13.4. Клапанные стали
Клапанный узел двигателя внутреннего сгорания — ответственный узел, часто определяющий срок службы мотора до ремонта. В особенно тяжелых условиях работают клапаны выхлопа, они подвергаются одновременному воздействию высоких механических нагрузок при высокой температуре (700. 900 С) и газовой коррозии в продуктах сгорания. Кроме того, шток клапана работает на износ при повышенных температурах, а его конец не должен сминаться при ударах.
В автомобильных и тракторных моторах небольшой мощности клапаны выпуска изготавливают из сильхромов, которые обладают хорошей жаропрочностью (800. 900 С) и стойкостью в среде выхлопных газов.
Клапаны мощных моторов изготовляются из более жаропрочных сталей аустенитного класса — 45Х14Н14В2 и 45Х14Н14В2С3.
Сильхромовые стали относятся к группе сталей мартенситного класса, закаливающихся на воздухе. Для сильхрома 40Х9С2 наилучшие свойства получаются после закалки от 975 С в масле и отпуска при 800 С с последующим сравнительно быстрым охлаждением на воздухе.
13.5. Жаростойкие стали
Комплексное легирование расширяет диапазон рабочих температур жаростойких сталей.
Молибден в сталь Х6М вводится для устранения тепловой хрупкости и для повышения механических свойств, эта сталь способна к самозакаливанию на воздухе, поэтому после каждой операции горячей обработки должна отжигаться при температуре 860 С.
Стали 40Х9С2 и 10Х13СЮ обладают более высокой жаростойкостью и применяются при изготовлении клапанов двигателей внутреннего сгорания и печного оборудования. Наилучшие свойства этих сталей получаются после закалки с 975 С в масле и отпуска при 800 С с последующим быстрым охлаждением на воздухе.
Сталь 08Х17Т относится к ферритному классу и применяется в теплообменниках, при добавках кремния становится стойкой даже в среде горячих топочных газов, богатых серой.
Стали 12Х18Н9Т и 36Х18Н25С2 относятся к аустенитному классу, обладают хорошими технологическими свойствами (пластичны и хорошо свариваются) и повышенной механической прочностью при высоких температурах. Из-за добавки кремния последняя сталь обладает высокой жаростойкостью, особенно в средах с повышенным содержанием серы и применяются для печных конвейеров и других нагруженных деталей, а также для деталей сопл и жаровых труб в газотурбинных установках.
Лекция 14. Стали и сплавы, работающие при низких температурах
14.1. Влияние низких температур на свойства металлов
При охлаждении металлов происходит повышение предела прочности, твердости и снижение показателей пластичности и ударной вязкости, что повышает опасность хрупкого разрушения.
Порог хладноломкости — температура, ниже которой происходит скачкообразное снижение ударной вязкости.
Проблема хрупкого разрушения существенна для материалов, работающих в условиях Крайнего Севера, а также для металлов и сплавов, используемых в технике сверхнизких (криогенных) температур.
14.2. Стали для изделий, работающих при низких климатических температурах
С машинами и металлоконструкциями, работающими в условиях Севера, происходит особенно большое количество аварий. Разрушение деталей в условиях севера, а также зимой в средней полосе происходит потому, что обычные стали имеют недостаточно низкий температурный порог хладноломкости. Поэтому для изделий, работающих в отмеченных условиях, необходимо применение легированных сталей с пониженным значением порога хладноломкости.
Эффективными металлами для работы в условиях севера являются низколегированные малоуглеродистые стали (
и др.), которые обладают хорошей свариваемостью и поэтому пригодны для изготовления сварных металлоконструкций. В строительных металлоконструкциях наибольший эффект достигается при использовании термомеханически упрочненного проката.
Материалы для изготовления клапанов механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания
К клапанам механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания предъявляются повышенные требования, поэтому для их изготовления применяется комбинирование различных материалов, а также использование специальных наплавок и покрытий. Особое внимание уделяют разработке клапанных сталей и сплавов, которые функционируют при температуре более 580 градусов Цельсия. К примеру, впускные клапаны дизельного двигателя КамАЗ изготавливаются из стали 40Х10СМ2 мартенистого класса. Работающие при более высокой температуре выпускные клапаны изготавливаются из стали ЭП-303М (5Х20Н4А19М) аустенитного класса. Рабочая фаска данных клапанов выполняется путём наплавки сплавом ВЗК типа «Стелит», который содержит до 60% кобальта.
С целью замены дефицитных добавок внедрены сплавы на никелевой основе, которые не содержат кобальта (ЭП-649, ЭП-616, ЭП-615). К недостаткам данных сплавов можно отнести снижение твёрдости при температуре 1300 градусов Цельсия, в сравнение со сплавом ВЗК.
Впускные клапаны дизельных двигателей (СМД-60, Д-240, Д-65Н, Д-144, А-41) изготавливаются из стали 40Х10СТМ, а выпускные клапаны двигателей (Д-144, СМД-60, А-41) – из стали ЭП-616, а двигателей (СМД-14, Д-240, Д-65Н) – из стали 40Х10СМ2.
Особые требования предъявляют к материалу изготовления выпускных клапанов карбюраторного двигателя, формированного по скоростному режиму, который подвержен максимальным термическим и механическим нагрузкам. Для клапанов данных двигателей применяется жаропрочная сталь ЭП970, которая не отличается от стали ЭП303.
Зачем в клапанах мотора натрий? — проверьте свои знания
— Действительно, при производстве в полость выпускных клапанов – от головки и вдоль всего стрежня – помещают натрий.
Этот щелочной металл при работе двигателя плавится и, перемещаясь внутри клапана, интенсивно переносит тепло от головки к стержню. Стержень отдает тепло втулке клапана и далее – головке блока цилиндров. Температура тарелки клапана снижается, а долговечность растет.
Такая конструкция ранее использовалась на двигателе ЗИЛ 130, а сейчас часто встречается на форсированных наддувных моторах.
Анализ материалов, идущих на изготовление клапанов дизельного двигателя Камаза
Клапан – деталь газораспределительного механизма. Клапан реализует прямую подачу в цилиндры определённой порции топливо-воздушной смеси, а также отвечает за выпуск отработавших газов. Важно соблюдать требования по технологии изготовления, указанные в ГОСТе. В работе проводится экспертиза впускного и выпускного клапанов, а также сопоставление с ГОСТом.
Цель работы: провести сопоставление сталей, использованных для изготовления впускного и выпускного клапанов дизельного двигателя.
Экспертиза проводилась на кафедре «Материаловедение, порошковая металлургия, наноматериалы» Самарского государственного технического университета.
Использовались следующие оборудования: стационарный твердометр для измерения твердости по методу Роквелла «ТР5006М», оптический металлографический микроскоп фирмы «Leitz» (рис. 1).
Рис. 1. Оптический металлографический микроскоп фирмы «Leitz»
Объекты исследования: впускной клапан двигателя КАМАЗа, выпускной клапан двигателя КАМАЗа.
Анализ заявленных марок стали
К клапанам механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания предъявляются повышенные требования. Особое внимание уделяют разработке клапанных сталей и сплавов, которые функционируют при .
По данным производителя, выпускной клапан дизельного двигателя изготавливают из стали 5Х20Н4А19М аустенистого класса.
Серьёзной проблемой выпускных клапанов является перегрев, приводящий к выходу из строя двигателя (рис. 2).
Рис. 2. Перегрев клапанов
Для изготовления выпускного клапана следует использовать особую Cr-Ni-Mo-легированную сталь. Никель значительно повышает устойчивость выпускного клапана к механическому разрушению, особенно при повышенных температурах.
Согласно данных производителя, впускной клапан дизельного двигателя КАМАЗ изготавливают из стали 40Х10СМ2 мартенситного класса.
Производитель заявляет, что для впускного клапана используется марка 40Х10СМ2 мартенситного класса. Результаты, проведённые нами после шлифования, полирования, травления подтверждают структуру мартенсита (рис. 3).
Рис. 3. Структура мартенсита на впускном клапане
Производитель заявляет, что для выпускного клапана используется марка 5Х20Н4А19М аустенистого класса. Результаты, проведённые нами после шлифования, полирования, травления подтверждают структуру аустенита (рис. 4).
Рис. 4. Структура аустенита на выпускном клапане
Измерение твердости по методу Роквелла
Установлено, что впускной клапан имеет следующие значения твердости: HRCср=56 (55;56;57;56,5;55) (рис.5), выпускной клапан имеет следующие значения твердости: HRCср=58 (57,5;58;57;58;58) , что полностью соответствует условиям работы заявленных марок стали.
Рис. 5. Измерение твердости на «ТР5006М»
Таким образом, в работе проведена экспертиза впускного и выпускного клапанов дизельного двигателя КАМАЗа. Сделано заключение о соответствии заявленных марок стали по структуре и твердости.