Тарасенко_Материалы для поршневых двигателей (831918), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Глубина легирования в зависимости отрежимов обработки составляет 1,0. . .1,5 мм. Лазерное легированиепозволяет значительно повысить износостойкость, коррозионнуюстойкость и противоударную прочность клапанов.Условия работы наплавок включают механическое, температурное воздействие и воздействие среды: изнашивание, повышеннаятемпература, агрессивная газовая среда. В связи с этим к функциональным наплавкам для клапанов, головок поршней и цилиндровДВС предъявляют требования жаростойкости, коррозионной стойкости, износостойкости.Материалы наплавок — это стали, чугуны, специальные сплавыи керамика.Жаростойкие хромоникелевые стали аустенитного класса (марок ЭП69, ЭП107, Х18Н25 и др.) и специальные чугуны, легированные хромом и никелем марок ЧХ1, ЧН15Д7, являются технологичным и сравнительно недорогим материалом для наплавок,85близким по химическому составу к основному материалу (стали —в клапанах, чугуны — в поршнях).Жаростойкими и высокотвердыми сплавами для наплавки фасок клапанов являются стеллиты.
Это материалы на кобальтовойоснове (до 60 % Со), содержащие углерод, хром и вольфрам. Сплавы жаростойки до температуры 1000. . .1100 ◦ C). Толщина наплавленных слоев стеллитов составляет 1,0. . .1,5 мм.Стеллитовые покрытия повышают твердость поверхности вбольшей степени, чем закалка или азотирование.Более дешевыми, чем стеллиты, являются специальные сплавына никель-хром-бористой основе, которые содержат также кремний.
Сплавы марок НХ16С2Р2 (ЭП616), НХ26С2Р2 (ЭП616А),НХ24С2Р2Б и другие имеют высокую коррозионную стойкостьи жаропрочность.Для увеличения работоспособности клапанов головку наплавляют жаростойким материалом, а торец стержня клапана — износостойким материалом; поверхности стержня подвергают азотированию или хромированию.К особо эффективным материалам для наплавок, сочетающимжаростойкость, износостойкость и высокую твердость, относятсякерамики — кислородсодержащий оксид циркония ZrO2 и бескислородная керамика в виде тетраборокарбида бора В4 С и нитридакремния Si3 Ni4 , которые наносят на детали с помощью плазменного напыления.Один из наиболее современных материалов для наплавок —разработанный в Японии сплав на основе интерметаллического соединения Ti3 Al, который является универсальным и сочетает всенеобходимые для наплавок свойства: высокую твердость, износостойкость при повышенной температуре и жаростойкость.6.2.
Материалы для выпускных коллекторовДетали выпускного коллектора работают в условиях газовойкоррозии при высокой температуре, но без значительных динамических нагрузок. Главное требование к материалу состоит в высокой жаростойкости. Для этой цели широко используют специальные чугуны, легированные хромом, никелем, медью марок ЧХ1,ЧН15Д7, ЧНХМД (см. подразд. 2.3.4). Общая тенденция обеднения86топливовоздушной смеси и повышения мощностных показателейавтомобильных ДВС привела к усилению температурно-силовыхнагрузок на выпускные коллекторы, увеличению коррозионной активности отработавших газов. Именно поэтому для деталей выпускного коллектора используют высокохромистые термостойкиестали ферритного и аустенитного классов (табл. 6.1).Жаростойкие стали (ГОСТ 5632)СтруктурныйклассФерритныйАустенитныйТаблица 6.1МаркаПредельнаярабочаятемпература,◦СЗарубежныеаналоги08Х13800–12Х17850–08Х17Т950430LX (Япония)05Х25Т1150–1Х13Ю41200–08Х18Н8Т800321 (США)X5CrNiTi189SUS 32102Х13Н18105012Х17Н3С2Т(Япония)03Х22Н23ГБ110008Х22Н23ГБ(США)С и с т е м а л е г и р о в а н и я.
Стали ферритного классаотносятся к системе Fe — C — Cr — (Ti — Al) и содержат 13. . .30 %Cr, до 0,12 % C и 0,10. . .0,25 % Ti или Ni. Стали аустенитногокласса относятся к системе Fe — C — Cr — Ni — Ti — Si и содержат13. . .25 % Cr, 8. . .25 % Ni и до 2 % Si.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. Баланс элементов хрома и никеля обеспечивает требуемый структурный класс —ферритный или аустенитный. Хром, алюминий, кремний — элементы, соединения которых с кислородом создают на поверхностизащитные пленки, препятствующие окислению.
Титан (иногда —87ниобий) улучшает свойства жаростойких сталей, препятствуя развитию одного из видов местной коррозии.Положительное влияние титана и ниобия проявляется в некоторой степени косвенным образом. В отсутствие титана или ниобияпри различных тепловых воздействиях в сталях образуются карбиды хрома, частицы которых располагаются по границам зерен.Вследствие образования этих карбидов часть хрома «уходит» изтвердого раствора (феррита или аустенита), что снижает коррозионную стойкость именно в местах залегания карбидов хрома.Коррозия по границам зерен сталей ферритного и аустенитногоклассов называется межкристаллитной коррозией (МКК) (рис. 6.1).Рис.
6.1. Схема развития межкристаллитной коррозии в хромоникелевыхсталях без титана и ниобияВведение в стали более сильных карбидообразователей, чемхром, приводит к тому, что углерод уже на стадии выплавки илипри высокотемпературных нагревах (под горячую деформацию илизакалку) связывается в карбиды титана TiC или ниобия NbC. Темсамым ограничивается или совсем исключается образование карбидов хрома, а следовательно, и обеднение твердого раствора хромом. А это помогает сохранить коррозионную стойкость во всемобъеме стали — избежать МКК.88Т е р м о о б р а б о т к а. Жаростойкие стали имеют ферритнуюи аустенитную структуру во всем интервале температур, поэтомупри нагреве и охлаждении не происходит фазовых превращений.Закалку осуществляют в воде или на воздухе.Ф а з о в ы й с о с т а в и м е х а н и з м у п р о ч н е н и я.Стали являются практически однофазными: феррит или аустенитс незначительным количеством карбидов.
Механизм упрочнениясталей твердорастворный.С в о й с т в а. Стали ферритного класса жаростойки дотемпературы 1200 ◦ С в атмосфере воздуха и сернистых газов, ноони плохо противостоят воздействию газовой среды, содержащей оксид углерода, пары водорода и хлор-ионные соединения.В табл. 6.1 приведены марки сталей и предельные значения рабочей температуры.
Жаростойкость повышается с увеличением содержания хрома. Кроме того, на примере сталей 12Х17 и 08Х17Тможно проследить, как, не изменяя содержания хрома в стали, повысить рабочую температуру на 100 ◦ С только за счет уменьшенияконцентрации углерода и легирования титаном, который, образуякарбид ТiС, предотвращает выделение хромистых карбидов, темсамым сохраняя весь хром в феррите. Весьма существенно влияетна предельную рабочую температуру введение алюминия (сталь1Х13Ю4). Стали ферритного класса имеют невысокую прочность(σв = 500 МПа); они малотехнологичны: ферритная структура неудовлетворительно деформируется как в холодном, так и в горячемсостояниях.
Из этих сталей изготовляют детали несложной формы.Стали аустенитного класса с ГЦК-структурой более технологичны при деформации, но дороже, чем стали ферритного класса.Они используются, в частности, для изготовления гибких труб выпускных систем, поскольку наряду с жаростойкостью обладают инекоторой жаропрочностью. Для работы при сравнительно невысокой температуре (до 750 ◦ С) разработаны стали, в которых дляпонижения их стоимости часть никеля заменена марганцем (сталь10Х14Г14Т).Недостатком сталей обоих классов является присущая сплавамсистемы Fe — Cr склонность к охрупчиванию после длительногонагрева в интервале температур 475.
. .500 ◦ С, что особенно опаснопри наличии ударных нагрузок.89Д р у г и е м а т е р и а л ы. В качестве жаростойкого материала с высокой усталостной прочностью в условиях изменяющихсятемператур для выпускных коллекторов используют высокопрочный чугун марки ВЧС, содержащий 4 % Si. Одним из способовповышения жаростойкости деталей является применение покрытий из керамики.7. ЖАРОПРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙС ТУРБОНАДДУВОМОдним из типов комбинированного ДВС является двигатель стурбонаддувом, который представляет собой комбинацию из поршневой и лопаточной машины (турбина, компрессор).
Турбонаддув — это подача воздуха под давлением в цилиндры двигателяс помощью газовой турбины и центробежного нагнетателя (турбокомпрессора), установленных на общем валу. Система турбонаддува является неотъемлемым компонентом современного экологически чистого двигателя.Деталями турбины, которые работают при повышенной температуре, являются кольцевое сопло (у мощных двигателей) и колесотурбины (лопаточное колесо).Кольцевое сопло обеспечивает максимальный разгон потока выхлопных газов (скорость 50. .
. 70 м/с) и подачу его равномерногои неразрывного потока на рабочие лопатки турбины. Температуравыхлопных газов составляет 350. . .600 ◦ С, но может быть и выше850 ◦ С. В связи с этим основное требование к материалу сопла —это жаростойкость. Для изготовления сопла применяют жаростойкие стали (см.
разд. 4).Колесо турбины неразъемно насаженно на вал. Вращаясь, валпередает вращение на крыльчатку компрессора, действие которогозаключается в засасывании окружающего воздуха, его сжатии иподаче в цилиндры двигателя.Лопатки турбинного колеса работают в условиях воздействияразличных факторов:• механических, статических и циклических нагрузок;• повышенной температуры (до 760 ◦ С);91• циклического изменения температуры;• потока агрессивных выхлопных газов;• атмосферного воздуха различной влажности и загрязненности при неработающем двигателе.В связи с этим к материалу лопаток предъявляют следующиетребования:• жаропрочность — способность материала сопротивлятьсяпластической деформации и разрушению при температурах, выше0,3Тпл ;• многоцикловая выносливость (при числе циклов 106 или107 ) — сопротивление циклическим нагрузкам при комнатной температуре (запуск двигателя) и при повышенной температуре;• жаростойкость — сопротивление газовой коррозии;• коррозионная стойкость — сопротивление атмосферной коррозии (в данном случае);• термостойкость — способность сопротивляться резким изменениям температуры;• высокая ударная вязкость — для сопротивления динамическим нагрузкам при запуске двигателя.Наиболее сложно обеспечить в материалах жаропрочность, потому что во время постоянного длительного воздействия на материал одновременно высоких температур и напряжений в немразвиваются процессы ползучести.Ползучесть — медленно развивающийся во времени процесснепрерывной пластической деформации под действием постоянно приложенных напряжений, меньших предела текучести.
Ползучесть протекает в три стадии: 1) металл деформируется с неравномерной, замедляющейся скоростью; 2) металл деформируетсяс постоянной скоростью (режим установившейся ползучести); 3)металл деформируется с увеличивающейся скоростью, что заканчивается разрушением (рис. 7.1). При эксплуатации деталей из жаропрочных сплавов необходимо обеспечить ресурс, который соответствовал бы второй стадии ползучести. Чем выше температура иуровень рабочих напряжений, тем более короткой по времени является вторая стадия ползучести. Таким образом, прочность сплавапри повышенных температурах не является величиной постоянной, а зависит от времени, характеристики жаропрочности всегдавключают показатель времени:92Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
