Wszystko, co chciałbyś wiedzieć o nikasilu

3W sporcie motorowym termin nikasil jest powszechnie znany i używany. Mniej więcej wiadomo, że jest to cienka powłoka wewnętrznej części cylindra, która jest lepsza od żeliwnej tulei, ale gdy ulegnie awarii, jest sporo droższa w naprawie. Ponadto wiadomo, że poprawia osiągi oraz trwałość… i tu się wiedza kończy. Ci, którzy próbowali dowiedzieć się więcej w polskojęzycznym internecie lub literaturze motoryzacyjnej, nie znaleźli nic lub bardzo zdawkowe dane nie poparte liczbami. Na więcej informacji można natknąć się na stronach anglojęzycznych. Zapewne z uwagi na większą popularność tej technologii i bardziej rozwiniętą branżę regeneracji używanych cylindrów. W poniższym tekście podzielę się z Wami tym, co mi udało mi się ustalić na bazie naukowych publikacji, broszur informacyjnych oraz innych materiałów. Postaram się wyjaśnić większość kwestii w sposób obrazowy i przystępny dla przeciętnego miłośnika motoryzacji.

Geneza, czyli kto to wymyślił i dlaczego?

Na początek warto zaznaczyć, że nie ma jednej, wyłącznej nazwy na metodę powlekania niklem wewnętrznej części cylindra. Pierwszą firmą, która opatentowała Nikasil® w roku 1967, był niemiecki koncern motoryzacyjny Mahle. Inne firmy, które opracowały własne metody nieco później, to: Nicom® (U.S. Chrome Corp. of Wisconsin), NSC® (Millennium Technologies), Nihon Parker, Polaris Fuji oraz inni. Stąd zapewne bierze się wiele sposobów pisania nazwy tej samej technologii, np. nikasil, nicasil, NiCS lub NiCaSil.

Zanim przejdę do opisania składu oraz sposobu powlekania nikasilem, przyjrzyjmy się powodom,  dla których powstał.

Konstruktorów silników samochodowych, motocyklowych i nie tylko (szczególnie lotniczych), od dawna nurtuje problem ciężaru, osiągów i trwałości. Z jednej strony, kadłuby jednostek napędowych (w tym cylindry) wykonane z żeliwa są bardzo ciężkie i słabo przewodzą ciepło (problem z chłodzeniem), ale za to są tanie, trwałe, posiadają bardzo dobre właściwości ślizgowe i zdolność wiązania oleju. Z drugiej strony, aluminiowe konstrukcje są znacznie lżejsze i lepiej przewodzą ciepło (łatwiej je ochłodzić), ale są zbyt miękkie, nietrwałe i droższe w produkcji. Dlatego inżynierowie wpadli na pomysł wbijania (wprasowywania) żeliwnych tulei o grubości kilku milimetrów do aluminiowych cylindrów. Po dziś dzień w pojazdach cywilnych jest to najpopularniejszy sposób konstrukcji cylindrów. Dzieje się tak głównie z powodu niskich kosztów i łatwości produkcji. W sporcie to jednak nie wystarcza. Tu liczą się osiągi i walka o każdy koń mechaniczny, a w efekcie o każdy ułamek sekundy podczas wyścigu! Nawet kilkumilimetrowa żeliwna tuleja wbita do cylindra, to dodatkowy ciężar oraz spadek wydajności chłodzenia.

Podobno pierwsze próby z powłokami chromowymi przeprowadzano w trakcie II wojny światowej w lotnictwie, gdzie waga silnika ma kluczowe znaczenie. Jednak dopiero pod koniec lat 60. pojawił się lekki, wysokoobrotowy silnik benzynowy Wankla (z wirującym tłokiem) oraz szereg silników sportowych, które potrzebowały cienkiej i twardej powłoki. Eksperymenty z niklem zaowocowały powstaniem nikasilu, którego zalety szybko dostrzegli znani producenci pojazdów sportowych, m.in.: BWM, Porsche, Jaguar, Ferrari, niemal u wszystkich znaczących producentów motorówek, skuterów wodnych i śnieżnych, quadów oraz motocykli.

Przy okazji warto wspomnieć, że równolegle były i są nadal rozwijane alternatywne technologie oparte o inny metal (dokładniej o stopy metali, gdzie jeden zwykle jest materiałem wiążącym, a pozostałe to dodatki zapewniające lepszą twardość oraz utrzymywanie oleju), jako materiał użyty do utwardzenia wewnętrznej części aluminiowych cylindrów. Wg terminologii Mahle są to: Cromal® (nośnikiem jest chrom; stosowany głównie do małych silników 2 i 4 suwowych), Ferral® (płomieniowe pokrycie cylindra stopem żelaza), Silumal® (hipereutektyczny stop aluminium, krzemu, miedzi oraz magnezu) oraz technologie kompozytowe, jak Biral® czy Lokasil® (żeliwne tuleje są fabrycznie zalewane aluminium formując cylinder).

Utwardzanie wewnętrznej części cylindra nie tylko zwiększa odporność na ścieranie, ale także poprawia sztywność, wpływa na lepsze utrzymanie oleju (tzw. film olejowy, czyli cienka warstwa oleju osadza się na ściankach, szczególnie w mikro zagłębianiach powstałych w wyniku   honowania), ale przede wszystkich zwiększa przewodnictwo cieplne.

1

To pozwala szybciej schładzać komorę spalania od 10% (technologie kompozytowe) do 15% (nikasil), a nawet 20% (aluminium bez żadnych powłok). Daje to konstruktorom możliwość zwiększenia prędkości obrotowej silnika, a tym samym mocy!

Z czego robi się nikasil i jak nanosi na cylinder?

To jest najpilniej strzeżona tajemnica firm posługujących się technologiami opartymi o nikiel i dodatki. Nawet firma Langcourt z Wielkiej Brytanii, z którą współpracuję od 2006 roku, nie chciała mi udzielić wyczerpujących informacji. Szczegóły procesu technologicznego nie są udostępniane nikomu z zewnątrz. Sprawdźmy jednak kilka ciekawych danych, które udało mi się zebrać.

Nikasil (z ang. nickel silicone carbide, czyli związek niklu, krzemu oraz węglika) to bardzo twardy stop metali, który w procesie galwanizacji (elektrolityczne nakładanie cienkiej warstwy metalu na inny metal) jest nakładany na wnętrze cylindra. W wyniku elektrolizy (traktowanie prądem cieczy o określonym składzie chemicznym) rozpuszczony nikiel stanowi podstawą substancję wypełniającą oraz wiążącą drobiny węglika krzemu. Te ostanie stanowią tylko ok. 4% całości nikasilu. Wielkość tych drobin w zależności od technologi waha się od 0,0025 do 0,004 mm (2,5 do 4 mikronów; mikron to jedna tysięczna milimetra).  Nikasil jest nakładany przez zanurzanie w cieczy. Im dłuższa jest kąpiel, tym grubsza warstwa może zostać nałożona. Przyjmuje się, że jest to ok. 0,01 mm na 15 min. Oczywiście proces jest bardziej skomplikowany, a sam cylinder przed kąpielą i pokryciem musi przejść kilka faz czyszczenia oraz zabezpieczenia części nie podlegających powlekaniu (kanały dolotowe i wylotowe, otwory technologiczne, kanały dla cieczy chłodzącej, kanały olejowe, czy miejsca mocowania). Jedna z faz czyszczenia, to zanurzanie w żrącym roztworze. To w jego wyniku regenerowane cylindry zmieniają kolor na bardziej metaliczny (srebrzysty). Proces ten wymaga zebrania ok. 0,0005 mm aluminium, żeby dokładnie oczyścić powierzchnię do związania z nikasilem. Czasem na powierzchni nikasilu widać drobne dziurki. To naturalna porowatość aluminium, powstająca w wyniku uwalniania się gazów zamkniętych w aluminium podczas odlewania cylindra. W wyniku tego nie w każdym miejscu nikasil idealnie zwiąże się z cylindrem. To się zdarza bardzo rzadko, ale jednak. Jeśli porowatość jest niewielka (jak nakłucie czubkiem ostrza szpilki), to w żaden sposób nie wpływa na jakość nikasilu. Po prostu w tych otworach odkłada się olej i zapewnia smarowanie nawet lepsze niż w wyniku honowania. Mikropory to naturalna przypadłość aluminium, którą dopuszczają także producenci motocykli. W efekcie końcowym warstwa nikasilu w zależności od potrzeb i technologii nanoszenia waha się od 0,06 do 0,12 mm. W wyjątkowych przypadkach może być nieco grubsza, ale raczej nie przekracza 0,30 mm.

Związek niklu, krzemu i węglika jest od 3 do 10 razy mocniejszy od innych powłok. Świadczyć o tym może fakt, że do końcowej obróbki, tzw. honowania (charakterystycznej jodełki widocznej we wnętrzu cylindra) używa się wyłącznie diamentowych szczotek. Ten proces przeprowadza się po to,  by film olejowy lepiej utrzymywał się na powierzchni tarcia z tłokiem oraz w celu owalizacji i osiowania cylindra (musi być idealnie okrągły i prosty na całej długości). Czołowe firmy robią to z dokładnością ok. 0,0002-0,0005 mm. Nikasil może być nakładany dowolną ilość razy.

Trwałość nikasilu jest niebywała. Spotkałem się z opinią, że nikasil mocniej wiąże się z aluminium niż aluminium z aluminium. Gdy patrzymy na tzw. odprysk nikasilu, to nie jest to zwykle sam płat nikasilu, ale pod nim jest cieka warstwa aluminium, które się z nim związało. Jest odporny na  wysokie temperatury oraz ciśnienie przekraczające 17 atmosfer.

Warto wspomnieć, że cylindry regenerowane są z reguły na wymiar od 0,01 do 0,02 mm większy od nominału, tzn. wartości podawanej przez producenta motocykla w specyfikacji technicznej. Zresztą oryginalnie montowane w motocyklach także mają odchyłki tej wielkości. Sprawdziłem to na własnym motocyklu Honda CRF 250 R z 2009. Cylinder w miejscu, do którego nie dochodzi tłok posiada o 0,02 mm większą średnicę od wartości deklarowanej przez producenta. Reguła jest taka, że zawsze cylinder trzeba przygotować tak, by był jak najbliższy specyfikacji technicznej, ale nigdy mniejszy!

 Jak użytkować cylinder z nikasilem?

W zasadzie nie ma specjalnych zaleceń. Do lat 80. bywały awarie samochodów z uwagi na dużą zawartość siarki powstałej w wyniku spalania benzyny z dużą zawartością ołowiu. Od czasu wprowadzenia paliw bezołowiowych ten problem został wyeliminowany. Niemniej jednak warto pamiętać, że nikasil lubi dobre paliwo, jak każdy silnik zresztą. Zawsze należy sprawdzić w książce serwisowej, jaki rodzaj paliwa oraz jaką liczbę oktanową zaleca producent pojazdu. Pamiętajcie, że w cylindrze zachodzą ekstremalne reakcje chemiczne i termobaryczne, co oznacza, że w procesie spalania pojawia się wysoka temperatura, wysokie ciśnienie oraz substancje żrące. W sporcie te procesy są jeszcze bardziej nasilone, więc warto pamiętać o okresowych przeglądach i nie oszczędzać na podzespołach silnika, szczególnie w mechanizmach tłokowo – korbowym oraz rozrządu.

Nikasil ma tę zaletę, że w przypadku zatarcia tłoka, warstwa niklu rzadko ulega uszkodzeniu. Na rynku są specjalne preparaty, którymi zmywa się resztki aluminiowego tłoka lub honuje powłokę i można z powrotem użytkować cylinder.

Najczęstsze przypadki uszkodzenia nikasilu są wynikiem:

  1. Złego montażu lub pasowania tłoka, np. pierścieni tłokowych.
  2. Złego smarowania, np. niewłaściwa proporcja oleju i paliwa lub zły dobór dysz w gaźniku w zależności od warunków atmosferycznych. To szczególnie dotyczy sportowych silników 2T.
  3. Złej jakości powietrza. Sprawą kluczową jest jakość zasysanego powietrza, dlatego w sportach motorowych terenowych, bardzo ważne są jakość materiałów użytych do budowy filtrów powietrza, czystość oraz częstość wymian i sposób zabezpieczenia, np. nasączanie olejem, tzw. mokry filtr powietrza.

4Na koniec warto wspomnieć, że do regeneracji często trafiają cylindry mocno uszkodzone. Położenie nowej warstwy nikasilu nie wystarcza. Zachodzi potrzeba naspawania aluminium (uzupełnienia startej warstwy aluminium, żeby potem móc wykończyć powierzchnię cieką warstwą nikasilu). Niektóre cylindry po wybuchach, posiadają pęknięte przegrody lub w ogóle brak niektórych elementów. To wszystko jest jak najbardziej do zregenerowania, a raczej ręcznego odtworzenia. To oczywiście pociąga dodatkowe koszty, ale pozwala doprowadzić cylinder do stanu fabrycznego. Cylindry przed honowaniem i oddaniem w ręce klienta są ostatecznie obrabiane, tzn. usuwa się naddatki nikasilu oraz aluminium z niepożądanych miejsc, a kanały w cylindrze obrabia się na gładko zgodnie z zaleceniami producenta pojazdu. Tak, żeby wszystko idealnie pasowało do ponownego montażu.

Artykuł pochodzi ze strony www.MotoX.com.pl

Przygotował: Luigi Saladini, www.nikasil.pl
Od 2006 jest autoryzowanym przedstawicielem firmy Langcourt w Polsce, która zajmuje się regeneracją cylindrów w technologii nikasil.
Pytania i sugestie: sklep@motox.com.pl lub 693-367-241.

Źródła:
    „Podstawy Budowy Silników”, Sławomir Luft, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2006, str. 183-187.
    www.langcourt.com
    www.enginebuildermag.com/Article/36521/machining_new_metals__nickel_silicon_carbide_coatings.aspx
    www.mt-llc.com/tour/tech.html
    www.mt-llc.com/tour/98winter_snowtech_article.pdf

Tagi .Dodaj do zakładek Link.

Komentarze są wyłączone.