Седло клапана

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к седлу клапана, и может быть использована преимущественно в механизме газораспределения поршневых двигателей внутреннего сгорания, а также в запорных устройствах трубопроводных систем.
Седло клапана механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания работает в тяжелых условиях, подвергаясь воздействию отработавших газов. Конструкционные материалы для деталей газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания должны быть устойчивы в области рабочих температур 1300-1500°С, сохранять прочность при изгибе на уровне не менее 800 Мпа. При этом седло клапана работает в условиях циклических термических и ударных нагрузок, что приводит к химическому, эрозионному и коррозионному износу его рабочей поверхности.
Основными эксплуатационными и технологическими требованиями, предъявляемыми к материалам седла клапана являются твердость, соизмеримая с твердостью тарелки клапана (40-60 HRc), износостойкость в условиях сухого трения при температуре 600°С для седла выпускного клапана, термостойкость материала по структуре и механическим свойствам в диапазоне рабочих температур, коррозионная и эрозионная стойкость под действием отработавших газов, теплопроводность, обеспечивающая быстрый отвод тепла от рабочей фаски седла.
Известно седло клапана механизма газораспределения поршневого двигателя внутреннего сгорания, представляющее собой тело вращения, установленное в газовом канале головки блока или блоке цилиндров двигателя (А.С. Орлин «Двигатели внутреннего сгорания», Машиностроение, М., 1990 г., стр. 226). В качестве материала для изготовления седла используются различные металлы и сплавы (серый перлитный чугун СЧ28-48, сталь 45, бронза). Используются отбеливающиеся чугуны, хорошо противостоящие ударным нагрузкам и химическому воздействию отработавших газов. Недостатком известного технического решения является неодинаковая интенсивность охлаждения седла по периферии, что приводит к вероятной деформации седла и дальнейшему его прогоранию под действием высоких температур.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является известное седло клапана механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания, представляющее собой тело вращения, установленное в газовом канале и выполненное из композиционного материала, включающего в качестве компонента карбид кремния (SiC) (патент RU №2390587, кл. C25B 11/06, 2010 г.). В известном техническом решении композиционный материал представляет собой нанесенное на подложку покрытие в виде дисперсионных частиц никеля (Ni), кремния (Si) и углерода (С), образующих композиционное электрохимическое покрытие (КЭП Ni-SiC) толщиной около 0,1 мм, которое позволяет обеспечить микротвердость слоя порядка 40 HRc, износостойкость и адгезию к подложке. Недостатком известного технического решения является неодинаковая интенсивность охлаждения седла по периферии, низкая стойкость к термоударам и термоцикличности, и недостаточная термопрочность при высоких температурах, вызванная необходимостью применения материалов с различными физическими свойствами.
Проблема, решаемая созданием заявляемой полезной модели заключается в повышении износостойкости седла клапана механизма газораспределения в условиях повышенных температур.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемой полезной моделью заключается в исключении деформации седла под действием высоких температур, за счет равномерного охлаждения периферии седла и повышения его термической прочности.
Результат, обеспечиваемый заявленной полезной моделью, достигается тем, что седло клапана механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания, представляющее собой тело вращения, установленное в газовом канале, выполнено из композиционного материала, включающего в качестве компонента карбид кремния (SiC). Согласно полезной модели седло выполнено из металлокерамоматричного композиционного материала, на основе карбида кремния при следующем соотношении масс. % компонентов:
- углерод (С)
0,4-10,0
- кремний (Si)
2,0-30,0
- алюминий (Al)
0,5-1,0
- бор (В)
0,4-0,5
- медь (Cu)
0,5-1,0
- карбид кремния (SiC)
остальное.
Предложенное соотношение компонентов позволяет оптимизировать прочностные и теплофизические параметры и высокотемпературную износостойкость материала седла клапана. Известно, что формирование структуры карбидокремниевых материалов определяется исходным фазовым составом и механизмами массопереноса при высокотемпературной обработке, а также при одновременном диффузионном легировании мелкодисперсными частицами порошка. Благодаря высокой концентрации дефектов в зоне контакта зерен, обусловленной их кристаллографической разориентацией, диффузионный процесс по границам зерен протекает быстрее, чем в их объеме, где концентрация дефектов значительно меньше. При этом активизирующее влияние углерода, бора и кремния приводит к увеличению скорости зернограничной диффузии и позволяет увеличить площадь межчастичных контактов, что позволяет получить близкую к теоретической плотность. Металлокерамоматричный композиционный материал на основе карбида кремния (SiC) характеризуется явлением политипизма, т.е. существованием у соединения двух или более структур разной последовательностью укладки плотноупакованных слоев или слоистых «пакетов» атомов. В плоскости плотноупакованного слоя политип имеет одинаковый параметр решетки, в перпендикулярном направлении периоды различны и кратны расстоянию между соседними осями. Добавки алюминия и меди в указанных соотношениях позволяют осуществить политипное превращение структуры из трехслойной (3c) в четырехслойную (4с), то есть осуществить переход от кубической модификации β-SiC со структурой сфалирита в гексагональную плотноупакованную структуру α-SiC, что обеспечивает наибольшую прочность и энергетическую устойчивость последней.
Совокупность существенных признаков достаточна для решения указанной технической проблемы, поскольку выполнение седла из металлокерамоматричного композиционного материала, на основе карбида кремния при указанном соотношении масс. % компонентов обеспечивает равномерное охлаждение периферии седла, что повышает стойкость седла к термоударам и термоцикличности.
Предложенное техническое решение поясняется следующим описанием.
Седло клапана механизма газораспределения поршневого двигателя внутреннего сгорания представляет собой тело вращения, установленное в газовом канале головки блока или блоке цилиндров двигателя. Для изготовления седла используется металлокерамоматричный композиционный материал на основе карбида кремния. В результате проведенных экспериментов получено практическое соотношение масс. % компонентов:
- углерод (С)
0,4-10,0
- кремний (Si)
2,0-30,0
- алюминий (Al)
0,5-1,0
- бор (В)
0,4-0,5
- медь (Cu)
0,5-1,0
- карбид кремния (SiC)
остальное.
Для оценки свойств седла клапана, выполненного из металлокерамоматричного композиционного материала были проведены сравнительные испытания, результаты которых представлены в таблице.
На чертеже представлена зависимость высокотемпературной прочности на изгиб металлокерамоматричного композиционного материала различного состава от температуры, где:
кривая 1 - прототип (электрохимическое покрытие КЭП-Ni-SiC)
кривая 2 - металлокерамоматричный композит, масс. %: С - 0,4, Si - 2,0, Al - 0,5 В - 0.4, Cu - 0.5, SiC - остальное
кривая 3 - металлокерамоматричный композит, масс. %: С - 10.0, Si - 30.0, Al - 1.0, В - 0.5, Cu - 1.0, SiC - остальное.
Сравнительный анализ данных, приведенных в таблице, позволяет сделать вывод о том, что предложенное техническое решение обеспечивает повышенную на 20-30% термостойкость, высокую теплопроводность, обеспечивающую быструю релаксацию и снижение температуры в зоне контакта седло-тарелка клапана, повышенную на 15-20% твердость при температурах до 1400°К. При этом низкий коэффициент термического расширения обеспечивает стабильность зазора в паре седло-тарелка клапана, что значительно снижает вероятность деформации седла и последующего его прогорания.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет решить поставленную проблему повышения надежности седла клапана механизма газораспределения в условиях повышенных температур.