  • ​Inel de ulei din fontă (o singură piesă)Structură simplă.
  • ​Inel de ulei pentru șină de oțel (segment)Compus din două șine de oțel cromate și un distanțier de expansiune. Presiune de contact ridicată, bună conformabilitate, pasaje mari de retur al uleiului și performanțe excelente de răzuire a uleiului. Utilizat pe scară largă.

​V. Puncte cheie de instalare și întreținere​

Instalarea și întreținerea corectă sunt cruciale pentru asigurarea performanței și a longevității:

1. ​Trei autorizări cheie:
   • ​Distanță la capăt (Distanță la capăt)De obicei 0,25-0,50 mm.
   • ​Joc lateral (joc axial în canelură)Pentru inelul superior (din cauza temperaturii ridicate), de obicei 0,04-0,10 mm.
   • ​Joc posterior (Joc radial între inel și fundul canelurii)De obicei 0,50-1,0 mm.
2. ​Instrucțiuni de instalare a miezului:
   • Spațiile dintre capetele inelelor trebuie să fie decalate în jurul circumferinței (de exemplu, la o distanță de 120° pentru trei inele) pentru a crea o etanșare „labirintică”.
   • ​Inelul cromat este instalat în canelura superioară.Fața conică a unui inel conic trebuie să fie orientată în sus; teșitura interioară sau crestătura unui inel torsional este de obicei orientată în sus.
   • Golurile nu trebuie să fie aliniate cu alezajul bolțului pistonului sau cu direcția de depresiune vortex a pistonului.
3. ​Inspecția de întreținere:
   • Suprafețele de lucru trebuie să fie lipsite de zgârieturi, urme de crestătură sau exfoliere.
   • Abaterea curburii nu trebuie să depășească 0,02-0,04 mm.
   • Limita standard de uzură (afundarea în canelură) nu trebuie să depășească 0,15-0,25 mm.

​Concluzie​

Performanța segmenților de piston din fontă determină în mod direct eficiența, durata de viață și fiabilitatea unui motor. Datorită progreselor continue în știința materialelor și tehnologia de fabricație, segmenții de piston din fontă vor continua să ofere o protecție robustă pentru diverse utilaje în condiții extreme de funcționare, protejând „bătăile inimii” puternice ale motorului.