Клапан випускний двигуна внутрішнього згоряння, спосіб його виготовлення та жароміцний сплав для
Власники патенту UA 2339822:
Винахід відноситься до двигунобудування і може бути використане в поршневих авіаційних та автомобільних ДВЗ. Клапан випускний ДВС містить шток з наконечником, головку парасолькової форми з ребрами жорсткості, яких не більше восьми, кожне ребро має скіс до горизонтальної поверхні не більше 20 °. Клапан виготовлений виливкою у вакуумі по моделях, що виплавляються в нагріті керамічні форми з подальшою термообробкою в середовищі захисного газу при температурі 1200°С +20°С протягом не менше 4,5 годин, після чого здійснюють механічну обробку з подальшим нанесенням покриття. Наведено склад сплаву, який використовується для виготовлення клапана. Випускний клапан такої конструкції, виготовлений даним способом і з пропонованого сплаву, високотехнологічний, має незначну трудомісткість, надійний у роботі, має велику стійкість до зносу, має тривалий термін служби та оптимальну масу. 3 н.п. ф-ли, 3 іл.
Винахід відноситься до машинобудування, а саме до двигунобудування і може бути використане в поршневих авіаційних двигунах внутрішнього згоряння.
Відомий клапан впускний двигун внутрішнього згоряння, що має шток, головку грибкової форми і ділянку переходу між ними з ребрами жорсткості (патент Японії №61-229908 МПК F01L 3/20, F02В 31/00). У цьому прототипі клапани впуску ребра жорсткості розвивають поверхню для випаровування паливно-повітряної суміші, зменшуючи її адгезію на головку клапана в процесі роботи двигуна.
Для клапана випускного двигуна внутрішнього згоряння (ДВС) ребра жорсткості усувають короблення його робочої фаски, грають додаткову тепловідвіднуроль від неї та інтенсифікують примусове обертання дії клапанних пружин, додатковою реакцією вихлопних газів, сприяючи більш щільній посадці клапана в його сідло та стирання нагару з робочої фаски, підвищуючи надійність та термін служби клапана без прогару при оптимальній його масі.
Дана технічна задача вирішується за допомогою клапана випускного ДВЗ, що має шток з наконечником, головку парасолькової форми з ребрами жорсткості в її донній частині, рівномірно на ній розташованими до 8 ребер по колу з підйомом гребеня кожного ребра не більше 20 ° у напрямку до горизонталі.
На фіг.1 зображено клапан випускний, на фіг.2 - його розріз А-А, на фіг.3 - схема лиття випускного клапана двигуна внутрішнього згоряння у вакуумі нагріті керамічні форми.
Клапан випускний складається із штока 1, головки 2 зонтичної форми з 4 ребрами жорсткості 3 її донної частини з боку штока.
Для збереження оптимальної маси клапана кількість ребер жорсткості досить не більше 8 з підйомом (скосом) кожного до 20 ° до горизонталі. Під ролик штовхача клапана на кінці штока, протилежному голівці, розташований наконечник 4, виконаний з металу більшої твердості, ніж шток, для кращої зносостійкості цього торця штока. Головка 2 зонтичної форми має робочу фаску 5, поверхня якої притирається до сідла клапана при складанні для забезпечення герметичності та потужності двигуна в роботі.
Клапан випускний ДВС - високотеплонапружена деталь двигуна, і саме наведена конструкція, відрізняючись простотою, стабільно забезпечує не менше робоче теплове навантаження, ніж у клапані з внутрішньою тепловідвідною порожниною, що заповнюється натрієм для збалансованості передачі тепла від грибка до штока (стор.402-403 П.). І.Орлов «Конструкція авіаційних двигунів»,Оборонгіз, 1940, т.2). Ребра жорсткості збільшують тепловідведення із зони робочої фаски 5 на шток 1 в процесі роботи двигуна, що дуже важливо, і, крім того, під впливом турбулентного потоку газів від згоряння паливоповітряної суміші наводять більш інтенсивне обертання клапан, позитивно доповнюючи вплив клапанних пружин на його обертання чим сприяє більш щільній і герметичній посадці у своє сідло, стираючи з робочої фаски налипають частинки нагару і виключаючи тим виникнення прогар фаски, забезпечуючи надійну герметичність посадки клапана в сідло при роботі двигуна на теплонапружених режимах.
Відомий спосіб виготовлення клапана випускного двигуна внутрішнього згоряння, одержуваного виливком по моделях, що виплавляються в нагріті керамічні форми (патент Великобританії №2110299, МПК F01L 3/02 - прототип).
Недоліком даного способу є необхідність у стабілізуючій термообробці для збереження високих характеристик міцності матеріалу.
Технологічним завданням даної розробки є спрощення технології виготовлення клапана з підвищенням його технологічності, зниження трудомісткості та скорочення необхідної точності розмірів з високою якістю характеристик міцності матеріалу для надійної роботи настільки відповідальної і високонавантаженої деталі двигуна.
Спосіб виготовлення клапана випускного двигуна внутрішнього згоряння, що включає виливок клапана по моделях, що виплавляються в нагріті керамічні форми без механічної обробки оребреної частини головки і з припуском до 1-2 мм на інших поверхнях. Після виливки здійснюється стабілізуюча термообробка в середовищі захисного газу при температурі 1200+20°С протягом не менше 4,5 годин з подальшою механічною обробкою та нанесеннямнітридтитанового покриття, що забезпечує отримання щільної, гомогенно-рівновісної та стабільної структури металу клапана з щільністю 8,9 г/см 3 з високим рівнем характеристик міцності і точності розмірів при робочих температурах. На фіг.3 зображена схема лиття клапана випускного двигуна внутрішнього згоряння у вакуумі нагріті керамічні форми. Рівновісна щільна макроструктура випускного литого клапана забезпечує високі характеристики його механічних властивостей, наведені в таблиці 1.
Після термообробки та попередньої чистової проточки фаски і штока до торця стрижня клапана приварюється наконечник з високохромистої сталі, потім торець стрижня підрізається, шліфується і піддається загартування і відпуску на високу твердість HRC≥50. Потім слідують операції шліфування, полірування та суперфінішування штока та головки клапана до остаточних розмірів та покриття нітридом титану. Після покриття нітридом титану шток повторно суперфінішують, а робочу фаску кожного клапана притирають до свого сідла в циліндрі при складанні.
Відомий ливарний жароміцний сплав на основі нікелю, що містить вуглець, хром, титан, алюміній, кобальт, ніобій, вольфрам, молібден, залізо, лантан, гафній, бор, церій та ітрій, додатково містить тантал і реній при наступному співвідношенні .%:
| вуглець | 0,12-0,18 |
| хром | 4,3-5,6 |
| титан | 0,9-1,3 |
| алюміній | 5,65-6,25 |
| кобальт | 8,0-10,0 |
| ніобій | 4,0-4,8 |
| вольфрам | 10,9-12,5 |
| молібден | 2,5-3,5 |
| залізо | 0,1-1,0 |
| лантан | 0,005-0,015 |
| гафній | 0,01-0,1 |
| бір | 0,005-0,015 |
| церій | 0,005-0,025 |
| ітрій | 0,005-0,025 |
| тантал | 0,15-0,35 |
| реній | 0,15-0,35 |
| нікель | інше (≥60%) |
(пат. №2081930, С22С 19/05 - аналог)
До нестачі цього багатокомпактного сплаву відноситься мала стійкість до стирання та зносу при температурах більше 900°С, незважаючи на велику кількість легуючих елементів.
Найбільш близьким аналогом є (патент США №3497349, МПК С22С 19/05) жароміцний сплав для клапана випускного ДВС (на основі нікелю), що містить нікель, вуглець, хром, молібден, залізо, вольфрам, бор, ніобій, кремній, марганець при наступному співвідношенні компонентів, мас.%:
| вуглець | до 0,1 |
| хром | 15-30 |
| ніобій | 4,0-8,5 |
| кремній | до 1 |
| марганець | до 1 |
| молібден | не більше 2 |
| залізо | до 10 |
| вольфрам | не більше 5 |
| бір | до 0,1 |
| нікель | інше |
До недоліку вищезгаданого сплаву відноситься наявність ніобію, домішок кремнію та марганцю, що не гарантує від утворення оксидів навіть у вакуумі, не сприяє утворенню зміцнюючої інтерметалідної фази, не дозволяє отримати сплав із щільною дрібнозернистою структурою.
Технічною задачею даного винаходу є підвищення стійкості сплаву до зносу робочої фаски випускного клапана ДВС при температурах більше 900°З отримання сплаву з щільною дрібнозернистою структурою.
Для вирішення поставленого завдання використовується жароміцнийсплав інтерметалідного зміцнення, без алотропічних перетворень у щільній рівноосній структурі, стабілізованої після лиття у вакуумі термообробкою до 1200°С+20°С, порівняно простого хімічного складу, що містить нікель, вуглець, хром, молібден залізо, вольфрам. Даний сплав містить додатково алюміній, титан, цирконій та церій, що впливає на процес кристалізації та на утворення зміцнюючої інтерметалідної фази при стабілізуючій термообробці та наступному співвідношенні всіх складових у сплаві, мас.%:
| нікель | не менше 66 |
| вуглець | 0,17±0,05 |
| хром | 16±2 |
| вольфрам | 5,5±0,5 |
| молібден | 4±0,5 |
| залізо | не більше 5 |
| бір | 0,2±0,005 |
| алюміній | 2±0,25 |
| титан | 2±0,25 |
| цирконій | 0,1±0,025 |
| церій | 0,01±0,005 |
Таким чином, випускний клапан ДВС такої конструкції, виготовлений з даного сплаву і таким способом, високотехнологічний, має невелику трудомісткість, надійний у роботі, дозволяє отримати щільну дрібнозернисту структуру, має велику стійкість до зносу, має тривалий термін служби, оптимальну масу. Взаємозамінність литих та кованих клапанів при експлуатації та ремонті двигунів зберігається.
1. Клапан випускний двигуна внутрішнього згоряння, що містить шток з наконечником, головку зонтичної форми з ребрами жорсткості в її донній частині, який відрізняється тим, що ребер жорсткості не більше 8, причому кожне ребро має скіс до горизонтальної поверхні не більше 20°.
2. Спосіб виготовлення клапана випускного двигуна внутрішнього згоряння,включає виливок клапана по моделях, що виплавляються в нагріті керамічні форми, відрізняється тим, що після виливки здійснюють стабілізуючу термообробку в середовищі захисного газу при температурі 1200°С+20°С протягом не менше 4,5 год, механічну обробку і нанесення покриття.
3. Жароміцний сплав для клапана випускного двигуна внутрішнього згоряння, що містить нікель, вуглець, хром, молібден, залізо, вольфрам, бір, який відрізняється тим, що він додатково містить алюміній, титан, цирконій і церій при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: