Прогорел клапан

Клапанный узел ДВС — один из самых ответственных узлов, определяющий общий срок службы двигателя с начала его эксплуатации и до капитального ремонта. Механические клапаны любого мотора работают в критических и агрессивных условиях. Они принимают воздействие нескольких факторов:
• высокой термонагрузки (температура клапаной готовки может достигать до 930 ◦С);
• циклических растяжений и как следствие соответствующие напряжения (стержень);
• высоких динамических нагрузок (фаски тела клапанов и седла посадки, особенно при закрытии и в начале открытия системы);
• резких теплосмен;
• повышенных многократных контактных нагрузок (торец стержня);
• изнашивания металла (взаимодействующие детали  испытывают мощные  удары головки клапана о посадочное седло, с высокой скоростью и частотой);
• коррозионного воздействия химически-агрессивных отработавших газов при высокой температуре;
• эрозионного воздействия струй газа и продуктов неполного сжигания используемого топлива.

Все эти воздействия в период эксплуатации отрицательно влияют на механические свойства материала, газовую коррозию, вызывая эрозию, коробление деталей головок клапана. После определенного этапа работы седло может покрыться налетом, который под воздействием высокой температуры очень сильно нагревается, и  как следствие приводит к выгаранию опорной поверхности самого клапана и отсутствие  его герметичности. Не герметичность системы впуска и выпуска, естественно, приводит к сбоям в работе мотора: тяжелому запуску, особенно в зимний период, снижению мощности мотора и др.

В связи с этим к материалу клапанов предъявляют повышенные требования:
• высокая жаростойкость (сопротивление газовой коррозии);
• жаропрочность (способность выдерживать нагрузки при по-вышенной температуре);
• термостойкость (способность выдерживать теплосмены);
• износостойкость, эрозионная стойкость;
• высокая ударная вязкость.

В зависимости от мощности и конструкции двигателя для изготовления клапанов применяют стали мартенситного класса (сильхромы), стали аустенитного класса, никелевые сплавы, а также керамику и металлокерамику. Применяют также жаростойкие наплавки на головки клапанов. Возможны также варианты, когда клапан (например, выпускной) изготовляется составным из сталей двух марок. Самый большой урон любым видам деталей системы  наносит аэрогазовая  коррозия.

Газовая коррозия — это химический процесс, вызываемая воздействием отработанных паров и газов (обычно вследствие воздействия высокой температуры). Все металлы и их сплавы подвержены окислению кислородом, парами водных растворов, оксидами углерода и серы. На их поверхности образуются оксидные пленки. Работоспособность сплава зависит от защитных свойств оксидов и определяется следующими параметрами:
• макросплошностью оксидной пленки, т. е. соотношением удельных объемов сплава и оксида (оно должно быть оптималь ным);
• микросплошностью, т. е. отсутствием вакантных мест в кристаллической решетке оксида, через которые может проникать кислород;
• удовлетворительной прочностью и пластичностью оксидной пленки при рабочей температуре;
• близостью ТКЛР оксида и сплава, что гарантирует отсутствие трещин при работе клапана в условиях теплосмен.

На нелегированном железе при нагреве образуется окалина, состоящая из оксидов FeO, Fe3O4 и Fe2O3. При повышении температуры свыше 575 ◦С в структуре окалины преобладает оксид FeO, который не является защитным, и скорость окисления резко возрастает. Для обеспечения жаростойкости сплавы  композиции «железо — сталь» должны быть легированы хромом, алюминием и кремнием, элементами, которые имеют огромное сходство к кислороду, чем чистое железо, и образуют на поверхности собственные оксиды или шпинели FeCr2O4 и FeAl2O4, обладающие макро- и микро- сплошностью. Чем больше содержание хрома в стали, тем выше жаростойкость и, следовательно, больше допустимая рабочая температура.

Содержание алюминия и кремния в сталях ограничено, так как эти элементы существенно снижают пластичность. Поскольку стали должны обладать не только жаростойкостью, но и другими требуемыми свойствами, они содержат другие легирующие элементы: никель, марганец, титан, молибден и пр. По влиянию на матричную структуру сталей легирующие элементы подразделяют на две группы: феррито- и аустенитообразующие. К первым относятся хром, молибден, ванадий, кремний, алюминий, ко вторым — углерод, никель, марганец, кобальт. Учитывая баланса между этими двумя группами элементов стали могут иметь аустенитную, ферритную (или смешанную) или мартенситную структуру. Хром как основной элемент, обеспечивающий защиту стали от воздействия окружающей среды, присутствует практически во всех жаростойких сталях. При процентном содержании хрома более 12  хромистые стали имеют ферритную структуру, так как на бинарной диаграмме «железо — хром» существует широкая область феррита (кристаллические решетки α-железа и хрома имеют одинаковую ОЦК-структуру). Основным аустенитообразующим элементом в жаростойких сталях является никель, на бинарной диаграмме которого с железом существует большая область γ твердых растворов, поскольку кристаллические решетки γ железа и никеля имеют одинаковую ГЦК-структуру.

В автомобильных, тракторных и авиационных двигателях клапаны изготовляют из сильхромов — сталей мартенситного класса, легированных кремнием и хромом. Требуемые для клапанных сталей свойства обеспечиваются соответствующим легированием и термообработкой.

Для выпускных клапанов форсированных двигателей используют специальные хромоникелевые клапанные стали с аустенитной структурой, которые по сравнению со сталями на основе ОЦК–Fe имеют более высокую температуру рекристаллизации. Кроме того, в компактной решетке ГЦК медленнее протекают диффузионные процессы, поэтому аустенитная матрица может растворить большее количество хрома и других тугоплавких элементов (Mo, W, Nb), что обеспечивает высокую жаропрочность и жаростойкость.

Для изготовления клапанов, тарелок клапанных пружин, толкателей поршневых ДВС в настоящее время применяют КМ, представляющий собой порошковый силумин, армированный частицами оксидов (Al2O3, ZrO2, SiO2) (Crysler), а также порошковый алюминий с коррозионно-стойкой сталью (Ford, General Motors). Для выпускных клапанов успешно применяют керамику в виде нитрида кремния Si3N4 (Daimler Benz), а также металлокерамику (Mercedes Benz), что понижает массу детали по сравнению со стальной примерно на 60 %. Кроме снижения массы подвижных деталей повышаются жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, увеличивается стабильность размеров, уменьшаются потери на трение. Все это позволяет уменьшить расход топлива и улучшить экологические характеристики двигателя.