Co to jest nikasil?

Nikasil to powłoka, którą jest pokryta większość wysoko obciążonych cylindrów w silnikach motocyklowych, samochodowych, quadów, skuterów śnieżnych, skuterów wodnych oraz wielu innych pojazdów przeznaczonych do sportu… i nie tylko, np. pił spalinowych czy motolotni. Wokół technologii powłok niklowych narosło wiele pytań, a także wiele mitów.

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.

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.

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. Według 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. 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. Szczegóły procesu technologicznego nie są udostępniane nikomu z zewnątrz.

Nikasil (z ang. nickel silicone carbide, czyli związek niklu, krzemu oraz węglika) to bardzo twardy związek (kompozyt, ceramika), 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 ostatnie 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. Panuje opinia, 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. Przykładowo w Hondzie CRF 250 R z 2009 cylinder w miejscu, do którego nie dochodzi tłok ma 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. Nalezy pamiętać, 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.

Do regeneracji często trafiają cylindry mocno uszkodzone. Położenie nowej warstwy nikasilu nie wystarcza. Zachodzi potrzeba napawania aluminium (uzupełnienia startej warstwy aluminium, żeby potem móc wykończyć powierzchnię cieką warstwą nikasilu). Niektóre cylindry są 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 dodatkowy koszt, 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 na gładkie i zgodnie z zaleceniami producenta pojazdu. Tak, żeby wszystko idealnie pasowało do ponownego montażu.

Źródła:
Artykuł przygotował Luigi Saladini (www.nikasil.pl) – od 2006 autoryzowany przedstawiciel firmy Langcourt w Polsce, która zajmuje się regeneracją cylindrów w technologii nikasil. Pytania i sugestie: sklep@motox.com.pl lub 693-367-241.

1.„Podstawy Budowy Silników”, Sławomir Luft, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2006, str. 183-187.

2. www.langcourt.com

3.  www.enginebuildermag.com/Article3652/machining_new_metals__nickel_silicon_carbide_coatings.aspx

4. www.mt-llc.com/tour/tech.html

5. www.mt-llc.com/tour/98winter_snowtech_article.pdf