Тарасенко_Материалы для поршневых двигателей (831918), страница 11
Текст из файла (страница 11)
. .18 % Cr, 9. . .15 % Ni и до0,5 % С стали имеют аустенитную структуру. Более высокое содержание хрома по сравнению с сильхромами делает стали жаростойкими при температуре до 1100 ◦ С. Влияние хрома, молибдена,вольфрама на свойства аустенита и карбидов аналогично влиянию,которое они оказывают в сильхромах.Т е р м о о б р а б о т к а, ф а з о в ы й с о с т а в, м ех а н и з м ы у п р о ч н е н и я. Термообработка состоит взакалке на воздухе от температуры 1000. . .1050 ◦ С и отпуска притемпературе 700. . .800 ◦ С. Карбиды, выделяющиеся при отпуске(Cr23 C6 и VC), вызывают дисперсионное упрочнение, а легирующие элементы, растворенные в аустените, — твердорастворноеупрочнение.С в о й с т в а.
На рис. 3.3 показано изменение кратковременнойпрочности σtв для двух аустенитных сталей: 14Х14Н14В2М (ЭИ69)65и 42Х15Н8МСФ (ЭИ388). Аустенитная сталь 42Х15Н8МСФ является более жаропрочной, чем сталь 14Х14Н14В2М. Причины состоят в следующем:• вследствие большего содержания углерода в стали при отпуске образуется большее количество карбидов;• вследствие присутствия 2 % ванадия в стали образуется вторая карбидная фаза, VC, частицы которой более дисперсны, чемчастицы карбида Cr23 C6 , и поэтому более сильно упрочняют сталь;• частицы карбида ванадия более термостабильны, чем частицы карбида хрома.М а р к и а у с т е н и т н ы х с т а л е й для клапанов весьма многочисленны. Это хромоникелевые и хромоникельмарганцевые композиции, легированные тугоплавкими элементами, а иногда (дополнительно) кремнием и алюминием.
В Японии, например, одной из последних разработок является сталь10Х20Н10Г12МВБ, в которой комплексное легирование тремя тугоплавкими элементами (Mo, W, Nb) позволило повысить рабочуютемпературу до 900 ◦ С.Стали марoк Х6С2М, 40Х9С2 применяются для изготовления клапанов легковых машин и тракторов небольшой и средней мощности; стали марок 40Х10С2М, 30Х13Н7С2 — для клапанов двигателей средней и повышенной мощности, сталь марки45Х14Р14В2М (ЭИ69) — для клапанов форсированных двигателей.Н е д о с т а т к и.
Аустенитные стали имеют целый ряднедостатков:• дефицитность никеля;• низкую теплопроводность, высокий ТКЛР;• низкую твердость;• недостаточное сопротивление газовой коррозии в среде с атомами серы;• неудовлетворительную обрабатываемость резанием.Физические недостатки устранить невозможно, их только учитывают при разработке конструкций клапанов.Для создания более экономичных сталей повышают концентрацию углерода и азота (насколько это возможно без потери пластичности), а также заменяют часть никеля таким аустенитообразующим элементом, как марганец.66Для устранения других недостатков применяют различные конструктивные и технологические способы: повышения жаростойкости достигают применением специальных защитных покрытий,повышения твердости — химико-термической обработкой (азотирование, цементация). Обычно азотируют штоки клапанов, а торецстержня, тарелку и фаску наплавляют твердым сплавом.
В особонапряженных в тепловом отношении двигателях для лучшего отвода теплоты от клапанов внутреннюю полость головки и стержнязаполняют на одну треть специальным плавящимся составом.В конструкциях клапанов находят применение и специальныечугуны. Из чугунов марок ЧН15Д7 и ЧНХТ, являющихся жаропрочными и жаростойкими, изготовляют седла и направляющиевтулки клапанов дизелей.3.5. Композиционные материалы, керамикаи металлокерамикаДля изготовления клапанов, тарелок клапанных пружин, толкателей поршневых ДВС в настоящее время применяют КМ, представляющий собой порошковый силумин, армированный частицами оксидов (Al2 O3 , ZrO2 , SiO2 ) (Crysler), а также порошковыйалюминий с коррозионно-стойкой сталью (Ford, General Motors).Для выпускных клапанов успешно применяют керамику в виденитрида кремния Si3 N4 (Daimler Benz), а также металлокерамику (Mercedes Benz), что понижает массу детали по сравнению состальной примерно на 60 %. Кроме снижения массы подвижныхдеталей повышаются жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, увеличивается стабильность размеров, уменьшаются потерина трение.
Все это позволяет уменьшить расход топлива и улучшить экологические характеристики двигателя.4. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВКоленчатые валы работают в сложнонапряженных условиях иотносятся к тяжело нагруженным деталям. Они воспринимают периодические нагрузки от давления газов, инерции поступательнои вращательно движущихся масс. Эти нагрузки вызывают крутильные, изгибные и осевые колебания; усталостные разрушенияв местах сопряжения щек с шейками, а также износ шатунных икоренных шеек вала. В соответствии с условиями работы к материалам валов предъявляют следующие требования:• достаточная статическая прочность и жесткость;• высокая усталостная прочность;• износостойкость (шеек валов, на которых находятся подшипники).Материалами коленчатых валов являются в основном легированные стали, а также высокопрочные чугуны.4.1.
СталиВысокая статическая и усталостная прочность сталей достигается в результате закалки и отпуска. При закалке, как известно,образуется такая высокотвердая фаза, как мартенсит (продукт бездиффузионного, сдвигового превращения аустенита, пересыщенный раствор углерода). При последующем высоком отпуске происходит распад мартенсита с образованием ферритоцементитнойсмеси — сорбита.Для образования мартенсита в сталях должно выполнятьсяопределенное технологическое требование — прокаливаемость.68Прокаливаемость — способность стали закаливаться с образованием мартенсита в структуре на определенную глубину.
Минимальную скорость охлаждения при закалке, при которой из аустенитаполучается мартенсит, называют критической скоростью закалки.Прокаливаемость характеризуется критическим диаметром dкр —размером детали, в котором после закалки структура на 95 %состоит из мартенсита. Чем меньше критическая скорость закалки, тем на бо́льшую глубину может прокалиться деталь, т. е.
приболее медленном охлаждении фазовое превращение «аустенит —мартенсит» «успевает» за темпом распространения температурыпо сечению детали.Углеродистые стали имеют низкую прокаливаемость; их критический диаметр не превышает 25. . .30 мм. Если в деталях болеекрупных размеров мартенсит не образуется по всему сечению, тотакая неоднородная по сечению структура не обеспечивает необходимых свойств деталей. Когда деталь работает на растяжение(ответственные валы, шатуны), ей необходима полная прокаливаемость. Когда деталь работает только на изгиб или кручение инапряжения сосредоточиваются в поверхностных слоях, сквознаяпрокаливаемость не обязательна.Стали, применяемые для изготовления коленчатых валов, имеют повышенную прокаливаемость, т.
е. увеличенный критическийдиаметр. Такое свойство сталей достигается легированием. Практически все легирующие элементы низко- и среднелегированныхсталей увеличивают критический диаметр. Эти стали применяютпосле специальной термообработки (улучшения): закалки и высокого отпуска, поэтому они называются улучшаемыми.Улучшаемые стали содержат один или несколько элементов(хром, молибден, титан, марганец, вольфрам), суммарное содержание которых не превышает 5 %. Улучшаемые стали маркируют цифрами, обозначающими содержание углерода (%×100), содержание легирующих элементов (%), и буквами, обозначающимиметаллический элемент: хром (Х), марганец (Г), никель (Н), молибден (М), алюминий (Ю), титан (Т). После закалки и высокогоотпуска стали имеют не только повышенную прокаливаемость, нои хорошее сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости.Влияние легирования на прокаливаемость и временное сопротив69Рис. 4.1.
Изменение критического диаметра (1), мм, и временного сопротивления разрыву (2), МПа, в зависимости от химического составаулучшаемых сталейление разрыву сталей различного химического состава представлено на рис. 4.1. С повышением в сталях содержания хрома и спереходом к комплексному легированию увеличиваются и критический диаметр, и прочность сталей. Сложнолегированные стали,такие, как 36Х2Н2МФА и 38ХМЮА, применяют в условиях больших динамических нагрузок.В табл. 4.1 приведены марки отечественных и зарубежныхулучшаемых сталей и их применение в поршневых двигателях.Из улучшаемых сталей изготовляют также другие ответственныедетали с концентраторами напряжений, работающие в условияхциклического и ударного нагружения, — штоки, шатуны и др.Таблица 4.1Улучшаемые стали для валов ДВС (ГОСТ 4543) и их зарубежныеаналогиМаркаАналогиСШАГерманияЯпония514041Cr4SCr440–––30ХНМА4130H–SNCM43230ХЗМФА–30CrMoV9–40Х2Н2МА–––38ХМЮА–41CrAlMo7–40Х40ХФА70ПрименениеТихоходные,стационарные ДВСБыстроходные ДВСДВС повышенноймощностиКоленчатые валы изготовляют ковкой и штамповкой.
C помощью горячей штамповки добиваются благоприятного расположения волокон металла в соответствии с конфигурацией вала.Для обеспечения износостойкости шеек вала под подшипниками применяют один их двух вариантов обработки.1. Упрочнение шеек валов закалкой при индукционном нагреве, применяемое для среднеуглеродистых сталей. Индукционнаязакалка представляет собой вид поверхностной закалки, заключающейся в нагреве токами высокой частоты с последующим водянымохлаждением из специального душевого устройства (спрейера).
Закаленный слой толщиной 3. . .5 мм имеет структуру мелкокристаллического мартенсита с твердостью 52. . .56 HRC. После закалкишейки валов подвергают низкому отпуску или самоотпуску.2. Упрочнение азотированием шеек валов используют дляупрочнения крупных валов ответственного назначения, изготовляемых из высококачественных легированных сталей, например,марок 18Х2Н4ВА, 38ХН3ВА, 38ХН3МА. По сравнению с поверхностной закалкой азотирование обеспечивает более высокиепоказатели циклической прочности и износостойкости, однако этоочень длительный (50.
. .60 ч) и, следовательно, малопроизводительный процесс. Перед азотированием проводят улучшение имеханическую обработку. После азотирования применяют окончательное шлифование (доводку).Для повышения циклической прочности валов их галтели обрабатывают поверхностным пластическим деформированием: обкатывают роликами или выполняют дробеструйную обработку, чтосоздает в поверхностных слоях напряжения сжатия.4.2. Высокопрочные чугуныКоленчатые валы могут быть изготовлены также из высокопрочных чугунов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
