RU2437948C1 - Light valve of internal combustion engine of composite heat proof material on base of titanium and its inter-metallides and procedure for its manufacture - Google Patents
Light valve of internal combustion engine of composite heat proof material on base of titanium and its inter-metallides and procedure for its manufacture Download PDFInfo
- Publication number
- RU2437948C1 RU2437948C1 RU2010121365/02A RU2010121365A RU2437948C1 RU 2437948 C1 RU2437948 C1 RU 2437948C1 RU 2010121365/02 A RU2010121365/02 A RU 2010121365/02A RU 2010121365 A RU2010121365 A RU 2010121365A RU 2437948 C1 RU2437948 C1 RU 2437948C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- phase
- valve
- matrix
- temperature
- granules
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
- Forging (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению и металлургии, а именно к двигателестроению, металлическим композиционным материалам и изготовлению заготовок или изделий из металлических порошков и, в частности, может быть использовано в поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) различных по назначению машин и силовых установок.The invention relates to mechanical engineering and metallurgy, namely to engine building, metal composite materials and the manufacture of blanks or products from metal powders and, in particular, can be used in reciprocating internal combustion engines (ICE) of various purpose machines and power plants.
На протяжении длительного периода развития ДВС различного назначения и с учетом опыта их эксплуатации отработаны конструкции, материалы и методы термического упрочнения для впускных и выпускных клапанов, которые в основном обеспечивают надежность и долговечность эксплуатации двигателей. В качестве материалов для изготовления клапанов ДВС обычно применяют специальные марки сталей и никелевые сплавы, которые имеют высокую плотность (ρ=7,63…8,4 г/см3). Масса клапанов, изготавливаемых из традиционных материалов, получается значительной, что является отрицательным фактором для клапанных механизмов современных быстроходных двигателей, работающих с высокими скоростями и ускорениями.Over the long period of development of internal combustion engines for various purposes and taking into account the experience of their operation, designs, materials and methods of thermal hardening for intake and exhaust valves have been worked out, which mainly ensure the reliability and durability of engine operation. As materials for the manufacture of ICE valves, special steel grades and nickel alloys are usually used, which have a high density (ρ = 7.63 ... 8.4 g / cm 3 ). The mass of valves made from traditional materials is significant, which is a negative factor for valve mechanisms of modern high-speed engines operating at high speeds and accelerations.
Высокие инерционные нагрузки, обусловленные массой клапанов, увеличивают нагрузки на звенья клапанного механизма. Это, в свою очередь, вызывает снижение надежности и безотказности механизма газораспределения и двигателя в целом. Масса клапанов является одним из ограничивающих факторов при создании высокофорсированных по частоте вращения двигателей специального исполнения и двигателей спортивного назначения. Клапаны поршневых ДВС, особенно выпускные, работают при воздействии на них повышенных тепловых нагрузок. Так, с учетом многообразия производимых поршневых ДВС: стационарных, транспортных (судовые, тепловозные, тракторные, авиационные, автомобильные, мотоциклетные) и специального исполнения, установившиеся температуры в центре головок клапанов составляют для впускных клапанов 500…650°С, для выпускных - 650…900°С. При этом в зоне перехода от головки клапана к стержню возникают большие перепады температур, достигающие 200-300°С в осевом направлении. В самой головке клапана перепады температур достигают 150-200°С в радиальном и окружном направлениях. Это обуславливает высокий уровень температурных напряжений в головке клапана и в зоне перехода к стержню, и зачастую разрушение клапанов в результате термоциклирования (см. Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984, с.247-250, 258. / Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Конструкция автомобильных и тракторных двигателей. - М.: Высшая школа, 1986, с.115-119).High inertial loads due to the mass of the valves increase the load on the links of the valve mechanism. This, in turn, causes a decrease in the reliability and reliability of the gas distribution mechanism and the engine as a whole. The weight of the valves is one of the limiting factors in creating highly accelerated engines of special design and engines for sports purposes. Piston ICE valves, especially exhaust valves, work when exposed to increased heat loads. So, taking into account the variety of piston internal combustion engines produced: stationary, transport (ship, diesel, tractor, aviation, automobile, motorcycle) and special designs, the steady-state temperatures in the center of the valve heads are 500 ... 650 ° C for inlet valves, 650 ... for exhaust valves 900 ° C. Moreover, in the transition zone from the valve head to the stem, large temperature differences occur, reaching 200-300 ° C in the axial direction. In the valve head itself, temperature differences reach 150-200 ° C in the radial and circumferential directions. This causes a high level of temperature stresses in the valve head and in the transition zone to the rod, and often the destruction of valves as a result of thermal cycling (see Internal Combustion Engines: Design and Strength Analysis of Piston and Combined Engines. Edited by A.S. Orlin, M .G. Kruglova. - 4th ed., Revised and enlarged. - M.: Mechanical Engineering, 1984, p. 247-250, 258. / Raikov I.Ya., Rytvinsky G.N. Design of automobile and tractor engines . - M.: Higher School, 1986, p.115-119).
Дальнейшее повышение технического уровня ДВС с учетом значительного снижения расхода топлива и токсичных выбросов требует поиска новых технических решений. Одним из этих решений является уменьшение движущихся масс клапанного механизма и, в первую очередь, массы клапанов газораспределения. Исследованиями установлено, что снижение массы клапана на 50% обеспечивает уменьшение расхода топлива, эмиссии выхлопа и шума, повышение крутящего момента, надежности и долговечности двигателя (см. Untersuchung mit Ventilen aus Leichtbau-Werkstoffen. MTZ Motortechnische Zeitschrift 60 (1999) 9, p.590-603).A further increase in the technical level of internal combustion engines, taking into account a significant reduction in fuel consumption and toxic emissions, requires the search for new technical solutions. One of these solutions is to reduce the moving masses of the valve mechanism and, first of all, the mass of the valves. Studies have shown that reducing valve mass by 50% can reduce fuel consumption, exhaust emissions and noise, increase engine torque, reliability and durability (see Untersuchung mit Ventilen aus Leichtbau-Werkstoffen. MTZ Motortechnische Zeitschrift 60 (1999) 9, p. 590-603).
С целью снижения массы клапанов, повышения их жаропрочности и создания предпосылок для совершенствования конструкций ДВС со значительно улучшенными показателями по топливной экономичности и эмиссии выхлопа ведется поиск новых материалов с малой плотностью и повышенной жаропрочностью, а также способов изготовления из них клапанов газораспределения. Из новых материалов этим условиям в значительной мере отвечают сплавы на основе титана и интерметаллидов титана системы Ti-Аl и Ti-Al-Nb, которые обладают повышенной жаропрочностью (до 900°С) при низкой плотности (ρ=3,7-5,2 г/см3).In order to reduce the weight of the valves, increase their heat resistance and create the prerequisites for improving the design of ICE with significantly improved indicators of fuel economy and exhaust emissions, a search is being made for new materials with low density and high heat resistance, as well as methods for manufacturing gas distribution valves from them. Of the new materials, these conditions are largely met by alloys based on titanium and titanium intermetallic compounds of the Ti-Al and Ti-Al-Nb systems, which have high heat resistance (up to 900 ° C) at low density (ρ = 3.7-5.2 g / cm 3 ).
Известен интерметаллид титана Ti2AlNb (O-фаза), образуемый при содержании в α2-фазе ниобия в количестве 25…27% (атом.) (см. Banerjee D, Gogia A.K. et al., 1993 The physical metallurgy of Ti3Al based alloys. In: Darolia R, Levandovskii J.J. et ai, Structural Intermetallics.TMS, Warrendale, PA, pp.19-31), и сплавы на основе O-фазы (Ti2AlNb) (см. Banerjee D, Gogia A.K. et al., 1993. The physical metallurgy of Ti3Al based alloys. In: Darolia R, Levandovskii J.J. et al., Structural Intermetallics. TMS, Warrendale, PA, pp.19-31). Сплавы на основе O-фазы имеют следующие преимущества:Known titanium intermetallic Ti 2 AlNb (O-phase), formed when the content in the α 2 phase of niobium in the amount of 25 ... 27% (atom.) (See Banerjee D, Gogia AK et al., 1993 The physical metallurgy of Ti 3 Al based alloys. In: Darolia R, Levandovskii JJ et ai, Structural Intermetallics.TMS, Warrendale, PA, pp. 19-31), and O-phase alloys (Ti 2 AlNb) (see Banerjee D, Gogia AK et al., 1993. The physical metallurgy of Ti 3 Al based alloys. In: Darolia R, Levandovskii JJ et al., Structural Intermetallics. TMS, Warrendale, PA, pp. 19-31). O-phase-based alloys have the following advantages:
- высокие прочностные и пластические характеристики;- high strength and plastic characteristics;
- низкий коэффициент термического расширения;- low coefficient of thermal expansion;
- высокие характеристики малоцикловой и многоцикловой усталости;- high characteristics of low-cycle and high-cycle fatigue;
- высокие жаропрочные свойства и жаростойкость при температурах 550…700°С;- high heat-resistant properties and heat resistance at temperatures of 550 ... 700 ° C;
- по удельным жаропрочным характеристикам (σ100/ρ) превосходят жаропрочные титановые сплавы (IMI 834, Ti 1100) и жаропрочный сплав INCO 718 до температур 550…700°С.- in terms of specific heat-resistant characteristics (σ 100 / ρ) they are superior to heat-resistant titanium alloys (IMI 834, Ti 1100) and INCO 718 heat-resistant alloy to temperatures of 550 ... 700 ° С.
Однако для сплавов на основе Ti2AlNb технического назначения ударная вязкость и сопротивление ползучести недостаточны и их необходимо повышать (см. Gogia А К, и др. 1998 Microstructure and mechanical properties of orthorhombic alloys in the Ti-Al-Nb system. Intermetallics 6, 741-8).However, for alloys based on technical grade Ti 2 AlNb, the toughness and creep resistance are insufficient and must be increased (see Gogia AK, et al. 1998 Microstructure and mechanical properties of orthorhombic alloys in the Ti-Al-Nb system.
Известен клапан из титана, изготовленный с отдельными головкой и стержнем, соединенными с помощью сварки трением или диффузионной сварки. Головка и участок перехода в стержень выполнены из первого материала, содержащего титан, например обычный высокопрочный титановый сплав. Стержень непосредственно не выступает в камеру сгорания и выполнен из второго материала, содержащего титан, например прутковую заготовку из сплава титана с термической обработкой для улучшения пластичности (патент WO 9605414 A1 PCT/US 95/10060). В результате значительно снижена стоимость изготовления клапана по сравнению с обычными титановыми клапанами.Known valve made of titanium, made with a separate head and rod connected by friction welding or diffusion welding. The head and the transition section to the rod are made of the first material containing titanium, for example, a conventional high-strength titanium alloy. The rod does not directly protrude into the combustion chamber and is made of a second material containing titanium, for example a heat-treated titanium alloy bar stock to improve ductility (WO 9605414 A1 PCT / US 95/10060). As a result, the valve manufacturing cost is significantly reduced compared to conventional titanium valves.
Однако предельный уровень температур для титановых сплавов (600°С) не соответствует максимальным температурам в головке выпускного клапана; клапаны имеют ограниченный ресурс. Кроме того, соединение головки клапана и участка перехода со стержнем сваркой трением является общеизвестным, и широко применяется для сварки стальных выпускных клапанов, выполняемых из различных по свойствам сталей, и в данном исполнении не приводит к увеличению ресурса клапана.However, the temperature limit for titanium alloys (600 ° C) does not correspond to the maximum temperatures in the head of the exhaust valve; valves have a limited life. In addition, the connection of the valve head and the transition section with the rod by friction welding is well known, and is widely used for welding steel exhaust valves made of steel with different properties, and in this design does not increase the valve life.
Известен способ изготовления клапана, согласно которому для изготовления клапана используется смесь порошков, включающая порошок на основе титана (порошок чистого титана или гидрида титана, или порошок сплава Ti-6Al-4V, или Ti-6Al-4V-5TiB, или лигатур типа Al-V и Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si) и термостабильный упрочняющий порошок в виде керамических частиц TiB, TiB2, TiC, Ti2C, TiN и др. Количество упрочняющих частиц в порошковой смеси - 1% (объемный) или больше. Суммарное содержание керамических частиц и пор в спеченной заготовке от 1 до 5%, объемных. Порошковая смесь компактируется прессованием с использованием формы и спекается. Далее с применением ряда деформационных обработок получают заготовку клапана (см. Патент ЕР 0997614 А2).A known method of manufacturing a valve, according to which a powder mixture is used for the manufacture of the valve, including titanium-based powder (pure titanium powder or titanium hydride, or a powder of a Ti-6Al-4V alloy, or Ti-6Al-4V-5TiB, or Al- type alloys V and Al-Sn-Zr-Mo-Nb-Si) and thermostable hardening powder in the form of ceramic particles TiB, TiB 2 , TiC, Ti 2 C, TiN, etc. The number of hardening particles in the powder mixture is 1% (volume) or more. The total content of ceramic particles and pores in the sintered preform is from 1 to 5%, volume. The powder mixture is compacted by compression using a mold and sintered. Then, using a number of deformation treatments, a valve blank is obtained (see EP 0997614 A2).
К недостаткам данного способа изготовления клапана следует отнести:The disadvantages of this method of manufacturing a valve include:
- В металлических композитах, армированных дискретными (керамическими) частицами, при размере частиц от 1 до 40 мкм, не формирующими прочной связи с матрицей по границам раздела, в ряде случаев, не согласующихся по параметрам кристаллической решетки с материалом матрицы, механизм упрочнения обусловлен, главным образом, за счет торможения дислокации дискретно распределенными частицами, т.е. здесь проявляется только частичная реализация возможностей композиционных материалов.- In metal composites reinforced with discrete (ceramic) particles, with a particle size of 1 to 40 μm, which do not form a strong bond with the matrix at the interfaces, in some cases, which do not agree on the parameters of the crystal lattice with the matrix material, the hardening mechanism is due mainly to Thus, due to the braking of the dislocation by discretely distributed particles, i.e. only partial realization of the possibilities of composite materials is manifested here.
- Нерегулярность структуры армирования композита для таких слабо наполненных материалов (до 5% (объемных) армирующих частиц и пор) обуславливает нерегламентированную анизотропию их физико-механических свойств.- The irregular structure of the composite reinforcement for such poorly filled materials (up to 5% (volumetric) reinforcing particles and pores) causes an unregulated anisotropy of their physicomechanical properties.
- Формирование нестабильной связи по границам раздела армирующих частиц с матрицей снижает их прочностные и усталостные свойства. Участки отсутствия сцепления их с окружающей матрицей являются преимущественными местами зарождения трещин и разрушения. В процессе деформации при растяжении упрочняющие частицы способствуют образованию кавитационных пор.- The formation of an unstable connection at the interface between the reinforcing particles and the matrix reduces their strength and fatigue properties. Areas of lack of adhesion to the surrounding matrix are predominant places for the initiation of cracks and fracture. During tensile deformation, reinforcing particles contribute to the formation of cavitation pores.
- Значительная разница в величинах коэффициента линейного температурного расширения применяемых упрочняющих частиц (TiB, TiB2, TiC, Ti2C, TiN и др.) и металлов матрицы приводит к концентрации напряжений по границам раздела матрица-частицы и возникновению трещин в композитах, работающих в условиях термоциклирования.- A significant difference in the linear thermal expansion coefficient of the used reinforcing particles (TiB, TiB 2 , TiC, Ti 2 C, TiN, etc.) and matrix metals leads to a stress concentration at the matrix-particle interfaces and the appearance of cracks in composites working in thermal cycling conditions.
Известна металлургия гранул, сочетающая затвердевание расплава с высокой скоростью кристаллизации в виде сферических гранул, и их компактирование в заготовки с достижением плотной структуры (см. Аношкин Н.Ф. «Некоторые аспекты качества жаропрочных и высокопрочных материалов изготавливаемых методом металлургии гранул», с.7-13. / Борзецовская К.М. и др. «Влияние режимов компактирования на структуру гранульного жаропрочного титанового сплава ВТ25У», с.424-429. Сборник статей. Металлургия гранул. ВИЛС, Москва, 1986 г). Гранульная металлургия позволяет одновременно решать задачи получения материалов с новым уровнем требуемых свойств и эффективного производства высококачественных заготовок.Known metallurgy of granules, combining solidification of the melt with a high crystallization rate in the form of spherical granules, and compacting them into billets with the achievement of a dense structure (see Anoshkin NF “Some aspects of the quality of heat-resistant and high-strength materials produced by the metallurgy of granules”, p.7 -13. / Borzetsovskaya K.M. et al. “The influence of compaction modes on the structure of granular heat-resistant titanium alloy VT25U”, pp. 424-429. Collection of articles. Metallurgy of granules. VILS, Moscow, 1986). Pellet metallurgy allows us to simultaneously solve the problem of obtaining materials with a new level of required properties and efficient production of high-quality billets.
В настоящее время заявителю неизвестно об изготовлении композиционных материалов с использованием метода гранульной металлургии.Currently, the applicant is not aware of the manufacture of composite materials using the granular metallurgy method.
Наиболее близким по технической сущности аналогом предлагаемого изобретения является клапан двигателя внутреннего сгорания, содержащий стержень цилиндрической формы, головку тарельчатой формы и участок перехода, обеспечивающий плавное сопряжение стержня и головки, изготовленный из жаропрочного титанового сплава, и способ его изготовления, включающий изготовление цилиндрической заготовки клапана, предварительный нагрев заготовки, деформационную обработку цилиндрической заготовки с получением в заготовке клапана заданных микроструктур (патент RU 2244135 С2).The closest in technical essence to the analogue of the invention is a valve of an internal combustion engine containing a cylindrical rod, a disk-shaped head and a transition section providing smooth conjugation of the rod and head made of heat-resistant titanium alloy, and a method for its manufacture, including the manufacture of a cylindrical valve blank, preheating of the workpiece, deformation processing of the cylindrical workpiece with obtaining the specified microstat in the valve blank hectures (patent RU 2244135 C2).
Однако клапаны из предлагаемых сплавов, полученные по заявленному в прототипе способу изготовления, имеют существенные недостатки, а именно:However, the valves of the proposed alloys obtained according to the method of manufacture declared in the prototype have significant disadvantages, namely:
- Нестабильность свойств материала. Согласно диаграмме состояния титан-алюминий в сплавах-прототипах с содержанием 7,5…12,5 мас.% алюминия выделяется α2-фаза (Ti3Al) при превышении содержания алюминия более 6,0 мас.%. α2-фаза (Ti3Al) изначально выделяется в виде наноразмерных включений, обеспечивая классическое дисперсионное упрочнение. Исследованиями установлено, что по завершении процесса выпадения α2-фазы (≥50 часов при 600°С) прочностные свойства материала клапана достигают максимума, а далее начинают снижаться. Снижение прочностных характеристик материала клапана происходит в результате собирательной диффузии и роста выделений α2-фазы, приводящих к охрупчиванию материала.- Instability of material properties. According to the state diagram of titanium-aluminum in prototype alloys with a content of 7.5 ... 12.5 wt.% Aluminum, an α 2 phase (Ti 3 Al) is released when the aluminum content exceeds 6.0 wt.%. The α 2 phase (Ti 3 Al) is initially released in the form of nano-sized inclusions, providing classical dispersion hardening. Studies have established that, upon completion of the precipitation of the α 2 phase (≥50 hours at 600 ° C), the strength properties of the valve material reach a maximum, and then begin to decline. The decrease in the strength characteristics of the valve material occurs as a result of collective diffusion and growth of precipitations of the α 2 phase, leading to embrittlement of the material.
- Относительно невысокий ресурс работы клапана, а следовательно, и самого двигателя. Максимальная продолжительность работы клапана-прототипа до хрупкого усталостного разрушения - не более 100 часов, что является явно недостаточным. Этот факт подтвержден авторами патента RU 2244135 С2. Предусмотренная в способе изготовления клапана деформационная обработка части цилиндрической заготовки, относящейся к стержню, осуществляемая клиновой поперечной прокаткой, позволяет получение сочетания микроструктур 3-х типов: равноосной, бимодальной и пластинчатой, переходящего от одного типа к другому от поверхности к центру.- Relatively low resource of operation of the valve, and therefore the engine itself. The maximum duration of the prototype valve to brittle fatigue failure is not more than 100 hours, which is clearly insufficient. This fact is confirmed by the authors of patent RU 2244135 C2. The deformation processing of a part of a cylindrical billet related to the rod, provided by wedge-shaped rolling, as provided for in the valve manufacturing method, allows to obtain a combination of 3 types of microstructures: equiaxial, bimodal and lamellar, passing from one type to another from the surface to the center.
Однако данное сочетание микроструктур сохраняется только в заготовке клапана, так как в связи с ограниченными возможностями клиновой поперечной прокатки по степени деформации для жаропрочного титанового сплава диаметр прокатанного участка заготовки значительно превышает диаметр стержня клапана и тонкие приповерхностные слои с равноосной и бимодальной микроструктурами срезаются при последующем обтачивании заготовки клапана. В результате в стержне готового клапана сохраняется только пластинчатая микроструктура с размером зерна до 50 мкм, которая не является оптимальной для стержня клапана.However, this combination of microstructures is retained only in the valve blank, since due to the limited possibilities of wedge rolling in terms of deformation for a heat-resistant titanium alloy, the diameter of the rolled section of the billet significantly exceeds the diameter of the valve stem and thin surface layers with equiaxed and bimodal microstructures are cut off during subsequent machining of the billet valve. As a result, only a lamellar microstructure with a grain size of up to 50 μm, which is not optimal for the valve stem, is stored in the valve stem.
Задачей изобретения является повышение надежности и ресурса безотказной работы клапанов ДВС со сниженной массой и увеличение долговечности двигателя за счет обеспечения стабильности микроструктуры материала клапана и его эксплуатационных свойств. При этом достигается технический результат, заключающийся в улучшении свойств материала клапана, обеспечивающих длительную работоспособность клапанов ДВС в широком диапазоне рабочих температур в клапане (600-900°С): длительной прочности при рабочих температурах, сопротивления ползучести, вязкости разрушения, усталостной прочности и модуля нормальной упругости, позволяющий изготавливать клапаны из композиционного материала с заранее заданными свойствами, обеспечивающими снижение массы клапанов относительно стальных до 50%, необходимую и достаточную жаропрочность для двигателей различного назначения, уровня форсирования, в том числе с турбонаддувом и заложенным ресурсом.The objective of the invention is to increase the reliability and service life of the engine valves with reduced mass and increase engine durability by ensuring the stability of the microstructure of the valve material and its operational properties. This achieves the technical result, which consists in improving the properties of the valve material, ensuring the long-term performance of the internal combustion engine valves in a wide range of operating temperatures in the valve (600-900 ° С): long-term strength at operating temperatures, creep resistance, fracture toughness, fatigue strength and normal module elasticity, allowing to produce valves from a composite material with predetermined properties, providing a reduction in the mass of valves relative to steel to 50%, necessary and sufficient heat resistance for engines for various purposes, the level of boost, including turbocharging and a resource.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом легком клапане двигателя внутреннего сгорания из композиционного жаропрочного материала на основе титана и его интерметаллидов, включающем конструктивные элементы в виде стержня цилиндрической формы, головки тарельчатой формы и участка плавного перехода между ними, по меньшей мере один из конструктивных элементов выполнен сборным из структурных композиций сферических гранул жаропрочных материалов на основе титана и/или его интерметаллидов, состоящих из трех компонентов, причем 1-й компонент представляет собой гранульную матрицу, 2-й компонент - гранульную упрочняющую или пластичную добавку, а 3-й компонент - наноразмерную термостабилизирующую и термоупрочняющую порошковую добавку из термодинамически стабильных и устойчивых к 1-му и 2-му компонентам оксидов, карбидов, нитридов и боридов металлов и/или неметаллов Периодической системы элементов, при следующем содержании компонентов композиционного материала, об.%:The specified technical result is achieved by the fact that in the proposed light valve of an internal combustion engine of composite heat-resistant material based on titanium and its intermetallic compounds, including structural elements in the form of a cylindrical rod, a disk-shaped head and a smooth transition section between them, at least one of the structural the elements are prefabricated from structural compositions of spherical granules of heat-resistant materials based on titanium and / or its intermetallic compounds, consisting of three composites entom, and the 1st component is a granular matrix, the 2nd component is a granular reinforcing or plastic additive, and the 3rd component is a nanoscale thermostabilizing and thermo-strengthening powder additive from thermodynamically stable and resistant to the 1st and 2nd oxide components , carbides, nitrides and borides of metals and / or non-metals of the Periodic system of elements, with the following content of components of the composite material, vol.%:
- матрица из гранул фракции 20-800 мкм - 75-95;- a matrix of granules of a fraction of 20-800 microns - 75-95;
- наноразмерная добавка фракции 10-100 нм - 0,01-3,0;- nanoscale additive fraction of 10-100 nm - 0.01-3.0;
- добавка упрочняющей или пластичной фазы из гранул фракции 5-600 мкм - остальное.- the addition of a hardening or plastic phase from granules of a fraction of 5-600 microns - the rest.
Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом изобретении достигается также тем, что в структурной композиции сферических гранул в качестве 1-го компонента - гранульной матрицы использованы гранулы жаропрочного титанового сплава псевдо-α- или (α+β)-фазового состава, в качестве 2-го компонента - упрочняющей фазы использованы гранулы интерметаллидного соединения Ti2Al (α2-фаза) или гранулы интерметаллидного соединения Ti2AlNb (O-фаза), или гранулы сплавов на основе данных интерметаллидов, а в качестве 3-го компонента использована наноразмерная термостабилизирующая и термоупрочняющая добавка порошка диоксида иттрия или оксида алюминия. Данный композиционный материал обеспечивает повышение температурного режима работы клапана до 650-700°С.The specified technical result and the elimination of disadvantages in the present invention is also achieved by the fact that in the structural composition of spherical granules, as the first component, the granular matrix, granules of heat-resistant titanium alloy of pseudo-α- or (α + β) -phase composition are used, as 2 th component - the reinforcing phase used pellets intermetallic compound Ti 2 Al (α 2 -phase) or granules of intermetallic compound Ti 2 AlNb (O-phase) or granules of intermetallic alloys based on the data, and as a third component, and USE nanoscale Thermally thermostabilizing additive powder and yttrium dioxide or aluminum oxide. This composite material provides an increase in the temperature regime of the valve to 650-700 ° C.
Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом изобретении достигается также тем, что в структурной композиции сферических гранул в качестве 1-го компонента - гранульной матрицы использованы гранулы интерметаллидного соединения Тi3Аl (а2-фаза) или гранулы интерметаллидного соединения Ti2AlNb (O-фаза), или гранулы сплавов на основе данных интерметаллидов, в качестве 2-го компонента - пластичной фазы использованы гранулы жаропрочного титанового сплава псевдо-α- или (α+β)-фазового состава, а в качестве 3-го компонента использована наноразмерная термостабилизирующая и термоупрочняющая добавка порошка диоксида иттрия или оксида алюминия, что обеспечивает повышение температурного режима работы клапана до 750°С.The specified technical result and the elimination of disadvantages in the present invention is also achieved by the fact that in the structural composition of spherical granules, as the first component, the granular matrix, granules of the intermetallic compound Ti 3 Al (a 2 phase) or granules of the intermetallic compound Ti 2 AlNb (O -phase), or granules of alloys based on these intermetallic compounds, granules of a heat-resistant titanium alloy of pseudo-α- or (α + β) -phase composition were used as the 2nd component - plastic phase, and as the 3rd component and USE nanoscale Thermally thermostabilizing additive powder and yttrium dioxide or aluminum oxide, which increases the operation temperature of the valve up to 750 ° C.
Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом изобретении достигается также тем, что в структурной композиции сферических гранул в качестве 1-го компонента - гранульной матрицы использованы гранулы интерметаллидного соединения Ti2AlNb (O-фаза) или гранулы сплава на основе интерметаллидного соединения Ti2AlNb (O-фаза), в качестве 2-го компонента -упрочняющей фазы использованы гранулы интерметаллидного соединения TiAl (γ-фаза), или гранулы сплава на основе данного интерметаллида, а в качестве 3-го компонента использована наноразмерная термостабилизирующая и термоупрочняющая добавка порошка диоксида иттрия или оксида алюминия, что обеспечивает повышение температурного режима работы клапана до 800°С.The specified technical result and the elimination of disadvantages in the present invention is also achieved by the fact that in the structural composition of spherical granules, granules of the intermetallic compound Ti 2 AlNb (O phase) or granules of the alloy based on the intermetallic compound Ti 2 AlNb are used as the first component — the granular matrix (O-phase), granules of the TiAl intermetallic compound (γ-phase) or alloy granules based on this intermetallic compound were used as the 2nd component of the strengthening phase, and the 3rd component was used nanoscale thermostabilizing and heat-strengthening additive of yttrium dioxide or alumina powder, which provides an increase in the temperature regime of the valve to 800 ° C.
Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом изобретении достигается также тем, что в структурной композиции сферических гранул в качестве 1-го компонента - гранульной матрицы использованы гранулы интерметаллидного соединения TiAl (γ-фаза), или гранулы сплава на основе интерметаллидного соединения TiAl (γ-фаза), в качестве 2-го компонента - пластичной фазы использованы гранулы интерметаллидного соединения Ti2AlNb (O-фаза) или гранулы сплава на основе данного интерметаллида, а в качестве 3-го компонента использована наноразмерная термостабилизирующая и термоупрочняющая добавка порошка диоксида иттрия или оксида алюминия, что обеспечивает повышение температурного режима работы клапана до 900°С.The specified technical result and the elimination of disadvantages in the present invention is also achieved by the fact that in the structural composition of spherical granules, granules of the intermetallic compound TiAl (γ-phase) or granules of an alloy based on the intermetallic compound TiAl (γ- phase), as a 2nd component - plastic granules used phase intermetallic compound Ti 2 AlNb (O-phase) or an alloy granules on the basis of the intermetallic compound, and as a third component used in Thermally orazmernaya thermostabilizing additive powder and yttrium dioxide or aluminum oxide, which increases the operation temperature of the valve up to 900 ° C.
Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом изобретении достигается также тем, что конструктивный элемент: головка тарельчатой формы, участок перехода, обеспечивающий плавное сопряжение стержня и головки, и часть стержня до места соединения, изготовлены из композиционного жаропрочного материала, а остальная часть стержня изготовлена из титанового сплава (α+β)-или β-фазового состава, а конструктивные элементы клапана соединены между собой посредством диффузионной сварки, пайки, контактной сварки, сварки трением или взрывом. Как результат, обеспечивается снижение себестоимости изготовления клапана в условиях массового производства без снижения его эксплуатационных свойств.The specified technical result and the elimination of disadvantages in the present invention is also achieved by the fact that the structural element: the dish-shaped head, the transition section, providing a smooth connection of the rod and the head, and part of the rod to the junction, are made of composite heat-resistant material, and the rest of the rod is made of a titanium alloy of (α + β) -or β-phase composition, and valve structural elements are interconnected by diffusion welding, soldering, resistance welding, welding of three low or explosion. As a result, a reduction in the cost of manufacturing the valve is ensured under conditions of mass production without reducing its operational properties.
В предлагаемом изобретении устранение указанных выше недостатков осуществляется за счет создания клапана из композиционных жаропрочных материалов с различными свойствами жаропрочности, механической прочности и пластичности, термодинамически стабильных в диапазоне температур 650…900°С, обеспечивающих повышение надежности и безотказности клапанов со сниженной массой для двигателей внутреннего сгорания различного назначения и уровня форсирования и, тем самым, повышение долговечности двигателей.In the present invention, the aforementioned disadvantages are eliminated by creating a valve made of composite heat-resistant materials with various properties of heat resistance, mechanical strength and ductility, thermodynamically stable in the temperature range of 650 ... 900 ° C, providing increased reliability and reliability of valves with reduced weight for internal combustion engines various purposes and the level of forcing and, thereby, increasing the durability of engines.
Более подробное подтверждение и обоснование существенности признаков изобретения «Легкий клапан двигателя внутреннего сгорания из композиционных жаропрочных материалов» смотри в разделе «Примеры осуществления изобретения».For a more detailed confirmation and justification of the materiality of the features of the invention, “Lightweight valve of an internal combustion engine of composite heat-resistant materials”, see the section “Examples of the invention”.
Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом способе изготовления клапана двигателя внутреннего сгорания из композиционного жаропрочного материала на основе титана и его интерметаллидов, состоящего из стержня цилиндрической формы, головки тарельчатой формы и участка плавного перехода между ними, включающем получение композиционного материала для цилиндрической заготовки клапана, предварительный нагрев заготовки, деформационную обработку цилиндрической заготовки с получением в заготовке заданной структуры, достигается тем, что цилиндрическую заготовку клапана получают из смеси гранул матрицы, добавок и наноразмерного порошка, которую собирают с заранее заданными свойствами путем подбора фракций, микроструктур, химического и фазового составов гранул, засыпают в цилиндрическую форму заданного диаметра, формируют структурную композицию сферических гранул при вибрационном воздействии на форму, вакуумируют и герметизируют, а затем компактируют в газостате при температуре 900-1300°С и давлении 100-250 МПа, после чего полученную цилиндрическую заготовку подвергают деформационной обработке путем экструдирования в заданный размер по диаметру цилиндрической заготовки для головки клапана при нагревании до температуры последующей деформации, после экструдирования заготовки проводят нагрев части заготовки, соответствующей стержню клапана, и выполняют деформационную обработку до получения заданного диаметра стержня в заготовке клапана с сохранением в стержне ранее заданной структуры, далее проводят нагрев части заготовки, соответствующей головке и участку плавного перехода клапана, выполняют деформационную обработку штамповкой с получением заданной формы головки клапана и затем осуществляют конечную механическую обработку заготовки клапана с доведением клапана до требуемых размеров и чистоты поверхности.The specified technical result and elimination of shortcomings in the proposed method for manufacturing a valve of an internal combustion engine from a composite heat-resistant material based on titanium and its intermetallic compounds, consisting of a cylindrical rod, a plate-shaped head and a smooth transition section between them, including obtaining composite material for a cylindrical valve blank, pre-heating the billet, deformation processing of the cylindrical billet with obtaining a predetermined stream in the billet rounds, it is achieved by the fact that the cylindrical valve blank is obtained from a mixture of matrix granules, additives and nanosized powder, which is collected with predetermined properties by selecting fractions, microstructures, chemical and phase compositions of the granules, filled into a cylindrical shape of a given diameter, form a structural composition of spherical granules when vibrating on the mold, vacuum and seal, and then compact in a gas bath at a temperature of 900-1300 ° C and a pressure of 100-250 MPa, after which the resulting cylindrical the preform is subjected to deformation processing by extruding to a predetermined size along the diameter of the cylindrical preform for the valve head when heated to the temperature of the subsequent deformation, after extruding the preform, the part of the preform corresponding to the valve stem is heated, and deformation processing is performed to obtain a predetermined diameter of the rod in the valve preform while maintaining in the rod of a previously defined structure, then part of the workpiece corresponding to the head and the smooth transition section is heated valve, deformation processing is performed by stamping to obtain a predetermined shape of the valve head, and then perform the final machining of the workpiece with the valve adjusting the valve to the desired dimensions and surface finish.
Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом способе изготовления клапана двигателя внутреннего сгорания достигается также тем, что для изготовления цилиндрических заготовок клапана используют композиционный материал, который получен компактированием структурной композиции сферических гранул на основе титана и его интерметаллидов с фазовым составом:The specified technical result and the elimination of disadvantages in the proposed method for manufacturing a valve of an internal combustion engine is also achieved by the fact that for the manufacture of cylindrical valve blanks, a composite material is used, which is obtained by compacting the structural composition of spherical granules based on titanium and its intermetallic compounds with a phase composition:
- α, β, α2, где (α и β)-фазы - матрица,- α, β, α 2 , where (α and β) phases are the matrix,
- или α, β, α2, где (α2)-фаза - матрица,- or α, β, α 2 , where the (α 2 ) -phase is a matrix,
- или α, β, В2, О, где (α и β)-фазы - матрица,- or α, β, B2, O, where (α and β) phases are the matrix,
- или α, β, В2, О, где (В2 и О)-фазы - матрица,- or α, β, B2, O, where (B2 and O) phases are the matrix,
- или α2, О, В2, γ, где (α2, О, В2)-фазы - матрица,- or α 2 , O, B2, γ, where (α 2 , O, B2) phases are the matrix,
- или α2, О, В2, γ, где (γ)-фаза - матрица с обеспечением заданных свойства жаропрочности материала клапана.- or α 2 , O, B2, γ, where the (γ) -phase is a matrix providing the specified heat resistance properties of the valve material.
Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом способе изготовления клапана двигателя внутреннего сгорания достигается также тем, что нагрев компактной заготовки под экструдирование осуществляют в зависимости от материала матрицы по режимам:The specified technical result and the elimination of disadvantages in the proposed method of manufacturing a valve of an internal combustion engine is also achieved by the fact that the heating of a compact billet for extrusion is carried out depending on the matrix material in the following modes:
- матрица (α и β)-фазового состава - на 5-50°С ниже температуры полного полиморфного превращения сплава;- a matrix of (α and β) -phase composition - 5-50 ° C below the temperature of the complete polymorphic transformation of the alloy;
- матрица (α2)-фазового состава - на 450-530°С ниже точки плавления интерметаллида Тi3Аl или сплавов на его основе;- a matrix of (α 2 ) -phase composition - 450-530 ° C below the melting point of the Ti 3 Al intermetallic compound or alloys based on it;
- матрица (В2 и O)-фазового состава - на 190-340°С ниже точки плавления интерметаллида Ti2AlNb или сплавов на его основе;- a matrix of (B2 and O) -phase composition - 190-340 ° C below the melting point of the Ti 2 AlNb intermetallic compound or alloys based on it;
- матрица (γ)-фазного состава - на 60-220°С ниже точки плавления интерметаллида TiAl или сплавов на его основе;- a matrix of (γ) -phase composition - 60-220 ° C below the melting point of the TiAl intermetallic compound or alloys based on it;
при этом экструдирование проводят со степенью деформации не менее 70%.while extrusion is carried out with a degree of deformation of at least 70%.
Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом способе изготовления клапана двигателя внутреннего сгорания достигается также тем, что деформационную обработку части цилиндрической заготовки, относящейся к стержню, после экструдирования осуществляют путем радиальной ковки с предварительным нагревом до температуры 300-1100°С.The specified technical result and the elimination of disadvantages in the proposed method of manufacturing a valve of an internal combustion engine is also achieved by the fact that the deformation processing of a part of a cylindrical billet related to the rod after extrusion is carried out by radial forging with preliminary heating to a temperature of 300-1100 ° C.
Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом способе изготовления клапана двигателя внутреннего сгорания достигается также тем, что деформационную обработку части цилиндрической заготовки, относящейся к стержню, после экструдирования осуществляют путем поперечно-клиновой прокатки, при этом предварительный нагрев осуществляют в зависимости от материала матрицы по режимам:The specified technical result and the elimination of disadvantages in the proposed method of manufacturing a valve of an internal combustion engine is also achieved by the fact that the deformation processing of the part of the cylindrical billet related to the rod after extrusion is carried out by transverse wedge rolling, while the preliminary heating is carried out depending on the matrix material :
- матрица (α и β)-фазового состава - на 10-70°С ниже температуры полного полиморфного превращения сплава;- a matrix of (α and β) -phase composition - 10-70 ° C below the temperature of the complete polymorphic transformation of the alloy;
- матрица (α2)-фазового состава - на 550-620°С ниже точки плавления интерметаллида Ti3Al или сплавов на его основе;- a matrix of (α 2 ) -phase composition - 550-620 ° C below the melting point of the Ti 3 Al intermetallic or alloys based on it;
- матрица (В2 и O)-фазового состава - на 280-420°С ниже точки плавления интерметаллида Ti2AlNb или сплавов на его основе;- a matrix of (B2 and O) -phase composition — 280-420 ° C below the melting point of the Ti 2 AlNb intermetallic compound or alloys based on it;
- матрица (γ)-фазного состава - на 260-310°С ниже точки плавления интерметаллида TiAl или сплавов на его основе.- a matrix of (γ) -phase composition is 260-310 ° C below the melting point of the TiAl intermetallic compound or alloys based on it.
Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом способе изготовления клапана двигателя внутреннего сгорания достигается также тем, что нагрев части заготовки, относящейся к головке и участку перехода в стержень, под штамповку осуществляют в зависимости от материала матрицы по режимам:The specified technical result and the elimination of shortcomings in the proposed method of manufacturing a valve of an internal combustion engine is also achieved by the fact that the heating of the part of the workpiece related to the head and the transition to the rod for stamping is carried out depending on the matrix material in the following modes:
- матрица (α и β)-фазового состава - на 50°С ниже или выше температуры полного полиморфного превращения сплава;- a matrix of (α and β) -phase composition — 50 ° C lower or higher than the temperature of the complete polymorphic transformation of the alloy;
- матрица (α2)-фазового состава - на 450-550°С ниже точки плавления интерметаллида Ti3Al или сплавов на его основе;- a matrix of (α 2 ) -phase composition - 450-550 ° C below the melting point of the Ti 3 Al intermetallic compound or alloys based on it;
- матрица (В2 и O)-фазового состава - на 270-480°С ниже точки плавления интерметаллида Ti2AlNb или сплавов на его основе;- a matrix of (B2 and O) -phase composition — 270-480 ° C below the melting point of the Ti 2 AlNb intermetallic compound or alloys based on it;
- матрица (γ)-фазного состава - на 140-400°С ниже точки плавления интерметаллида TiAl или сплавов на его основе.- a matrix of (γ) -phase composition - 140-400 ° C below the melting point of the TiAl intermetallic compound or alloys based on it.
Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом способе изготовления клапана двигателя внутреннего сгорания достигается также тем, что единую заготовку под клапан собирают в заданной форме из структурных композиций сферических гранул, по крайней мере двух составов для стержня и головки, с плавным переходом и смешением смесей друг с другом в участке перехода головки в стержень.The specified technical result and the elimination of shortcomings in the proposed method of manufacturing a valve of an internal combustion engine is also achieved by the fact that a single blank for the valve is assembled in a predetermined form from structural compositions of spherical granules, at least two compositions for the rod and head, with a smooth transition and mixing mixtures of each with the other in the transition of the head to the rod.
Таким образом, заявляемый способ изготовления клапана основан на применении деформационных технологий. Это позволяет получить клапан двигателя внутреннего сгорания из композиционного жаропрочного материала на основе титана и его интерметаллидов, полученного по методу гранульной металлургии, при этом различные виды исполнения композиционного материала имеют различный уровень свойств, обеспечивающих длительную термическую стабильность в диапазоне температур от 650 до 900°С, и соответствующих условиям механического и длительного термического нагружения клапана в ДВС.Thus, the inventive method of manufacturing a valve based on the use of deformation technologies. This allows you to get the valve of an internal combustion engine from a composite heat-resistant material based on titanium and its intermetallic compounds obtained by the method of granular metallurgy, while different types of composite material have a different level of properties that provide long-term thermal stability in the temperature range from 650 to 900 ° C, and corresponding to the conditions of mechanical and prolonged thermal loading of the valve in the internal combustion engine.
Более подробное подтверждение и обоснование существенности признаков для изобретения «Способ изготовления клапана двигателя внутреннего сгорания» смотри в разделе «Примеры осуществления изобретения».A more detailed confirmation and justification of the materiality of the features for the invention, “Method for manufacturing a valve of an internal combustion engine”, see “Examples of the invention”.
Сущность изобретений поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:
- на фиг.1 изображен общий вид клапана ДВС монолитного исполнения;- figure 1 shows a General view of the internal combustion engine valve;
- на фиг.2 изображен общий вид клапана ДВС, выполненного из 2-х различных материалов;- figure 2 shows a General view of the internal combustion engine valve, made of 2 different materials;
-на фиг.3 изображена исходная цилиндрическая заготовка из композиционного материала;- figure 3 shows the original cylindrical blank of composite material;
- на фиг.4 изображена заготовка после радиальной ковки;- figure 4 shows the workpiece after radial forging;
-на фиг.5 изображена заготовка клапана двигателя внутреннего сгорания после штамповки;- figure 5 shows the billet of the valve of an internal combustion engine after stamping;
- на фиг.6 приведено фото разрушившегося клапана-прототипа (патент RU 2244135) после 60 часов работы в двигателе;- figure 6 shows a photo of the collapsed valve prototype (patent RU 2244135) after 60 hours of operation in the engine;
- на фиг.7 приведено фото клапана по предлагаемому изобретению после 300 часов работы в двигателе.- figure 7 shows a photo of the valve according to the invention after 300 hours of operation in the engine.
Ниже приведены примеры осуществления изобретения.The following are examples of the invention.
Клапан (фиг.1) содержит стержень 1 постоянного диаметра и головку 2 тарельчатой формы, включающую участок перехода 3, обеспечивающий плавное сопряжение стержня и головки.The valve (figure 1) contains a
Для практического осуществления изобретения и получения легкого клапана с заданными свойствами жаропрочности и надежности были изготовлены 6 вариантов композиционных материалов на основе жаропрочных титановых сплавов (α+β)-фазового состава (ВТ 9), псевдо-α-фазового состава (ВТ 18У), интерметаллида Ti3Al и сплава на его основе, сплава на основе интерметаллида Ti2AlNb, интерметаллида TiAl и сплава на его основе и наноразмерных порошков Y2О3 и Al2O3. Химические составы композиционных материалов приведены в таблице 1. В таблице 2 приведены структурные композиции сферических гранул для выполненных вариантов композиционных материалов, включающие объемное содержание гранул и наноразмерных порошков, и их размеры. При этом структурные композиции сферических гранул в примерах №1, 2, 3 и 4 обеспечивают жаропрочные свойства композиционных материалов клапанов до температур 650, 750, 800 и 900°С, соответственно.For the practical implementation of the invention and the production of a lightweight valve with the specified properties of heat resistance and reliability, 6 variants of composite materials based on heat-resistant titanium alloys of (α + β) -phase composition (VT 9), pseudo-α-phase composition (VT 18U), intermetallide were manufactured Ti 3 Al and an alloy based on it, an alloy based on an intermetallic Ti 2 AlNb, an intermetallic TiAl and an alloy based on it, and nanosized powders Y 2 O 3 and Al 2 O 3 . The chemical compositions of the composite materials are shown in Table 1. Table 2 shows the structural compositions of spherical granules for the made variants of composite materials, including the volume content of granules and nanosized powders, and their sizes. Moreover, the structural compositions of spherical granules in examples No. 1, 2, 3 and 4 provide the heat-resistant properties of the valve composite materials to temperatures of 650, 750, 800 and 900 ° C, respectively.
Изготовление композиционных материалов проводилось по известной технологии гранульной металлургии. Изготовление гранул исходных компонентов осуществлялось на специализированной установке.The manufacture of composite materials was carried out according to the well-known technology of granular metallurgy. The manufacture of granules of the starting components was carried out in a specialized installation.
Далее были осуществлены следующие технологические операции:Next, the following technological operations were carried out:
- операция сепарации гранул осуществлялась на установке рассева и магнитной сепарации гранул (УР и МС);- the operation of separation of granules was carried out on the installation of sieving and magnetic separation of granules (UR and MS);
- после проведения рассева гранул и их классификации годные гранулы подвергались электростатической сепарации на установке СЭС;- after sieving the granules and their classification suitable granules were subjected to electrostatic separation at the SES installation;
- смешение наноразмерных порошков Y2О3 или Аl2O3 со структурными композициями сферических гранул проводили в планетарной центробежной мельнице;- the mixing of nanosized powders Y 2 O 3 or Al 2 O 3 with the structural compositions of spherical granules was carried out in a planetary centrifugal mill;
- засыпка структурных композиций сферических гранул в капсулы диаметром 70 мм, формирование структурных композиций сферических гранул при вибрационном воздействии на капсулу и их герметизация осуществлялась на установке засыпки и герметизации капсул (УЗГК). Для обеспечения хороших условий диффузионного сращивания гранул проводилась их термическая дегазация и активация поверхности путем нагрева гранул перед засыпкой в капсулы в вакууме (~ 10-5 торр) до температуры 500°С. Герметизация капсул осуществлялась путем электроннолучевой заварки приемного отверстия;- filling of the structural compositions of spherical granules into capsules with a diameter of 70 mm, the formation of structural compositions of spherical granules under vibrational influence on the capsule and their sealing was carried out at the filling and sealing capsules (UZGK) installation. To ensure good conditions for diffusion coalescence of the granules, they were thermally degassed and surface activated by heating the granules before filling into capsules in vacuum (~ 10-5 torr) to a temperature of 500 ° C. Capsule sealing was carried out by electron beam welding of the receiving hole;
- заваренные капсулы подвергалась газостатическому уплотнению в газостате при температуре 950°С (для примеров №1, 5 и 6) и 1150…1325°С (для примеров №2-4) и давлениях до 220 МПа.- the brewed capsule was subjected to gas-static compaction in a gas bath at a temperature of 950 ° C (for examples No. 1, 5 and 6) and 1150 ... 1325 ° C (for examples No. 2-4) and pressures up to 220 MPa.
- полученные компактные заготовки экструдировались в прутки диаметром 20 мм;- the resulting compact blanks were extruded into rods with a diameter of 20 mm;
- из полученных прутков композиционных материалов изготавливались: цилиндрические заготовки 6 (фиг.3) для последующего изготовления клапанов и образцов для проведения испытаний механических свойств композиционных материалов.- from the obtained rods of composite materials were made: cylindrical blanks 6 (figure 3) for the subsequent manufacture of valves and samples for testing the mechanical properties of composite materials.
На первой стадии деформационной обработки из цилиндрической заготовки методом радиальной ковки на ротационно-ковочной машине фирмы "НМР" (Германия) получали заготовку промежуточной формы 7 (фиг.4) под последующую штамповку головки клапана. Цилиндрическую заготовку предварительно нагревали индукционным методом до температуры 500°С (для примеров №1, 5 и 6), 650°С (для примеров №2-3) и 750°С (для примера №4). В результате обработки на ротационно-ковочной машине был сформирован стержень клапанов с диаметром, соответствующем диаметру стержня готового клапана с припуском 0,15 мм под последующую механическую обработку.At the first stage of deformation processing from a cylindrical workpiece by radial forging on a rotary forging machine company "NMR" (Germany) received a workpiece of intermediate form 7 (Fig.4) for subsequent stamping of the valve head. The cylindrical billet was preliminarily heated by induction to a temperature of 500 ° C (for examples No. 1, 5 and 6), 650 ° C (for examples No. 2-3) and 750 ° C (for example No. 4). As a result of processing on a rotary forging machine, a valve stem was formed with a diameter corresponding to the diameter of the finished valve stem with an allowance of 0.15 mm for subsequent machining.
Экспериментально установлено, что нагрев цилиндрических заготовок до температур 500, 650 и 750°С обеспечивает уверенную радиальную ковку данных композиционных материалов. При меньших температурах нагрева процесс радиальной ковки затягивается по времени; нагрев до более высоких температур вызывает образование нежелательного альфированного слоя на поверхности заготовок.It was experimentally established that heating cylindrical billets to temperatures of 500, 650 and 750 ° C provides reliable radial forging of these composite materials. At lower heating temperatures, the radial forging process is delayed in time; heating to higher temperatures causes the formation of an undesirable alpha layer on the surface of the workpieces.
Горячую штамповку головки клапанов осуществляли на механическом кривошипном прессе.Hot stamping of the valve heads was carried out on a mechanical crank press.
Нагрев под штамповку вели индукционным методом только той части заготовки, которую подвергали деформации при формообразовании головки клапана и участка перехода в стержень. После нагрева до заданной температуры проводили штамповку головки клапана.Heating for stamping was carried out by the induction method only of that part of the workpiece that was subjected to deformation during the shaping of the valve head and the section of transition to the rod. After heating to a predetermined temperature, the valve head was stamped.
Штамповку проводили при температурах:Stamping was carried out at temperatures:
- на 50°С ниже или выше температуры полного полиморфного превращения (Тпп) для сплава ВТ 9 (для примеров №1, 5 и 6);- 50 ° C lower or higher than the temperature of the complete polymorphic transformation (T PP ) for alloy VT 9 (for examples No. 1, 5 and 6);
- на 450-550°С ниже точки плавления сплава на основе интерметаллида Тi3Аl (для примера №2);- 450-550 ° C below the melting point of the alloy based on the Ti 3 Al intermetallic compound (for example, No. 2);
- на 270-480°С ниже точки плавления сплава на основе интерметаллида Ti2AlNb (для примера №3);- 270-480 ° C below the melting point of the alloy based on intermetallic Ti 2 AlNb (for example No. 3);
- на 140-400°С ниже точки плавления сплава на основе интерметаллида TiAl (для примера №4).- 140-400 ° C below the melting point of the alloy based on the TiAl intermetallic compound (for example, No. 4).
При этом посредством штамповки формировалась головка 2 клапана тарельчатой формы с участком 3 плавного перехода в стержень 1. Заготовка клапана приведена на фиг.5.In this case, by means of stamping, a valve-shaped
Экспериментально установлено, что такие температурные режимы нагрева под штамповку обеспечивают высокое качество формообразования головки клапана и участка перехода в стержень. При перегреве заготовки под штамповку, то есть нагреве ее выше указанных температур, происходит нежелательное огрубление микроструктуры в головке клапана; при недостаточном нагреве заготовки, то есть ниже указанных температур, происходит недоштамповка головки клапана.It was experimentally established that such temperature conditions of heating for stamping provide high quality shaping of the valve head and the section of transition to the rod. When the workpiece is overheated for stamping, that is, heating it above the specified temperatures, an unwanted coarsening of the microstructure in the valve head occurs; with insufficient heating of the workpiece, that is, below the indicated temperatures, the valve head is not stamped.
Выполнение деформационных обработок по заявленным режимам при изготовлении клапанов ДВС из композиционных материалов в соответствии с примерами №1-6 обеспечивает получение механических свойств композиционных материалов в клапанах ДВС, приведенных в таблице 3.Performing deformation processing according to the declared modes in the manufacture of ICE valves from composite materials in accordance with examples No. 1-6 provides obtaining the mechanical properties of composite materials in ICE valves, shown in table 3.
Анализ данных, полученных по результатам проведенных металлографических и структурно-фазовых исследований, испытаний физико-механических свойств композиционных материалов и испытаний изготовленных образцов клапанов (см. табл.3), показал следующее:An analysis of the data obtained by the results of metallographic and structural-phase studies, tests of the physicomechanical properties of composite materials and tests of manufactured valve samples (see table 3) showed the following:
1. Клапаны из композиционных материалов с заявленным объемным содержанием компонентов согласно примерам осуществления изобретения №1-4 продемонстрировали высокие прочностные свойства при комнатной температуре и жаропрочные свойства при температурах 650-900°С, повышенный модуль упругости, высокую усталостную прочность как при комнатной температуре, так и при максимальных рабочих температурах для клапанов, длительную термическую стабильность и технологическую пластичность, обеспечивающую предусмотренные деформационные обработки.1. Valves made of composite materials with the claimed volumetric content of components according to examples of the invention No. 1-4 demonstrated high strength properties at room temperature and heat-resistant properties at temperatures of 650-900 ° C, increased modulus of elasticity, high fatigue strength both at room temperature and and at maximum operating temperatures for valves, long-term thermal stability and technological plasticity, providing the required deformation processing.
2. При увеличенном объемном содержании гранул матрицы (пример №5) клапан из данного композиционного материала имел худшие свойства: плотности, предела длительной прочности и предела ползучести при температуре 650°С, а также модуля упругости и удельного модуля упругости в сравнении с клапаном по примеру №1.2. With an increased volume content of matrix granules (example No. 5), a valve made of this composite material had worse properties: density, long-term strength, and creep limit at a temperature of 650 ° C, as well as elastic modulus and specific elastic modulus in comparison with the valve of example No. 1.
3. При уменьшенном объемном содержании гранул матрицы (пример №6) клапан из данного композиционного материала имел худшие свойства: предела длительной прочности и усталостной прочности при температуре 650°С, в сравнении с клапаном по примеру №1.3. With a reduced volume content of matrix granules (example No. 6), a valve made of this composite material had the worst properties: ultimate tensile strength and fatigue strength at a temperature of 650 ° C, in comparison with the valve according to example No. 1.
4. Сопоставление свойств клапана из композиционного материала по примеру №1 со свойствами клапана-прототипа из жаропрочного титанового сплава, упрочненного интерметаллидной α2-фазой (Ti3Al) по патенту RU 2244135, показывает значительное превосходство клапана по примеру №1 по жаропрочным свойствам: пределу длительной прочности (более 3-х кратное) и пределу ползучести (более 55%) при температуре 650°С над клапаном-прототипом. Эти свойства подтверждены результатами проведенных ускоренных моторных испытаний клапана из композиционного материала по примеру №1 на надежность и долговечность (ОСТ 37.004.004-74) продолжительностью 300 моточасов без разрушения, что равнозначно пробегу транспортного средства в 180,0 тыс. км при эксплуатационных режимах работы двигателя. В то же время материал клапана-прототипа охрупчивался при выдержке в течение 60-100 часов при температуре 600°С, что вызывало усталостное разрушение клапана. На фиг.6 и 7 приведены фото образцов клапанов по патенту RU 2244135 (разрушился после 60 моточасов) и из композита (наработка 300 моточасов без разрушения). Полученные свойства композиционного материала обеспечивают надежную работу клапанов двигателей при их длительной эксплуатации.4. Comparison of the properties of the valve made of composite material according to example No. 1 with the properties of the valve-prototype of heat-resistant titanium alloy hardened by intermetallic α 2 -phase (Ti 3 Al) according to patent RU 2244135, shows a significant superiority of the valve according to example No. 1 in terms of heat-resistant properties: tensile strength (more than 3 times) and creep strength (more than 55%) at a temperature of 650 ° C above the prototype valve. These properties are confirmed by the results of accelerated motor tests of a valve made of composite material according to example No. 1 for reliability and durability (OST 37.004.004-74) with a duration of 300 hours without destruction, which is equivalent to a vehicle mileage of 180.0 thousand km under operating conditions engine. At the same time, the material of the prototype valve was embrittled when holding for 60-100 hours at a temperature of 600 ° C, which caused fatigue failure of the valve. Figures 6 and 7 show photos of valve samples according to patent RU 2244135 (collapsed after 60 hours) and from a composite (operating hours 300 hours without breaking). The obtained properties of the composite material ensure reliable operation of engine valves during their long-term operation.
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010121365/02A RU2437948C1 (en) | 2010-05-27 | 2010-05-27 | Light valve of internal combustion engine of composite heat proof material on base of titanium and its inter-metallides and procedure for its manufacture |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010121365/02A RU2437948C1 (en) | 2010-05-27 | 2010-05-27 | Light valve of internal combustion engine of composite heat proof material on base of titanium and its inter-metallides and procedure for its manufacture |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2437948C1 true RU2437948C1 (en) | 2011-12-27 |
Family
ID=45782852
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010121365/02A RU2437948C1 (en) | 2010-05-27 | 2010-05-27 | Light valve of internal combustion engine of composite heat proof material on base of titanium and its inter-metallides and procedure for its manufacture |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2437948C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2687615A3 (en) * | 2012-07-19 | 2016-07-27 | RTI International Metals, Inc. | Titanium alloy having good oxidation resistance and high strength at elevated temperatures |
-
2010
- 2010-05-27 RU RU2010121365/02A patent/RU2437948C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2687615A3 (en) * | 2012-07-19 | 2016-07-27 | RTI International Metals, Inc. | Titanium alloy having good oxidation resistance and high strength at elevated temperatures |
US9957836B2 (en) | 2012-07-19 | 2018-05-01 | Rti International Metals, Inc. | Titanium alloy having good oxidation resistance and high strength at elevated temperatures |
CN108486409A (en) * | 2012-07-19 | 2018-09-04 | Rti国际金属公司 | Titanium alloy with good oxidation resistance and high intensity at high temperature |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6599467B1 (en) | Process for forging titanium-based material, process for producing engine valve, and engine valve | |
US20100028190A1 (en) | Method of making powder metal parts using shock loading | |
US4852531A (en) | Titanium poppet valve | |
CN1009741B (en) | Nickel base superalloy articles and methods of manufacture | |
US6209446B1 (en) | Piston for internal combustion engine and process of making same | |
EP0533950B1 (en) | Rotor made of aluminum alloy for oil pump and method of manufacturing said rotor | |
JPH10504367A (en) | Titanium engine valve | |
US20060083653A1 (en) | Low porosity powder metallurgy produced components | |
EP2799165B1 (en) | Method for molding aluminum alloy powder, and aluminum alloy member | |
JP2546660B2 (en) | Method for producing ceramics dispersion strengthened aluminum alloy | |
RU2437948C1 (en) | Light valve of internal combustion engine of composite heat proof material on base of titanium and its inter-metallides and procedure for its manufacture | |
JPH0689428B2 (en) | Method for producing heat-resistant aluminum alloy having excellent tensile strength, ductility and fatigue strength | |
JP3362066B2 (en) | High density powder sintered titanium alloy valve spring retainer for internal combustion engine and method of manufacturing the same | |
WO2001023629A1 (en) | Preliminarily formed article and formed article and parts for internal-combustion engine | |
Ghosh | Solid-state processing | |
US4740428A (en) | Fiber-reinforced metallic member | |
JP2001192707A (en) | Method of composite molding for high strength aluminum alloy powder material and casting of molten aluminum alloy material | |
Bobel et al. | Laser Powder-Bed Fusion Additive Manufacturing of Structural Automotive Components | |
JPH0539507A (en) | Rotor for oil pump made of aluminum alloy and production thereof | |
RU2239511C1 (en) | Method for making large-size pistons of internal combustion engines | |
CN115026306B (en) | Heterogeneous aluminum-based composite material and preparation method thereof | |
JP2003096524A (en) | Aluminum alloy, piston made of aluminum alloy, and method of producing piston made of aluminum alloy | |
JPH07305132A (en) | High elasticity aluminum alloy excellent in toughness | |
JP3668125B2 (en) | Manufacturing method of engine valve | |
JPH0849033A (en) | Aluminum alloy-base composite material excellent in fretting fatigue strength |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120528 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20141010 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160528 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20180119 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190528 |