Из какой стали делают клапана двигателей

Клапаны имеют грибовидную форму. Обычно их штампуют, в результате чего волокна располагаются соответственно конфигурации клапана. По условиям работы на двигателе клапаны разделяют на выпускные и впускные.

Условия работы головки и стержня выпускного клапана различны. Головка клапана в процессе работы сильно нагревается (до 600° С и выше), стержень изнашивается, а конец стержня изнашивается и сминается. Поэтому материал выпускного клапана должен сохранять свои механические свойства при высоких температурах (обладать жаропрочностью), не подвергаться местной закалке при остывании, не давать остаточных деформаций,

не подвергаться коррозии при высоких температурах, обладать высоким сопротивлением износу и смятию. Указанным требованиям удовлетворяют окалиностойкие и жаропрочные стали 40Х9С2 и 40Х10С2М, из которых в основном и изготовляют выпускные клапаны.

950° С.

, Нагрев конца стержня клапана для закалки проводится с помощью т. в. ч. или в установке для концевого нагрева в электролите.

. В связи с тем, что условия работы головки и стержня клапана различны, а стержень в процессе работы не нагревается, для экономии жаропрочной стали клапаны иногда изготовляют сварными: головка из жаропрочной стали, а стержень из менее легированной стали (обычно из стали, применяемой для впускных клапанов).

Впускные клапаны изготовляют в основном из сталей 40Х и 40ХН Клапаны из стали 40Х закаливают в масле от 850— 870° С и отпускают при 600—630° С (HRC 30—36). Затем закаливают конец стержня клапана от 820° С с охлаждением в масле (НRC 40—45).

Термическую обработку впускных клапанов можно проводить с использованием тепла после штамповки. При таком способе осуществляют: 1) непосредственную закалку в масле после штамповки с предварительным подстуживанием до 800—850° С или без подстуживания и отпуск при 600—630° С; 2) изотермическую закалку по режиму: штамповка поковок, перенос их в изотермическую среду (щелочь или селитру) с температурой 390—500° С, выдержка 15 мин, охлаждение в воде, промывка в растворе хромпика и окончательная промывка в проточной воде. Наиболее целесообразным является первый вариант как более простой.

Тарельчатый клапан — деталь большинства поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС), является частью газораспределительного механизма, непосредственно управляющей потоками рабочего тела, поступающего и выходящего из цилиндра. Используются также в крупных компрессорах, паровых машинах.

Содержание

Устройство тарельчатого клапана [ править | править код ]

Тарельчатый клапан состоит из собственно круглой тарелки и стержня меньшего диаметра. Из соображений прочности и аэродинамики переход между тарелкой и стержнем выполняется большим радиусом (рис.1). Некоторое время были популярны тарелки зонтичной (тюльпанообразной) формы, уменьшавшие вес впускного клапана до веса выпускного (диаметр впускных клапанов выбирают больше, так как сопротивление впускного тракта сильнее снижает мощность двигателя, чем сопротивление выпуска) при одновременном снижении гидравлического сопротивления. Однако при этом растёт площадь камеры сгорания, что увеличивает выбросы углеводородов.

Клапан совершает перемещения по оси стержня, при этом тарелка открывает путь газам, а при посадке на седло — плотно запирает его. Некоторый зазор между стержнем и втулкой клапана необходим, чтобы избежать заедания при нагреве клапана, и чтобы тарелка могла самоустановиться на седло. Для поддержания самоустановки, а следовательно, плотности запирания, тарелка имеет фаску под углом 45 или 30 градусов к её плоскости.

Компоновка клапанов в двигателе [ править | править код ]

Количество клапанов в двигателе зависит от принятой схемы газораспределительного механизма [2] . Типовое значение 2 или 4 клапана на цилиндр, но встречаются схемы с 5 клапанами (из них 3 впускные), или даже 1 большим выпускным клапаном (прямоточная продувка 2-тактного дизеля). Клапанные пружины, поддерживающие кинематику ГРМ, всегда спиральные с плоскими шлифованными торцами. На один клапан приходится обычно 1 (реже 2) пружины, и 2 сухаря. Размеры и форма сухарей индивидуальны, обычно каждый двигатель имеет оригинальные сухари клапанов.

Клапаны могут размещаться по нижнеклапанной или верхнеклапанной схеме, располагаться под углом друг к другу или параллельно. Целью работы конструктора при их размещении является надёжный газообмен с небольшим аэродинамическим сопротивлением, необходимое размещение коллекторов в подкапотном пространстве, компактность камеры сгорания, соблюдение норм выхлопа и др.

Применяемые материалы и технологии [ править | править код ]

Впускные клапана двигателей обычно изготовляют высадкой из сильхромовой стали типа 40Х9С2, 40Х10С2М. Эти стали обладают довольно высокой жаростойкостью, и поскольку температура отходящих газов у дизелей меньше (по причине высокой степени сжатия), чем у искровых моторов, используются и для изготовления выпускных клапанов дизелей.

Выпускные клапана старых искровых моторов также делали сильхромовыми, недостаточную жаростойкость компенсировали удобством притирки (ГАЗ-51), напайкой кромки тарелок стеллитом; наполнение клапанов натрием для теплоотдачи от тарелки применялось ранее (ГАЗ-66/ГАЗ-53, ЗИЛ-130), и применяется сейчас [3] [4] [5] [6] .

Позднее перешли на сварные клапаны: стержень из сталей типа 40ХН, 38ХС, тарелка из сталей типа 40Х14Н14В2М, 45Х22Н4М3. На дизелях такие стали не применяют: дизельное топливо содержит серу, а сернистые газы быстро разрушают никельсодержащие стали. Применяется и напайка кромок твёрдыми материалами: стеллитом, нихромом [7] .

Неисправности клапанов [ править | править код ]

Основными неисправностями тарельчатых клапанов являются [8] :

• неплотность;
• прогорание тарелки;
• износ стержня, зазор по направляющей клапана;
• изгиб клапанов после соударения с поршнем.

Неплотность клапанов может быть с момента изготовления, развиться в течение работы, либо быть следствием некачественного ремонта или неверной регулировки клапанов. Впускной клапан может длительное время пропускать газ без прогорания, но искровой двигатель при этом обычно потряхивает: во впускной тракт забрасывает отработавшие газы, и воспламенение такой разбавленной смеси становится ненадёжным. Дизель, соответственно, дымит [9] . Ещё одной причиной может быть загиб клапанов [10] , двигатель при этом трясётся очень сильно, а заводится плохо.

В случае умеренной неплотности клапанов, они ещё могут быть притёрты, но чаще всего их меняют комплектом. Причина в том, что к этому времени обычно происходит износ стержня клапана с увеличением расхода масла, а при долгой притирке старого клапана выступание его торца над плоскостью головки увеличивается — гидрокомпенсатор может выйти из рабочей зоны. Если выступание превышает допустимое уже с новым клапаном, то по инструкции нужно менять головку блока, на практике — торец клапана шлифуют для уменьшения высоты.

Прогорание тарелки выпускного клапана всегда является следствием сильного перегрева при отсутствии клапанного зазора и большом прорыве газов. Тарелка впускного клапана прогореть не может, так как задолго до этого при прорыве газов на впуск цилиндр работать перестанет, и температура газов снизится. Однако у дизелей при этом могут возникать другие проблемы.

Износ стержня и/или втулки клапана приводит к нарушению работы сальников клапанов, а значит — высокому расходу масла. Поэтому при ремонте головки блока цилиндров может возникать необходимость в замене клапанов и/или направляющих. После смены направляющих требуется обычно обработать седло шарошками на оправке, базирующейся по новой направляющей, после чего притереть клапан. Обычно разом меняют все направляющие, либо только впускные (зазор во втулках впускных клапанов решающий для расхода масла, ввиду меньшего давления во впускной трубе).

Клапанная сталь

Клапанная сталь ) — выпускные клапаны автомобильных, тракторных и дизельных двигателей, из сталей мартенситоферрит-ного класса марок 15Х6СЮ и i2X13 — детали котельных установок, турбин. [2]

Хромоникелевая аустенитная клапанная сталь обладает более высокой прочностью при температурах 600 — 900 С, более высокой пластичностью и не закаливается на воздухе. Недостатком ее является низкая твердость ( 160 — 200 Нв), которая не может быть повышена термообработкой, а также свойственная аустенитной стали недостаточно хорошая обрабатываемость резанием. [3]

Легирование клапанных сталей одновременно хромом и кремнием предусматривает главным образом повышение окалинсстойкости. Совместное влияние хрома и кремния на повышение сопротивления окислению при высоких температурах иллюстрируется диаграммами на фиг. Следует иметь также в виду, что если при 6 — 8 % Сг содержание кремния будет выше 3 5 %, то сталь становится ферритной и не поддается упрочнению методами термической обработки. [4]

Применяемые марки клапанной стали по химическому составу могут быть объединены в следующие группы. [5]

Однако сварке поддаются только некоторые клапанные стали . Наиболее жаропрочные стали мартенситно-аустенитного класса не свариваются. К тому же сварные клапаны менее прочны, чем клапаны, полученные методом экструзии. [7]

Хромокремнистые ( сильхромы) и клапанные стали типа 4Х9С2, 4Х10С2М, ЗХ13Н7С2, 4Х14Н14В2М и 4Х14Н14СВ2М применяются как жаростойкий материал в клапанах авиа — и автодвигателей, в рекуператорах, теплообменниках, колосниковых решетках. Эти стали имеют высокую прочность и твердость при рабочих температурах, хорошо сопротивляются действию тепло-смен и усталости. Обладают высоким сопротивлением газовой коррозии в атмосфере воздуха и в конденсате продуктов сгорания бензина. [8]

В табл. 12 представлены отдельные марки клапанной стали . [9]

Сталь марок Х14Н14В и Х14Н14ВС считается лучшей клапанной сталью и находит широкое применение как материал для выпускных клапанов наиболее мощных авиационных моторов. [10]

Коэффициент термического расширения последнего сплава близок к соответствующему показателю клапанной стали 55Х20Г9АН4, а горячая твердость имеет высокое значение. [11]

Как видно, сталь обладает более высокими механическими свойствами, длительной прочностью и окалиностойкостью, чем клапанные стали других марок . [12]

Сталь первых пяти групп относится к карбидному классу и закаливается на воздухе, что связано с высокой твердостью ( до 500 Нв) и хрупкостью, являющейся существенным недостатком клапанной стали . [13]

Сталь для клапанов двигателей внутреннего сгорания должна удовлетворять следующим требованиям: а) хорошо сопротивляться действию повторных динамических нагрузок при высоких температурах ( до 900 С в мощных авиамоторах); б) иметь достаточно высокую поверхностную твердость; в) противостоять разъедающему действию продуктов сгорания; г) обладать достаточной теплопроводностью и ограниченным коэфициентом термического расширения. Кроме того, клапанная сталь во избежание хрупкости не должна закаливаться на воздухе при охлаждении клапана с его рабочих температур. Всем перечисленным требованиям в полной мере ни одна из известных марок стали ( при крайнем разнообразии их) не удовлетворяет. [14]

Углерод необходим потому, что он повышает устойчивость аустенита. Кремний применяется в клапанных сталях по двум причинам: во-первых, он, особенно в присутствии хрома, вызывает большую сопротивляемость окислению; во-вторых, при содержании его до 5 % повышается критическая точка Ас примерно на 50 на каждый процент содержания кремния. Хром также повышает точку Ас, примерно на 10 на каждый процент содержания его в материале. [15]

«>