بوش سیلندر

بوش سیلندر از جمله قطعات چدنی است که نسبت به ساختار زمینه بسیار
حساس است و ویژگی هاي ساختاري قطعه تعیین کنندة عمر و دوام و سلامت موتور
اتومبیل می باشد . براي تولید این قطعه در صنعت از دو روش استفاده می شود .
روش نخست ، ریخته گري در ماسه به روش سیلیکات سدیم است . بوشی که از این
روش تولید می شود داراي استحکام پایینی بوده و بعلت رطوبت موجود در سیستم ،
عیوب انقباضی و گازي فراوانی در قطعه مشاهده می شود .
روش صنعتی و جدید براي تولید بوش سیلندر ریخته گري در قالب فلزي به
روش گریز از مرکز است . در این روش مذاب به سرعت در قالبی که در حال گردش
است ، ریخته شده ، شکل می گیرد . استفاده از روشهاي گریز از مرکز براي تولید
بوش چدنی به جاي روش ریخته گري در ماسه داراي مزایاي زیر است :
1 حداقل عیوب گازي و انقباضی به همراه ضریب تراکم جرمی بالا
2 حذف سیستم راه گاهی و تغذیه و مشکلات موجود در این سیستمها
3 حذف سیستم ماهیچه گذاري و مشکلات موجود در این سیستم
4 تولید بوش با حداقل ضخامت ممکن براي انجام مراحل ماشین کاري
5 استحکام و خواص مکانیکی بالاتر نسبت به سیستم ریخته گري در ماسه
6 افزایش سرعت تولید
گرچه استفاده از روشهاي گریز از مرکز در تولید بوش از مزایاي زیادي
برخوردار است ،ولی باید توجه داشت که به دلیل شرایط خاصی که به لحاظ استفاده
٣
از قالب فلزي بر نحوة انجماد حاکم است ، باعث می شود تا کنترل ساختار
متالورژیکی قطعه با مشکلات عدیده اي روبرو باشد که از آنجمله می توان به موارد
زیر اشاره کرد :
1 جدایش فازها در اثر نیروي گریز از مرکز
2 تغییر ساختار متالورژیکی و تشکیل مناطق کاربیدي
در فرآیندهاي متداول ریخته گري سیلندر ، دستیابی به ساختاري مناسب در
قسمت سیلندر با پیستون که سایش و حرارت بالایی ایجاد می کند عملاً غیر ممکن
است . به منظور بالابردن مقاومت به سایش و ضریب هدایت حرارتی از به کار بردن
قطعه اي استوانه اي شکل (بوش سیلندر) که بطور جداگانه با ساختار مطلوب ریخته
گري می شود ،در آن محل استفاده می کنند . بوش سیلندر را معمولاً از جنس چدنهاي
خاکستري بدللی دارا بودن قابلیت ریخته گري خوب و خواص فیزیکی و مکانیکی
ویژه تهیه می کنند . نوع و اندازة گرافیتها و فازهاي تشکیل دهندة زمینۀ ریز ساختار
پارامترهاي اصلی تعیین کنندة خواص چدنهاي خاکستري هستند .
گرافیت لایه اي نازك با توزیع یکنواخت) با اندازة متوسط از ) A گرافیت نوع
، A نظر مقاومت به سایش عالی هستند . در چدنهاي خاکستري با گرافیتی نوع
ورقه هاي گرافیت شبیه مخزن روغن کاري کننده عمل می کنند . همچنین این نوع
گرافیتها باعث هدایت حرارتی و کنترل دماي سطوح مرتبط با منبع گرما می شوند .
گرافیتهاي ورقه اي ضمن داشتن قابلیت ماشین کاري خوب ، شرایط عالی در برابر
٤
سایش نیز دارند . براي افزایش مقاومت به سایش چدنهاي خاکستري می توان از ایجاد
فازهاي مختلف و مناسب در ریز ساختار بهره گرفت . بطور کلی سختی چدن
180 است . با افزودن مقداري فسفر حدود HB خاکستري با زمینۀ کاملاً پرلیتی حدود
400 در اطراف سلولهاي یوتکتیک HB 0/5 % به چدن فاز استریت با سختی حدود
تشکیل می گردد . این فاز در برابر سایش بسیار مقاوم می باشد .
با توجه به مصرف گستردة بوشها و کاربرد حساس آنها در سیلندر تولید آنها با
مشخصات مناسب ضروري می باشد لیکن با توجه به طبیعت انجماد جهت دار در
ریخته گري گریز از مرکز ، تولید چنین محصولاتی با مشکلاتی روبرو خواهد بود . لذا
ضمن داشتن ریز A هدف اصلی تولید چدن خاکستري با داشتن گرافیتهاي نوع
ساختاري شامل حدود 95 % پرلیت و حدود 5% فسفید آهن می باشد .
قالب هاي مورد استفاده در روش ریخته گري گریز از مرکز افقی :
بسته به شرایط کاري ، سرعت تولید ، جنس آلیاژ ریخته گري به دو دسته مصرف
شدنی و دائمی تقسیم بندي شده است ، که قالب هاي مورد استفاده در ریخته گري
گریز از مرکز لوله هاي چدنی مورد نظر فولاد دائمی است .
جنس فولادهاي قالب گریز از مرکز :
٥
فولادهاي قالب از نوع فولادهاي گرم کار بوده که جهت تهیه لوله هاي چدنی و
همچنین قالب هاي تزریقی پلاستیک در صنعت مورد توجه می باشند . در حین کار
سطح داخلی آنها تحت درجه حرارت هاي بالا و بارهاي مکانیکی نسبتاً بالا قرار دارد .
فولادهاي قالب درحین کار تحت تاثیر عواملی قرار می گیرند که بر طول عمر آنها
تاثیر دارد . این عوامل عبارتند از :
70 در سطح داخلی قالب ( زمان یک دوره  C 230 تا oC -1 سیکل تغییرات دما با دامنه
تغییرات دما تقریباً 210 ثانیه است .)
950 حاصل می RPm -2 نیروي گریز از مرکز بالا در اثر چرخش قالب با سرعت حدود
شود .
780 کششی ) Mpa 200 فشار MPas -3 تنشهاي بالا در نزدیکی سطح داخلی (حدود
-4 خوردگی حاصل از گازها و هوا که از انجام واکنشها حاصل می شود .
-5 ترکهاي خراش که در هنگام بیرون کشیدن لوله ها از قالب در جهت محور قالب
ایجاد می شوند.
مشخصات متالورژي و مکانیکی فولاد قالب
KIC استحکام کششی چقرمگی شکست
N /mm2
استحکام تسلیم
W /mm2
تختی درصد زیاد طول HB
2600 700 -850 700 17 200 -240 فولاد 21
2400 750 -900 700 17 200 -240 فولاد 34
ضخامت قطعه و دماي جدارة قالب :
٦
بطور کلی با کاهش ضخامت قطعه سرعت انتقال حرارت از مذاب به جدارة
قالب افزایش می یابد و در نتیجه بر سرعت انجماد قطعه افزوده می شود . این امر
شرایط را براي ایجاد یوتکتیک در ساختار قطعه فراهم کرده و باعث افزایش مقدار
منطقۀ سفید شده در قطعه می شود .
افزایش دماي جدارة قالب بطور طبیعی باعث کاهش در میزان تحت انجماد
می شود . ولی باید توجه داشت که افزایش بیش از حد دماي جدارة قالب ممکنست
به تغییراتی در ساختار انجماد وایجاد انجماد معکوس ساختار قطعه شود .
٧
آزمایشهاي عملی :
مراحل کاري تهیۀ بوشهاي چدن خاکستري به روش گریز از مرکز افقی :
1.تهیۀ مذاب با آنالیز مورد نظر .
2.پوششکاري قالب گریز از مرکز .
3.پوششکاري پیلۀ بارریزو ناودان ذوب ریز .
4.جوانه زایی در پاتیل اولیه .
5.جوانه زایی ثانویه در مرحلۀ ریختن مذاب به قالب .
1.تهیۀ مذاب با آنالیز مورد نظر :
400k کوره هاي مورد استفاده در تهیۀ مذاب از نوع القائی با ظرفیتهاي
1 فرکانس پایین میباشد . و مواد اولیۀ در تهیۀ مذاب Ton فرکانس متوسط و کورة
شامل درصد هاي مناسبی از شمش چدن خاکستري ، برگشتی ، قراضه ، براده ، می
باشد که در نهایت مطابق آنالیز مورد نظر چدن خالستري ، مطابق با آنالیز زیر تهیه می
گردند:
CE % C % Si % P % Mn % S % Cr % Cu %
C+%Si/3% 3/5-4 1/7-2/4 0/1-0/13 0/6 0/1> 0/13 0/45
آنالیز مذاب ، طی تهیۀ آن ، توسط قالب نمونه گیر آنالیز ، تهیه شده و به کمک
دستگاه کوانتومتر در هر مرحله از تهیۀ مذاب سنجیده می شود .
٨
2.پوشش کاري قالب گریز از مرکز ونوع پوشان آن:
قالبهاي تهیۀ بوشهاي گریز از مرکز ، در هر مرحله از شرایط کاري تعیین
گردیده و با توجه به کاربرد پوشان در قالبها ، همزمان با چرخش قالب ، توسط
کمپرسورهاي پوشان بصورت منظم از انتهاي قالب به سمت بیرون آن ، به داخل آنها
پاشیده می شود تا به این ترتیب ، خواصی نظیر ، عدم چسبندگی مذاب به قالب ،
افزایش عمر قالب ، کنترل و انتقال حرارت ، … را ایجاد نمایند.
پایۀ پوشان مورد استفاده در این قالبها :
پودر سیلیس ، نبتونیت ، مایع کف زا ، خاك دیاتومه ، آب به نسبتهاي معین و مش
0 میلی متر ) می باشد ، به طوري که غلظت پوشان /01 – 0/ بسیار ریز (کمتر از 001
45 بوده که - مورد نظر حاصل از مخلوط نمودن مواد فوق در حدود 55
توسط دانسیمتر تعیین می کردند . ضخامت پوشان مورد استفاده در قالب در حدود
0/5 میلی متر می باشد . -1
در این تحقیق سعی میگردد ، تا علاوه بر تغییر کمیت در اندازه و حتی نوع
جوانه زاها و به بکارگیري آنها در مرحلۀ ثانویۀ جوانه زنی ، از مرحلۀ جوانه زایی در
پوشان قالب نیز آزمایش به عمل آمده و تاُثیر آن بر نوع گرافیتهاي سطوح بوش و
٩
خواص آن نظیر سختی مورد بررسی قرارگیرد که در مراحل عملی به تشریح آنها
پرداخته میشود .
-3 پوششکاري پیاله بار ریز و ناودان ذوب ریز :
پوشان مورد استفاده در پیاله بار ریز و ناودانی ذوب ریز نصب شده روي دستگاه
ریخته گري گریز از مرکز افقی جهت بوش ریزي ، از نوع پوشش گرافیتی (دوده و
آب ) می باشد تابدین ترتیب تمامی خواص و انتظاراتی را که در بحث پوشان گفته
شده ، بدست دهد .
این نوع پوشان بر روي سطوح پیاله بارریز (تندیش) و ناودان ذوب ریز به کمک قلمو
قرار می گیرد و بعد از هر چند مرحله ذوب ریزي ، مجدداً استفاده می گردد .
-4 جوانه زایی در پاتیل اولیه :
پاتیل اولیه ، پاتیل حمل مذاب از کوره هاي القایی ، به تندیش یا پیاله بارریز
دستگاههاي گریز از مرکز است ، که در آنها یک مرحله جوانه زایی توسط جوانه زاي
0/6% درصد وزنی wt 3 میلی متر و به میزان - پایه فروسیلیس 75 % با دانه بندي 5
مذاب که در کف پاتیل به آن اضافه می شود ، انجام گردد . در این مرحله دماي مذاب
1420 تا 1520 درجه سانتی گراد می باشد .
١٠
جوانه زایی ثانویه در مرحله ریختن مذاب به قالب ، و یا جوانه زایی در پوشان یا
بر روي سطح آن :
از آنجائیکه این مرحله از کار ، اساس پروژه بوده و تحقیقات و بررسی هاي انجام شده
، در زمینه بهینه سازي اثر جوانه زاها در خواص چدن و نوع گرافیت ها ، مبحث اصلی
تحقیق است ، تمامی آزمایشات بصورت مرحله به مرحله همراه با نتایج و عکسهاي
متالوگرافی و سختی سنجی و بررسی هاي آزمایش هاي متالوگرافی و متالورژیکی بیان
می گردد.
بررسی متالوگرافی و سختی سنجی از نمونه هاي بوش:
بوشهاي تولیدي به روش گریز از مرکز افقی داراي ابعاد و اوزان متنوعی می باشند که
با تغییر و تعویض قالبهاي مختلفی قابل تولید می باشند.
نمونه بوشهاي تولیدي در بررسی اثر جوانه زا ها ، قسمتی از وسط یا ناحیه میانی بوش
است .
نمونه فوق توسط دستگاه اره لنگ از ناحیه میانی بوش تهیه می شود . قسمت هاي تیز
آن توسط سنگ گرفته شده و سطح مورد مطالعه نیز سنگ و سنباده و پولیش می گردد
قرار می گیرد ، × و تحت بررسی متالوگرافی در زیر میکروسکوپ با بزرگنمایی 200
می باشد . b عکس هاي متالوگرافی تهیه شده از نمونه ها از قسمت
١١
جوانه زاهاي مورد آزمایش:
جوانه زاهاي زیر با مشخصات مربوط تهیه شده و تحت آنها بر اساس نوع و کیفیت و
کمیت هاي آنها آزمایش هاي طرح ریزي و انجام گردید .
Inostrong -1 اینواسترانگ
Inolate -2 اینولیت
SRF75-3
SB5-4
VL7B-5
0/5 (پودري).جدول ترکیب – 1/5mm -6 جوانه زاي پایه فروسیلیس 75 % بامش
جوانه زاهاي فوق به صورت زیر آورده شده است .
آزمایش هاي عملی در رابطه با جوانه زاها و ریزساختار و خواص قطعات
(بوشهاي) تولیدي :
-1 بوش ریخته گري شده بدون مرحله جوانه زایی در پیاله بارریز :
از آنجائیکه بوشهاي تولیدي توسط دستگاههاي گریز از مرکز افقی ، با تغییر قالب ها ،
داراي ابعاد و مشخصات متنوعی هستند ، آزمایش هاي انجام شده بر روي بوش به
ابعاد و مشخصات زیر انجام شده است :
بوش قطر داخلی - قطر خارجی - طول شاخه-طول لبه- وزن شاخه
7/334kg - 470mm 96-97 80-81
١٢
در آزمایش ابتدایی ، بر روي بر روي قطعه تولیدي با مشخصات فوق ، % 0 جوانه زا
استفاده شد . یعنی ، هیچ مقدار جوانه زایی به مذاب در مرحله پیاله بار ریز اضافه
نگردید و ملاحضات زیر و نتایج مربوط به آن به شرح زیر ارائه گردیده است http://www.tuningforum.ir/images/imp.../03/wow-10.gifجدول
(8
D تا سطح خارجی (سطح بوش)، گرافیت هاي نوع a از سطح داخلی
255 برینل HB ملاحظه گردیده است و سختی سطح این نمونه
گزارش شده است . تصویر متالوگرافی از قسمت میانی نمونه بدون 1 اینچ و با
برابر بصورت زیر ارائه می گردد : × بزرگنمایی 200
×200 – D شکل 52 - بدون جوانه زایی در تندیش – گرافیت هاي نوع
ترکیب شیمیایی پودرهاي مختلف جوانه زایی کننده نوع پودر داخل
قالب جوانه زا Si Al Ca Ba Sr Mg F Fe
FeSi%75 74-76 0/6-1/25 0/5 - بقیه 1
FeSi+CaSi 74/7 0/75 3/ بقیه 6
FeSi+Al 77 0/83 0/ بقیه 75
FeSi+FeSiMg 74/3 0/81 0/ 0 75 / بقیه 5
FeSi+CaSi+CaF2 63 0/65 3/4 - 1 4 -/2/ بقیه 2
Supespeed 75 0/45 0/ 0 1 / بقیه 8
Skw-SB5 58-65 1-1/5 3-4/5 1/5-2/ 1 5 /5-2/ بقیه 5
١٣
1-3 مورد استفاده در شرکت مهارت mm -2 جوانه زاي پایه فروسیلیس 75 بامش
0/13% مذاب) wt) 9 gr به مقدار
9 جوانه زاي پایه فروسیلیس با توجه به اینکه مقدار مذاب مورد مصرف بوش gr مقدار
100 می باشد .  9103  7kg  7 می باشد برحسب درصد% 0.13 kg تولیدي حدود
پس از بررسی متالوگرافی مشخص گردید که : ساختار بوش تولید شده از سطح
A 1 مخلوط گرافیت هاي mm بعلاوه حدود A 1 گرافیت mm داخلی داراي حدود
است . D و شش میلی متر باقی مانده گرافیت D و
244 گزارش گردیده است . HB سختی چدن ریخته شده در حدود
نمونه ریز ساختار این چدن پس از متالوگرافی در زیر میکروسکوپ با بزرگنمایی
برابر ملاحظه شد ×200
1 مورد استفاده در شرکت مهارت به -3mm -3 جوانه زاي پایه فروسیلیس 75 بامش
%0/1 مذاب) wt) : 7gr مقدار
4103 100 7  0.1%wt 7 از جوانه زاي فوق در حدود gr برحسب درصد ،مقدار
بوده و نتایج آزمایش هاي متالوگرافی و سختی سنجی نمونه فوق بصورت زیر است :
3 از سطح داخلی به mm بررسی متالوگرافی نمونه فوق نشاندهنده حضور گرافیت تا
در سطح D 4 گرافیت نوع mm و D و A 1 مخلوط گرافیت هاي mm همراه
229 بوده . HB خارجی نمونه بوش فوق است . سختی نمونه فوق در حدود
١٤
1-3 مورد استفاده شرکت مهارت به mm -4 جوانه زاي پایه فروسیلیس 75 با مش
http://www.tuningforum.ir/images/imp.../03/wow-10.gif0/057):4gr مقدار
0/057% از جوانه wt بررسی هاي متالوگرافی نمونه بوش ریخته شده با درصد وزنی
از قسمت D 1-3 موید حضور گرافیت هاي نوع mm زاي پایه فروسیلیس 75 با مش
235 گزارش HB سطح داخلی تا خارجی بوش است . همچنین سختی آن در حدود
برابر × گردیده است . شکل ریزساختار این نمونه از قسمت میانی آن با بزرگنمایی 200
بدون اچ در زیر نشان داده شده است .
0 درصد وزنی از جوانه زاي مورد / 7 یعنی 1 gr از بررسی هاي فوق بهترین نتیجه در
استفاده فوق نتیجه می شود .
0/5 در پوشش سطح داخلی: -1mm -5 استفاده از جوانه زاي پایه فروسیلیس با مش
در این آزمایش به جاي اضافه کردن جوانه زاي مرحله پیاله بارریز ، از آن در داخل
0/1% درصد wt 7 یعنی gr قالب استفاده شده است . مقدار این جوانه زا در حدود
وزنی مذاب بوده و پس از حرکت قالب و حین چرخش قالب به آن اضافه شده است .
١٥
نتایج پس از نمونه برداري و بررسی هاي متالوگرافی و سختی سنجی بصورت ز یر
تائید گردیده است :
1 مخلوط mm 3 بعلاوه mm حدود A از سطح داخلی تا سطح خارجی گرافیت
D 4 گرافیت نوع mm بعلاوه D و A گرافیت هاي
234 گزارش گردیده است . HB سختی نمونه فوق در حدود
0/1% وزنی wt 0/5 به مقدار -1m -6 استفاده از جوانه زاي پایه فروسیلیس با مش
مذاب در پیاله بارریز :
0/1% وزنی مذاب به آن اضافه شد و wt 7 یعنی gr جوانه زاي پایه فروسیلیس به میزان
این عمل در پیاله ریز صورت گرفت ، نتیجه پس از نمونه برداري به صورت زیر بوده
است :
و A 6 گرافیت از نوع mm از قسمت سطح داخلی نمونه به سطح خارجی آن حدوداً
است . که نتیجه مناسب و مطلوبی است و شکل D و A 2 مخلوط گرافیت mm
به صورت زیر × ریزساختار قسمت میانی نمونه بوش مورد نظر با بزرگنمایی 200
نشان داده شده است .
234 برنیل گزارش گردیده است . HB سختی نمونه فوق در حدود
-7 استفاده از جوانه زاي پایه فروسیلیسی با عنوان اینوکولین شرکت فیکسو با مش
0/1% درصد وزنی مذاب در داخل پیاله بارریز : wt 1/5-3 به میزان mm حدود
١٦
0 درصد وزنی مذاب بوش هفت کیلوگرمی از جوانه زاي فوق در / 7 یعنی 1 gr حدود
پیاله بارریز استفاده گردید ، و نتایج زیر بدست آمد :
بعلاوه حدود A 5 گرافیت نوع mm از سطح داخلی تا سطح خارجی شامل حدود
بوده است که در شکل متالوگرافی از D و A 3 مخلوط گرافیت هاي mm
224 گزارش گردیده HB ریزساختار چدن خاکستري است . سختی آن در حدود
است.

اغلب ماشین های قدیمی بدنه سیلندرشان از جنس چدن بود و در صورتی که جداره داخلی سیلندر مشکلی بر می داشت و دچار خط و خش می شد کافی بود آن را به تراشکاری بفرستند و درون آن را تراش دهند و در عوض پیستونهای استاندارد STD از پیستونهای سایز بزرگتر = OVERSIZE استفاده می کردند چون جداره سیلندر کلفت بود و این امکان را فراهم می کرد ولی این کار چندین عیب و ایراد داشت :
اولاً بدنه های چدنی موتور سنگین هستند و این روزها از بدنه های آلومینیمی سبک استفاده می شود .
ثانیاً تراش جداره داخلی مستلزم این است که تمامی موتور باز شده و به تراشکاری فرستاده شود و این روشها اکنون منسوخ شده است !
از اینها گذشته تراش سیلندر نیاز به پیستونهای اورسایز دارد و این خود کلی مشکلات دارد !
از این رو این روزها از بوش های سیلندر استفاده می شود که اگر مشکلی پیش آمد بجای پیاده کردن کل سیلندر وتراش آن تنها کافی است که بوش های سیلندر را تعویض کنند .

برای کاهش وزن بسیاری از مدلهای جدید موتور از بدنه های آلومینیمی استفاده می کنند برخی از آنها بدون بوش = اسیلولس = sleeveless هستند و با استفاده از آلیاژهای سیلیکون ساخته شده اند و یا سطح سیلندرهای آنان پوشش های مقاوم در برابر آب دارند . برخی دیگر نیز اسیلوهای خشک استفاده می کنند ( بوش و یا اسلیو خشک به نوعی گفته می شود که در تماس با آب نیست و بطور غیر مستقیم خنک می شوند )

بوش های آهنی دارای سطوح ضد سایشی در سمت رینگ پیستونها هستند . و ضخامت آنها زیاد نیست چون توسط بدنه موتور حمایت می شوند .
در مقایسه بدنه های چدنی نیازی به بوش سیلندر ندارند چون فلز چدن به اندازه کافی سخت هست که در برابر سایش مقاوم باشد.
اگر بدنه سیلندر ترک بردارد یا صدمه ببیند و یا دچار سایش شود که نتوان آن را با سوراخکاری و یا سنگ زدن و به شکل اورسایز در آورد ( چون ریخته گری این بدنه ها ضخامت بالایی دارد ) می توان از یک بوش خشک که با پرس جا زده می شود استفاده کرد و بدین وسیله از تعویض کل بدنه جلوگیری بعمل آورد .
ولی وقتی از بوش های خشک استفاده می شود مشکلات خاصی پیش می آید که نیاز به نگهدارنده هایی دارد که باید بوش ها را از لیز خوردن حفظ کند.
بوش باید همان ضریب انبساطی معادل بدنه سیلندر باشد آلومیمیک ضریب انبساط گرمایی بیشتری نسبت به آهن داردو همین امر سبب می شود که به هنگام گرم شدن موتور بوش از بدن سبلندر بیرون آید
به همین جهت وقتی از بدنه های آلومینیمی استفاده می شود نسبت به وقتی از بدنه چدنی استفاده می شود نصب بوش های خشک با مشکلات بیشتری پیش می آید 003˝ to .004˝.
امروزه از بوش های سیلندر برای طیف گسترده ای از خودروها مورد استفاده است کامیون ها و موتورهای کوچکی که با استفاده از" فرآیند ریخته گری گریز از مرکز "
تهیه می شوند . دارای استحکام بیشتری هستند ( یک سوم بیشتر از چدن های عادی )
and tolerances that are accurate to within one half of one thousandth of an inch. Other new applications include dry sleeves for GM LS1/LS6 (1997-2004), Ford 2.0L (1997 & up), and Lexus 4.3L 3UZFE engines in 2005-2006 models. New heavy duty sleeve applications include CAT 3116 and CAT C-7 3126 engines.

ROUND AND STRAIGHT
Whether a sleeve is being installed in an aluminum or iron block, dimensional accuracy is an absolute must. The cylinders in the block should be machined as round and straight as possible for a good fit. Concentricity of the bores is extremely important to minimize bore distortion. Likewise, the sleeves must be manufactured to exacting tolerances if they are going to fit properly. If the block or sleeves have too much variation, it can distort the cylinder bore and adversely affect ring seating and sealing, compression, blowby, oil consumption and emissions. Severe bore distortion may even cause piston scuffing if the clearance between the piston and wall is insufficient.
A poor fit between the block and a flangeless sleeve also increases the risk of the sleeve coming loose and moving down. A poor interference fit with gaps here and there can also cause an engine to overheat because of reduced thermal conductivity. That’s one of the reasons why GM opted to use cast-in-place dry sleeves rather than press-fit sleeves in their LS engines.
The LS aluminum block is cast around the sleeves. This makes the sleeves an integral part of the block and eliminates any concerns over fitment, movement and thermal conductivity. The trade-off is that the sleeves can’t be replaced like a press-fit dry sleeve or flanged sleeve if the cylinders are worn out or damaged. If the original sleeve is machined out, there’s not much left to support a new sleeve. So one alternative is to machine out the cylinders entirely and convert the block to a wet sleeve configuration. This has become a popular technique for racers who want to increase the bore size, displacement and thermal conductivity of dry sleeve aluminum blocks.

PERFORMANCE SLEEVES
In 2004, Darton Sleeves was awarded a patent for their “Modular Integrated Deck” system for converting dry sleeve aluminum blocks (such as Honda sport compact engines) to wet sleeves. This same technology has since been adapted for converting GM LS engines and various other engines for extreme performance.
Converting a GM LS engine to a wet sleeve configuration takes about six hours of machine work, and should be done with CNC equipment, says Dave Clinton of Darton. But the results are well worth the effort. The wet sleeve configuration can handle significantly more power while improving reliability in high output engines. Clinton says their MID wet sleeve conversion kit for Nissan VR V6 blocks allows that engine to handle up to 2,600 horsepower from 3.0L of displacement!
“GM has had cylinder cracking problems with the stock liners in their supercharged Corvette LS7 engines. The factory sleeves can’t take the heat, but our wet sleeves can,” explains Clinton. “We use a high nickel alloy cast iron or ductile iron in our sleeves, depending on the application. The strength standards typically exceed ASTM standards by 20 to 30 percent depending on the grade of material used. We produce wet sleeves for 80 to 90 percent of the Top Fuel drag racers, and about a third of our business is custom sleeves.”
Another company that produces custom sleeves for performance applications is EZ-Slider Cylinder Liners, a division of Quaker City Castings. Brent Boyle says custom sleeves represent about 90 percent of their current business. “We make all kinds of sleeves for all kinds of racing, including truck and tractor pulling. We have our own foundry and make our own sleeves here in Salem, OH. Ductile iron is our most popular sleeve material, but we also have a couple of customers who want sleeves made of compacted graphite for use with compacted graphite blocks.”
Boyle says they key to making performance sleeves is keeping the tolerances extremely tight, especially with flange style sleeves. “Our customers tell us what they want, and we build the sleeve to their exact specifications. Turn around time is usually less than a week, and sometimes we can ship them finished sleeves within a couple of days.”
Dave Metchkoff with LA Sleeves says his company’s focus is also on the performance market. “In the 1970’s, the repair sleeve business was severely impacted by inexpensive imported sleeves. In the 1990s, another invasion of cheap sleeves nearly wiped out everybody who was making sleeves in the U.S. But tolerances were an issue with many of these imported sleeves. So our company made a comeback by producing high quality sleeves for the performance market.”
Metchkoff admits his company’s sleeve prices are higher than most importers due to their high quality materials and tolerances. “Instead of using nickel in our cast and ductile iron, we add more chromium to improve wear resistance and strength. We also offer surface coatings and cryogenic treatments if a customer wants it.”
Metchkoff says that one of the myths of installing dry sleeves in blocks is that you have to use CNC equipment to machine the block. “That’s not true – unless you are converting a block to wet liners. We used to make wet liners for some sport compact applications, but have moved out of that market because we feel there are too many installation issues. The sleeves can leak, and in sand rail racing, block flex pulls the sleeves apart from the block. We now make a stepped dry sleeve that works great in these high horsepower engines.”

WET SLEEVES
Wet sleeves, or liners as they are often called in heavy-duty engines, are different than dry sleeves. A wet sleeve is essentially a stand alone cylinder, supported at the top and bottom by the block, and surrounded by the water jacket. The coolant is in direct contact with the outside of the sleeve. There is no supporting bore structure around the sleeve, so the sleeve has to be thick enough and strong enough to withstand the forces of combustion all by itself.
The main advantage of a wet sleeve is that it allows any or all of the cylinders to be easily replaced if one or more cylinders are worn out or damaged, which greatly extends the potential service life of the engine. Wet sleeves also allow engines to handle higher horsepower loads without overheating because the coolant is in direct contact with the sleeve. Replaceable sleeves also make it possible to change the bore diameter and displacement of the engine (within limits) more easily than with a conventional one-piece block.
In large (and expensive) heavy-duty diesel engines, wet sleeves make sense because they allow a block to be rebuilt over and over again.
Russ Nardi of Federal-Mogul says his company still sees a lot of demand for cylinder liners to fit diesel engines that are 60 to 70 years old. “We still sell parts for old Detroit Diesel two-stroke engines that were first built back in the 1940s.”
Nardi says that the service life of a late model Class 8 heavy-duty truck diesel engine today is upwards of 500,000 miles.
What’s more, many of these engines are developing significantly more horsepower from the same displacement, which places even greater mechanical and thermal loads on the cylinder liners. Consequently, it is critical to design replacement liners that equal or exceed the performance requirements of the OEM liners. The surface finish of the liners must also meet the OEM specifications and match the type of pistons and rings that are used in the cylinders.
“A keystone chrome ring will require a different kind of bore finish than a rectangular ring with moly faced rings. We look at all of the OEM surface finish requirements, not just the Ra (roughness average) numbers. This includes the Rk bearing area that exists after the rings are seated, and the Rpk peak height and RvK valley depth of the surface when the bore is finished,” says Hoover Oliver, Federal-Mogul’s engineer for commercial liners.
Oliver says liner hardness alone does not determine wear resistance. It also depends on the size and distribution of the graphite flakes in the metal matrix. Consequently, different materials may be required for different applications. One of the best wearing materials is a form of cast iron with a bainite crystal structure. It’s strong, tough and easy to machine.
Nardi said that one of the advantages of being an aftermarket supplier of cylinder liners is that improvements can be made in a liner design if an OEM liner turns out to have a history of problems. “We don’t see a demand for replacement liners until the engine is out of warranty, so we have a number of years to watch for any problems and make any modifications that may be needed.”

LINER ISSUES
One of the problems with wet liners in diesel engines is cavitation erosion on the outside of the liners. Harmonic vibrations produced by combustion inside the cylinders cause tiny air bubbles to form in the coolant on the outer surface of the liners. When the bubbles collapse, the implosions create shock waves that chip away at the metal. Over time, this can lead to severe erosion and surface pitting that may eventually cause the liner to leak or fail.
Cavitation damage can be reduced or avoided by eliminating operating conditions that cause unwanted engine harmonics. This includes making sure fuel injection timing is correct, and that engine speed is kept within the specified rpm range. Cavitation damage can also be mitigated by using supplementary coolant additives, as specified by the engine manufacturer. Following the OEM coolant recommendations is important for long liner life.
Evans Cooling Systems sells a waterless engine coolant that has a boiling point of 375° F. The company says its coolant can handle higher engine temperatures and vibrations without forming vapor bubbles that can cause cavitation erosion.
Results from the John Deere Engine Cavitation Test (ASTM Test Procedure D-7583) showed that Evans Heavy Duty Thermal Coolant (HDTC) performed 70 percent better than the second best fluid in reducing wet liner cavitation. The coolant also creates almost no vapor pressure inside the cooling system (because there are no steam bubbles). The coolant’s higher boiling point also helps fuel economy by allowing the engine to safely operate at a higher temperature.
Steve Scott of IPD says another problem that is sometimes overlooked when replacing wet liners is wear in the lower receiver bore area of the engine block. This area is critical because it supports the liner. If damaged, it needs to be repaired before a new liner is installed.
The process for repairing a damaged lower receiver bore is to step bore the lower block area. To do this, the lower receive bore is machined to a specific oversize diameter and to a specific depth that matches the repair sleeve.
Something else to keep in mind is the end gap on the piston rings when liners are replaced. The ring end gap is specified by the engine manufacturer and depends on the bore diameter. Ring end gaps can be checked by placing the rings in the liner and measuring the end gap with a feeler gauge. On a 5.400˝ bore liner, the end gap on the piston rings will change approximately .003˝ (0.08 mm) for every .001˝ (0.03 mm) change in bore diameter.
Scott says checking ring end gaps as well as piston clearances is especially important on late model high output diesel engines because of the higher loads and temperatures at which these engines operate. “Some of these engines are running steel pistons that are installed with much less clearance than aluminum pistons,” he says.
Liner protrusion at the top of the block is also important for proper head gasket sealing. If the amount of protrusion is not equal cylinder-to-cylinder on engines that use a single head, and within specifications, the engine will eventually blow the head gasket.
Scott says liner fractures can be caused by one of two things. Vertical fractures are usually due to impact damage, while horizontal fractures are due to fitment issues – or weakness or defects in the liner metal. “Because newer diesel engines are running with much higher cylinder pressures these days, liner quality is more important than ever.”
Joe Kercher of Interstate McBee says many OEMs are now using hardened wet sleeves in their diesel engines to handle the higher loads. “Many are using induction hardened cast iron or ductile iron alloys for improved wear resistance and strength.
As for installation issues, Kercher says he gets a lot of calls on Navistar DT466E engines. “Originally, these engines used a pair of O-rings to seal the bottom of the liners. But after model year 2000, the O-rings were eliminated. So there are no O-rings to replace on these liners. On applications that do use O-rings, it’s important to lubricate them before they are installed. Also, liners should be washed with hot soapy water and scrubbed with a brush to remove any honing residue before they are installed.”