Mniej więcej wiadomo, że Nikasil to cienka powłoka wewnętrznej części cylindra, która jest lepsza od żeliwnej tulei, ale gdy ulegnie awarii...
Ponadto wiadomo, że poprawia osiągi oraz trwałość i... tu wiedza się kończy. W poniższym tekście podzielę się z Wami tym, co udało się ustalić na bazie naukowych publikacji, broszur informacyjnych oraz innych materiałów.
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 1967 roku, 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 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 sześćdziesiątych 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 wszyscy znaczący producenci motorówek, skuterów wodnych i śnieżnych, quadów oraz motocykli.
Przy okazji warto wspomnieć, że równolegle były i nadal są 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 dwu- i czterosuwowych), 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 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 podstawową 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.
Związek niklu, krzemu i węglika jest od trzech do dziesięciu 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. Spotyka 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.
Jak użytkować cylinder z nikasilem?
W zasadzie nie ma specjalnych zaleceń. 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, zresztą jak każdy silnik. Zawsze należy sprawdzić, jaki rodzaj paliwa oraz jaką liczbę oktanową zaleca producent. 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, więc warto pamiętać o okresowych przeglądach i nie oszczędzać na podzespołach silnika, szczególnie w mechanizmach tłokowo-korbowym oraz rozrządu.
