EN
Podstawowe właściwości mechaniczne określające trwałość wałka rozrządu
Twardość i integralność powierzchni pod wysokim naprężeniem kontaktowym
Okres użytkowania wałka rozrządu zależy w dużej mierze od twardości materiału, ponieważ musi on wytrzymać ogromne ciśnienia kontaktowe przekraczające 1500 MPa. Istotne jest również odpowiednie wykonanie powierzchni: gdy producenci poświęcają wystarczająco dużo czasu na szlifowanie i polerowanie, zapobiegają powstawaniu drobnych pęknięć, które w przeciwnym razie przyspieszyłyby zużycie. Większość inżynierów zgadza się, że optymalna twardość mieści się w zakresie około 55–65 HRC, ponieważ zapewnia skuteczną ochronę przed zużyciem, zachowując jednocześnie wystarczającą odporność na nagłe pękanie. Wytłoczone części ze stali stopowej charakteryzują się wyjątkowo dobrą wydajnością w tych warunkach, pozostając stabilne nawet po setkach milionów cykli otwierania zaworów. Niektóre warsztaty zgłaszają osiągnięcie ponad 500 milionów cykli przed koniecznością wymiany, choć rzeczywiste wyniki zależą od warunków eksploatacji.
Odporność na zmęczenie przy długotrwałej pracy z wysoką prędkością obrotową
Gdy silniki pracują przez tysiące cykli obciążenia przy prędkościach obrotowych przekraczających 6000 obr./min, naprawdę potrzebują materiałów odpornych na zmęczenie w czasie. Elementy te muszą wytrzymać wszystkie siły zginające pochodzące od mocnych sprężyn zaworów, bez powstawania jakichkolwiek pęknięć. Niezwykle istotne jest również uzyskanie jednolitej mikrostruktury w całym materiale, szczególnie przy stosowaniu stali topionych w próżni. Takie stali charakteryzują się mniejszą liczbą ukrytych wad wewnętrznych, które mogłyby stać się miejscami awarii pod wpływem ciśnienia. Kluczowe wartości liczbowe pomagają opowiedzieć tę historię: wytrzymałość na zmęczenie musi wynosić co najmniej około 800 MPa, a odporność na pękanie powinna przekraczać 90 MPa·√m. Dzięki takim właściwościom części mogą funkcjonować niezawodnie przez ponad 250 tys. mil jazdy.
Najlepsze materiały na wałki rozrządu i związane z nimi kompromisy w rzeczywistej wydajności
Żeliwo sferoidalne vs. stali stopowe: równowaga między odpornością na zużycie, wytrzymałością a kosztami
Wybór odpowiedniego materiału na wałki rozrządu wymaga znalezienia kompromisu między odpornością na zużycie, wytrzymałością konstrukcyjną a ekonomiczną opłacalnością. Żeliwo sferoidalne, znane również jako żeliwo SG, wyróżnia się dobrą zdolnością tłumienia drgań oraz lepszą odpornością na zmęczenie niż wiele innych materiałów, dlatego jest powszechnie stosowane w silnikach produkowanych masowo. Unikalna struktura grafitu w postaci kulistych wtrąceń w tym materiale pozwala na pochłanianie naprężeń w określonych punktach, co przekłada się na mniejsze zużycie kulek przy pracy w warunkach smarowania olejem. W przypadku zastosowań wymagających jeszcze wyższych parametrów eksploatacyjnych stal stopowa, np. stal 4140, zapewnia znacznie wyższą wytrzymałość na rozciąganie oraz twardszą powierzchnię. Dzięki temu projektanci silników mogą stosować bardziej napięte zawory i osiągać szybsze tempo narastania przesunięcia podczas pracy. Jednak te staliowe rozwiązania wiążą się z pewnymi kompromisami: wymagają one bardziej skomplikowanych procesów obróbki skrawaniem oraz intensywnych obróbek cieplnych, które zwykle zwiększają koszty produkcji o 30–50% w porównaniu do metod odlewania.
Żeliwo sferoidalne działa świetnie do około 7000 obr/min, po czym zaczyna wykazywać oznaki odkształcenia spowodowane intensywnym ruchem obrotowym. Stale stopowe są lepiej przystosowane do lekkich elementów wirujących z bardzo dużą prędkością, jednak istnieje jedno ograniczenie – wymagają one szczególnie starannej obróbki cieplnej w trakcie produkcji, w przeciwnym razie mogą niespodziewanie pęknąć pod wpływem naprężeń. Gdy w eksploatacji pojazdów komercyjnych najważniejsze jest zapewnienie jak najniższych kosztów, żeliwo sferoidalne (SG) nadal pozostaje najlepszym wyborem, jeśli porównać jego trwałość z kosztem zakupu. Dlatego też samochody wyścigowe oraz silniki wyposażone w układy doładowania zwykle korzystają z droższych rozwiązań stalowych mimo dodatkowych wydatków – dzięki temu mogą wytrzymać obciążenie o około 15–20% większe niż inne materiały dostępne obecnie na rynku.
Strategie obróbki cieplnej w celu zoptymalizowania mikrostruktury i trwałości wałka rozrządu
Hartowanie indukcyjne i austemprowanie: zwiększanie twardości powierzchni przy jednoczesnym zachowaniu odporności udarowej rdzenia
Dobranie odpowiedniego procesu obróbki cieplnej ma kluczowe znaczenie przy osiąganiu optymalnego kompromisu między twardością powierzchni a plastycznością rdzenia. W przypadku hartowania indukcyjnego możemy celowo nagrzać powierzchnie kuli wałka rozrządu do temperatury ok. 900 °C za pomocą pól elektromagnetycznych. Powstaje w ten sposób wyjątkowo trwała warstwa martenzytu o twardości przekraczającej 50 na skali Rockwella; ponadto proces ten powoduje znacznie mniejsze odkształcenia niż tradycyjne metody wykorzystujące piece piecowe. Kolejnym etapem jest austemprowanie, które doskonale uzupełnia ten proces. Poprzez odpuszczanie rdzenia w temperaturze od ok. 250 do 400 °C podczas izotermicznej przemiany uzyskujemy wytrzymałą strukturę bainitu zamiast kruchego martenzytu w całej objętości materiału.
Ta strategia oparta na dwóch procesach zapewnia dwie wzajemnie uzupełniające się korzyści:
- Zahartowana powierzchnia zapobiega bezpośredniemu obciążeniu kontaktowemu ze strony taczków i dźwigni napędowych
- Plastyczny, bainitowy rdzeń pochłania cykliczne obciążenia zginające i skręcające podczas pracy silnika przy wysokich obrotach
Wynikające naprężenia ściskające zmniejszają propagację pęknięć zmęczeniowych o 30%, zgodnie z wytycznymi metalurgicznymi ASM International z 2023 r. Kontrolowane szybkości chłodzenia zapobiegają dodatkowo anomaliom mikrostrukturalnym – takim jak niestalony martenzyt – które pogarszają spójność działania w zakresie temperatur roboczych.