PL187245B1

PL187245B1 - Zawór wylotowy do silnika spalinowego wewnętrznego spalania

Info

Publication number: PL187245B1
Application number: PL97330429A
Authority: PL
Inventors: Harro A. Hoeg
Original assignee: Man B & W Diesel As
Priority date: 1996-06-07
Filing date: 1997-06-03
Publication date: 2004-06-30
Also published as: KR100419932B1; EP0901564B1; KR20000016391A; US6244234B1; CN1221472A; DE69703444T2; DK64196A; AU3090297A; WO1997047861A1; DE69703444C5; HK1019914A1; ES2152676T3; JP2000505148A; CN1088148C; EP0901564A1; ATE197337T1; PL330429A1; NO320617B1; DK173337B1; JP3421055B2

Abstract

1 . Zawór wylotowy do silnika spalinowego we wnetrznego spalania, w szczególnosci do dwusuwowego silnika wodzikowego, zawierajacy ruchomy trzonek z grzyb- kiem zaworu ze stopu na bazie niklu, który tworzy takze pierscieniowy obszar przylgni na górnej powierzchni grzybka zaworu, który to obszar przylgni styka sie z odpowiadajacym mu obszarem przylgni na stacjonarnym elemencie zaworu gdy zawór jest zamkniety, przy czym obszar przylgni grzybka zaworu jest poddany w procesie wytwarzania procesowi odksztalcenia termomechanicznego, w trakcie którego material ulega co najmniej czesciowej obróbce plastycznej na zimno, znamienny tym, ze grzybek (4) zaworu jest wykonany ze stopu na bazie niklu, który moze osiagnac wartosc umownej granicy plastycznosci co najmniej 1000 MPa, a obszarowi (6) przylgni na górnej powierzchni grzybka (4) zaworu nadano wlasciwosci zapobiegajace powstawaniu wgniecen przez nadanie umownej granicy plastycznosci (Rp0 ,2 ) wynoszacej co najmniej 1000 MPa w temperaturze okolo 20°C droga od- ksztalcenia termomechanicznego i ewentualnie obróbki ciepl- nej podwyzszajacej wartosc umownej granicy plastycznosci. FIG . 1 PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest zawór wylotowy do silnika spalinowego wewnętrznego spalania, w szczególności do dwusuwowego silnika wodzikowego, zawierającego ruchomy trzonek z grzybkiem zaworu ze stopu na bazie niklu, który tworzy także pierścieniowy obszar przylgni na górnej powierzchni grzybka zaworu, który to obszar przylgni styka się z odpowiadającym mu obszarem przylgni na stacjonarnym elemencie zaworu gdy zawór jest zamknięty, przy czym obszar przylgni grzybka zaworu jest poddany w procesie wytwarzania procesowi odkształcenia termomechanicznego, w trakcie którego materiał ulega co najmniej częściowej obróbce plastycznej na zimno.

Rozwój zaworów wylotowych do silników spalinowych był przez wiele lat ukierunkowany na zwiększenie trwałości i niezawodności zaworów. W tym celu trzonki zaworów wykonywano z grzybkami z materiału odpornego na działanie temperatury i korozję od strony dolnej powierzchni grzybka i z materiału twardego w obszarze przylgni.

Obszar przylgni ma szczególnie istotne znaczenie dla niezawodności zaworu wylotowego, ponieważ prawidłowe działanie zaworu wymaga jego szczelnego zamykania. Jest rzeczą dobrze znaną, że zdolność przylgni do szczelnego zamykania może zmniejszyć się wskutek korozji w pewnym obszarze w wyniku tzw. wypalania, a wówczas w poprzek pierścieniowej powierzchni uszczelniającej pojawia się rynienka w kształcie kanału, przez którą przepływa

187 245 gorący gaz gdy zawór jest zamknięty. W niekorzystnych okolicznościach ten stan uszkodzenia może pojawić się i rozwinąć powodując całkowitą niesprawność zaworu w czasie krótszymi niż 80 godzin pracy, co oznacza, że często niemożliwe jest wykrycie początkowego uszkodzenia w trakcie normalnego przeglądu. W konsekwencji wypalenie przylgni zaworu może spowodować nieplanowane przestoje. Jeżeli silnik jest jednostką napędową statku, awaria może wystąpić podczas konkretnego rejsu pomiędzy dwoma portami, co może spowodować problemy podczas rejsu i niezamierzone postoje w porcie.

Mając na względzie zapobieganie wypalaniu przylgni zaworów, na przestrzeni lat opracowano wiele materiałów o coraz większej twardości na przylgnie zaworów, aby uczynić przylgnie zaworu odporną na zużycie poprzez zwiększenie jej twardości i zmniejszyć zjawisko tworzenia się wgnieceń. Wgniecenia stanowią warunki sprzyjające tworzeniu się wypaleń, ponieważ wgniecenia mogą utworzyć miała nieszczelność, przez którą przepływa gorący gaz. Gorący gaz może nagrzewać materiał wokół nieszczelności do temperatury przy której gaz ze składnikami aktywnymi wywiera oddziaływanie korodujące na materiał przylgni, a wówczas nieszczelność szybko się rozrasta i natężenie przepływu gorącego gazu rośnie, co powoduje eskalację erozji. Oprócz zwiększania twardości, materiałom przylgni starano się także nadać wyższą odporność na korozję termiczną w celu opóźnienia erozji po wystąpieniu małej nieszczelności.

Zawór wylotowy powyższego typu, wykonany z materiału NIMONIC 80A opisano w artykule „Herstellung von Ventilspindeln aus einer Nickelbasislegierung fur Schiffsdieselmotoren, Berg- und Huttenmannische Monatshefte, tom 130, wrzesień 1985, Nr 9. Kucie na gorąco prowadzi się w taki sposób, że uzyskuje się wysoką twardość w obszarze przylgni. Biorąc pod uwagę mechaniczne właściwości zaworu wylotowego, takie jak wytrzymałość zmęczeniowa itp., artykuł zaleca, aby zawór z materiału NIMONIC 80A miał umowną granice plastyczności wynoszącą co najmniej 800 MPa.

Europejski opis patentowy nr EP-A-0 280467 ujawnia zawór wylotowy wykonany z materiału NIMONIC 80A, wytwarzanego z półwyrobu kutego na żądany kształt po wyżarzaniu rekrystalizującym. Przylgnia zaworu jest więc obrabiana na zimno w celu zapewnienia wysokiej twardości. Następnie zawór może być utwardzany wydzieleniowo.

Książka „Diesel engine combustion chamber materials for heavy fuel operation” opublikowana w 1990 przez The Institute of Marine Engineers w Londynie, w szeregu artykułów zawiera doświadczenie zebrane w dziedzinie materiałów na zawory wylotowe i dostarcza zaleceń odnośnie konstruowania zaworów pod kątem uzyskania długiego okresu trwałości. Co się tyczy przylgni zaworów, artykuły te jednogłośnie stwierdzają, że materiał przylgni musi mieć wysoką twardość i być materiałem o wysokiej odporności na korozję na gorąco. Szereg różnorodnych, korzystnych materiałów na zawory wylotowe omówiono w artykule 7 książki „The physical and mechanical properties of valve alloys and their use in component evaluation analyses”, włączając do zawartej w nim analizy mechanicznych właściwości materiałów tablicę porównawczą umownej granicy plastyczności, wynoszącej poniżej około 820 MPa.

Jest rzeczą pożądaną przedłużenie żywotności zaworu wylotowego, a w szczególności zmniejszenie lub uniknięcie nie przewidywalnego i szybkiego rozwoju wypaleń w obszarze przylgni zaworu. Zgłaszający przeprowadził próby z powstawaniem wgnieceń w materiałach przylgni i w przeciwieństwie do ustalonego stanu wiedzy odkrył nieoczekiwanie, że twardość materiału przylgni ma niewielki wpływ na pojawianie się wgnieceń.

Celem mniejszego wynalazku jest zatem dostarczenie zaworu wylotowego wykonanego w obszarach przylgni z materiałów, w przypadku których wzięto pod uwagę mechanizm prowadzący do powstawania wgnieceń, dzięki czemu osłabia się lub eliminuje podstawowy warunek występowania wypaleń.

Tak więc zawór wylotowy według wynalazku charakteryzuje się tym, że grzybek zaworu jest wykonany ze stopu na bazie niklu, który może osiągnąć wartość umownej granicy plastyczności co najmniej 1000 MPa, a obszarowi przylgni na górnej powierzchni grzybka zaworu nadano właściwości zapobiegające powstawaniu wgnieceń przez nadanie umownej granicy plastyczności (Rp0,2/ wynoszącej co najmniej 1000 MPa w temperaturze około 20°C drogą

187 245 odkształcenia termomechanicznego i ewentualnie obróbki cieplnej podwyższającej wartość umownej granicy plastyczności.

Wgniecenia tworzą się w wyniku oddziaływania cząstek produktów spalania, takich jak cząstki koksu, które płyną z komory spalania poprzez zawór i do układu wylotowego gdy zawór wylotowy jest otwarty. Gdy zawór zamyka się, cząstki mogą zostać pochwycone pomiędzy zamykającymi się powierzchniami uszczelniającymi przylgni i gniazda zaworowego.

Badając liczne wgniecenia, na trzonkach pracujących zaworów zaobserwowano, że nowe wgniecenia bardzo rzadko osiągają górne obrzeże zamykające tzn. linię obwodową, wzdłuż której górna krawędź nieruchomego elementu zaworu styka się z ruchomą, stożkową przylgnią zaworową. W praktyce wgniecenia kończą się w odległości około 0,5 mm od obrzeża zamykającego, które to zjawisko pozostaje nie wyjaśnione, ponieważ także w tym obszarze można oczekiwać pochwycenia cząstki.

Teraz właśnie stwierdzono, że brak wgnieceń bezpośrednio przy obrzeżu zamykającym spowodowany jest faktem, że cząstki koksu i inne, nawet bardzo twarde cząstki, ulegają rozbiciu na proszek zanim zawór zamknie się całkowicie. Część proszku zostaje wydmuchnięta równocześnie z rozbiciem cząstek, ponieważ gaz z komory spalania przepływa przez szczelinę pomiędzy zamykającymi się powierzchniami uszczelniającymi w przybliżeniu z prędkością dźwięku. Wysoka prędkość gazu powoduje wydmuchnięcie proszku znajdującego się w pobliżu obrzeża zamykającego, a nieobecność wgnieceń poza obrzeżem pokazuje, że prawie wszystkie cząstki chwytane pomiędzy powierzchniami uszczelniającymi ulegają sproszkowaniu. Nawet bardzo grube cząstki tracą grubość w wyniku skruszenia i wydmuchiwania proszku, a w praktyce wytrącone stosiki proszku mogącego spowodować wgniecenia mają największą grubość równą 0,5 mm, a normalną grubość maksymalną rzędu 0,3-0,4 mm.

W szczególności w najnowszych rozwiązaniach silników, w których maksymalne ciśnienie może wynosić 19,5 MPa, nacisk na dolną powierzchnię grzybka może osiągać do 400 ton. Gdy zawór wylotowy jest zamknięty i ciśnienie w komorze spalania osiąga maksimum, powierzchnie uszczelniające są całkowicie dociśnięte do siebie wokół zamkniętego stosiku proszku. Nie można temu zapobiec bez względu na to, jak twarde są przylgnie i gniazda.

Gdy rozpoczyna się spalanie paliwa i wzrasta ciśnienie w cylindrze, a tym samym nacisk na grzybek zaworu, zamknięty stosik proszku zaczyna wędrować w głąb dwóch powierzchni uszczelniających, a jednocześnie materiały przylgni ulegają odkształceniu sprężystemu. Podczas tego odkształcania sprężystego nacisk powierzchniowy pomiędzy stosikiem proszku a powierzchniami uszczelniającymi wzrasta, co zwykle powoduje taką deformację stosika proszku, że zajmuje on większą powierzchnie. Jeżeli stosik proszku jest dostatecznie gruby, odkształcenie sprężyste zachodzi nadal, aż do osiągnięcia przez nacisk w obszarze styku stosiku proszku wartości umownej granicy plastyczności materiału przylgni o najniższej umownej granicy plastyczności, po czym ten materiał przylgni ulega odkształceniu plastycznemu i rozpoczyna się proces powstawania wgniecenia. Odkształcenie plastyczne może spowodować wzrost umownej granicy plastyczności w wyniku utwardzania przez zgniot. Gdy obydwa materiały przylgni w lokalnym obszarze wokół stosiku proszku uzyskają w ten sposób jednolite umowne granice plastyczności, stosik proszku rozpoczyna odkształcanie plastyczne także drugiego materiału przylgni.

Jeżeli chce się przeciwdziałać powstawaniu wgnieceń, nie można tego uczynić, jak już wspomniano powyżej, poprzez zwiększenie twardości materiału przyigni, a zamiast tego należy je uczynić sprężystymi, co uzyskuje się wykonując obszary przylgni o wysokiej umownej granicy plastyczności. Wyższa umowna granica plastyczności zapewnia dwojaki efekt. Po pierwsze, materiał przylgni o wyższej umownej granicy plastyczności może być wystawiany na większe naprężenia sprężyste, a więc może wchłonąć grubszy stosik proszku zanim wystąpi odkształcenie plastyczne. Drugi zasadniczy efekt wiąże się z charakterem powierzchni uszczelniających w obszarach leżących naprzeciw stosiku proszku. Profil wgniecenia utworzonego w wyniku odkształcenia plastycznego jest równy i gładki, sprzyjając uzyskaniu przez stosik proszku większej średnicy, co częściowo zmniejsza naprężenia w strefie styku w wyniku zwiększenia powierzchni styku. W chwili przejścia od odkształcenia sprężystego do plastycznego powstaje szybko wgniecenie o głębszym i bardziej nieregularnym profilu, które

187 245 spowoduje niekorzystne zakotwiczenie stosiku proszku a więc będzie przeciwdziałać dalszemu korzystnemu powiększaniu średnicy stosiku.

Próby wykazały, że w zaworze wylotowym stosik proszku o grubości około 0,14 mm może ulec wchłonięciu pomiędzy dwoma obszarami przylgni wykonanych z materiałów o dolnej granicy dla umownej granicy plastyczności równej 1000 MPa, bez jakiegokolwiek odkształcenia powierzchni uszczelniających. Duża część cząstek pochwyconych pomiędzy powierzchniami przylgni ulegnie skruszeniu do grubości około 0,15 mm. Zawór wylotowy według wynalazku uniemożliwia znaczącej liczbie cząstek tworzenie wgnieceń, ponieważ powierzchnia przylgni po prostu powraca do początkowego kształtu gdy zawór otwiera się i w tym samym czasie reszta pokruszonych cząstek ulega zdmuchnięciu z powierzchni przylgni.

Mając na względzie wzrost właściwości sprężystych obszaru przylgni, korzystne jest aby materiał obszaru przylgni miał umowną granice plastyczności wynoszącą co najmniej 1100 MPa, korzystnie co najmniej 1200 MPa. Moduł Younga dla aktualnie stosowanych materiałów przylgni pozostaje zasadniczo niezmieniony przy wzrastającej umownej granicy plastyczności, co daje w przybliżeniu liniową zależność pomiędzy umowną granicą plastyczności a największym odkształceniem sprężystym. Z powyższego rozumowania wynika, że materiał przylgni o umownej granicy plastyczności równej 2500 MPa lub większej byłby idealny, ponieważ mógłby wchłonąć stysiki proszku o zwykle najczęściej występującej grubości wyłącznie w drodze odkształcenia sprężystego. Obecnie jednak brak jest odpowiednich materiałów o tak wysokiej umownej granicy plastyczności. Z dalszego ciągu opisu wyniknie, że niektóre spośród materiałów przylgni dostępnych obecnie mogą być obrabiane w sposób powodujący wzrost umownej granicy plastyczności do co najmniej 1100 MPa. Przy zachowaniu tych samych wartości pozostałych parametrów, ten 10% wzrost umownej granicy plastyczności spowoduje co najmniej 10%o zmniejszenie głębokości wszelkich wgnieceń. Dla większości typów cząstek odpowiednia granica 1200 MPa jest dostatecznie wysoka, aby zapewnić zauważalne zmniejszenie grubości stosiku, co w konsekwencji może spowodować zmniejszenie głębokości wgnieceń o około 30%, lecz równocześnie ogranicza liczbę możliwych do zastosowania materiałów. Dotyczy to również materiałów przylgni o umownej granicy plastyczności równej co najmniej 1300 MPa.

W szczególnie korzystnym przykładzie wykonania wynalazku materiał obszaru przylgni ma umowną granicę plastyczności wynoszącą co najmniej 1400 MPa. Ta umowna granica plastyczności jest co najmniej dwukrotnie większa niż w przypadku aktualnie stosowanych materiałów, a opierając się na obecnym zrozumieniu mechanizmu powstawania wgnieceń uważa się, że materiał o tak wysokiej umownej granicy plastyczności może w znacznym stopniu wyeliminować problemy z wypalaniem przylgni. Głębokość nielicznych wgnieceń, jakie mogą utworzyć się w tym materiale przylgni, będzie zbyt mała na to, aby umożliwić przepływ gorącego gazu poprzez nieszczelność w ilości dostatecznie dużej dla podgrzania materiału przylgni do temperatury, w której korozja na skutek gorąca staje się znacząca.

W jednej z postaci wynalazku obszary przylgni odpowiednio na nieruchomym elemencie zaworu i grzybku zaworu mają tę samą umowną granicę plastyczności w temperaturze roboczej obszarów przylgni. Równomierne w znacznym stopniu wartości umownej granicy plastyczności obydwu materiałów dają w efekcie w przybliżeniu ten sam sposób odkształcania obydwu powierzchni uszczelniających gdy stosik proszku jest ściskany pomiędzy nimi, co zmniejsza wynikowe odkształcenie plastyczne każdej z powierzchni. Nieruchomy obszar przylgni jest chłodniejszy niż obszar przylgni na trzpieniu, co oznacza, że materiał trzpienia powinien mieć wyższą umowną granicę plastyczności w temperaturze około 20°C, wziąwszy pod uwagę fakt, że umowna granica plastyczności wielu materiałów obniża się w wyższej temperaturze. Postać ta jest szczególnie korzystna gdy nieruchomy obszar przylgni wykonano z materiału odpornego na korozję termiczną.

Gdy nieruchomy obszar przylgni jest wykonany z hartowanej stali lub żeliwa, obszar przylgni na elemencie nieruchomym ma znacznie wyższą umowną granicę plastyczności niż obszar przylgni na zaworze w roboczej temperaturze obu przylgni. W takiej konstrukcji wszelkie wgniecenia powstawać będą na trzonku zaworu. Zapewnia to dwojaką korzyść. Po pierwsze, obszar przylgni na trzonku jest normalnie wykonany z materiału odpornego na korozję

187 245 termiczną gorąco, toteż jakiekolwiek wgniecenia będą o wiele trudniej przekształcać się w wypalenia niż gdyby wgniecenie znajdowało się na elemencie nieruchomym. Po drugie, trzonek obraca się tak, że przy każdym zamknięciu zaworu wgniecenie znajdzie się w nowym położeniu względem nieruchomej powierzchni uszczelniającej, przez co oddziaływanie cieplne będzie rozłożone na nieruchomej powierzchni przylgni.

Obecnie zostaną wymienione różne materiały mogące mieć zgodnie z wynalazkiem zastosowanie jako materiały na grzybki i przylgnie. Należy zauważyć, że NIMONIC jest znakiem zastrzeżonym, będącym własnością INCO Alloys.

Korzystnie, cały półfabrykat lub co najmniej cały grzybek zaworu wykonany jest ze stopu NIMONlC. Dobrze znane jest zastosowanie stopów NIMONIC 80, NiMONIC 80A czy NIMONIC 81, które wykazały dobre właściwości eksploatacyjne pod względem zużycia i odporności na korozję w korodującym środowisku, jakie występuje w komorze spalania dużego silnika wysokoprężnego. Można także stosować stop NlMONlC Alloy 105, który po odlaniu i zwykłym przekuciu półfabrykatu podstawowego ma umowną granicę plastyczności równą około 800 MPa, i który doprowadzono do wartości powyżej 1000 MPa po zgniocie na zimno równym w przybliżeniu 15%. Można także zastosować NiMONIC PK50, który może być obrabiany plastycznie na zimno i utwardzany wydzieleniowo, do umownej granicy plastyczności równej około 1100 MPa. W przypadku znanych stopów NIMONIC i stopnia odkształcenia 70% w obszarze przylgni, możliwe jest uzyskanie umownej granicy plastyczności równej w przybliżeniu 1400 MPa. Możliwe jest również dalsze zwiększenie umownej granicy plastyczności poprzez obróbkę cieplną drogą utwardzania wydzieleniowego.

Na dobór procesu technologicznego może wpływać wielkość zaworu wylotowego, ponieważ obróbka plastyczna na zimno przy dużym zgniocie procentowym wymaga użycia oprzyrządowania o dużej wytrzymałości gdy grzybek zaworu ma duże wymiary, przykładowo przy średnicy zewnętrznej 130 mm - 500 mm.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zawór wylotowy według wynalazku w przekroju wzdłużnym, fig. 2 dwa obszary przylgni w przekroju cząstkowym z naszkicowanymi typowymi wgnieceniami, fig. 3-6 przedstawiają, w przekroju cząsteczkowym, kruszenie cząstek i początkowe etapy powstawania wgnieceń, fig. 7 i 8 - powstawanie wgnieceń na powiększonych przekrojach cząstkowych, fig. 9 przedstawia powierzchnie bezpośrednio po otwarciu zaworu.

Figura 1 przedstawia zawór wylotowy 1, przeznaczony do dużego, dwusuwowego silnika spalinowego, mogącego mieć średnicę cylindra 250 - 1000 mm. Nieruchomy element 2 zaworu wylotowego, zwany także elementem dolnym, jest zamontowany w głowicy cylindra, tu nie pokazanej. Zawór wylotowy ma ruchomy trzonek 3, mający na swym dolnym końcu grzybek 4 zaworu i połączony swym drugim końcem w dobrze znany sposób z siłownikiem hydraulicznym do otwierania zaworu i z pneumatyczną sprężyną powrotną, przemieszczającą trzonek do położenia zamknięcia. Fig. 1 przedstawia zawór w położeniu częściowo otwartym.

Gdy pożądana jest wyższa odporność na korozję niż możliwa do uzyskania w przypadku materiału podstawowego, wówczas dolna powierzchnia grzybka zaworu może być wyposażona w warstwę materiału 5 odpornego na korozję termiczną. Pierścieniowy obszar 6 przylgni na górnej powierzchni grzybka zaworu znajduje się w pewnej odległości od zewnętrznego obrzeża grzybka i ma stożkową powierzchnię uszczelniającą 7. Mimo iż obszar przylgni na figurze ma inne oznaczenie niż grzybek, należy rozumieć, że obydwie części wykonane są z tego samego stopu. Grzybek zaworu do dużego, dwusuwowego silnika wodzikowego może mieć średnicę zewnętrzną 120 - 500 mm w zależności od średnicy wewnętrznej cylindra.

Nieruchomy element zaworu jest także wyposażony w nieco wystający obszar 8 przylgni, tworzący pierścieniową, stożkową powierzchnię uszczelniającą 9, która opiera się o powierzchnię uszczelniającą 7 gdy zawór jest zamknięty. Ponieważ grzybek zaworu zmienia kształt podczas rozgrzewania się do temperatury roboczej, powierzchnię przylgni projektuje się tak, aby dwie powierzchnie uszczelniające byty równoległe w roboczej temperaturze zaworu co oznacza, że na zimnym grzybku zaworu powierzchnia uszczelniająca 7 opiera się o powierzchnię uszczelniającą 9 tylko wzdłuż górnego obrzeża 10 tej ostatniej, usytuowanego najdalej od komory spalania.

187 245

Figura 2 przedstawia typowe wgniecenie 11, kończące się w przybliżeniu w odległości około 0,5 mm od obrzeża zamykającego na powierzchni uszczelniającej 7, a mianowicie łuku koła, na którym górne obrzeże 10 uderza o powierzchnię uszczelniającą 7, co pokazano pionową linią punktową.

Figura 3 przedstawia twardą cząstkę 12, która uległa pochwyceniu pomiędzy dwiema powierzchniami uszczelniającymi 7, 9 bezpośrednio przed całkowitym zamknięciem zaworu. Podczas trwającego ruchu w kierunku zamknięcia zaworu cząstka ulega skruszeniu na proszek, którego znaczną część porywa gaz przepływający pomiędzy przylgniami z prędkością dźwięku, jak pokazano strzałką A na fig. 4. Część proszku z rozkruszonej cząstki pozostanie unieruchomiona pomiędzy powierzchniami uszczelniającymi 7, 9 ponieważ cząstki najbliższe powierzchniom są zatrzymywane przez siły tarcia, a cząstki w przestrzeni wewnętrznej są zatrzymywane przez siły ścinania w proszku. W efekcie tworzą się stożkowate stosiki proszku zwrócone wierzchołkami do siebie. Dotychczas przyjmowane założenie odnośnie chwytania stałej cząstki pomiędzy powierzchniami przylgni jest więc nieprawidłowe. Zamiast tego występuje zmniejszenie ilości materiału pochwyconego pomiędzy przylgniami, ponieważ część proszku ulega wydmuchnięciu.

W dalszym ciągu ruchu związanego z zamykaniem zaworu, stożkowate skupiska proszku zapadają się i rozkładają w płaszczyźnie styku powierzchni, do postaci soczewkowatego skupiska proszku czyli stosiku proszku, jak pokazano na fig. 5. Stwierdzono, że to soczewkowate skupisko proszku ma grubość maksymalną równą 0,5 mm, a normalne grubości największych skupisk wynoszą 0,3 - 0,4 mm.

Figura 6 przedstawia sytuację, gdy zawór jest zamknięty, lecz przed zamknięciem ciśnienie w komorze spalania wzrasta w wyniku spalania paliwa. Pneumatyczna sprężyna powrotna sama w sobie nie jest dostatecznie silna, aby dociągnąć powierzchnię uszczelniającą 7 sposób całkowicie szczelny do powierzchni uszczelniającej 9 w obszarze wokół skupiska proszku.

Gdy ciśnienie w komorze spalania wzrasta po zapłonie paliwa, skierowana ku górze siła nacisku na dolną powierzchnię grzybka znacznie wzrasta, dociskając powierzchnie uszczelniające do siebie i równocześnie skupisko proszku zaczyna odkształcać sprężyście powierzchnie uszczelniające. Jeżeli skupisko proszku jest dostatecznie grube, a umowna granica plastyczności materiału nie jest dostatecznie wysoka, odkształcenie sprężyste przejdzie w odkształcenie plastyczne, czyniąc wgniecenie trwałym. Fig. 7 przedstawia sytuację, w której nieruchomy obszar 8 przylgni ma najwyższą umowną granice plastyczności i w której obszar 6 przylgni na grzybku zaworu ulega odkształceniu sprężystemu do punktu tuż poniżej umownej granicy plastyczności. Podczas trwającego nadal ściskania do całkowicie ściśniętego położenia powierzchni uszczelniających, pokazanego na fig. 8, skupisko proszku zagłębia się w powierzchnie uszczelniającą, przy czym materiał przylgni ulega odkształceniu plastycznemu.

Gdy zawór ponownie otwiera się, wypływający gaz wydmuchuje cząstki, jak pokazano na fig. 9 i równocześnie materiały przylgni powracają sprężyście do stanu bez obciążenia. W zależności od tego, w jakim stopniu wystąpiło odkształcenie plastyczne na jednej lub obydwu powierzchniach przylgni, na powierzchni uszczelniającej wystąpi trwałe wgniecenie 11 o mniejszej głębokości niż największe wgniecenie wykonane przez skupisko proszku. Im wyższa umowna granica plastyczności, tym mniejsze wgniecenie.

Poniżej podane zostaną przykłady składów chemicznych odpowiednich materiałów. Wszystkie ilości podano w procentach wagowych, pomijając nieuniknione zanieczyszczenia. Należy także wspomnieć, że wartości umownej granicy plastyczności w niniejszym opisie oznaczają średnią umowną granicę plastyczności w temperaturze 20°C, chyba że podano inną temperaturę. Stopy są stopami na bazie niklu z zawartością chromu (lub stopami na bazie chromu z zawartością niklu) i mają tę właściwość, że nie ma wprost proporcjonalnej zależności pomiędzy twardością stopu a jego umowną granica plastyczności, lecz przeciwnie, istnieje prawdopodobnie zależność pomiędzy twardością a wytrzymałością na rozciąganie. W odniesieniu do tych stopów, umowna granica plastyczności oznacza granicę dla odkształcenia 0,2 (Rp0,2)·

Stop NLMONIC Alloy 105 ma skład nominalny: 15% Cr, 20% Co, 5% Mo, 4,7% Al, do 1% Fe, 1,2% Ti i resztę Ni.

187 245

Stop NIMONIC 80A zawiera do 0,1% C, do 1% Si, do 0,2% Cu, do 3% Fe, do 1% Mn, 18-21% Cr, 1,8-2,7% Ti, 1,0-1,8% Al, do 2% Co, do 0,3% Mo, do 0,1% Zr, do 0,008% B, do 0,015% S i resztę Ni.

Stop NIMONIC 80 zawiera nominalnie 0,04% C, 0,47% Si, 21% Cr, 0,56% Mn, 2,45% Ti, 0,63% Al i resztę Ni.

Stop NIMONIC 81 zawiera do 0,1% C, 29-31% Cr, do 0,5% Si, do 0,2% Cu, do 1% Fe, do 0,5% Mn, 1,5-2% Ti, do 2% Co, do 0,3% Mo, 0,7-1,5% Al i resztę Ni.

Stop NIMONIC PK50 zawiera nominalnie 0,03% C, 19,5% Cr, 3% Ti, 1,4% Al, do 2% Fe, 13-15,5% Co, 4,2% Mo i resztę Ni.

Stop Rene 220 zawiera 10-25% Cr, 5-25% Co, do 10% Mo+W, do 11% Nb, do 4% Ti, do 3% Al, do 0,3% C, 2-23% Ta, do 1% Si, do 0,015% S, do 5% Fe, do 3% Mn i resztę Ni. Nominalnie stop Rene 220 zawiera 0,02% C, 18% Cr, 3% Mo, 5% Nb, 1% Ti, 0,5% Al, 3% Ta i resztę niklu. Odkształcenie połączone z utwardzaniem wydzieleniowym może dać niezwykle wysoką umowną granice plastyczności w tym materiale. Przy odkształceniu rzędu 50% w temperaturze 955°C umowna granica plastyczności osiąga w przybliżeniu 1320 MPa; przy Dokształceniu rzędu 50% przy 970°C umowna granica plastyczności osiąga w przybliżeniu 1400 MPa; przy odkształceniu rzędu 50% przy 990°C umowna granica plastyczności osiąga w przybliżeniu 1465 MPa, zaś przy odkształceniu rzędu 25% przy 970°C umowna granica plastyczności osiąga w przybliżeniu 1430 MPa. Zastosowano utwardzanie wydzieleniowe przez 8 godzin w temperaturze 760°C, a następnie przez 24 godziny w temperaturze 730°C i przez 24 godziny w temperaturze 690°C.

Co się tyczy podanych wyżej składów nominalnych jest rzeczą oczywistą, że w praktyce, w zależności od aktualnie wytwarzanego stopu, wystąpić mogą odchylenia od składu nominalnego, jak również mogą wystąpić nieuniknione zanieczyszczenia we wszystkich składach chemicznych.

Literatura techniczna opisuje szczegółowo sposoby obróbki cieplnej różnorodnych stopów w celu uzyskania utwardzenia wydzieleniowego, a obróbka cieplna w celu uzyskania wyżarzania rekrystalizującego oraz temperatury rekrystalizacji są także dobrze znane.

Proces odkształcenia termomechanicznego dla podwyższenia umownej granicy plastyczności obejmuje obróbkę plastyczną materiału na zimno i gorąco znanymi sposobami, np. poprzez walcowanie lub kucie obszaru przylgni bądź inaczej poprzez pobijanie lub młotkowanie tej powierzchni. Po odkształceniu można przeszlifować uszczelniającą powierzchnię przylgni.

Aby zmniejszyć siły wymagane w procesie odkształcenia termomechanicznego, półfabrykat wraz z obszarem przylgni można poddać wyżarzaniu rekrystalizującemu, np. przez 0,1-2 godziny w temperaturze 1000 - 1200°C w zależności od składu chemicznego materiału, a następnie hartowaniu bądź w kąpieli solnej do temperatury pośredniej (zwykle 500°C) z następującym chłodzeniem na powietrzu do temperatury otoczenia, bądź poprzez hartowanie w atmosferach ochronnych i chłodzenie do temperatury otoczenia. Następnie można prowadzić obróbkę plastyczną na gorąco lub na zimno. Aby utrzymać siły na odpowiednio niskim poziomie, obróbkę plastyczna korzystnie prowadzi się w podwyższonej temperaturze około 9001000°C, a mianowicie poniżej lub w okolicy dolnej granicznej temperatury rekrystalizacji, która zwykle wynosi 950-1050°C. W przypadku procesu z obróbką na gorąco, chłodzenie od temperatury wyżarzania rekrystalizującego w przybliżeniu do temperatury rekrystalizacji można korzystnie prowadzić bez uprzedniego chłodzenia do temperatury otoczenia. Możliwe jest prowadzenie obróbki plastycznej w wielu etapach bez podgrzewania pośredniego. W przypadku obróbki plastycznej na zimno ze zgniotem około 20% można zwykle osiągnąć umowną granicę plastyczności równą 1200 MPa. Jeżeli pożądana jest specjalnie wysoka umowna granica plastyczności, po zakończeniu obróbki plastycznej obszar przylgni można poddać utwardzaniu wydzieleniowemu, które może np. trwać 24 godziny w temperaturze 850°C, a następnie przez 16 godzin w temperaturze 700°C.

Półfabrykat podstawowy po wyżej opisanej obróbce można wytworzyć drogą odlewania i klasycznego kucia, bądź alternatywnie z użyciem technologii z dziedziny metalurgii proszków, takich jak procesy HIP albo CIP w połączeniu z wytłaczaniem na gorąco lub podobnym procesem obróbki plastycznej.

187 245

Trzonek zaworu może być wykonany z materiału innego niż materiał grzybka i w takim przypadku może być zgrzewany tarciowo z grzybkiem.

FIG.3

FIG.

FIG.5

FIG. 6

FIG.1

FIG.8

FIG.9

187 245

FIGI

FIG.2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Zawór wylotowy do silnika spalinowego wewnętrznego spalania, w szczególności do dwusuwowego silnika wodzikowego, zawierający ruchomy trzonek z grzybkiem zaworu ze stopu na bazie niklu, który tworzy także pierścieniowy obszar przylgni na górnej powierzchni grzybka zaworu, który to obszar przylgni styka się z odpowiadającym mu obszarem przylgni na stacjonarnym elemencie zaworu gdy zawór jest zamknięty, przy czym obszar przylgni grzybka zaworu jest poddany w procesie wytwarzania procesowi odkształcenia termomechanicznego, w trakcie którego materiał ulega co najmniej częściowej obróbce plastycznej na zimno, znamienny tym, że grzybek (4) zaworu jest wykonany ze stopu na bazie niklu, który może osiągnąć wartość umownej granicy plastyczności co najmniej 1000 MPa, a obszarowi (6) przylgni na górnej powierzchni grzybka (4) zaworu nadano właściwości zapobiegające powstawaniu wgnieceń przez nadanie umownej granicy plastyczności (Rp0,2) wynoszącej co najmniej 1000 MPa w temperaturze około 20°C drogą odkształcenia termomechanicznego i ewentualnie obróbki cieplnej podwyższającej wartość umownej granicy plastyczności.
2. Zawór wylotowy według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał obszaru (6) przylgni jest stopem na bazie niklu mającym umowną granicę plastyczności wynoszącą co najmniej 1100 MPa, korzystnie co najmniej 1200 MPa.
3. Zawór wylotowy według zastrz. 2, znamienny tym, że materiał obszaru (6) przylgni jest stopem na bazie niklu mającym umowną granicę plastyczności wynoszącą co najmniej 1300 MPa, korzystnie co najmniej 1400 MPa.
4. Zawór wylotowy według zastrz. 1, znamienny tym, że obszary (6, 8) przylgni odpowiednio na elemencie nieruchomym zaworu i grzybku zaworu mają taką samą umowną granicę plastyczności w roboczej temperaturze obszarów przylgni.
5. Zawór wylotowy według zastrz. 1, znamienny tym, że obszar (8) przylgni na elemencie nieruchomym ma wyższą umowną granicę plastyczności niż obszar (6) przylgni na grzybku (4) zaworu w roboczej temperaturze obszarów przylgni.
6. Zawór wylotowy według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, znamienny tym, że zewnętrzna średnica grzybka (4) zaworu wynosi 130 mm - 500 mm.