В чём преимущество кованых деталей в двигателе? Поршни и т. д.

В отливках чаще встречаются производственные дефекты, чем в поковках, или, другими словами, в процессе литья больше переменных. В отливках чаще встречается крупнозернистая структура, чем в поковках. Это можно исправить с помощью дополнительной термической обработки (гомогенизации + нормализации), но это стоит денег. Некоторым отливкам может потребоваться восстановление углеродом, что также требует дополнительных затрат. На протяжении десятилетий многие детали изготавливались из порошкового металла и спекались. Некоторые из них содержат небольшое количество меди и, возможно, других сплавов (я не знаком с этим процессом). Мне, как пожилому человеку, трудно понять, как работают распределительные валы, поршни и шатуны, изготовленные из порошковой стали, но большинство производителей используют именно их. У поковок есть свои недостатки: направление волокон должно быть правильно ориентировано относительно направления напряжений. Некоторые сложные детали невозможно изготовить методом ковки. Таким образом, выбор зависит от детали и её стоимости.

Немного опыта из мира турбодвигателей (84–93, 2,2/2,5 л с турбонаддувом)

Были литые и кованые шатуны. Говорили, что литые выдерживали около 200 лошадиных сил, а кованые — около 400 лошадиных сил без каких-либо проблем.

Были литые и кованые шатуны, но я не припомню, чтобы когда-либо слышал о проблемах с шатунами.

Все двигатели оснащались литыми поршнями. Если вы включали высокую степень сжатия и возникала детонация, то при приземлении можно было легко сломать поршневое кольцо. Кованые поршни могли выдержать более интенсивную эксплуатацию.

Ковка — это процесс, при котором раскалённый металл грубой формы подвергается сильному давлению в штампах точной формы, что приводит к значительному сжатию молекул металла или сплава. В структуре возникают внутренние напряжения, которые в конечном счёте противостоят сдвиговым и растягивающим нагрузкам за счёт множества крошечных узлов напряжения, возникающих при ковке. Для ковки не обязательно использовать штампы, так как любой кузнец или оружейник создаёт аналогичные напряжения, ударяя молотом по раскалённому металлу, пока тот остывает. Однако если деталь (или меч) снова нагреть, то большая часть достигнутого эффекта может быть утрачена, поскольку молекулы вернутся в исходное положение.

Существует также закалка, при которой металлическую деталь, находящуюся в непосредственной близости от точки эвтектики (фазового перехода), резко охлаждают в масляной или водяной ванне, а иногда даже в жидком газе. Это позволяет добиться схожих прочностных характеристик, но не следует считать этот процесс ковкой, так как деформация поверхностного слоя обычно не распространяется на всю деталь. Как правило, за этим следует «отжиг» — процесс контролируемого нагрева и медленного охлаждения, который снимает НЕКОТОРЫЕ поверхностные напряжения, которые могут привести к образованию трещин или разрушению. Если деталь имеет неправильную форму (например, шатун с большим и маленьким концами), процесс закалки может привести к деформации, которую необходимо устранить, как правило, механическим способом, путём сгибания. Я не знаю, часто ли это делается с деталями двигателей.

Большинство деталей двигателей массового производства изготавливаются методом литья, который отличается от ковки тем, что расплавленный металл «просто» заливается в форму, близкую по форме к готовой детали, и даёт ей остыть. Молекулы сплава могут перемещаться так, как им необходимо, и деталь испытывает небольшое внутреннее напряжение. Этот процесс менее затратный, чем ковка, поскольку изготовление форм обходится гораздо дешевле, чем изготовление штампов для ковки, а также по многим другим причинам. Кованые детали часто изначально изготавливаются методом литья. В высокомощных двигателях и других случаях, когда частота вращения и/или давление в цилиндрах (BMEP) очень высоки, дополнительные расходы на поковки вполне оправданны.

BMW, Porsche, Corvette, Ferrari и т. д. используют поковки там, где стоимость не так важна по сравнению с производительностью и восприятием. Ещё одно важное преимущество заключается в том, что детали можно изготавливать из меньшего количества материала, чтобы снизить вес, но при этом они будут прочнее, чем отливки. Это очень важно для таких деталей, как шатун (плюс поршень), где большинство поломок происходит НЕ из-за сжатия под нагрузкой, а из-за усталостных напряжений при растяжении, возникающих при изменении направления после верхней мёртвой точки. Весь возвратно-поступательный механизм может весить всего несколько килограммов, но представьте, какая нагрузка возникает, когда вам нужно отбросить его от себя и мгновенно вернуть обратно — 15 000 раз в минуту, 250 раз в СЕКУНДУ в литровом мотоцикле или современном двигателе «Формулы-1». Именно поэтому в двигателях с высокой степенью сжатия, высокими оборотами и наддувом используются кованые внутренние детали... не столько из-за давления, сколько из-за более высоких сил натяжения, создаваемых отливками большего веса, — сил, которые (насколько я помню) возводятся в куб по отношению к частоте вращения и в квадрат по отношению к весу. [это воспоминание может быть неточным] ... Для дальнейшего снижения веса можно использовать такие материалы, как титан или экзотические углеродно-металлические композиты с наночастицами и так далее, но это уже совсем не отвечает ни на ваш вопрос, ни на мой кошелёк.

ВСЕ эти процессы требуют последующей точной механической обработки для получения необходимых размеров для установки подшипников и резьбы для сборки.

Металлургия невероятно интересна. 6000 лет назад ремесленники изготавливали мечи, которые до сих пор не удалось полностью воссоздать. Несмотря на невероятный прогресс в области сплавов и технологий обработки металлов, я по-прежнему считаю, что единственное существенное различие между искусством алхимии и наукой металлургии заключается в том, что металлургия действительно работает!

Я бы с удовольствием приобрёл комплект кованых шатунов Manly или Crower для своего проекта Saabaru EJ205, но 1000–1400 долларов — это, скорее всего, в 4–5 раз больше стоимости идеально исправных штатных деталей для серийного автомобиля. Я даже не буду упоминать стоимость кованого коленчатого вала. А ещё есть эти штуки — поршни... [вздыхает]