Защита выпускного клапана двигателя внутреннего сгорания
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
СУМСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра ПМ и ТКМ
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
По дисциплине:
Коррозия и защита материалов
На тему: Защита выпускного клапана
двигателя внутреннего сгорания
Выполнила: Мысливченко А.Н.
группа МТ-71
Проверила: Марченко С.В.
Сумы
2009 г.
1.
Заданная деталь: выпускной клапан двигателя внутреннего сгорания
o Клапан служат для периодического открытия и закрытия отверстий впускных и
выпускных каналов в зависимости от положения поршней в цилиндре и от порядка
работы двигателя. Клапан состоит из головки и стержня.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - устройство, преобразующее тепловую
энергию, получаемую при сгорании топлива в цилиндрах, в механическую работу.
Рисунок 1 - Общий вид двигателя
Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя.
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания работает по
следующему принципу;
Рисунок 2 - Впуск горючей
смеси
Впуск - поршень перемещается от верхней мертвой точки к нижней мертвой
точке. Открыто впускное отверстие. Вследствие увеличения объема внутри цилиндра
создается разрежение 0,075 - 0,085 МПа, а температура смеси находится в
пределах 90 -125° С. Цилиндр заполняется свежим зарядом горючей смеси.
Сжатие - поршень движется от н.м.т. кв. м.т. Впускное и выпускное
отверстия закрыты. Объем над поршнем уменьшается, а давление и температура к
концу такта соответственно достигают величин 1,0...1,2 МПа и 350. 450° С.
Рабочая смесь сжимается, благодаря чему улучшается испарение и перемешивание
паров бензина с воздухом.
Рабочий ход (сгорание и расширение) - сжатая рабочая смесь воспламеняется
искрой. Поршень под давлением расширяющихся газов перемещается от в. м. т. к
н.м.т. Впускное и выпускное отверстия закрыты. Давление газов достигает
величины 3,5...4,0 МПа, а температура доходит до 2000° С.
Выпуск - поршень движется от н.м.т. кв. м.т. Открыто выпускной клапан.
Давление газов снижается до 0,11...0,12 МПа, а температура-до 300...400° С.
Рисунок 4 - Выпуск газов при помощью опускания выпускного клапана (вид А)
2. Условия работы выпускного клапана
Клапаны двигателя внутреннего сгорания функционируют в экстремальных
условиях. Они подвержены совместному действию переменной механической нагрузки,
высокой температуры, износа, коррозии и эрозии. Во время работы двигателя
температура нагрева головки клапана может достигать 800˚С, стержень
нагружен циклическими растягивающими усилиями пружины, поверхность стержня
подвергается сильному воздействию факторов трения, торец стержня испытывает
интенсивные контактные нагрузки. Клапаны и седла клапанов подвергаются износу в
результате ударов головки клапана о седло, повторяющихся с большой частотой,
коррозионному действию агрессивных отработавших газов при повышенной
температуре, а также эрозионному действию струи газа и продуктов неполного
сгорания топлива. После некоторого периода, работы седло покрывается нагаром,
который под влиянием высокой температуры накаляется, что приводит к выжиганию
опорной поверхности клапана и потере герметичности. Не герметичность клапанов,
в свою очередь, приводит к нарушениям в работе двигателя, к которым относятся
затрудненный запуск, уменьшение мощности и др. При этом через образовавшиеся
щели под высоким давлением проходит струя горячих рабочих газов, сильно
нагревающих головку клапана. Вследствие такого нагрева края головки
подправляются и клапан разрушается. С течением времени материал клапана может
настолько снизить свою прочность в результате выгорания некоторых компонентов
сплава, что возможен даже отрыв головки от стержня клапана. На интенсивность
износа седел клапанов влияет также состав всасываемой в цилиндры смеси. Вели
смесь слишком бедную, то сгорание происходит при более высокой температуре и
коррозионное действие отработавших газов оказывается сильнее. Когда смесь
слишком богата, сгорание идет медленнее и при более низкой температуре. Несгоревшие
тяжелые фракции топлива ускоряют осаждение слоя нагара,
коррозионно-агрессивного к материалу клапана. Поэтому к клапанам предъявляются
очень жесткие технические и качественные требования.
Возможные причины выхода из строя или дефектов при эксплуатации выпускных
клапанов.
Характерными дефектами выпускных клапанов являются их прогорание и
зависание, обрыв клапанных тарелок (термическое разрушение донышка). На
выпускные клапаны приходится до 12% общего числа отказов по дизелю. Основная
доля отказов (около 60 %) связана с разрушением рабочих поисков клапанов и их
седел из-за образования глубоких раковин, требующих проточки и притирки.
Наблюдается также изнашивание стержня по длине и направляющих втулок. ( Следует
отметить, что выпускные клапаны и седла изнашиваются гораздо быстрее впускных,
так как их коррозия развивается интенсивнее.)
Наибольший урон выпускным клапанам наносит газовая коррозия. Газовая
коррозия - коррозия металлов, вызываемая действием паров и газов обычно при
высоких температурах Металлы окисляются кислородом, парами воды, оксидом
углерода, оксидом серы по следующих уравнениях;
2Ме + О2 + t→ 2MeO
Me + C О2 + t→ MeO + CO
Me + H2O + t→ MeO + H2
3 Me +SО2 + t→ 2MeO + MeS
Материалы используемые для производства выпускных клапанов.
Для клапанов используется всегда жаростойкая (чаще всего хромистая)
сталь, содержащая 8-15% Сг, 2-3% Si, 0,45% С. Например: 4Х10С2М(ЭИ107) Клапаны
двигателей, крепежные детали, работающие при 600-650°С. 3Х13Н7С2 (ЭИ72,)-
Клапаны впуска авиадвигателей и выпуска автомобильных, тракторных двигателей.
5Х20Н4АГ9 (ЭП3О3) Клапаны выпуска автомобильных двигателей. В авиационных
поршневых двигателях, как в отечественной, так и зарубежной практике для
выпускных клапанов используют хромоникельвольфрамомолибденовую сталь марки 4Х14Н14В2М
(ЭИ69).
Прогрессивные технологические решения для увеличения срока службы
выпускных клапанов.
3. Способ защиты - плазменно-порошковая наплавка
Из существующих способов плазменно-порошковая наплавка получила
наибольшее распространение как наиболее универсальный метод. При
плазменно-порошковой наплавке присадкой служат гранулированные металлические
порошки, которые подаются в плазмотрон транспортирующим газом с помощью
специального питателя. Метод порошковой плазменной наплавки (ППН) является наиболее
оптимальным по производительности, цене и качеству.
Достоинства метода плазменной наплавки заключаются в следующем:
· высокая производительность наплавки - выше 25 кг/ч;
· низкая растворимость основного металла в наплавленном слое
(до 5%);
· высокое качество наплавленного металла;
· возможность наплавки относительно тонких слоев (0,5-5,0 мм).
Важной особенностью ППН является отличное формирование наплавленных
валиков, стабильность и хорошая воспроизводимость их размеров. Установлено, что
у 95% наплавленных деталей отклонение толщины наплавленного слоя от
номинального размера не превышает 0,5 мм. Это позволяет существенно сократить
расход наплавочных материалов, время наплавки, а также затраты на механическую
обработку наплавленных деталей.
Установление взаимосвязи между температурой оплавления порошка и временем
выдержки при температуре оплавления порошка позволяет регулировать и управлять
свойствами покрытия. Оптимальный выбор технологических режимов процесса плазменной
наплавки обеспечивает минимальное перемешивание наплавляемого материала с
основным металлом, практически, с нулевой глубиной проплавления (что позволяет
при однослойной наплавке обеспечить заданный состав даже тонкого слоя
покрытия), а также минимальную окисляемость наплавляемого материала за счёт
специальной инертной или восстановительной защитной среды.
Плазменная порошковая наплавка обеспечивает высокую работоспособность
деталей за счет отличного качества наплавленного металла, его однородности, а
также благоприятной структуры, определяемой специфическими условиями
кристаллизации металла сварочной ванны.
Производительность плазменной наплавки с введением порошкообразного
материала в столб дуги транспортирующим газом можно повышать либо за счет увеличения
тепловой мощности дуги, либо за счет более эффективного нагрева порошка в дуге.
Особенности процессов плавления присадочного и основного металлов при
плазменной наплавке обусловлены возможностью регулировать в широком диапазоне
соотношение между тепловой мощностью дуги, количеством и температурой
подаваемого в сварочную ванну присадочного порошка. Изменяя это соотношение,
можно обеспечить минимальное проплавление основного металла.
В качестве материала выбираются композиционные порошки на основе железа
(в том числе и нержавеющие стали), кобальта, никеля (в том числе и
самофлюсующиеся), обладающие свойствами обеспечивающими коррозионную, ударную,
тепловую стойкости и устойчивость к износу.
Для автоматизации процесса применяются роботизированные комплексы,
обеспечивающие непрерывность процесса изготовления упрочненных клапанов.
Чрезмерное повышение температуры оплавления сплава и времени выдержки при
температуре оплавления приводит к огрублению структуры, снижению механических
свойств основы и покрытия.
Детали при наплавке быстро нагреваются до высоких температур; изменяются
тепловые условия формирования покрытий, увеличиваются глубина проплавления и
степень перемешивания материалов покрытия и основы, наплавочный материал в
покрытии теряет свои исходные свойства. Необходимость управления тепловыми
условиями плазменно-порошковой наплавки, выбора оптимальных режимов диктует
необходимость построения физико-математической модели с последующим
использованием ее в компьютерном проектировании и управления процессом
нанесения покрытий. Благодаря возможности регулирования в широком диапазоне
соотношения между тепловой мощностью дуги и подачей присадочного порошка,
плазменная порошковая наплавка обеспечивает достаточно высокую
производительность при минимальном проплавлении основного металла, что
позволяет обеспечивать требуемую твердость и заданный химический состав
наплавленного металла уже на расстоянии 0,3-0,5 мм от поверхности сплавления.
Это дает возможность ограничиться однослойной наплавкой там, где электродуговым
способом необходимо наплавить 3-4 слоя.
Основными преимуществами этого метода являются:
· гибкость регулирования тепловложения как в основной металл,
так и в наплавляемый материал;
· минимальная зона термического влияния; высокая плотность и
прочность наплавленного металла;
· снижение деформаций изделий; высокая производительность;
· удобство нанесения покрытий
4. Способ защиты - лазерное легирование
Для осуществления процесса лазерного легирования необходимо, чтобы
температура металла на поверхности достигала значений, немного превышающих
температуру его плавления. В процессе плавления материала основы происходит
интенсивное перемешивание его с легирующими элементами, размещенными на
обрабатываемой поверхности. Глубина легирования определяется мощностью луча
лазера, его диаметром и скоростью сканирования. Глубина легирования в
зависимости от режимов обработки насыщенного и легирующего материалов может
достигать, например при насыщении углеродистой стали кобальтом, 1, 2 мм.
Лазерное легирование позволяет значительно повысить износостойкость,
коррозионную стойкость и противоударную прочность клапанов. Большое
распространение в двигателестроении получила наплавка. Для наплавки фасок
клапанов применяются различные методы и материалы на кобальтовой и никелевой
основе, например стеллиты (4.5 % W, 30 % Сг, 60 % Со, остальное С, Fe, и Si).
Толщина наплавленных твердых сложных сплавов типа стеллитов, например
вольфрамохромокобальтового сплава ВЗК или нихрома Х20Н80, составляет 1-1,5 мм-
Сплав наносится на поверхность нагретой заготовки. Стеллитовые покрытия
превышают твердость поверхности в большей степени, чем закалка или
азотирование. Сплавы ВЗК и Х20Н80 обладают хорошей жаростойкостью до 1000-1100°
С. Твердость ВЗК около HRC 70. Нихром имеет меньшую твердость, но благодаря
большой пластичности лучше прирабатывается к седлу; плотное прилегание
обеспечивается даже при короблении седел.
5. Способ защиты - наплавка токами высокой частоты
В отечественном двигателестроении применяют также наплавку с использованием
токов высокой частоты. Сущность процесса наплавки токами высокой частоты
заключается в следующем: на заготовку клапана, в выточку, укладывается кольцо
из жаропрочного сплава, зона наплавки защищается от окисления порошковым флюсом
или газовой защитой (аргон, азот).
Для кристаллизации расплавленного сплава на торец клапана снизу подается
вода, в результате происходит «намораживание», т. е. направленная
кристаллизация сплава. Равномерность нагрева обеспечивается вращением клапана.
Для наплавки клапанов ТВЧ разработаны специальные самофлюсующиеся сплавы на
никель-хром-бористой основе, такие как НХ16С2Р2 (ЭП616), НХ26С2Р2 (ЭП616А),
НХ24С2Р2Б (ЭП616Б), и НХ10С2Р2 (ЭП616В), которые в четыре раза дешевле
кобальтовых стеллитов, имеют высокую стойкость против коррозии и достаточную
горячую твердость. На рабочей наплавленной поверхности клапана не должно быть
трещин, раковин и неметаллических включений. На клапанах с диаметром тарелки
более 70 мм допускаются отдельные участки междендритной усадочной пористости,
количество и размеры которых установлены технической документацией на
конкретные клапаны. Участки пористости не должны выходить на края притираемой
поверхности. Отсутствие трещин, закатов, раскованных и раскатанных пузырьков
проверяют методами магнитной дефектоскопии, а для немагнитных материалов -
капиллярным методом. Зарубежные фирмы на промежуточную наплавку, в основном
выполненную из сплава на кобальтовой основе (стеллит-6 твердостью HRC 39-49 и
др.), наплавляют еще слой твердого коррозионно-стойкого сплава на никелевой
основе (70 % Ni и более) с высокой твердостью (HRC 48-62). Для увеличения
стойкости клапанов торец стержня клапана также наплавляют износостойким
материалом, а поверхности стержня подвергают азотированию или хромированию.
Сравнительная характеристика методов восстановления клапанов.
В таблице 1 представлены характеристики основных методов, используемых
для упрочнения и ремонта клапанов двигателей внутреннего сгорания.
Таблица 1
Название метода
|
Растворимость основного металла
|
Сцепление с основой
|
Степень автоматизации
|
|
Наплавка ТВЧ
|
20 - 30%
|
отличное
|
полуавтомат
|
Лазерное легирование
|
5 - 10%
|
отличное
|
полуавтомат
|
Плазменная наплавка
|
2 - 5%
|
отличное
|
полная
Похожие работы на - Защита выпускного клапана двигателя внутреннего сгорания
|