Выпускные клапаны работают в наиболее тяжелых условиях среди всех деталей газораспределительного механизма. Они постоянно контактируют с раскаленными отработавшими газами, температура которых в бензиновых двигателях достигает 800-900 °C, а в дизельных – 500-700 °C. К этому добавляются высокие механические нагрузки, ударные воздействия при посадке в седло и агрессивная химическая среда. Обычная конструкционная сталь в таких условиях быстро теряет прочность, окисляется и разрушается. Поэтому для выпускных клапанов применяют специальные жаропрочные сплавы, способные сохранять форму и свойства при длительном нагреве.
Что требуется от стали выпускного клапана
Сталь для выпускных клапанов должна сочетать несколько характеристик, каждая из которых напрямую влияет на ресурс двигателя:
- высокая жаропрочность – способность сохранять прочность и твердость при температурах вплоть до 900 °C;
- износостойкость – особенно важна для фаски, контактирующей с седлом, и для торца стержня, испытывающего удары от кулачков распредвала;
- сопротивление коррозии – выхлопные газы содержат оксиды азота, сернистые соединения и другие агрессивные компоненты, способствубщие окислению;
- стабильность размеров – материал не должен давать заметной деформации или ползучести при длительном воздействии высокой температуры.
Одновременно удовлетворить всем этим требованиям не может ни одна марка стали в равной степени, поэтому для разных классов двигателей и условий эксплуатации подбирают определенные группы сплавов.
Сильхромы как основа для серийных двигателей
Первыми жаропрочными сталями, нашедшими массовое применение в моторостроении, стали сплавы мартенситного класса, легированные хромом и кремнием, – так называемые сильхромы.
Наиболее известные марки – 40Х9С2 и 40Х10С2М.
Они содержат около 9-10% хрома, что обеспечивает стойкость к окислению при температурах до 800-850 °C, и кремний, повышающий жаростойкость. Добавка молибдена в 40Х10С2М улучшает механические свойства и сопротивление ползучести.
После закалки в масле с температуры около 1000-1050 °C и высокого отпуска при 700-800 °C сильхромы приобретают структуру, сохраняющую твердость и прочность при рабочих температурах. Эти стали применяются для выпускных клапанов большинства бензиновых и дизельных двигателей средней форсировки, включая моторы ГАЗ, УАЗ, ВАЗ (восьмиклапанные), ЗМЗ и многие другие.
Аустенитные стали для высоконагруженных и дизельных моторов
С ростом мощности, появлением турбонаддува и повышением требований к ресурсу сильхромов стало недостаточно. Для более тяжелых условий были разработаны стали аустенитного класса с высоким содержанием никеля, хрома и марганца. Они сохраняют прочность и пластичность при температурах вплоть до 900 °C и лучше сопротивляются коррозии.
В отечественном двигателестроении широко применяется сталь 20Х15Н4Г9Б (также известная как ЭИ372). Она содержит около 15% хрома и 4% никеля, усилена азотом и ниобием. Благодаря аустенитной структуре сталь не теряет вязкости при нагреве и хорошо противостоит сернистой коррозии, характерной для выхлопа дизелей. ЭИ372 используется в клапанах двигателей КАМАЗ, ЯМЗ, Урал и другой тяжелой техники.
Для наиболее форсированных и турбированных дизелей применяют сплавы с более высоким содержанием никеля – например, 45Х14Н14В2 (ЭИ69) или импортные аналоги типа 21-4N, которые дополнительно легированы азотом и обладают повышенной жаропрочностью.
При производстве клапанов из аустенитных сталей особое внимание уделяется термообработке. Закалка проводится при температурах около 1050-1100 °C с последующим старением для выделения упрочняющих фаз. Это позволяет достичь необходимого сочетания прочности и пластичности.
Стеллитовая наплавка и другие способы защиты стали для клапанов
Даже самая жаропрочная сталь в зоне фаски испытывает наибольший износ и риск прогорания. Для защиты этого участка на выпускные клапаны наносят наплавку из твердых сплавов на кобальтовой или никелевой основе – стеллитов. Стеллитовая наплавка обладает высокой твердостью при рабочих температурах, отлично сопротивляется истиранию и коррозии, многократно увеличивая срок службы клапана. На ЧАМЗ плазменная наплавка стеллита применяется при производстве большинства выпускных клапанов для дизельных и газовых двигателей.
Дополнительно для повышения износостойкости стержней клапанов применяют хромирование и азотирование. Тонкий слой хрома снижает трение в направляющей втулке, а азотированный слой упрочняет поверхность без изменения геометрии детали. Эти операции также входят в стандартный технологический процесс на ЧАМЗ.
Охлаждение клапанной стали натрием
В высокофорсированных двигателях для отвода тепла от тарелки выпускного клапана используют конструкцию с полым стержнем, частично заполненным металлическим натрием. При рабочей температуре натрий плавится и при движении клапана перемещается внутри стержня, перенося тепло от наиболее горячей тарелки к более холодной верхней части и через направляющую втулку в головку блока. Эффект позволяет снизить температуру тарелки. Такие клапаны дороже в производстве, но незаменимы в мощных дизелях и турбомоторах, работающих с высокими тепловыми нагрузками.
Что дает правильный выбор стали для клапанов
Грамотно подобранный материал выпускного клапана напрямую определяет межремонтный пробег двигателя. Экономия на качестве оборачивается прогоранием фаски, падением компрессии, повреждением седла и дорогостоящим ремонтом головки блока. Челябинский автомеханический завод более 60 лет использует проверенные марки жаропрочных сталей и современные методы упрочнения, что позволяет выпускать клапаны, рассчитанные на длительную работу в самых тяжелых условиях – от малотоннажных грузовиков до магистральных тягачей и спецтехники.
