МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
СУМСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТКафедра ПМ и ТКМКОНТРОЛЬНАЯРАБОТАПо дисциплине: Коррозия и защита материалов
На тему: Защита выпускного клапанадвигателя внутреннего сгорания
Выполнила: Мысливченко А.Н.группа МТ-71
Проверила: Марченко С.В.
Сумы
2009 г.
1. Заданная деталь: выпускной клапандвигателя внутреннего сгорания
o Клапан служат для периодического открытия изакрытия отверстий впускных и выпускных каналов в зависимости от положенияпоршней в цилиндре и от порядка работы двигателя. Клапан состоит из головки истержня.
Двигатель внутреннегосгорания (ДВС) –устройство, преобразующее тепловую энергию, получаемую при сгорании топлива вцилиндрах, в механическую работу./>
Выпускной клапан
/>/>
Рисунок 1 — Общий виддвигателя
Рабочий циклчетырехтактного карбюраторного двигателя.
Четырехтактныйдвигатель внутреннего сгорания работает по следующему принципу;
/>/>
Рисунок 2 — Впуск горючейсмеси
Впуск- поршень перемещается от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Открытовпускное отверстие. Вследствие увеличения объема внутри цилиндра создаетсяразрежение 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 тактасоответственно достигают величин 1,0...1,2 МПа и 350. 450° С. Рабочая смесьсжимается, благодаря чему улучшается испарение и перемешивание паров бензина своздухом.
Рабочийход (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 величины3,5...4,0 МПа, а температура доходит до 2000° С.
/>
Рисунок 3 — Рабочий ходпоршня
Выпуск- поршень движется от н.м.т. кв. м.т. Открыто выпускной клапан. Давление газовснижается до 0,11...0,12 МПа, а температура-до 300...400° С.
/>
Рисунок 4 — Выпуск газовпри помощью опускания выпускного клапана (вид А)
2. Условия работывыпускного клапана
Клапаны двигателявнутреннего сгорания функционируют в экстремальных условиях. Они подверженысовместному действию переменной механической нагрузки, высокой температуры,износа, коррозии и эрозии. Во время работы двигателя температура нагреваголовки клапана может достигать 800˚С, стержень нагружен циклическимирастягивающими усилиями пружины, поверхность стержня подвергается сильномувоздействию факторов трения, торец стержня испытывает интенсивные контактныенагрузки. Клапаны и седла клапанов подвергаются износу в результате ударовголовки клапана о седло, повторяющихся с большой частотой, коррозионномудействию агрессивных отработавших газов при повышенной температуре, а такжеэрозионному действию струи газа и продуктов неполного сгорания топлива. Посленекоторого периода, работы седло покрывается нагаром, который под влияниемвысокой температуры накаляется, что приводит к выжиганию опорной поверхностиклапана и потере герметичности. Не герметичность клапанов, в свою очередь, приводитк нарушениям в работе двигателя, к которым относятся затрудненный запуск, уменьшениемощности и др. При этом через образовавшиеся щели под высоким давлением проходитструя горячих рабочих газов, сильно нагревающих головку клапана. Вследствиетакого нагрева края головки подправляются и клапан разрушается. С течением времениматериал клапана может настолько снизить свою прочность в результате выгорания некоторыхкомпонентов сплава, что возможен даже отрыв головки от стержня клапана. Наинтенсивность износа седел клапанов влияет также состав всасываемой в цилиндрысмеси. Вели смесь слишком бедную, то сгорание происходит при более высокойтемпературе и коррозионное действие отработавших газов оказывается сильнее.Когда смесь слишком богата, сгорание идет медленнее и при более низкойтемпературе. Несгоревшие тяжелые фракции топлива ускоряют осаждение слоянагара, коррозионно-агрессивного к материалу клапана. Поэтому к клапанампредъявляются очень жесткие технические и качественные требования.
Возможные причины выходаиз строя или дефектов при эксплуатации выпускных клапанов.
Характерными дефектамивыпускных клапанов являются их прогорание и зависание, обрыв клапанных тарелок(термическое разрушение донышка). На выпускные клапаны приходится до 12% общегочисла отказов по дизелю. Основная доля отказов (около 60 %) связана сразрушением рабочих поисков клапанов и их седел из-за образования глубокихраковин, требующих проточки и притирки. Наблюдается также изнашивание стержняпо длине и направляющих втулок. ( Следует отметить, что выпускные клапаны иседла изнашиваются гораздо быстрее впускных, так как их коррозия развиваетсяинтенсивнее.)
Наибольший урон выпускнымклапанам наноситгазовая коррозия. Газовая коррозия — коррозияметаллов, вызываемая действием паров и газов обычно при высоких температурах Металлыокисляются кислородом, парами воды, оксидом углерода, оксидом серы по следующихуравнениях;
2Ме + О2 + t→ 2MeO
Me + C О2 + t→ MeO + CO
Me + H2O+ t→ MeO + H2
3 Me +SО2 + t→ 2MeO + MeS
Материалы используемыедля производства выпускных клапанов.
Для клапанов используетсявсегда 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 ивыпуска автомобильных, тракторных двигателей.
5Х20Н4АГ9 (ЭП3О3) Клапанывыпуска автомобильных двигателей. В авиационных поршневых двигателях, как вотечественной, так и зарубежной практике для выпускных клапанов используютхромоникельвольфрамомолибденовую сталь марки 4Х14Н14В2М (ЭИ69).
Прогрессивные технологические решения для увеличения срока службывыпускных клапанов.
3. Способ защиты — плазменно-порошковая наплавка
Из существующих способовплазменно-порошковая наплавка получила наибольшее распространение как наиболееуниверсальный метод. При плазменно-порошковой наплавке присадкой служатгранулированные металлические порошки, которые подаются в плазмотронтранспортирующим газом с помощью специального питателя. Метод порошковойплазменной наплавки (ППН) является наиболее оптимальным по производительности,цене и качеству.
Достоинства методаплазменной наплавки заключаются в следующем:
· высокаяпроизводительность наплавки — выше 25 кг/ч;
· эффективностьметода — около 85 %;
· низкаярастворимость основного металла в наплавленном слое (до 5%);
· высокое качествонаплавленного металла;
· возможностьнаплавки относительно тонких слоев (0,5-5,0 мм).
Важной особенностью ППНявляется отличное формирование наплавленных валиков, стабильность и хорошаявоспроизводимость их размеров. Установлено, что у 95% наплавленных деталейотклонение толщины наплавленного слоя от номинального размера не превышает 0,5мм. Это позволяет существенно сократить расход наплавочных материалов, времянаплавки, а также затраты на механическую обработку наплавленных деталей.
Установление взаимосвязимежду температурой оплавления порошка и временем выдержки при температуреоплавления порошка позволяет регулировать и управлять свойствами покрытия.Оптимальный выбор технологических режимов процесса плазменной наплавкиобеспечивает минимальное перемешивание наплавляемого материала с основнымметаллом, практически, с нулевой глубиной проплавления (что позволяет приоднослойной наплавке обеспечить заданный состав даже тонкого слоя покрытия), атакже минимальную окисляемость наплавляемого материала за счёт специальной инертнойили восстановительной защитной среды.
Плазменная порошковаянаплавка обеспечивает высокую работоспособность деталей за счет отличногокачества наплавленного металла, его однородности, а также благоприятнойструктуры, определяемой специфическими условиями кристаллизации металласварочной ванны.
Производительностьплазменной наплавки с введением порошкообразного материала в столб дугитранспортирующим газом можно повышать либо за счет увеличения тепловой мощностидуги, либо за счет более эффективного нагрева порошка в дуге. Особенностипроцессов плавления присадочного и основного металлов при плазменной наплавкеобусловлены возможностью регулировать в широком диапазоне соотношение междутепловой мощностью дуги, количеством и температурой подаваемого в сварочнуюванну присадочного порошка. Изменяя это соотношение, можно обеспечитьминимальное проплавление основного металла.
В качестве материалавыбираются композиционные порошки на основе железа (в том числе и нержавеющиестали), кобальта, никеля (в том числе и самофлюсующиеся), обладающие свойствамиобеспечивающими коррозионную, ударную, тепловую стойкости и устойчивость кизносу.
Для автоматизациипроцесса применяются роботизированные комплексы, обеспечивающие непрерывностьпроцесса изготовления упрочненных клапанов.
Чрезмерное повышениетемпературы оплавления сплава и времени выдержки при температуре оплавленияприводит к огрублению структуры, снижению механических свойств основы ипокрытия.
Детали при наплавкебыстро нагреваются до высоких температур; изменяются тепловые условияформирования покрытий, увеличиваются глубина проплавления и степеньперемешивания материалов покрытия и основы, наплавочный материал в покрытиитеряет свои исходные свойства. Необходимость управления тепловыми условиямиплазменно-порошковой наплавки, выбора оптимальных режимов диктует необходимостьпостроения физико-математической модели с последующим использованием ее вкомпьютерном проектировании и управления процессом нанесения покрытий. Благодарявозможности регулирования в широком диапазоне соотношения между тепловоймощностью дуги и подачей присадочного порошка, плазменная порошковая наплавка обеспечиваетдостаточно высокую производительность при минимальном проплавлении основногометалла, что позволяет обеспечивать требуемую твердость и заданный химическийсостав наплавленного металла уже на расстоянии 0,3-0,5 мм от поверхностисплавления. Это дает возможность ограничиться однослойной наплавкой там, гдеэлектродуговым способом необходимо наплавить 3-4 слоя.
Основными преимуществамиэтого метода являются:
· гибкостьрегулирования тепловложения как в основной металл, так и в наплавляемыйматериал;
· минимальная зонатермического влияния; высокая плотность и прочность наплавленного металла;
· снижениедеформаций изделий; высокая производительность;
· удобствонанесения покрытий
4. Способ защиты — лазерноелегирование
Для осуществленияпроцесса лазерного легирования необходимо, чтобы температура металла наповерхности достигала значений, немного превышающих температуру его плавления.В процессе плавления материала основы происходит интенсивное перемешивание егос легирующими элементами, размещенными на обрабатываемой поверхности. Глубиналегирования определяется мощностью луча лазера, его диаметром и скоростьюсканирования. Глубина легирования в зависимости от режимов обработкинасыщенного и легирующего материалов может достигать, например при насыщенииуглеродистой стали кобальтом, 1, 2 мм. Лазерное легирование позволяетзначительно повысить износостойкость, коррозионную стойкость и противоударнуюпрочность клапанов. Большое распространение в двигателестроении получиланаплавка. Для наплавки фасок клапанов применяются различные методы и материалына кобальтовой и никелевой основе, например стеллиты (4.5 % W, 30 % Сг, 60 %Со, остальное С, Fe, и Si). Толщина наплавленных твердых сложных сплавов типастеллитов, 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, чемзакалка или азотирование. Сплавы ВЗК и Х20Н80 обладают хорошей жаростойкостьюдо 1000-1100° С. Твердость ВЗК около HRC 70. Нихром имеет меньшую твердость, ноблагодаря большой пластичности лучше прирабатывается к седлу; плотноеприлегание обеспечивается даже при короблении седел.
5. Способ защиты –наплавка токами высокой частоты
В отечественномдвигателестроении применяют также наплавку с использованием токов высокойчастоты. Сущность процесса наплавки токами высокой частоты заключается вследующем: на заготовку клапана, в выточку, укладывается кольцо из жаропрочногосплава, зона наплавки защищается от окисления порошковым флюсом или газовойзащитой (аргон, азот).
Специальный индукторнагревает кольцо токами высокой частоты до расплавления и подогревает заготовкуклапана до температуры, обеспечивающей диффузионное соединение.
Для кристаллизациирасплавленного сплава на торец клапана снизу подается вода, в результатепроисходит «намораживание», т. е. направленная кристаллизация сплава.Равномерность нагрева обеспечивается вращением клапана. Для наплавки клапановТВЧ разработаны специальные самофлюсующиеся сплавы на никель-хром-бористойоснове, такие как НХ16С2Р2 (ЭП616), НХ26С2Р2 (ЭП616А), НХ24С2Р2Б (ЭП616Б), иНХ10С2Р2 (ЭП616В), которые в четыре раза дешевле кобальтовых стеллитов, имеютвысокую стойкость против коррозии и достаточную горячую твердость. На рабочейнаплавленной поверхности клапана не должно быть трещин, раковин инеметаллических включений. На клапанах с диаметром тарелки более 70 ммдопускаются отдельные участки междендритной усадочной пористости, количество иразмеры которых установлены технической документацией на конкретные клапаны.Участки пористости не должны выходить на края притираемой поверхности.Отсутствие трещин, закатов, раскованных и раскатанных пузырьков проверяютметодами магнитной дефектоскопии, а для немагнитных материалов — капиллярнымметодом. Зарубежные фирмы на промежуточную наплавку, в основном выполненную изсплава на кобальтовой основе (стеллит-6 твердостью HRC 39-49 и др.), наплавляютеще слой твердого коррозионно-стойкого сплава на никелевой основе (70 % Ni иболее) с высокой твердостью (HRC 48-62). Для увеличения стойкости клапановторец стержня клапана также наплавляют износостойким материалом, а поверхностистержня подвергают азотированию или хромированию.
Сравнительнаяхарактеристика методов восстановления клапанов.
В таблице 1 представленыхарактеристики основных методов, используемых для упрочнения и ремонта клапановдвигателей 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
Следовательно в ремонтныхработах следует использовать – наплавку ТВЧ, в мелкосерийном производстве иремонте — лазерное легирование, в серийном и крупносерийном-плазменно-порошковую наплавку.