Un pistón hipereutéctico es un pistón de motor de combustión interna fundido utilizando una aleación de aluminio hipereutéctico con un contenido de silicio mayor que el punto eutéctico del 12 por ciento en peso de silicio. [1] La mayoría de las aleaciones de fundición de aluminio y silicio son hipoeutécticas, lo que significa que el contenido de silicio es menor que el punto eutéctico y contienen cristales de silicio elemental relativamente finos formados a través de la reacción eutéctica durante la solidificación. Además de los cristales de silicio finos, las aleaciones hipereutécticas también contienen grandes cristales de silicio primario que se forman antes de la reacción eutéctica. Como resultado, contiene una fracción de fase de silicio mucho mayor. En consecuencia, el aluminio hipereutéctico tiene un coeficiente de expansión térmica menor , lo que permite a los diseñadores de motores especificar tolerancias mucho más estrictas. El contenido de silicio de estas aleaciones es típicamente del 16 al 19 por ciento en peso y, por encima de este contenido, las propiedades mecánicas y la capacidad de fundición se degradan sustancialmente. Se requieren moldes especiales, fundición y técnicas de enfriamiento para obtener partículas de silicio primario uniformemente dispersas en todo el material del pistón.
La mayoría de los motores de los automóviles utilizan pistones de aluminio que se mueven en un cilindro de hierro . La temperatura media de la corona de un pistón en un motor de gasolina durante el funcionamiento normal suele ser de unos 300 °C (570 °F), y el refrigerante que circula por el bloque del motor suele estar regulado a unos 90 °C (190 °F). El aluminio se expande más que el hierro en este rango de temperaturas, por lo que para que el pistón encaje correctamente en el cilindro cuando está a una temperatura de funcionamiento normal, el pistón debe tener un ajuste holgado cuando está frío.
En 1970, la creciente preocupación por la contaminación de los gases de escape hizo que el gobierno de los EE. UU. formara la Agencia de Protección Ambiental (EPA), que comenzó a redactar y aplicar normas que exigían a los fabricantes de automóviles introducir cambios que hicieran que sus motores funcionaran de forma más limpia. A finales de la década de 1980, la contaminación de los gases de escape de los automóviles había mejorado notablemente. Unas normas más estrictas obligaron a los fabricantes de automóviles a adoptar el uso de inyección de combustible controlada electrónicamente y pistones hipereutécticos. En lo que respecta a los pistones, se descubrió que cuando un motor estaba frío durante el arranque, una pequeña cantidad de combustible quedaba atrapada entre los anillos del pistón. [ cita requerida ] A medida que el motor se calentaba, el pistón se expandía y expulsaba esta pequeña cantidad de combustible que se sumaba a la cantidad de hidrocarburos no quemados en el escape.
Al añadir silicio a la aleación de los pistones, la expansión del pistón se redujo drásticamente. Esto permitió a los ingenieros especificar una holgura reducida entre el pistón y la camisa del cilindro. El silicio en sí se expande menos que el aluminio. Otro beneficio de añadir silicio es que el pistón se vuelve más duro y es menos susceptible a las rozaduras que pueden ocurrir cuando un pistón de aluminio blando se acelera en frío en un cilindro relativamente seco al arrancar o durante temperaturas de funcionamiento anormalmente altas.
El mayor inconveniente de añadir silicio a los pistones es que estos se vuelven más frágiles a medida que aumenta la proporción de silicio y aluminio. Esto hace que el pistón sea más susceptible a agrietarse si el motor experimenta un encendido prematuro o una detonación.
Cuando los entusiastas de los automóviles desean aumentar la potencia del motor, pueden agregar algún tipo de inducción forzada . Al comprimir más aire y combustible en cada ciclo de admisión, la potencia del motor puede aumentar drásticamente. Esto también aumenta el calor y la presión en el cilindro.
La temperatura normal del escape de un motor de gasolina es de aproximadamente 650 °C (1200 °F). Este es también aproximadamente el punto de fusión de la mayoría de las aleaciones de aluminio, y es solo la entrada constante de aire ambiente lo que evita que el pistón se deforme y falle. La inducción forzada aumenta las temperaturas de funcionamiento mientras se está "bajo presión", y si el exceso de calor se agrega más rápido de lo que el motor puede eliminarlo, las temperaturas elevadas del cilindro harán que la mezcla de aire y combustible se encienda automáticamente en la carrera de compresión antes del evento de chispa. Este es un tipo de golpeteo del motor que causa una onda de choque repentina y un pico de presión, lo que puede provocar la falla del pistón debido a la fatiga de la superficie inducida por el choque. Lo que corroe la superficie del pistón.
La aleación de pistón de alto rendimiento "4032" tiene un contenido de silicio de aproximadamente el 11%. Esto significa que se expande menos que un pistón sin silicio, pero como el silicio está completamente aleado a nivel molecular (eutéctico), la aleación es menos frágil y más flexible que un pistón "smog" (baja compresión) hipereutéctico de serie. Estos pistones pueden sobrevivir a una detonación leve con menos daños que los pistones de serie. Las aleaciones 4032 e hipereutécticas tienen un bajo coeficiente de expansión térmica. Esto permite un ajuste más ajustado del pistón al orificio del cilindro a la temperatura de ensamblaje.
La aleación de pistón de alto rendimiento "2618" tiene menos del 2 % de silicio y podría describirse como hipo (sub)eutéctica. Esta aleación es capaz de experimentar la mayor cantidad de detonaciones y abusos mientras sufre la menor cantidad de daños. Los pistones hechos de esta aleación también suelen ser más gruesos y pesados debido a sus aplicaciones más comunes en motores diésel comerciales . Tanto por las temperaturas más altas de lo normal que experimentan estos pistones en su aplicación habitual, como por el mayor coeficiente de expansión térmica debido al bajo contenido de silicio que causa una mayor expansión térmica. Estos pistones requieren una mayor holgura entre el pistón y el orificio del cilindro a temperaturas de ensamblaje. Esto conduce a una condición conocida como "golpe del pistón", que es cuando el pistón se balancea en el cilindro y provoca un ruido de golpeteo audible que continúa hasta que el motor se ha calentado a temperaturas operativas.
Cuando se funde un pistón , la aleación se calienta hasta que se funde. Luego se vierte en un molde para crear la forma básica. Una vez que la aleación se enfría y se solidifica, se retira del molde y la pieza de fundición en bruto se mecaniza hasta obtener su forma final. Para aplicaciones que requieren pistones más resistentes, se utiliza un proceso de forjado .
En el proceso de forjado, la pieza bruta se coloca en una matriz mientras aún está caliente y semisólida. Se utiliza una prensa hidráulica para colocar la pieza bruta bajo una enorme presión. Esto elimina cualquier posible porosidad y también junta los granos de aleación de una forma más apretada que la que se puede lograr con una fundición simple. El resultado final es un material mucho más resistente.
Los pistones de alto rendimiento fabricados con las aleaciones más comunes 4032 y 2618 generalmente están forjados. [ cita requerida ]
En comparación con los pistones forjados de aleación 4032 y 2618, los pistones hipereutécticos tienen menos resistencia. Por lo tanto, en aplicaciones de alto rendimiento que utilizan refuerzo, óxido nitroso y/o altas RPM, se prefieren los pistones forjados (fabricados con cualquiera de las dos aleaciones). Sin embargo, los pistones hipereutécticos experimentan una menor expansión térmica que los pistones forjados. Por esta razón, los pistones hipereutécticos pueden funcionar con una holgura entre el pistón y el cilindro más ajustada que los pistones forjados. Esto hace que los pistones hipereutécticos sean una mejor opción para los motores de serie, donde la longevidad es más importante que el rendimiento máximo. Algunos vehículos utilizan pistones forjados de fábrica. Los Dodge Vipers utilizaron pistones forjados de los años modelo 1992-1999, luego cambiaron a hipereutécticos. La última generación de Vipers (2013-2017) utilizó pistones forjados. Todos los Honda S2000 utilizan pistones forjados.