कैमशाफ्ट को टिकाऊ बनाने वाले कौन-कौन से पदार्थगत गुण हैं?

कैमशाफ्ट की टिकाऊपन को परिभाषित करने वाले मुख्य यांत्रिक गुण

उच्च संपर्क प्रतिबल के अधीन कठोरता और सतह की अखंडता

कैमशाफ्ट का जीवनकाल वास्तव में उसके सामग्री की कठोरता पर निर्भर करता है, क्योंकि यह उन विशाल संपर्क दबावों का सामना करने में सक्षम होना चाहिए जो 1500 MPa से अधिक भी हो सकते हैं। सतह को सही ढंग से तैयार करना भी महत्वपूर्ण है। जब निर्माता ग्राइंडिंग और पॉलिशिंग को उचित रूप से करने में समय लगाते हैं, तो वे उन सूक्ष्म दरारों के बनने को रोक देते हैं, जो अन्यथा घिसावट की समस्याओं को तेज़ कर देती हैं। अधिकांश इंजीनियरों का मानना है कि कठोरता को लगभग 55 से 65 HRC के बीच बनाए रखना सर्वोत्तम होता है, क्योंकि यह घिसावट के खिलाफ अच्छी सुरक्षा प्रदान करता है, साथ ही इतना मज़बूत भी होता है कि अचानक टूटने का खतरा नहीं रहता। फोर्ज्ड मिश्र इस्पात के भाग आमतौर पर इन परिस्थितियों में अत्यधिक उत्कृष्ट प्रदर्शन करते हैं और सैकड़ों करोड़ वाल्व लिफ्ट्स के बाद भी स्थिर रहते हैं। कुछ वर्कशॉपों ने प्रतिस्थापन की आवश्यकता से पहले 50 करोड़ से अधिक चक्र प्राप्त करने की सूचना दी है, हालाँकि वास्तविक परिणाम ऑपरेटिंग परिस्थितियों के आधार पर भिन्न हो सकते हैं।

उच्च आरपीएम पर स्थायी संचालन के लिए थकान प्रतिरोध

जब इंजन 6,000 RPM से अधिक की हज़ारों तनाव चक्रों के माध्यम से काम करते हैं, तो उन्हें लंबे समय तक कुंदन प्रतिरोधी सामग्री की वास्तविक आवश्यकता होती है। घटकों को शक्तिशाली वाल्व स्प्रिंग्स से उत्पन्न होने वाले सभी बंकन बलों को बिना किसी दरार के शुरू हुए झेलना होता है। सामग्री में समग्र रूप से सुसंगत सूक्ष्म संरचना प्राप्त करना भी बहुत महत्वपूर्ण है, विशेष रूप से जब वैक्यूम-पिघले हुए इस्पात के साथ काम किया जा रहा हो। ऐसे इस्पातों में छिपी हुई कमीयाँ कम होती हैं, जो दबाव के तहत समस्या के केंद्र बन सकती हैं। मुख्य संख्याओं पर नज़र डालने से कहानी स्पष्ट हो जाती है: कुंदन सामर्थ्य कम से कम लगभग 800 MPa होनी चाहिए, और भंगुरता अवरोधन (फ्रैक्चर टफनेस) 90 MPa वर्ग मीटर से अधिक होना चाहिए। इन गुणों के साथ, घटक 250,000 मील से अधिक ड्राइविंग के लिए विश्वसनीय रूप से कार्य करते रह सकते हैं।

शीर्ष कैमशाफ्ट सामग्रियाँ और उनके वास्तविक दुनिया के प्रदर्शन में संतुलन के आधार पर त्याग

गोलाकार ढलवाँ लोहा बनाम मिश्र धातु इस्पात: घिसावट, सामर्थ्य और लागत का संतुलन

कैमशाफ्ट के लिए सही सामग्री का चयन करना घिसावट प्रतिरोध, संरचनात्मक शक्ति और आर्थिक रूप से उचित विकल्प के बीच एक संतुलन बनाने की प्रक्रिया है। गोलाकार ग्रेफाइट लोहा (एसजी आयरन), जिसे नोड्यूलर कास्ट आयरन भी कहा जाता है, विशेष रूप से अपनी कंपन अवशोषण क्षमता और कई अन्य विकल्पों की तुलना में उत्कृष्ट थकान प्रतिरोध के कारण उभरता है, जिसी कारण यह बड़े पैमाने पर उत्पादित इंजनों में आमतौर पर उपयोग किया जाता है। इस सामग्री के भीतर मौजूद अद्वितीय गोलाकार ग्रेफाइट संरचना विशिष्ट बिंदुओं पर तनाव को अवशोषित करने में सहायता करती है, जिससे तेल स्नेहन की स्थिति में चालू होने के दौरान लोब्स पर घिसावट कम हो जाती है। उन लोगों के लिए जिन्हें और अधिक कठोर प्रदर्शन विशेषताओं की आवश्यकता होती है, 4140 जैसी मिश्र धातु इस्पात बहुत अधिक तन्य शक्ति और सतह कठोरता प्रदान करती हैं। इससे इंजन डिजाइनरों को वाल्व स्प्रिंग्स को अधिक कठोरता से संचालित करने और संचालन के दौरान त्वरित रैंप दर (रैंप रेट्स) प्राप्त करने की अनुमति मिलती है। हालाँकि, इन इस्पात विकल्पों के कुछ समझौते भी हैं। इन्हें अधिक जटिल मशीनिंग प्रक्रियाओं और व्यापक ऊष्मा उपचार की आवश्यकता होती है, जो आमतौर पर ढलाई विधियों की तुलना में निर्माण लागत को 30 से 50 प्रतिशत तक बढ़ा देता है।

गोलाकार ग्रेफाइट लोहा (नॉड्यूलर आयरन) लगभग 7,000 आरपीएम के चिह्न तक अत्यंत प्रभावी ढंग से काम करता है, जिसके बाद यह उस समस्त घूर्णन गति के कारण तनाव के लक्छन दिखाना शुरू कर देता है। मिश्र धातु इस्पात उन हल्के भार वाले घटकों के लिए अधिक उपयुक्त हैं जो बहुत तेज़ी से घूमते हैं, लेकिन इसमें एक सावधानी आवश्यक है — उन्हें निर्माण के दौरान अत्यंत सावधानीपूर्ण ऊष्मा उपचार की आवश्यकता होती है, अन्यथा वे तनाव के अधीन अप्रत्याशित रूप से फट सकते हैं। जब वाणिज्यिक वाहन संचालन में लागत सर्वाधिक महत्वपूर्ण होती है, तो एसजी लोहा (SG iron) अभी भी अपने प्रारंभिक लागत के मुकाबले उसके जीवनकाल के आधार पर श्रेष्ठ साबित होता है। इसीलिए रेस कारें और बल प्रेरित (फोर्स्ड इंडक्शन) प्रणालियों वाले इंजन आमतौर पर अतिरिक्त लागत के बावजूद महंगे इस्पात विकल्पों का चयन करते हैं, क्योंकि ये वर्तमान बाज़ार में उपलब्ध अन्य सामग्रियों की तुलना में विफलता से पहले लगभग 15 से 20 प्रतिशत अधिक भार सहन कर सकते हैं।

कैमशाफ्ट के सूक्ष्म संरचना और जीवनकाल को अनुकूलित करने के लिए ऊष्मा उपचार रणनीतियाँ

प्रेरण द्वारा कठोरीकरण और ऑस्टेम्परिंग: सतह की कठोरता में वृद्धि करना जबकि कोर की टफनेस को बनाए रखना

सही ऊष्मा उपचार प्राप्त करना सतह की कठोरता और कोर की तन्यता के बीच उस 'मीठे बिंदु' को प्राप्त करने के लिए सबसे महत्वपूर्ण कारक है। प्रेरण द्वारा कठोरीकरण (इंडक्शन हार्डनिंग) के माध्यम से, हम विशेष रूप से लोब की सतहों को लक्षित कर सकते हैं और विद्युतचुंबकीय क्षेत्रों के माध्यम से उन्हें लगभग 900 डिग्री सेल्सियस तक गर्म कर सकते हैं। इससे एक अत्यंत टिकाऊ मार्टेन्साइटिक परत बनती है, जिसकी कठोरता रॉकवेल स्केल पर 50 से अधिक मापी जाती है; इसके अतिरिक्त, यह पारंपरिक भट्टी विधियों की तुलना में काफी कम विरूपण का कारण बनता है। इस प्रक्रिया के साथ समन्वित रूप से कार्य करने वाली एक अन्य प्रक्रिया है 'ऑस्टेम्परिंग'। आइसोथर्मल रूपांतरण के दौरान कोर को लगभग 250 से 400 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर टेम्पर करने से समग्र सामग्री में भंगुर मार्टेन्साइट के बजाय मजबूत बेनाइट संरचनाएँ प्राप्त होती हैं।

यह द्वैध-प्रक्रिया रणनीति दो अंतर्संबद्ध लाभ प्रदान करती है:

• कठोरित सतह लिफ्टर्स और फॉलोअर्स द्वारा उत्पन्न प्रत्यक्ष संपर्क प्रतिबल का प्रतिरोध करती है
• तन्य, बेनाइटिक कोर उच्च-आरपीएम संचालन के दौरान चक्रीय बंकन और मरोड़ भार को अवशोषित करता है
  परिणामी संपीड़न अवशिष्ट प्रतिबल ASM इंटरनेशनल के 2023 के धातुविज्ञान संबंधी दिशा-निर्देशों के अनुसार थकान दरार प्रसार को 30% तक कम कर देते हैं। नियंत्रित शीतन दरें आगे भी सूक्ष्म संरचनात्मक विसंगतियों—जैसे अपरिष्कृत मार्टेन्साइट—को रोकती हैं, जो तापीय संचालन सीमाओं के भीतर स्थिरता को समाप्त कर देती हैं।