Тарасенко_Материалы для поршневых двигателей (831918), страница 10
Текст из файла (страница 10)
После некоторого периодаработы седло может покрыться нагаром, который под влиянием высокой температуры накаляется, что приводит к выжиганию опор58ной поверхности клапана и потере герметичности. Негерметичность клапанов, в свою очередь, приводит к нарушениям в работедвигателя: затрудненному запуску, уменьшению мощности и др.В связи с этим к материалу клапанов предъявляют очень жесткиетребования:• высокая жаростойкость (сопротивление газовой коррозии);• жаропрочность (способность выдерживать нагрузки при повышенной температуре);• термостойкость (способность выдерживать теплосмены);• износостойкость, эрозионная стойкость;• высокая ударная вязкость.В зависимости от мощности и конструкции двигателя для изготовления клапанов применяют стали мартенситного класса (сильхромы), стали аустенитного класса, никелевые сплавы, а такжекерамику и металлокерамику. Применяют также жаростойкие наплавки на головки клапанов.
Возможны также варианты, когдаклапан (например, выпускной) изготовляется составным из сталейдвух марок.Наибольший урон выпускным клапанам наносит газовая коррозия.3.2. Газовая коррозияГазовая коррозия — коррозия металлов и сплавов, вызываемаядействием паров и газов (обычно при высокой температуре). Металлы и сплавы окисляются кислородом, парами воды, оксидамиуглерода и серы. На их поверхности образуются оксидные пленки.Работоспособность сплава зависит от защитных свойств оксидови определяется следующими параметрами:• макросплошностью оксидной пленки, т.
е. соотношениемудельных объемов сплава и оксида (оно должно быть оптимальным);• микросплошностью, т. е. отсутствием вакантных мест в кристаллической решетке оксида, через которые может проникать кислород;• удовлетворительной прочностью и пластичностью оксиднойпленки при рабочей температуре;59• близостью ТКЛР оксида и сплава, что гарантирует отсутствиетрещин при работе клапана в условиях теплосмен.На нелегированном железе при нагреве образуется окалина,состоящая из оксидов FeO, Fe3 O4 и Fe2 O3 .
При температуре выше 575 ◦ С в составе окалины преобладает оксид FeO, который неявляется защитным, и скорость окисления резко возрастает. Дляобеспечения жаростойкости сплавы на основе композиции «железо — сталь» должны быть легированы хромом, алюминием икремнием, элементами, которые имеют большее сродство к кислороду, чем железо, и образуют на поверхности собственные оксидыили шпинели FeCr2 O4 и FeAl2 O4 , обладающие макро- и микросплошностью.
Чем больше содержание хрома в стали, тем вышежаростойкость и, следовательно, больше допустимая рабочая температура. Содержание алюминия и кремния в сталях ограничено,так как эти элементы существенно снижают пластичность.Поскольку стали должны обладать не только жаростойкостью,но и другими требуемыми свойствами, они содержат другие легирующие элементы: никель, марганец, титан, молибден и пр. Повлиянию на матричную структуру сталей легирующие элементыподразделяют на две группы: феррито- и аустенитообразующие.
Кпервым относятся хром, молибден, ванадий, кремний, алюминий,ко вторым — углерод, никель, марганец, кобальт. В зависимостиот баланса между этими двумя группами элементов стали могутиметь аустенитную, ферритную (или смешанную) или мартенситную структуру.Хром как основной элемент, обеспечивающий защиту сталиот воздействия внешней среды, присутствует практически во всехжаростойких сталях. При содержании хрома более 12 % хромистые стали имеют ферритную структуру, так как на бинарной диаграмме «железо — хром» существует широкая область феррита(кристаллические решетки α-железа и хрома имеют одинаковуюОЦК-структуру) (рис.
3.1, а).Основным аустенитообразующим элементом в жаростойкихсталях является никель, на бинарной диаграмме которого с железом существует большая область γ-твердых растворов, посколькукристаллические решетки γ-железа и никеля имеют одинаковуюГЦК-структуру (рис. 3.1, б). В два раза слабее на образование ау60Рис.
3.1. Схемы диаграмм состояния «железо — легирующий элемент»:а — «железо — ферритообразующий элемент (хром)»; б — «железо — аустенитообразующий элемент (никель)»стенита влияет марганец. Существенно расширяют аустенитнуюобласть углерод и азот. Так, если в ферритный сплав с 28 % Crввести 0,6 % С, то сплав приобретет полностью аустенитнуюструктуру.Комплексное влияние легирующих элементов на матричнуюструктуру сложнолегированных хромоникелевых сталей можетбыть оценено по специальным структурным диаграммам, наиболее распространенной из которых является диаграмма Шеффлера(рис.
3.2). Диаграмма построена в координатах «эквивалент хромаЭCr — эквивалент никеля ЭNi ». Эквиваленты представляют собойсумму произведений массовых долей элементов в стали (обозначенное символом элемента) и соответствующих коэффициентов,учитывающих влияние элементов на положение ферритной илиаустенитной области:ЭCr = Cr + 2Si + 1,5Mo + 5V + 5,5Al + 1,75Nb + 1,5Ti + 0,75WЭNi = Ni + 0,5Mn + 30C + 30N + 0,3CuМатричная структура сталей, как известно, определяется тойструктурой, которую приобретают стали после нагрева до температуры 900 ◦ С и охлаждения на воздухе.
В сложнолегированныххромоникелевых сталях она зависит от соотношения величин Э Crи ЭNi (см. рис. 3.2):1) при ЭCr > 16 % и ЭNi < 8 % (высокохромистый вариант)стали имеют ферритную структуру;2) при увеличении ЭNi структура становится смешанной,ферритно-аустенитной;61Рис. 3.2. Диаграмма структурных классов хромоникелевых сталей в зависимости от содержания феррито- и аустенитообразующих элементов(диаграмма Шеффлера)3) при ЭNi > 12 % стали находятся в аустенитной области;эта область при высоких значениях эквивалента хрома ограничена аустенитно-ферритной областью, а при низких его значениях —аустенитно-мартенситной областью.
Стали с ферритной, аустенитной и смешанной структурами не претерпевают фазовых превращений при нагреве;4) при ЭNi < 19 % и ЭCr < 13 % существует большая областьсталей, которые при охлаждении на воздухе имеют мартенситнуюструктуру. К этой области относятся специальные клапанные стали, носящие название сильхромов.3.3. СильхромыВ автомобильных, тракторных и авиационных двигателях клапаны изготовляют из сильхромов — сталей мартенситного класса,легированных кремнием и хромом. Требуемые для клапанных сталей свойства обеспечиваются соответствующим легированием итермообработкой.В л и я н и е л е г и р у ю щ и х э л е м е н т о в. Сильхромыпринадлежат к системе Fe — C — Cr — Si — Mo.
Кремний (2. . .3 %)и хром (6. . .14 %) обеспечивают сопротивление газовой коррозииблагодаря образованию на поверхности защитных оксидных пленок. Повышенное содержание углерода необходимо для увеличе62ния прочности и твердости в результате легирования мартенсита иобразования карбидов хрома. Введение молибдена (и вольфрама)повышает жаропрочность сталей, устраняет отпускную хрупкость.Т е р м о о б р а б о т к а. Особенность фазовых превращений в сильхромах состоит в том, что вследствие высокого содержания хрома и кремния существенно повышаются критическиетемпературы перехода в аустенитное состояние. Температуры Аc1и Аc3 повышены по сравнению с температурой обычных углеродистых сталей на 100.
. .170 о С. Вследствие этого температура закалки сильхромов составляет 1000. . .1150 ◦ С, а температура отпуска —720. . .780 ◦ С. Высокая температура отпуска гарантирует повышенную рабочую температуру, которая обычно на 100. . .150 ◦ С нижетемпературы отпуска. Термообработку «закалка + отпуск» применяют к сильхромам, содержащим более 10 % хрома. Для менее легированных сильхромов применяют высокотемпературный отжиг(табл. 3.1).Образование большого количества карбидов хрома при отпускеи при отжиге обеспечивает как прочность, так и износостойкостьсталей.
Повышенная температура отпуска или отжига способствует противостоянию динамическим нагрузкам.Марки и свойства (ГОСТ 5632–72). К основным маркам сильхромов, которые содержат в различных комбинациях хром, кремний, молибден и никель, относятся 15X6CЮ, 40Х9С2, 40Х10С2М,30Х13Н7С2 (см. табл. 3.1).Таблица 3.1Режимы термообработки и рабочие температурыразличных сильхромовПараметрТемпература отжига (отпуска), ◦ СМарки сильхромов15X6CЮ40Х9С2Отжиг 850.
. .87040Х10С2М 30Х13Н7С2Отпуск740Отпуск660. . .680Температура началаинтенсивного окисления, ◦ С800850900950Предельная рабочаятемпература, ◦ С75080070060063Рис. 3.3. Предел прочности сталей для клапанов в зависимости от температуры испытанияСильхромы обладают жаропрочностью до температуры невыше 700 о С. На рис. 3.3 показано изменение кратковременнойпрочности σtв в зависимости от температуры испытания от 400 до800 о С для различных сильхромов. Понижение σtв ниже 300 МПаво время испытаний при температуре 600.
. .700 о С обусловлено уровнем температуры рекристаллизации сталей на основеОЦК–Fе.Наиболее легированные сильхромы 40Х10С2М и 30Х13Н7С2имеют максимально возможную для материалов этого класса прочность. Но при температуре выше 600. . .700 о С эти стали разупрочняются.При эксплуатации возможно кратковременное повышение температуры, но не выше температуры начала интенсивного окисления. С увеличением в сталях содержания хрома и кремния повышается температура начала интенсивного окисления, что обусловлено влиянием этих элементов на образование плотных защитныхпленок.Кроме жаропрочности и жаростойкости сильхромы обладаютдругими свойствами, необходимыми для работы в качестве клапанного материала:• высокой ударной вязкостью;• повышенной износостойкостью;64• низким ТКЛР, что позволяет сильхромам хорошо сопротивляться теплосменам.Сильхромы являются достаточно надежными и дешевыми материалами для клапанов автомобильных, тракторных и дизельныхдвигателей с воздушным охлаждением, но они неприменимы вфорсированных двигателях.В форсированных двигателях применяют специальные покрытия, наносимые на головки клапанов, или наплавки (см.
разд. 5.7)либо заменяют сильхромы сталями другого класса.3.4. Аустенитные сталиДля выпускных клапанов форсированных двигателей используют специальные хромоникелевые клапанные стали с аустенитнойструктурой, которые по сравнению со сталями на основе ОЦК–Feимеют более высокую температуру рекристаллизации.
Кроме того,в компактной решетке ГЦК медленнее протекают диффузионныепроцессы, поэтому аустенитная матрица может растворить большее количество хрома и других тугоплавких элементов (Mo, W,Nb), что обеспечивает высокую жаропрочность и жаростойкость.С и с т е м а л е г и р о в а н и я. Аустенитные стали дляклапанов принадлежат к системе Fe — C — Cr — Ni — Mo — W —— (Nb — Si). При содержании 14.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
