Впускной клапан 40Х9С2

ВВЕДЕНИЕ

Впускной  клапан предназначен для работы в  цилиндро-поршневой группе двигателя. Впускной клапан работает в условиях сильного нагрева от горячих газов. Клапаны впуска и выпуска автомобильных, тракторных и дизельных двигателей, трубки рекуператоров, теплообменники, колосники, крепежные детали.

Если  вы разрабатываете головку блока  цилиндров для получения максимальной мощности, то не будет никаким сюрпризом, что основной целью является максимальный поток. Это, кроме всего прочего, требует использования клапанов большего размера, которые могут быть физически установлены в камеры сгорания. Это требует решения, как лучше всего разделить имеющееся пространство между впускными и выпускными клапанами.

Однако, когда мы касаемся мощности, действует другое "железное" правило: легче опустошить цилиндр, чем наполнить его. Годы экспериментов показали, что оптимальный размер выпускного клапана должен составлять примерно около 75% от впускного или, если точнее, поток через него должен составлять примерно 75% потока через впускной клапан. Это правило применяется только тогда, когда диаметры комбинируемых клапанов равны общему имеющемуся пространству в камере, т. е. клапаны почти касаются друг друга, как часто бывает в гоночных двигателях. Если используются клапаны с размерами, меньшими, чем максимальные, а мощность не является основной целью, то баланс между потоками впускного и выпускного каналов не так критичен. Самое простое правило, которому нужно следовать: если основным требованием является мощность, то следуйте нормальному соотношению 0,75:1. Это правило можно изменить в тех случаях, когда двигатель оснащен системой турбонаддува или впрыска окиси азота. Для этих систем требуется обеспечение большего потока выхлопных газов и может успешно использоваться соотношение диаметров выпускного и впускного клапанов, составляющее 0,9:1 (поток выхлопных газов составляет 90% от потока впускаемой смеси) или даже больше. К сожалению, установка увеличенных выпускных клапанов имеет "ловушку", которая обычно не связана с увеличением размеров впускных клапанов. Водяная рубашка внутри головки блока цилиндров расположена рядом с седлами выпускных клапанов. Это помогает поддерживать клапаны и седла холодными, но часто препятствует установке клапанов максимального размера. Вдобавок, тонкие отливки и большое количество тепла (побочный продукт высокой мощности) могут привести к образованию трещин в седлах, и это обычно укорачивает срок службы головки блока.

Замечание:

Когда главной  целью конструктора, является экономия, а не мощность, размер выпускного клапана  может быть увеличен до соотношения 0,75:1 даже при увеличении диаметра впускного  клапана. Когда поток выпускного канала увеличивается, то пробег и срок службы двигателя будут улучшены. Однако здесь есть предел, как и  во всем. Выпускные клапаны, размер которых превышает 90-95% от размера  впускного клапана, дают очень маленькую  дополнительную топливную экономию, и так как они используют пространство, обычно отдаваемое впускным клапанам, то потенциал по мощности будет уменьшен.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Требования детали, состав и их свойства

 

Сталь 40Х9С2 – мартенситного класса, жаропрочная, высоколегированная. Содержание углерода 0,4%, 9% хрома, 2% кремния, предназначен для деталей, работающих в условиях высоких температур и агрессивных газов. Температура интенсивного окалинообразования в воздушной среде +850 °C. Основное требование для теплоустойчивых сталей – длительная безаварийная работа (100000 – 300000 часов).

Термообработка: закалка + высокий отпуск

Устойчива в серосодержащих средах.

Вид поставки:

сортовой  прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 5949-75, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71. Калиброванный  пруток ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78. Шлифованный  пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77. Полоса ГОСТ 4405-75, ГОСТ 103-75. Поковки и кованые  заготовки ГОСТ 1133-71.

При охлаждении в воде аустенит сохраняется в  стали до температуры примерно 200°  и затем мгновенно превращается в структуру, которую называютмартенситом. (Название дано в честь ученого Мартенса).

Жаростойкие стали характеризуют по температуре  начала интенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием  хрома в сплаве. Так при 15% Cr температура эксплуатации изделий составляет 950°С, а при 25% Cr - 1300°С.Жаростойкость зависит от состава стали, а не от её структуры, поэтому жаростойкость ферритных и аустенитных сталей при равном количестве хрома практически одинакова. Жаростойкие стали и сплавы используются для производства труб, листов, деталей высокотемпературных установок, газовых турбин и поршневых двигателей, печных конвейеров, ящиков для цементации и др.

 

 

 

 

Таблица 1. Химический состав в % материала 40Х9С2

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Ti	Cu
0.35-0.45	2-3	до 0.8	до 0.6	до 0.025	до 0.03	8 - 10	до 0.2	до 0.3

 

 

Таблица 2. Технологические свойства

Температура ковки

Начала 1200, конца 850. Сечения  до 350 мм охлаждаются в печах.

Свариваемость

не применяется для  сварных конструкций

Склонность к отпускной  способности

склонна

Флокеночувствительность

не чувствительна

 

 

 

 

Таблица 3. Физические свойства материала 40Х9С2

T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9
Ãðàä	ÌÏà	1/Ãðàä	Âò/(ì·ãðàä)	êã/ì3	Äæ/(êã·ãðàä)	Îì·ì
20				7630
100		11.1	17	7610
200		12.7		7580
300			20
400		14.3		7510
T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9

 

 

Обозначения:

 

Механические  свойства:

sв  - Предел кратковременной прочности , [МПа]

sT  - Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа]

d5  - Относительное удлинение при разрыве , [ % ]

y  - Относительное сужение , [ % ]

KCU  - Ударная вязкость , [ кДж / м2]

HB  - Твердость по Бринеллю , [МПа]

 

Физические  свойства :

T   - Температура, при которой получены данные свойства , [Град]

E  - Модуль упругости первого рода , [МПа]

a   - Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20° - T ) , [1/Град]

l  - Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) , [Вт/(м·град)]

r  - Плотность материала , [кг/м3]

C   - Удельная теплоемкость материала (диапазон 20° - T ), [Дж/(кг·град)]

R   - Удельное электросопротивление, [Ом·м]

 

 

Магнитные свойства :

 

Hc - Коэрцитивная сила (не более), [ А/м ]

Umax - Магнитная проницаемость (не более), [ МГн/м ]

P1.0/50 - Удельные потери (не более) при магнитной индукции 1.0 Тл и частоте 50 Гц, [ Вт/кг ]

B100 - Магнитная индукция Tл (не менее) в магнитных полях при напряженности магнитного поля 100, [ А/м ]

 

Свариваемость :

без ограничений - сварка производится без подогрева и без последующей         

                              термообработки

ограниченно свариваемая - сварка возможна при подогреве до 100-120

                                              град. и последующей термообработке

трудносвариваемая - для получения качественных сварных соединений

                                     требуются дополнительные операции: подогрев до 200-

                                   300 град. при сварке, термообработка после сварки

 

         

 

2. Процесс кристаллизации сплава

 

       Кристаллизация сплавов подчиняется тем же закономерностям, что и кристаллизация чистых металлов. Необходимым условием является стремление системы в состояние с минимумом свободной энергии.

Основным  отличием является большая роль диффузионных процессов, между жидкостью и  кристаллизующейся фазой. Эти процессы необходимы для перераспределения  разнородных атомов, равномерно распределенных в жидкой фазе.

В сплавах  в твердых состояниях, имеют место  процессы перекристаллизации, обусловленные  аллотропическими превращениями компонентов  сплава, распадом твердых растворов, выделением из твердых растворов  вторичных фаз, когда растворимость  компонентов в твердом состоянии  меняется с изменением температуры.

Эти превращения  называют фазовыми превращениями в твердом состоянии.

При перекристаллизации в твердом состоянии образуются центры кристаллизации и происходит их рост.

Обычно центры кристаллизации возникают по границам зерен старой фазы, где решетка  имеет наиболее дефектное строение, и где имеются примеси, которые  могут стать центрами новых кристаллов. У старой и новой фазы, в течение  некоторого времени, имеются общие  плоскости. Такая связь решеток  называется когерентной связью. В  случае различия строения старой и  новой фаз превращение протекает  с образованием промежуточных фаз.

Нарушение когерентности  и обособления кристаллов наступает, когда они приобретут определенные размеры.

Процессы  кристаллизации сплавов изучаются  по диаграммам состояния.

           Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации и температуры

           Цементит (Fe₃C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая  решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены  друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные  свойства теряет при температуре  около 217o С.

Цементит  имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно  низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической  решетки.

Цементит  способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут  замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит  – соединение неустойчивое и при  определенных условиях распадается  с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет  важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

 

 

 

Таблица 4. Механические свойства и состояние поставки

Термообработка, состояние поставки	Сечение, мм	sв, МПа	sT, МПа	d5, %	y, %	KCU, Дж/м2
Прутки. Отжиг 850-870 °С, воздух или без термообработки	60	440	740	15	35
Закалка 900-1100 °С, масло. Отпуск 500-540 °С, воздух.		690	880	25	59	70

 

 

 

 

                  Диаграмма состояния железо – цементит

 

       В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

Диаграмма железо – углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит – . Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму – по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до , то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего углерода.

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Термическая обработка и ее характерные структуры

 

            Термическая обработка стали – это совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью придания им определённых свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры.

            Цель термообработки – это придание сплавам таких свойств, которые требуются в процессе эксплуатации этих изделий. Есть упрочнение металла (например: коленчатый вал в двигателе автомобиля – к нему предъявляется повышенная прочность при эксплуатации). Но есть и такие технологические процессы, в которых термообработка не является конечной операцией, а промежуточной и её цель – снижение твёрдости стали, сплава для последующей обработки. Процесс термообработки состоит из нагревания до каких то определённых температур, выдержки детали, заготовки при этих температурах и последующем охлаждении с определённой скоростью.

Закономерности  образования аустенита в углеродистой стали в основных чертах остаются справедливыми и для легированной стали. Однако введение в сталь легирующих элементов смещает температурные  границы протекания процессов при  нагревании.

Присутствие легирующих элементов вызывает, прежде всего, сдвиг критических точек  по температуре по отношению к  их положению в нелегированной стали, т. е. на диаграмме Fe-Fe₃C. В сталях, легированных одним элементом, смещение критических точек, в общих чертах, направлено так же, как в бинарных сплавах этого элемента с железом.

Объясняется это тем, что углерод в количествах, допускаемых в стали, не изменяет принципиально температурных границ существования равновесных ферритной  и аустенитной фаз по сравнению с тем, что наблюдается в бинарных сплавах железа с легирующими элементами.

Соответственно  элементы группы никеля (Ni, Со, Мn) понижают критические точки Асх и Ас3, а элементы группы хрома (Сг, Мо, W, V, Si, Ti, А1, В, Nb, Zr) их повышают. Эффект влияния основных элементов на положение точки Асх показан.

При содержании в стали одновременно двух и более  легирующих элементов, влияющих на критические  точки стали в одном и том  же направлении, обычно критические  точки оказываются соответственно пониженными или повышенными  больше, чем в результате воздействия  только одного из присутствующих элементов. В случае содержания в стали элементов  с противоположным влиянием на критические  точки конечный эффект может быть различным и зависит от количественного  соотношения элементов.

Влияние элементов проявляется также  в сдвиге критических точек не только по температуре, но и по концентрации. Такую сталь условимся в дальнейшем обозначать термином «однолегированная», в отличие от сложнолегированной, содержащей более одного легирующего элемента. Термин же «высоколегированная» будем применять в общепринятом смысле для обозначения повышенного процента легирующих элементов, независимо от их числа.

Легированная  сталь иллюстрирует действие элементов  на концентрацию углерода в эвтектоиде. Как видно из фигуры, легирующие элементы понижают содержание углерода в эвтектоиде и, следовательно, сдвигают эвтектоидную точку 5 (см. диаграмму Fe-Fe₃C) в сторону меньших концентраций.

Большинство элементов понижает также и предел растворимости углерода в т-железе. Следовательно, легирующие элементы сдвигают точку Е (см. диаграмму в Приложении 1 - Fe-Fe₃C) в сторону меньших концентраций. Присутствие легирующих элементов в стали крайне существенно отражается на скорости превращений при нагревании.

Последнее объясняется тем, что легированные карбиды характеризуются значительно  большей устойчивостью, чем нелегированные, а также тем, что скорость диффузии углерода в присутствии ряда легирующих элементов (Мn, Сг, W, Мо и др.) сильно замедляется.

Существенное  значение имеет также чрезвычайно  низкую скорость диффузии самих легирующих элементов в стали. Между тем, процессы превращения в стали  при нагревании реализуются исключительно  в результате перемещений атомов углерода и легирующих элементов  за счет диффузии. Понятно поэтому, что указанные факторы оказывают  решающие влияния на скорость превращений  при нагревании.

Практически превращения в легированной стали  при нагревании сильно замедляются, протекают при непрерывном нагреве  в широком интервале температур и требуют для своего завершения значительно больших промежутков времени, чем это необходимо для превращений в углеродистой стали.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Методы термообработки

 

В сложнолегированной стали, содержащей в своем составе  активные карбидообразующие элементы, эти превращения, как в отношении  полного растворения карбидов, так  и выравнивания (гомогенизации) состава  аустенита в условиях обычного нагрева, как правило, не успевают пройти до конца.

Например, даже в случае нагрева до температур, на несколько сотен градусов превышающих  равновесных критических точек, обычно не достигается полного растворения  карбидов титана, циркония, ниобия и  ванадия.

 

Таблица 5. Механические свойства при повышенных температурах

t испытания, °C	s0,2, МПа	sB, МПа	d5, %	y, %
Отжиг 850-870 °С.
20	640	880	20	58
200	550	820	18	64
300	520	780	18	63
400	450	780	18	62
500	410	590	17	65
600	390	520	17	80
700	170	215	18	92
800	49	78	22	99
Образец диаметром 10 мм и  длиной 50 мм, прокатанный и отожженный. Скорость деформирования 1,1 мм/мин, скорость деформации 0,0004 1/с.
700		135	54	95
800		51	70	98
900		59	34	59
1000		45	29	45
1100		23	33	42
1200		16	71	74

 

 

Таблица 6. Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

t отпуска, °С	sB, МПа	d5, %	KCU, Дж/м2	HB
Закалка 1050 °С, масло.
300	2150	5	18	600
400		7	17	560
500	1470	11	16	410
600	1420	15	39	350
700	1280	18	69	300
800	1200	22	93	300

 

 

 

Таблица 7. Влияние легирующих элементов

Легирующий элемент	Входит в твердый раствор с  Fe и упрочняет его	Увеличивает ударную вязкость	Расширяет область аустенита	Сужает область аустенита	Увеличивает прокаливаемость	Способствует раскислению	Образует устойчивые карбиды	Повышает сопротивление коррозии
Cr	+	-	-	+	-	-	+	+
Si (более 0,8%)	+	+	-	+	-	+	-	-

 

 

 

Температура критических точек материала 40Х9С2.

Ac1 = 900 , Ac3(Acm) = 970 , Ar3(Arcm) = 970 , Ar1 = 810

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Клапан впускной является элементом автоматического  защитного устройства подогревателей высокого давления (ПВД), предназначенного для защиты турбины от попадания  в нее воды в случае разрыва  труб и предохранения от повреждения  корпуса ПВД путем отключения подогревателей высокого давления и  байпасирования питательной воды, минуя ПВД.

Клапан устанавливается  на трубопроводе питательной воды со стороны входа в ПВД в местах, удобных для обслуживания.

 Основное  и вспомогательное оборудование  выбираю в зависимости от габаритных  размеров детали, используем индукционный  нагреватель ВЧ-4А с внутренним  диаметром индуктора 180x330x410. Габаритные  размеры детали 36х36х118 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 1

 

                                (диаграмма Fe-Fe ₃C)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  использованной литературы

 

1. Марочник сталей

2. Данные взяты с сайта: http://www.1metal.com

3. Данные взяты с сайта: http://www.acrossteel.ru

4. «Технология горячей обработки материалов». Под ред. Н.М. Челнокова, М, 1992г.

5. «Справочник термиста» М.А.Тылкин, М,1982г.

6. «Устройство автомобиля». Под ред. Е.Я. Тур Машиностроение, 1991г.