RU167624U1

RU167624U1 - Valve seat

Info

Publication number: RU167624U1
Application number: RU2016123998U
Authority: RU
Inventors: Владимир Евгеньевич Низовцев; Лев Аронович Финкельберг; Денис Александрович Климов; Андрей Дмитриевич Бортников
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2017-01-10

Abstract

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. Технический результат заключается в исключении деформации седла и его прогорание под действием высоких температур в связи с равномерностью охлаждения периферии седла и повышением его термической прочности. Сущность полезной модели заключается в том, что седло клапана представляет собой тело вращения, установленное в газовом канале и выполненное из композиционного материала, выполненного из металлокерамоматричного композиционного материала на основе карбида кремния при следующем соотношении масс. % компонентов:Полезная модель позволяет решить проблему повышения надежности седла клапана механизма газораспределения в условиях повышенных температур. 1 ил. 1 таб.The utility model relates to the field of engine building, namely to the valve seat, and can be used mainly in the gas distribution mechanism of reciprocating internal combustion engines, as well as in shut-off devices of pipeline systems. The technical result consists in the exclusion of deformation of the saddle and its burning out under the action of high temperatures in connection with the uniformity of cooling of the periphery of the saddle and an increase in its thermal strength. The essence of the utility model is that the valve seat is a body of revolution mounted in a gas channel and made of a composite material made of a ceramic-metal composite material based on silicon carbide in the following mass ratio. % of components: The utility model allows to solve the problem of increasing the reliability of the valve seat of the gas distribution mechanism at elevated temperatures. 1 ill. 1 tab

Description

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.The utility model relates to the field of engine building, namely to the valve seat, and can be used mainly in the gas distribution mechanism of reciprocating internal combustion engines, as well as in shut-off devices of pipeline systems.

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.The valve seat of the gas distribution mechanism of an internal combustion engine operates in severe conditions, being exposed to exhaust gases. Structural materials for parts of the gas distribution mechanism of an internal combustion engine must be stable in the range of operating temperatures 1300-1500 ° C, maintain bending strength at a level of at least 800 MPa. In this case, the valve seat operates under cyclic thermal and shock loads, which leads to chemical, erosive and corrosive wear of its working surface.

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.The main operational and technological requirements for the materials of the valve seat are hardness commensurate with the hardness of the valve disc (40-60 HRc), wear resistance under dry friction at a temperature of 600 ° C for the outlet valve seat, and temperature resistance of the material in structure and mechanical properties in the range operating temperatures, corrosion and erosion resistance under the influence of exhaust gases, thermal conductivity, providing quick heat removal from the working facet of the saddle.

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.The valve seat of the gas distribution mechanism of a reciprocating internal combustion engine is known, which is a rotational body installed in the gas channel of a cylinder head or engine block (A. Orlin “Internal combustion engines”, Mechanical Engineering, Moscow, 1990, p. 226) . As a material for the manufacture of saddles, various metals and alloys are used (gray pearlitic iron SCh28-48, steel 45, bronze). Bleached cast irons are used that are well resistant to shock loads and the chemical effects of exhaust gases. A disadvantage of the known technical solution is the uneven intensity of the saddle cooling around the periphery, which leads to the possible deformation of the saddle and its further burning under the influence of high temperatures.

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.The closest set of essential features to the claimed technical solution is the well-known valve seat of the gas distribution mechanism of an internal combustion engine, which is a rotational body mounted in a gas channel and made of a composite material including silicon carbide (SiC) as a component (patent RU No. 2390587, C. C25B 11/06, 2010). In the known technical solution, the composite material is a coating on the substrate in the form of dispersion particles of nickel (Ni), silicon (Si) and carbon (C) forming a composite electrochemical coating (CEC Ni-SiC) with a thickness of about 0.1 mm, which allows provide microhardness of the layer of the order of 40 HRc, wear resistance and adhesion to the substrate. A disadvantage of the known technical solution is the uneven cooling intensity of the saddle around the periphery, low resistance to thermal shock and thermal cycling, and insufficient thermal strength at high temperatures, due to the need to use materials with different physical properties.

Проблема, решаемая созданием заявляемой полезной модели заключается в повышении износостойкости седла клапана механизма газораспределения в условиях повышенных температур.The problem solved by the creation of the claimed utility model is to increase the wear resistance of the valve seat of the gas distribution mechanism at elevated temperatures.

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.The technical result provided by the proposed utility model is to exclude deformation of the saddle under the influence of high temperatures, due to the uniform cooling of the periphery of the saddle and increase its thermal strength.

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:The result provided by the claimed utility model is achieved by the fact that the valve seat of the gas distribution mechanism of the internal combustion engine, which is a rotation body installed in the gas channel, is made of a composite material including silicon carbide (SiC) as a component. According to a utility model, the saddle is made of a ceramic-metal composite material based on silicon carbide in the following mass ratio. % components:

- углерод (С)- carbon (C) 0,4-10,00.4-10.0 - кремний (Si)- silicon (Si) 2,0-30,02.0-30.0 - алюминий (Al)- aluminum (Al) 0,5-1,00.5-1.0 - бор (В)- boron (B) 0,4-0,50.4-0.5 - медь (Cu)- copper (Cu) 0,5-1,00.5-1.0 - карбид кремния (SiC)- silicon carbide (SiC) остальное.rest.

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.The proposed ratio of components makes it possible to optimize the strength and thermophysical parameters and the high temperature wear resistance of the valve seat material. It is known that the structure structure of silicon carbide materials is determined by the initial phase composition and mass transfer mechanisms during high-temperature processing, as well as during diffusion alloying with fine powder particles. Due to the high concentration of defects in the zone of grain contact due to their crystallographic misorientation, the diffusion process along the grain boundaries proceeds faster than in their volume, where the concentration of defects is much lower. In this case, the activating effect of carbon, boron, and silicon leads to an increase in the rate of grain boundary diffusion and allows an increase in the area of interparticle contacts, which makes it possible to obtain a density close to theoretical. The ceramic-metal composite material based on silicon carbide (SiC) is characterized by the phenomenon of polytypism, i.e. the existence of two or more structures in a compound with a different stacking sequence of close-packed layers or layered “packets” of atoms. In the plane of a close-packed layer, the polytype has the same lattice parameter; in the perpendicular direction, the periods are different and are multiple of the distance between adjacent axes. The addition of aluminum and copper in the indicated ratios allows polytype transformation of the structure from a three-layer (3c) to a four-layer (4c), that is, a transition from a cubic modification of β-SiC with a sphalirite structure to a hexagonal close-packed structure of α-SiC, which provides the greatest strength and energy stability of the latter.

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.The set of essential features is sufficient to solve the indicated technical problem, since the saddle is made of a ceramic-metal composite material based on silicon carbide at the indicated mass ratio. % of the components provides uniform cooling of the periphery of the seat, which increases the resistance of the seat to thermal shock and thermal cycling.

Предложенное техническое решение поясняется следующим описанием.The proposed technical solution is illustrated by the following description.

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:The valve seat of the gas distribution mechanism of a reciprocating internal combustion engine is a rotation body mounted in a gas channel of a block head or engine block. For the manufacture of saddles, a ceramic-metal composite material based on silicon carbide is used. As a result of the experiments, a practical mass ratio was obtained. % components:

Для оценки свойств седла клапана, выполненного из металлокерамоматричного композиционного материала были проведены сравнительные испытания, результаты которых представлены в таблице.To evaluate the properties of the valve seat made of ceramic-ceramic composite material, comparative tests were carried out, the results of which are presented in the table.

На чертеже представлена зависимость высокотемпературной прочности на изгиб металлокерамоматричного композиционного материала различного состава от температуры, где:The drawing shows the dependence of the high temperature bending strength of the ceramic-ceramic composite material of various compositions on temperature, where:

кривая 1 - прототип (электрохимическое покрытие КЭП-Ni-SiC)curve 1 - prototype (electrochemical coating CEP-Ni-SiC)

кривая 2 - металлокерамоматричный композит, масс. %: С - 0,4, Si - 2,0, Al - 0,5 В - 0.4, Cu - 0.5, SiC - остальноеcurve 2 - metal-ceramic composite, mass. %: C - 0.4, Si - 2.0, Al - 0.5 V - 0.4, Cu - 0.5, SiC - the rest

кривая 3 - металлокерамоматричный композит, масс. %: С - 10.0, Si - 30.0, Al - 1.0, В - 0.5, Cu - 1.0, SiC - остальное.curve 3 - metal-ceramic composite, mass. %: С - 10.0, Si - 30.0, Al - 1.0, В - 0.5, Cu - 1.0, SiC - the rest.

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.A comparative analysis of the data given in the table allows us to conclude that the proposed technical solution provides increased heat resistance by 20-30%, high thermal conductivity, which provides quick relaxation and a decrease in temperature in the contact zone of the valve seat plate, increased by 15-20% hardness at temperatures up to 1400 ° K. Moreover, the low coefficient of thermal expansion ensures the stability of the gap in the pair of valve seat-plate, which significantly reduces the likelihood of deformation of the seat and its subsequent burnout.

Таким образом, предложенная полезная модель позволяет решить поставленную проблему повышения надежности седла клапана механизма газораспределения в условиях повышенных температур.Thus, the proposed utility model allows us to solve the problem of increasing the reliability of the valve seat of the gas distribution mechanism at elevated temperatures.

Claims

The valve seat, mainly the gas distribution mechanism of the reciprocating internal combustion engine, which is a rotational body installed in the gas channel and made of a composite material including silicon carbide (SiC) as a component, characterized in that the seat is made of a ceramic-metal composite material based on silicon carbide in the following ratio of components, wt.%:

carbon (C) 0.4-10.0 silicon (Si) 2.0-30.0 aluminum (Al) 0.5-1.0 boron (B) 0.4-0.5 copper (Cu) 0.5-1.0 silicon carbide (SiC) rest