METAL 2005 24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
MATERIÁL SEDEL VENTILŮ MATERIAL OF VALVE SEAT Břetislav Skrbeka,b Vladimír Nosekb a
TEDOM, s s.r.o, divize MOTORY, Jablonec nad Nisou,ČR,
[email protected]. b TU v Liberci, katedra materiálu, ČR,
[email protected].
Abstrakt Sedla ventilů pístových vznětových motorů. Specifikace namáhání – eroze a koroze produkty spalin – kontaktní únava za tepla. Vliv použitého paliva. Materiály na bázi železa, komplexních slitin, kobaltu. Nedestruktivní diagnostika. Valve seats of Diesel engines. Loading specification – erosion and corrosion by combustion products - hot contact fatigue. Effect of fuel used. Materials on basis of iron, complex alloys, cobalt. NDT diagnostics.
1. ÚVOD TEDOM s.r.o., divize MOTORY produkuje hlavně vznětové motory na plyn a alternativní paliva do kogeneračních jednotek a autobusů. Elektronické řízení, limit E3 a výkony nad 200kW jsou samozřejmostí. Před patnácti lety za n. p. LIAZ se vyrábělo mnohonásobně více motorů hlavně pro nákladní automobily, ale s výrazně nižšími požadavky na emise a výkony. Přitom základní rozměry motoru a jeho dílů se podstatně neměnily z titulu minimalizace nákladů na technologii. Proto zvýšené požadavky na užitné vlastnosti stěžejních dílů motoru musely vést většinou přes vhodnější materiál a jeho diagnostiku. 2. Funkce sedel Těsnost spalovacího prostoru po ¾ pracovního cyklu utváří kontakt kuželových ploch hlavy ventilů a sedla ventilů pod silou od pružin. Po tuto dobu odvádí sedla teplo z ventilů do těla chlazené hlavy válců. Během zbývající ¼ pracovního cyklu kdy dochází k výměně pracovních medií dochází k opotřebení především výfukových sedel. Sedla ventilů mají prstencovitý tvar. Načisto obrobeny jsou před montáží na vnějším průměru. Do hlav válců se vsazují s přesahem. Po zachlazení v tekutém dusíku je umožněno jejich volné vkládání do hlav válců. Vlastní vývrt kuželové plochy se provádí až po kompletaci v hlavě válců. Podle druhu paliva se volí úhel kuželové kontaktní plochy sedla. 2.1. Opotřebení Štěrbinový efekt proudících spalin horkých přes tisíc stupňů Celsia převyšuje účinek opotřebení od kontaktních axiálních sil. Pouze při nevhodném seřízení rozvodu a nerovnoměrném kontaktu („vytlučená sedla“) se jeho účinek násobí. Dynamické působení spalin se projevuje abrazivním opotřebením kontaktních ploch. Zvláště přítomnost pevných částic ve spalinách (výfukový plyn) toto opotřebení násobí. Chemická povaha produktů spalovacího procesu působí ve větší či menší míře korozi za tepla. 3. LITINOVÁ SEDLA Pro škálu naftových a benzinových čtyřdobých motorů vyhovují litinová sedla. Monopolním dodavatelem sedel a pístních kroužků od r. 1932 je v českých zemích slévárna a
1
METAL 2005 24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ obrobna v Komárově u Hořovic. Odolnost struktury vůči opotřebení spočívá ve vytvoření stabilní (v rozsahu pracovních teplot) perlitické či sorbitické matrice a skeletu otěruvzdorných fosfidů a karbidů. Grafit podporuje tepelnou vodivost a snižuje koeficient tření. Složení (střední hodnoty) základních litin s lupínkovým grafitem na sedla slévárny „BUZULUK“ Komárov ukazuje tab.1:. Ozn. PN* C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo V B-4S 420070 3,5 2,25 0,65 0,45 <0,1 0,15 0,42 0,42 0,2 0 BX 420071 3,7 2,85 0,65 0,45 <0,1 1,35 <0,5 <0,5 1,35 0 BY 420072 3,5 2,75 0,8 0,45 <0,1 1,35 0,45 0,8 1,35 0,2 *…původní podniková norma. Kroužky sedel se odlévají každý zvlášť do keramické formy. Vysoké obsahy Mo a Cr variant BX a BY působí vznik martenzito - bainitické matrice při rychlosti ochlazování přirozeným chladnutím ve formě. Proto před obráběním nutno odlitky stabilizovat popouštěním na teplotu vyšší než provozní. Sedla BX s BY se popouští na 570 až 580 0C. Výsledná matrice pak obsahuje i sorbit o rozsahu dovolené tvrdosti 31 – 40HRC 1mm pod povrchem. Sedla z BX se běžně používají na přeplňované vznětové motory. Litina BY byla vyvinuta pro motory na bezolovnatý benzin. Na plynových vznětových motorech vykazovala ale vyšší opotřebení. 3.1. Diagnostika U motorů provozovaných za vysoké teploty sedel a při určitém složení spalin docházelo výjimečně k nepřípustnému opotřebení. Systematické sledování velikosti opotřebení, montáže a rozložení tvrdosti H, tuhosti E a pevnosti Rm (prostředky nedestruktivní strukturoskopie) po obvodě přineslo mimo jiné poznatky: a)Místo s výrazným extrémem mechanických vlastností se nalézá při vtoku do dutiny formy b) Přísluší mu nejnižší tvrdost. Tuhost Eo (tab.2) tuto závislost nemusí provázet. . c) Opotřebení A při konkrétním způsobu provozu sedel lze s vysokou pravděpodobností předpovědět nedestruktivně změřenými vlastnostmi [1] – tvrdostí H dle HRC a modulem pružnosti.Eo před montáží sedla výrazem (1). Samotný modul pružnosti E (počáteční – změřený ultrazvukem) se spočítá podle (2). A = 7,6 – 1,37×H×E×10-3 E = (438×L/Lu)2 L…..[mm] Lu …[mm]
[mm] [MPa]
(1) (2)
skutečná tloušťka sedla ultrazvukovým tloušťkoměrem změřená tloušťka sedla
Tab.2: Příklad sedla BX – rozložení vlastností po obvodu prstence. &0 0 vtok 45 90 135 180 225 270 315 průměr HRC 32,5 33 34,5 36,2 35 36,1 35,6 35 34,8 Eo GPa 145,3 144,9 144,9 145,3 149 150,9 148,8 146,6 147 Rm*MPa 382 386 400 412 416 430 413 408 406 A mm 1,16 1,08 0,78 0,43 0,49 0,18 0,38 0,5 0,625 *….vypočteno podle výrazu pro nelegovanou litinu s lupínkovým grafitem [2]. Nedestruktivní měření v tab. 2 uvedených užitných vlastností umožňilo vybírat sedla pro určité provozní podmínky. Jednoznačně lze take roztřídit sedla z litiny BX od BY podle hodnoty E. Sedla BY vykazují nižší hodnoty E<110;130>Gpa a vyšší tvrdost.
2
METAL 2005 24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 3. SEDLA VENTILŮ PRO PLYNOVÉ MOTORY Sedla z litiny BY se nasazovala do hlav válců pro plynové motory nejdříve. S postupem času přestala vyhovovat nedostatečnou životností. Nástrojová ocel 19 436.9 (1,95% C; 13%Cr) zušlechtěná na 450 – 500HB (46,5 – 50,8 HRC) odolává vůči popuštění do vysokých teplot. Ani tato otěruvzdorná ocel neprokazovala dostatečnou životnost. Výfuková sedla byla soustružena z tvářeného polotvaru. Například po 5000h provozu plynového motoru typu M1.2C NG v nemocnici Bulovka je bylo nutno vyměnit. Vhodnou litinu k vytvrzování vyhovující vysokou odolnostní vůči opotřebení pro tento účel vyvinuli v Japonsku [3] – tab.3: Obsah %
C 3,3
Si 1,5
Mn 0,7
Cr 17
Mo 0,9
Ni 0,5
W 5
P 0,06
S 0,04
Tvrdost 62-64HRC, modul pružnosti E <220;235>Gpa. Aplikování podobných otěruvzdorných slitin omezuje jejich obtížná obrobitelnost při operaci svrtávání sedlových ploch v hlavách. Důležitá pro životnost dvojice návar sedlové plochy ventilu/ sedlo ventilu je morfologie struktury. Sloupcovité karbidy a dendrity se orientují směrem odváděného tepla. Jejich štíhlost roste s rychlostí ochlazování. Takto orientovaná struktura není vhodná s ohledem na zvýšené opotřebení sedlové plochy hlavy výfukového ventilu. Globulární morfologie tvrdých částic struktury je ideální pro kontaktní namáhání s protikusem o blízké nebo nižší tvrdosti. Vývoj sedlových materiálů směřoval ke slitinám s dostatečnou životností při přijatelných hodnotách tvrdosti (s ohledem na obrábění) a globulární strukturou. Příklad vlastností sacího a výfukového sedla původem z USA předkládá tab. 4: % C Si Mn P S Cr Ni Mo Sb Sací 1,35 0,74 0,2 0,023 0,02 2,9 0,61 5,3 Výfuk 2,29 2,82 0,37 0,11 0,06 12,2 33 0,35 3 Užitné vlastnosti – tab.5: Vlastnost Sací sedlo Výfukové Tvrdost HRC 45 44 Rychlost zvuku m/s 6117 6710 V Evropě představují tradici v plynových motorech motory f. WAUKESHA. Příklad vlastností výfukového sedla jednoho z jejích motorů – tab.6: % C Si Mn P S Cr Ni Mo V W výfuk 1,5 0,5 0,38 0,03 0,035 3,7 0,5 5,6 1,6 5 Tvrdost HRC 38,8; rychlost zvuku 6184 m/s; modul E 240GPa. Strukturu tvoří neorientovaná mozaika oblých zrn matrice se souvislou karbidickou obálkou. Velmi jemné karbidy podporují otěruvzdornost matrice. Strukturu po naleptání ukazuje obr.1. Hodnoty tvrdosti 40HRC do nejvyšších provozních teplot udrží slitiny s vysokým obsahem uhlíku a karbidotvorných prvků na bázi Co. Jsou sice poněkud dražší, jak dříve uvedené, ale dostupné jako Co stellity. Ty se používají v našich podmínkách. I když je není třeba tepelně zpracovávat pro zvýšení tvrdosti, doporučuji je stabilizačně žíhat na asi 700st.C a velmi zvolna ochlazovat. Poněkud se sníží jejich křehkost vyvolaná vnitřním pnutím hran vůči středu průřezu v litém stavu.. Projevuje se štípáním hran při obrábění. Tab.7: STELLIT 6 % C Si Mn Cr Mo W HRC VL m/s výfuk 1,1 <1,5 <0,5 27 <1 4,5 42-48 6200 3
METAL 2005 24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
Obr.1.1000xzv. Strukturu STELLIT 6 tvoří elipsovitá oka (asi 20x50µm) tuhého roztoku uspořádaná v mezidendriticky neusměrněném síťoví lamel a vějířů karbidického eutektika. 3.1. Sedlové plochy ventilů Spalovací prostory vznětových motorů obklopují tepelně nejvíce namáhané díly. Čela hlav ventilů proto musí vzdorovat tlakovým čpičkám až 15MPa při teplotách spalin přes 1000o. Vytékající proud spalin působí erozi a korozi za tepla hlavně v přechodu hlavy do dříku výfukového ventilu. Sedlová plocha hlavy ventilu musí dokonale těsnit po celou dobu jeho životnosti za všech provozních teplot. Jakákoliv netěsnost umožní štěrbinovým efektem horkých spalinám zničit ventil. Normální rychlost spalin pod otevřeným ventilem při výfuku značně překračuje100m/s. Setrvačné síly a tlak pružin rozvodu působí dynamické mechanické zatížení. Sklon sedlové plochy bývá 450 .Pro plynové motory 30 0 i méně. Snižuje se tím měrný tlak v sedle. Austenitická ocel hlavy ventilu se v sedlové ploše musí “opancéřovat” návarem z materiálů dle tab 7.Návar P37 neboli STELLIT F se používá pro nejvýše namáhané vznětové motory s vysokou odolností vůči otěru nejčastěji. Materiál P82 zase nejvíce odolává oxidační korozi za přítomnosti tetraetylu olova. P39 je vhodný pro sací ventily a P25 pro výfukové ventily a bezolovnatá paliva. Navařování se provádí elektrickým obloukem drátem nebo častěji v hromadné výrobě plasmou v ochranné atmosféře. Kritickým parametrem pro životnost ventilu je homogenita provedeného návaru [4]. Konec dříku svým tvarem umožňuje uložení v misce pružin kuželovými klínky. Způsob uložení má umožňovat samočinné otáčení ventilu při provozu přispívá k zvýšení životnosti ventilu.Teplo, které ventil absorbuje odvádí stopkou kluzného uložení a sedlovou plochou do hlavy válců. Dokonalá těsnost tedy také zajišťuje dokonalý odvod tepla. Oblasti vzdálené od míst odvodu tepla podléhají větší tepelné expozici. Oblast přechodu dříku do kuželu hlavy tak za maximálního výkonu motoru překračuje teplotu 7000 stejně jako střed talířové plochy hlavy 4
METAL 2005 24.-26.5.2005, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ Tab.7. ozn.:
P37
oblouk plamen Složení % C 1,75 Navařování
P37S
P82
P39S
P25
plazma
plazma
plazma
Plazma
1,75
2,00
0,86
0,56
Střední
Si
1,1
1,1
max. 0,5
max. 0,4
Max. 0,4
Mn
max. 0,3
max. 0,3
max. 0,5
10,0
10,0
Cr
25,5
28,0
26,0
27,0
25,0
Ni
22,5
22,5
zbytek
12,0
10,0
Co
zbytek
zbytek
max. 0,3
W
12,25
12,25
Fe
max.1,35
max. 1,35
max. 4,0
zbytek
zbytek
Mo
-
-
-
5,5
3,0
Nb-Ta
-
-
-
2,5
2,0
Tvrdost HRc min. 40
min. 40
min. 32
min. 39
min. 32
ρ [kg/m3]
8500
9100
7900
7900
8500
13,9 14,8 17,2 17,3 α [1/Κ] ×106 13,9 20−8000C Koeficient roztažnosti kalitelných Cr ocelí cca. 12,5; austenitických 18 a niklových slitin 15 [1/K]×10-6.. Použitá Literatura: [1] SKRBEK, B. Sedla ventilů – opotřebená. Interní zpráva č. 96040515, ŠKODA – LIAZ Jablonec nad Nisou. [2] SKRBEK, B. Nedestruktivní materiálová diagnostika litin, kandidátská disertační práce, Jablonec 1988. [3] MAKOTO KANO aj. Highly Wear-Resistend Cast Iron for Rocker Arms-New High-Cr Část iron Material, JSAE Rewiev , 1/1991. [4] SKRBEK, BŘETISLAV. Nedestruktivní diagnostika strukturních změn austenitických ventilových ocelí. In Vědecká pojednání IX/2003. Liberec: Technická univerzita v Liberci, 2003, s.211-215. ISBN 80-7083-756-X
5
