TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Katedra materiálu
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
V Liberci 2010 Bohumír Zlatuška
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní
Katedra materiálu
Studijní program: B2341 - Strojírenství
Studijní obor: 3911R018 Materiály a technologie Zaměření: Materiálové inženýrství
MIKROMAGNETICKÁ STRUKTUROSKOPIE VÝFUKOVÝCH VENTILŮ
MIKRO-MAGNETIC STRUCTUROSCOPY OF EXHAUST VALVES
KMT – B – 156 Bohumír Zlatuška
Vedoucí bakalá řské práce: doc. Ing. Břetislav Skrbek, CSc., TU v Liberci
Rozsah práce a příloh:
Počet stran : 47 Počet tabulek : 9 Počet obrázků : 30 Počet grafů : 22
Počet příloh : 8 Studijní rok: 2009/ 2010
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní
Katedra materiálu Studijní rok: 2009/2010
ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE
Jméno a příjmení
Bohumír Z L A T U Š K A
studijní program 2341 B Strojírenství
obor Materiály a technologie
zaměření Materiálové inženýrství
Ve smyslu zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách se Vám určuje bakalářská práce na téma:
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventilů
Zásady pro vypracování:
(uveďte hlavní cíle bakalářské práce a doporučené metody pro vypracování)
1. Seznamte se s výsledky předchozích studentských prací.
2. Navrhněte způsob lokálního měření permeability a remanentního magnetizmu i v přechodové oblasti mezi dříkem a hlavou ventilů.
3. Proveďte experimentální měření s přesným pozicováním na ventilech s různou tepelnou provozní expozicí.
4. Porovnejte předpokládané teplotní, a reálné tvrdostní a strukturní profily s magnetickými profily sledovaných ventilů.
Forma zpracování bakalářské práce:
- průvodní zpráva v rozsahu 25 - 40 stran - přílohy
Seznam literatury (uveďte doporučenou odbornou literaturu):
[1] Kolektiv autorů. Provozní degradace austenitických ventilových ocelí. Sborník semináře, Liberec 2006, ISBN 80-7372-113-9.
[2] SKRBEK, B. Metoda magnetické skvrny. Teze profesorské přednášky, Liberec 2008, ISBN 978-80-7372-428-3.
[3] PTÁČEK, L. a kol. Nauka o materiálu. 1. vydání. Nakladatelství CERM s. r. o.:
Brno 1999. ISBN 80 – 7204 – 130 – 4.
Vedoucí bakalářské práce: doc.Ing.Břetislav Skrbek,CSc.
Konzultant bakalářské práce :
L.S.
doc. Ing. František STUCHLÍK,CSc. prof. Ing. Petr LOUDA, CSc.
vedoucí katedry děkan
V Liberci dne 31.10. 2009
______________________________________________________________________
______________
Platnost zadání bakalářské práce je 15 měsíců od výše uvedeného data (v uvedené lhůtě je třeba podat přihlášku ke SZZ) .Termíny odevzdání bakalářské práce jsou určeny pro každý studijní rok a jsou uvedeny v harmonogramu výuky.
Fakulta strojní
Katedra materiálu
ANOTACE
Studijní program: 2341 B – Strojírenství Studijní obor: Materiálové inženýrství Diplomant: Bohumír Zlatuška
Téma práce: Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventilů Číslo BP: KMT – B – 156
Vedoucí BP: doc. Ing. Břetislav Skrbek, CSc, TU v Liberci
Abstrakt:
Tato bakalářská práce navazuje na předešlé diplomové práce zabývajícími se změnami austenitických ventilových ocelí během provozní expozice. Výsledky měření mají posloužit pro posouzení aplikovatelnosti metod měření zbytkového magnetizmu na provozní degradaci v oblasti dříku a kužele výfukových a sacích ventilů.
Teoretická část je myšlenkově rozdělena na dva okruhy. A to na materiálový okruh, který se zabývá především používanými materiály ventilů a jejich degradací, a dále na okruh nedestruktivního zkoušení materiálů zaměřený na základní princip strukturoskopických metod v této práci užitých.
V experimentální části byly popsány jednotlivé vzorky ventilů a způsob měření s přesným pozicováním na ventilech. Měření proběhlo na přístrojích měřících permeabilitu a remanentní intenzitu magnetického pole a následně získaná data byla vyhodnocena ve formě grafů pro jednotlivé vzorky. Z nich pak byly vybrány kritické partie ventilů, které byly dále podrobeny zkoušce tvrdosti a metalografickému hodnocení struktury.
Klíčová slova: metoda magnetické skvrny, DOMENA, výfukový a sací ventil
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní
Katedra materiálu
ANNOTATION
Studying programme: 2341 B – Mechanical engineering Specialization : Material engineering
Author: Bohumír Zlatuška
Subject of work: Micro-magnetic structuroscopy of exhaust valves Number of work: KMT – B – 156
Leader of work: doc. Ing. Břetislav Skrbek, CSc, TU v Liberci
Abstract:
This bachelor work tie together on previous diploma work conversant of changes austenitic valve steel during operational exposition. Result of measurement have serve for examination of application methods measuring residual magnetism to operating degradation in the area of valve stem and cones.
Theoretic part is divided on two circuits. On material circle that the deal with used materials of valves and their degradation, further circle of non - destructive testing material intented on keystone of strukturoskopy methods in those work used.
Spot sample valves plus way of measuring with exact position on valves were described in experimental parts. The metering went ahead apparatures measuring permeability and remanent intensity magnetic field. Then retrieve data was interpretation in the form of graphs for spot sample. Of them were choiced critical section of valves, which were submitted hardness test and metallographical classification textures.
Keywords: magnetic spot method, DOMENA, exhaust and intake valve
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb. o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím bakalářské práce a konzultantem.
Datum: květen 2010
Podpis
Poděkování:
Toto poděkování je směřováno především vedoucímu této bakalářské práce doc. Ing. Břetislavu Skrbkovi, CSc za cenné rady, poskytnutí odborné literatury při psaní této práce a za množství času, které mi věnoval při konzultacích. Dále bych rád poděkoval paní Vlastě Čílové za ochotu a pomoc se závěrečným měřením tvrdostí a metalografickým vyhodnocováním struktury.
Poděkování patří také členům Katedry materiálu za podporu při studiu v tomto zaměření.
1. Úvod ... 1
2. Teoretická část ... 2
2. 1. Ventily a jejich funkce ... 2
2.1.1. Rozdělení ventilů ... 3
2.1.2. Výroba ventilů ... 5
2.2. Materiály ventilů ... 6
2.3. Zatížení ventilů... 8
2.3.1. Poruchy kovových ventilů ... 8
2.3.2. Změny struktury ... 9
2.3.3. Teploty ventilů ... 10
2.4. Nedestruktivní metody zkoušení materiálu ... 11
2.4.1. Hodnocení vad výfukových ventilů pomocí UT metod ... 12
2.5 Strukturoskopie ... 13
2.5.1. Magnetická strukturoskopie ... 13
2.5.1.1. Magnetické vlastnosti látek ... 13
2.5.1.2. Základní pojmy a definice ... 14
2.5.2. Magnetické metody ... 15
2.5.2.1. Měření permeability ... 15
2.5.2.2. Metoda magnetické skvrny ... 16
2.5.3. Magnetizace a měření na přístrojích DOMÉNA ... 17
3. Experimentální část ... 19
3.1. Úvod ... 19
3.2. Výběr vzorků a jejich popis ... 20
3.2.1. Popis jednotlivých ventilů ... 21
3.3. Měřící přístroje a pomůcky ... 23
3.4. Nastavení a kalibrace měřících přístrojů ... 24
3.5. Způsob měření remanentního magnetizmu ... 25
3.5.1. Naměřené hodnoty Hr po obvodu čela ventilů ... 26
3.5.2. Grafy hodnot remanentní intenzity Hr ... 27
3.5.3. Porovnání měření Hr na různých površkách ... 35
3.6. Měření permeability ... 36
3.7. Zkouška tvrdosti ... 36
3.7.1. Měření tvrdosti ventilů ... 37
3.7.2. Průběh tvrdosti ... 38
3.8. Metalografické hodnocení kritických míst... 39
3.8.1. Popis struktury vzorků ... 39
4. Diskuze výsledků ... 43
5. Závěr ... 46
6. Seznam použité literatury ... 47
Seznam zkratek a symbolů
označení název jednotka σ - sigma [ - ]
δ - delta [ - ] γ - gama [ - ]
χ - susceptibilita [ - ]
χm - relativní susceptibilita [ - ] µr - relativní permeabilita [ - ] µ0 - permeabilita vakua [H/m]
µ - permeabilita [ H/m ] ξξξ
ξ - magnetický indukční tok [ Wb ] J - polarizace [ T ]
B,Bm - magnetické indukce [ T ]
Br - zbytková (remanentní) magnetické indukce [ T ] M - magnetizace [ A/m ]
H,Hm - intenzita magnetického pole [ A/m ]
Hr - remanentní intenzita magnetického pole [ A/m ] N - demagnetizační činitel [ - ]
Ir - remanentní polarizace [ T ] m - stínící účinek [ - ]
ti - vzdálenost od snímače [mm]
dHri - příspěvek remanentní intenzity jednotlivých zrn feromagnetika [A/m]
HV - tvrdost podle Vickerse [ - ] KCU – vrubová houževnatost (tvar U) α - koeficient tepelné roztažnosti [ 1/K ] S - plocha [m2]
Um - magnetické napětí [V]
l - délka vodiče [mm]
I - elektrický proud [A]
r - vzdálenost od osy vodiče [mm]
L - vzdálenost sondy od čela ventilu [mm]
t - Celsiova teplota [°C]
Použité zkratky ČSN – označení normy DIN - označení normy UT - ultrazvuková RTG - rentgenová
NDT - nedestruktivní testování
- 1 -
1. Úvod
Výfukové ventily jsou velmi teplotně i mechanicky zatěžované součásti. Proto výběr vhodných materiálů a konstrukční řešení ventilů je důležitou složkou životnosti součásti a bezporuchovosti celé soustavy motoru. Díky moderním technikám nedestruktivní strukturoskopie, lze zjišťovat změny struktury materiálu v závislosti na provozním namáhání dané součásti. A právě do oblasti strukturuskopie náleží i metoda magnetické skvrny (magnetického bodového pólu).
Cílem této práce je lokální měření permeability a remanentního magnetizmu a to i v přechodové oblasti dříku a hlavy ventilů, provést experimentální měření s přesným pozicováním na ventilech a vytvořit z naměřených hodnot magnetické profily zkoumaných ventilů a posoudit je s jejich předpokládanými teplotními, reálnými tvrdostními a strukturními profily. Dále rozšířit měření i na další oceli a niklovou slitinu, které se začali používat po roce 2006 na ventilech motorů TEDOM.
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventilů Bohumír Zlatuška
- 2 -
2. Teoretická část
2. 1. Ventily a jejich funkce
Ventily patří mezi tepelně a mechanicky výrazně namáhané části spalovacího motoru. S dalšími díly rozvodového ústrojí zajišťují cyklickou výměnu obsahu válců, jenž se musí proběhnout za velmi krátký časový interval (kolem 0,2 s). Ventily jsou vystavovány časově proměnným tlakům (u přeplňovaných motorů ve špičkách až 15MPa) při teplotách spalin přes 1000°C. Na ventil působí během pracovního cyklu další mechanické namáhání (především od ovládacích prvků rozvodového mechanismu a setrvačných sil, které jsou způsobené vratnými pružinami). Současně je výfukový ventil vystaven vytékajícímu proudu spalin, a to hlavně v oblasti přechodu hlavy a dříku, které mají erozní a korozní účinek. Proto jsou na materiál ventilu kladeny vysoké požadavky. Namáhání ventilu zpravidla roste se stupněm přeplňování.
S ohledem na uvedená namáhání ventil musí přijímat co nejméně tepla – minimální povrch. Úhel sedla bývá 45°. Pro plynové motory 30° i méně. Snižuje se tím měrný tlak v sedle. Rychlost pracovního media činí u sacího ventilu 100 m/s, výfukové plyny se pohybují i rychleji. Konec stopky umožňuje uložení v misce pružin kuželovými vložkami (“klínky”). Pokud toto uložení samočinně působí pootáčení ventilu při provozu, přispívá k zvýšení životnosti ventilu.
Teplo, které ventil absorbuje se odvádí stopkou do kluzného vedení a sedlovou plochou přes sedla do hlavy válců. Těsnost sedel tedy také zaručuje dokonalý odvod tepla.
Oblasti ventilu vzdálené od míst odvodu tepla podléhají větší tepelné expozici. Oblast přechodu válcové stopky do kuželové hlavy proto dosahuje max. teploty (obr.2). [1,3]
Na obr.1 je vyobrazen ventil se základním technickým popisem.
Obr. 1. Popis ventilu
- 3 - Obr. 2. Charakteristické rozdělení teploty výfukového ventilu a odvod tepla
2.1.1. Rozdělení ventilů
Podle počtu materiálů použitých k výrobě ventilu se dělí ventily na:
1. Monometalické 2. Bimetalické 3. Trimetalické
4. Duté s vnitřním chlazením
Monometalické:
Monometalické ventily jsou vyrobeny z jednoho materiálu. Vyrábí se lisováním za tepla nebo pěchováním. Používají se především pro výrobu sacích ventilů do teplot 600°C. Mezi obvyklý materiál patří chromové kalitelné oceli (s označením S a O).
Kontaktní plochy s vahadlem ventilu a sedlem se povrchově kalí.
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventilů Bohumír Zlatuška
- 4 - Bimetalické:
U bimetalických ventilů je dřík tvořen chromovou ocelí a hlavou z austenitické oceli. Tyto dvě části jsou spojeny svařováním natupo třením nebo odporově bez návaru sedlové plochy. Další variantou bimetalického ventilu je méně materiálově úsporné řešení ventilu celého z austenitické oceli s návarem na sedlové a stopkové kontaktní ploše. Tato možnost se používá pro tepelné zatížení přes 700°C.
Trimetalické:
Vyrobené stejným způsobem jako bimetalické ventily s dříkem z chromové a s hlavou z austenitické oceli, avšak na dosedací ploše ventilu jsou opatřené návary ze žáruvzdorného materiálu (nejčastěji stellitu). Návary jsou připravovány navařováním drátem obloukem nebo plasmou práškem.
Tab.1. Rozdělení ventilů podle funkce a označení [8]
Ozn.mat. charakteristika
S Sací ventily bez velkého zatížení, dříkový materiál pro bi- a tri-metalické ventily O Sací ventily s zvýšeným zatížení, vyžadován kvalitní povrch a odolnost proti
opotřebení
A Sací a výfukové ventily s vysokou žárupevností a korozní odolností, standardní výfukové ventily s navařenou vrstvou steallitu
RA Sací a výfukové ventily s vysokou žárupevností a korozní odolností, standardní výfukové ventily s nebo bez návaru stealitu pro nákladní vozy
R Sací a výfukové ventily s vysokou otěruvzdorností a únavovou odolností, výfukové ventily bez návaru stellitu pro nákladní vozy
I Výfukové ventily pro maximální zatížení, ventily pro soutěžní motory, nebo pro velké provozní motory na těžká paliva
- 5 -
2.1.2. Výroba
Z hlediska technologie výroby je základní rozdělení dle druhu ventilu a to zda se jedná o ventil sací nebo výfukový. A přestože se zejména v operacích broušení či chromování dříku tyto dva druhy ventilů v mnoha ohledech schází, je zde velmi mnoho operací a aspektů, jimiž se vzájemně zcela odlišují.
Sací ventily se vyrábí převážně z jednoho materiálu a to martenzitické ocele 1.4718 (tab.2). Výroba těchto ventilu je méně náročná z hlediska počtu technologicky náročných operací na rozdíl od ventilů výfukových. Např. odpadá (svařování třením, návar sedla, ultrazvuková defektoskopie, atd.). Sací ventily jsou méně teplotně zatíženy, neboť jsou ochlazovány proudem nasávané směsi do spalovacího prostoru a proudící kolem těchto ventilů.
Výfukové ventily se vyrábí obvykle ze dvou (bimetalické) či třech materiálů (trimetalické). Těmito materiály je obvykle kombinace martenzitického materiálu 1.4718 pro dřík a austenitických materiálů 1.4871 , 1.4785 nebo 1.4882 pro hlavu ventilu (tab.2). Výfukové ventily jsou více zatíženy jak z hlediska teploty, tak koroze.
Poloha třecího svaru musí být vhodně umístěna vzhledem k pohybu ventilu ve vodítku (obr.3). Mělo by to být přibližně v půli zdvihu ventilu ve vodítku, je-li ventil uzavřen.[4]
Obr.3. Poloha třecího svaru Obr.4. Vytvrzený konec dříku a zápichu
Koeficient tepelné roztažnosti α je u svařeného materiálu odlišný, což zapříčiňuje sklony k opotřebení či zadření dříku. Proto se dřík ventilu chromuje.
Konec válcové části a čelo dříku se indukčně kalí na požadované hodnoty tvrdosti (obr.4). U trimetalických ventilů výroba pokračuje navařením sedla ventilu návarovým materiálem pomocí wolframové elektrody v ochranné atmosféře či dnes již běžně využívanou metodou plazmou (návarový prášek je taven ionizovaným plynem a nanesen na povrch). Návar sedla se užívá pro zvýšení odolnosti proti opotřebení a kvůli lepšímu těsnícímu účinku sedla.
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventilů Bohumír Zlatuška
- 6 -
2.2. Materiály ventilů
Oceli a slitiny na ventily pro spalovací motory
Česká technická norma ČSN EN 10090 (ČSN 42 0944) charakterizuje slitiny a oceli používané na výrobu sacích a výfukových ventilů spalovacích motorů. Obsahuje větší škálu ocelí jak zde uváděné jakosti DIN. Oceli a slitiny na ventily spalovacích motorů musí spojit vysokou korozivzdornost, pevnost a otěruvzdornost za žáru a rozměrovou stabilitu a lomovou odolnost.
Oceli na ventily jsou rozdělené skupin na:
- martenzitické oceli - austenitické oceli - niklové oceli
Martenzitické oceli se používají zejména na monometalické sací ventily a na dříky výfukových ventilů. Oceli této kategorie mají označení S a O (tab.2) a řadí se k nim i ocel 1.4731. Jsou to kalitelné chromové oceli s obsahem chromu 10% a odolností proti popouštění (stabilitu sorbitu do 600°C).
Na hlavy výfukových ventilů se používají austenitické oceli nebo Ni slitiny (NIMONIC) a dřík je obvykle z martenzitické oceli (pochromovaný) s kalenou stopkou pro kontakt s vahadlem. Austenitické oceli obsahují C kolem 0,5 %. Místo klasických čistě Cr-Ni ocelí se aplikují ocele, kde oblast austenitu otvírá také Mn a N (ekonomické řešení) a obvykle legují ocel společně s Cr (zajišťuje dostatečnou korozivzdornost) tak vysokým obsahem, aby byla zaručena homogenní austenitická matrice. Obsah Cr však nesmí překročit mez, při které se v matrici objeví intermetalická sigma fáze způsobující křehkost oceli. Vysokou pevnost a odolnost proti opotřebení oceli získá obsah C okolo 0,5 % a N. Odolnost proti kontaktní únavě a erozi od rychle proudících horkých spalin s sedlových plochách však nezaručuje ani uvedená ocel. Sedlové plochy se proto opatřují vysokouhlíkovými návary obvykle na bázi Co a stabilních karbidů W a Cr. Přehled materiálů návarů je uveden v tabulce 3.
Mikrolegury Nb, Ta, W v austenitických ocelí podporují efekt vytvrzení a stabilitu zrna. Pevnostní vlastnosti austenitických ocelí za tepla lze porovnat v tab. 5 a tab. A2-4 z EN 10090 (tabulky součástí přílohy 01.). S výrazným odstupem v žárupevnosti od austenitických ocelí vévodí ventilovým materiálům Ni slitiny NiCr20TiAl a NiFe25Cr20NbTi. Vysokou odolnost vůči tečení získávají vytvrzením intermetalickými sloučeninami s Ti, Nb, Al a používají se pro nejnamáhanější ventily.
[3,7]
- 7 - Tab.2. Označení a chemické složení (hmotnostní %) materiálů [3]
Ozn. mat. S O A RA R I
Označení dle
DIN17 007 1.4718 1.4748 1.4871 1.4882 1.4785 2.4952
DIN 17 006 X45CrSi 93
X85CrMo V182
X53CrMn NiN 21 9
X50CrMn NiNbN 21 9
X60CrMn MoVNbN
NiCr20 TiAl
ČSN 17 115 - 17 465 - - -
C 0,4 – 0,5 0,8 – 0,9 0,48 – 0,58 0,45 – 0,55 0,58 – 0,65 Max.. 0,1 Si 2,7 – 3,3 max. 1,0 max. 0,25 max. 0,45 max. 0,25 max. 1,0 Mn max. 0,8 max. 1,45 8,0 – 10,0 8,0 – 10,0 9,5 – 11,5 max. 1,0 Cr 8,0 – 10,0 16,5 – 18,5 20,0 – 22,0 20,0 – 22,0 20,0 – 22,0 18,0 – 21,0 Ni max. 0,5 max. 0,5 3,25 – 4,5 3,5 – 5,0 max. 1,5 zbytek
Mo - 2,0-2,5 - - 0,75 – 1,25 -
W - - - 0,8 – 1,5 - -
V - 0,25– 0,35 - - 0,75 – 1,0 -
Co - - - max. 2,0
Al - - - - 1,0 - 1,8
Ti - - - 1,8 – 2,7
Nb - - - 1,8 – 2,5 1,0 – 1,2 -
N - - 0,38-0,50 0,40 – 0,60 0,40 – 0,60 -
S max. 0,03 max. 0,03 max. 0,03 max. 0,03 max. 0,03 max. 0,015 P max. 0,04 max. 0,04 max. 0,04 max. 0,04 max. 0,04 max. 0,02
Fe zbytek zbytek zbytek zbytek zbytek Max. 3,0
Tab.3. Materiál sedlových návarů [3]
Ozn. mat. P37 P37S P82 P39S P25
Navařování oblouk, plamen plazma plazma plazma Plazma
Složení % C Střední
1,75 1,75 2,00 0,86 0,56
Si 1,1 1,1 max. 0,5 max. 0,4 Max. 0,4
Mn max. 0,3 max. 0,3 max. 0,5 10,0 10,0
Cr 25,5 28,0 26,0 27,0 25,0
Ni 22,5 22,5 zbytek 12,0 10,0
Co zbytek zbytek max. 0,3
W 12,25 12,25
Fe max.1,35 max. 1,35 max. 4,0 zbytek zbytek
Mo - - - 5,5 3,0
Nb-Ta - - - 2,5 2,0
Tvrdost HRc min. 40 min. 40 min. 32 min. 39 min. 32
P37, P37S - maximální žáruvzdornost a odolnost vůči opotřebení
P82 - max. žáruvzdornost a zvýšená odolnost vůči oxidaci a korozi za zvýšených teplot.
P39S - výfukové a sací ventily zážehových motorů s bezolovnatým benzinem P25 - zážehové i vznětové motory.
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventilů Bohumír Zlatuška
- 8 -
2.3. Zatížení ventilů
Degradace výfukových ventilů, u kterých dojde k poškození sedlové plochy, způsobuje snížení účinnosti motoru a nebezpečí havárie celého motoru. Obecně ventily jsou v provozním režimu namáhány vysokými teplotami (až 1000°C), mechanicky tlakem ve válci, silou pružiny, rázy při dosedání ventilů a tlakem ventilového vahadla (dříku); jsou vystaveny styku s horkými plyny se značným tepelným a korozivním účinkem. Těmito silami a rázy je talíř ventilu značně namáhán na ohyb, dřík ventilu na tlak a tah, a pokud působí tlak vahadla výstředně, i na ohyb. Výstředný tlak může působit i příčení ventilů a tím vést i ke zvýšení ohybového namáhání talíře. Konec ventilů je dále namáhán na otlačení od tlaku vahadla.[5]
2.3.1. Poruchy kovových ventilů
Podpovrchové vady
Mezi obvyklé poruchy patří poruchy v oblastech svaru, a to v přechodu návaru do základního materiálu. Poruchy se vyskytují nejčastěji v podobě dutin (nedokonalého svaru; studený spoj) nebo trhlin (svaru). Návary se proto kontrolují ultrazvukem. Za kritický rozměr vady se považuje velikost 1 mm a více. Strukturní změny materiálu společně s nadkritickými vadami časem iniciují únavový lom.
Netěsnost styku ventilu a hlavy válců
Urychlenou degradací austenitu hlav ventilu působí štěrbinový efekt spalin netěsných sedlových ploch a v okamžiku, kdy dojde k úbytku materiálu v těsném kontaktu s stelitovým m těsnícím návarem, ztratí tento odolný kobaltový materiál svoji schopnost odvádět teplo. Blokovaný odvod tepla urychlí lokální degradaci a eroze spalin odhalí průřez návaru, nastane jeho zhroucení s totální ztrátou těsností vedoucí k havárii válce a dále motoru. [2,3]
Obr. 5. Ukázka postupu degradace výfukových ventilů[6]
- 9 -
2.3.2. Změny struktury
Změny, ke kterým může provozní degradací ve struktuře austenitických ocelí dojít, jsou dány namáháním (mechanickým, chemickým a tepelným) a dále vlastním složením a strukturou oceli.
Dlouhodobé provozní expozice při teplotách 600 až 800 0C umožňují vylučování jemných karbidů Cr po hranicích zrn vedoucí k snížení korozi- a žáruvzdornosti.
Obr. 6. Tvorba jemných karbidů na hranicích zrn
Vylučováním karbidů na rozhraní zrn austenitu lze zamezit přísadou prvku, které mají větší slučivost s uhlíkem než chrom a vytváří velmi stálé a obtížné rozpustné karbidy. Takové prvky se nazývají stabilizační (Ti, Nb, Ta). Stabilizace slouží jako účinný prostředek proti mezikrystalové korozi.
U ocelí se středním obsahem Ni (bez Mn) hlavně v oblastech svarových zón je obsažen δ ferit, který působí proti praskavosti za žáru a umožňuje relaxaci.
Po dlouhodobém působení teplot 650-850°C se na hranicích δ feritu vytváří souvislé řady křehké a tvrdé σ fáze (vyznačuje se svou tetragonální krystalickou mřížkou a nemagnetičností). Velmi snižuje vrubovou houževnatost za normální teploty. Proto se proti vylučování δ feritu působí Mn.
Během běžného provozu motoru dochází k přerozdělování austenitických zrn a změně morfologie karbidů, avšak nové fáze z předchozího odstavce nevznikají.
Nedovoleným tepelným přetěžováním motorů však dochází ke strukturním změnám vzniku nových fází a křehnutí materiálu výfukových ventilů. Společným působením s agresivními produkty spalovacího procesu, vznikají od povrchu do hloubky řetězce karbidů až souvislé obálky zrn austenitu. Teplotní zátěž vede ke ztrátě stability austenitu a tvorbě tmavých zrn „pseudoperlitu“.[2,3]
Projevem strukturní degradace je především zvýšení vrubové citlivost oceli (může nastartovat únavový lom na dosud “spící” technologické vadě).
Strukturní změny austenitických ocelí lze indikovat nepřímo prostřednictvím změn fyzikálních vlastností např. pomocí zbytkového magnetického pole v materiálu či RTG difrakční analýzou. Hodnocením magnetických vlastností lze nepřímo stanovit poměr nově vzniklých feromagnetických fází, kdežto přímou metodou RTG difrakční analýzou lze přesně definovat všechny fáze, které se po teplotní a mechanické expozici vyskytují.[6]
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventilů Bohumír Zlatuška
- 10 -
2.3.3. Teploty ventilů
Hodnoty teplot na výfukových ventilech převzaté z předchozí diplomové práce, zabývající se tepelným ovlivněním ventilů vznětových a plynových motorů, poskytují informace o pravděpodobných místech největší teplotní degradace materiálu.
Obrázek 7. ukazuje teplotní profil výfukového ventilu naftového motoru LIAZ.
V příloze 02. se nalézá tabulka hodnot tvrdostí a teplot pro konkrétní měřená místa a jejich značení. Sestrojení teplotního profilu bylo uskutečněno na základě naměřených hodnot tvrdostí na předepsaných místech výfukového ventilu z provozu a následným odečtením příslušných hodnot teploty z popouštěcích křivek.
Obr. 7. Teplotní profil výfukového ventilu z naftového motoru LIAZ [8]
Výsledky měření teplot na ventilech předchozí diplomové práce:
U sacího ventilu z naftového motoru LIAZ(1999) se naměřené hodnoty pohybovaly kolem 500°C v oblasti hlavy a části dříku. U výfukového ventilu z téhož motoru byly naměřené hodnoty ve stejných oblastech podstatně vyšší a to kolem 750°C. Tyto teploty ovlivňovali ve velké délce i dříkovou část ventilu. U ventilů z plynového motoru LIAZ nenabývali hodnoty tak vysokých teplot a pohybovaly se u sacího i výfukového ventilu okolo 600°C ve svých maximech. To je zapříčiněno charakteristikami jednotlivých motorů a jejich pracovními oblastmi, kdy naftový motor má vyšší otáčky a kroutící moment, tudíž z toho plyne vyšší mechanické a teplotní namáhání ventilů.[8]
- 11 -
2.4. Nedestruktivní metody zkoušení materiálu
Nedestruktivním zkoušením rozumíme metody zkoušení materiálu bez přerušení celistvosti, jimiž se nenaruší použitelnost a funkce výrobku.
Zkušební metody NDT jsou založeny na principu změn měřených fyzikálních veličin či jevů v nespojitostech prostředí (zkoušený předmět).
Nedestruktivní testování (NDT) je složeno ze dvou základních oblastí:
- defektoskopie - strukturoskopie
Defektoskopie je obor zabývající se vnitřními, povrchovými a podpovrchovými vadami materiálu (vadami typu nespojitostí).
Vadou materiálu se považuje každá odchylka struktury, vlastností a složení zkoumaného výrobku od předepsaných technických podmínek a norem či smluvním vzorkem.(např. vada struktury, vměstky, dutiny, trhliny a jiné necelistvosti).
Základní rozdělení a hlavní uplatnění NDT metod:
Tab.4. [2]
Zkratka Metoda Hlavní uplatnění
MT - magnetická prášková Povrchové vady feromagnetických výrobků
PT - kapilární Povrchové otevřené vady všech materiálů
ET - vířivých proudů Povrchové vady elektr. vodivých materiálů LT - hledání netěsností Zkoušky propustnosti stěn
RT - radiografická (prozařovací) Vnitřní vady objemové, RTG difrakce
VT - vizuální Stavy a vady povrchů
UT - ultrazvuková Vnitřní vady plošné i objemové
AE - akustická emise Dynamika a topografie vad, strukturních stavů
Pro určování kvality třecího spoje a návaru ventilu se používá kapilárních zkoušek (pro povrchové vady) a ultrazvukových NDT (pro vnitřní vady).
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventil
2.4.1. Hodnocení vad výfukových ventil
Kvalitu návaru a rozhraní návaru se základním materiálem u výfukových ventil lze kontrolovat ultrazvukem imerzní vazbou odrazovou metodou.
přímé naklápěcí sondy zajiš
studených spojů, trhlin i pórovitých spojitých rozhraní zp vln a jsou lokalizovány vadovými echy (obr. 9).
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventil Bohumír Zlatuška
dnocení vad výfukových ventilů pomocí UT metod
Kvalitu návaru a rozhraní návaru se základním materiálem u výfukových ventil lze kontrolovat ultrazvukem imerzní vazbou odrazovou metodou.
cí sondy zajišťující kontrolu celé šířky návaru (obr. 8). Vady typu rhlin i pórovitých spojitých rozhraní způsobují odraz ultrazvukových vln a jsou lokalizovány vadovými echy (obr. 9). [3]
Obr. 8.
Po změně náklonu sondy se zm úhel lomu na rozhraní kapalina ventil, zároveň se ventil otá (kontrola návaru po obvodu)
Obr. 9.
KE - koncové echo
VE - vadové echo od p vady zjištěné
vizuálně
VE1 - vadové echo od rozhraní zákl. materiálu s návarem
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventilů
- 12 -
pomocí UT metod
Kvalitu návaru a rozhraní návaru se základním materiálem u výfukových ventilů lze kontrolovat ultrazvukem imerzní vazbou odrazovou metodou. Často s použitím ky návaru (obr. 8). Vady typu sobují odraz ultrazvukových
náklonu sondy se změní úhel lomu na rozhraní kapalina- ventil, zároveň se ventil otáčí (kontrola návaru po obvodu).
koncové echo
vadové echo od přirozené
vadové echo od rozhraní zákl. materiálu s návarem
- 13 -
2.5 Strukturoskopie
Strukturoskopie je obor zabývající se zjišťováním struktury a složení materiálu.
Kvantifikuje vztah mezi fyzikální nedestruktivně měřenou veličinou a mechanickou vlastností, složením, metalografickým parametrem struktury nebo mechanickým napětím.
Obecně strukturoskopie využívá metod ultrazvukové (UT), vířivých proudů (ET) a magnetického zkoušení (MT). Ze strukturoskopických metod nelze vynechat rentgenovou (RTG) difrakci, která jediná z uvedených je zařazena do evropské normy (EN 15 305).[2]
Z poznatků předchozích studií a výsledků měřeních na tepelně a mechanicky exponovaných výfukových ventilech vyplývá přeměna povrchové nemagnetické γ- fáze na tenkou vrstvu magnetickou v oblastech kaloty talíře ventilu a přechodu hlavy do dříku. Proto se v další části této práce zaměříme na magnetickou strukturoskopii.
2.5.1. Magnetická strukturoskopie
Magnetická strukturoskopie využívá souvislostí mezi magnetickými vlastnosti a strukturně mechanickým stavem materiálu.
2.5.1.1. Magnetické vlastnosti látek
Magnetická susceptibilita χ a permeabilita µ jsou skalárními veličinami, které charakterizují magnetické vlastnosti látek.
Relativní permeabilita je dána vztahem: µr = 1 + χm (1) µr - relativní permeabilita
χm – relativní susceptibilita
Látky můžeme podle nich dělit na :
Diamagnetické, které zeslabují magnetické pole, χm <0, µr <1, např. Cu, Ag, Au, Bi, Rt Paramagnetické, jež mírně zesilují magnetické pole, χm >0, µr >1, např. Pt, Al, kovy alkalických zemin.
Feromagnetické, které silně zesilují magnetické pole, χm >>0, µr >>1, např. Fe, Co, Ni a jejich slitiny. Tyto látky si podržují magnetizaci i po zániku vnějšího magnetického pole. Pak hodnota magnetické indukce magnetického pole vzniklého v tělese po magnetizaci se nazývá remanentní (čili zbytková) magnetická indukce Br a podle její velikosti se feromagnetické látky dělí na:
Magneticky tvrdé látky – mají velkou hodnotu Br a vyznačují se širokou hysterezní smyčku, po zániku vnějšího magnetického pole se mohou stát permanentním magnetem.
Magneticky měkké látky – malá hodnota Br a vyznačují se úzkou hysterezní smyčku, po zániku vnějšího magnetického pole ztrácejí vlastnost magnetu. [3]
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventilů Bohumír Zlatuška
- 14 -
2.5.1.2. Základní pojmy a definice:
Magnetický tok ξξξξ
- Je součet elementárních toků průřezem S. Je-li vektor indukce B kolmý na plochu S magnetovaného tělesa platí : ξξξξ = B*S [Wb] (2)
Magnetická indukce B
- Vektorová veličina charakterizující magnetické pole a vyjadřující jeho silové účinky na pohybující se elektrické náboje. Např. přímý vodič s proudem I v magnetickém poli. Jednotkou magnetické indukce B je Tesla [T].
Intenzita magnetického pole H
- Je vektorová veličina a její směr a smysl je daný směrem indukčních čar.
Intenzita magnetického pole H je dána magnetickým napětím připadajícím na jednotku délky indukční čáry, nebo-li spádem magnetického napětí. Jednotkou je A/m.
- Pro přímý vodič s procházejícím elektrickým proudem I platí, že v jeho okolí tvoří indukční siločáry soustředné kružnice a ve vzdálenosti r od osy vodiče je intenzita magnetického pole H stejná po celé délce indukční čáry. Vzdálenost je nepřímo úměrná intenzitě, tudíž s rostoucí vzdáleností od zdroje intenzita H se zmenšuje.
H =ౣ
୪ = ୍
ଶ୰ [A/m] (3) Permeabilita µ
- Intenzita H magnetického pole není závislá na různých prostředích. Naproti tomu měřením magnetické indukce B zjistíme, že tato veličina je závislá na různých prostředích. Permeabilita charakterizuje vlastnosti prostředí, v němž magnetické pole působí a je dána vztahem:
µ =
ୌ [H/m] (4) Relativní permeabilita µr
- Bezrozměrná veličina udávající kolikrát je magnetická indukce B v daném prostředí větší než ve vakuu při stejné intenzitě H magnetického pole.
µ
୰=
µµబ
=
µ బ∗ୌ [ - ] (5)
Permeabilita vakua µ0 charakterizuje magnetické pole ve vakuu a je konstantou, jejíž hodnota je 4π*10-7 [H/m].
Magnetická susceptibilita
- Magnetická susceptibilita κ [ - ] vyjadřuje podíl magnetické polarizace J a intenzity magnetického pole H.
- 15 - Magnetizace
- Magnetizace M[ A/m ] je vektorová veličina vyjadřující intenzitu pole v tělese vyvolanou jeho magnetickými vlastnostmi a platí pro ní vztah:
ܯ =
ఓబ− ܪ (6) Polarizace
- Polarizace J[ T ] je vektorová veličina. Orientace domén (elementární magnet) je příčinou polarizace v materiálu, která vyjadřuje změnu pole vyvolanou magnetickými vlastnostmi materiálu.
J = μ∗ M (7)
2.5.2. Magnetické metody
Magnetické metody zkoušení umožňují odhalit strukturní změny v austenitických ocelí a stupeň kumulace tepelné zátěže ve výfukovém ventilu. Obecně jsou magnetické metody založené na měření magnetických vlastností materiálu jako jsou permeabilita, remanence nebo koercivita. Výběrem vhodného magnetického parametru jsme pak schopni sledovat souvislosti se strukturně mechanickou vlastností.
Z magnetických metod se na poli českého výzkumu rozvíjí metoda magnetické skvrny a metoda magnetického adaptivního testování (MAT).[3]
2.5.2.1. Měření permeability
Měření permeability se uskutečňuje na přístrojích nazývanými permeametry.
V našem případě je to permeametr Ferromaster, který se používá k testování tepelně ovlivněných zón a svarů austenitických ocelí díky své citlivosti na i na stopová množství feromagnetik. V principu se metoda zabývá snímáním derivace magnetizační křivky deformované s ohledem na magnetický obvod (snímač – měřený objekt). Snímač bývá ve tvaru kovové koule.[3]
Sonda permeametru obsahuje malý permanentní magnet, který magnetizuje vzorek konstantní intenzitou Hm magnetického pole, která posouvá měření do oblasti mezi nulou a nasycením magnetizační křivky předmětu. Vzniklá magnetická indukce Bm2 kontrolovaného vzorku je porovnávána s indukcí kalibračního etalonového materiálu Bm1. Oběma indukcím pak odpovídají patřičná napětí indukovaná ve vinutích snímacích cívek.
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventilů Bohumír Zlatuška
- 16 -
2.5.2.2. Metoda magnetické skvrny
Metoda magnetické skvrny, označovaná též jako metoda bodového pólu se zaměřuje se na lokální měření zbytkového magnetizmu Hm s impulzním způsobem magnetizace.
Ve feromagnetických materiálech existuje v obalech atomů nerovnováha spinů.
Shodně magneticky orientované atomy se pak soustřeďují v tzv. doménách, které jsou orientovány v materiálu nahodile a tvoří subzrna krystalické struktury. Působí - li vnější magnetické pole H0 na feromagnetický materiál, dochází u domén se stejnou či blízkou polarizací k růstu posunem tzv. Blochových zón (rozhraní mezi doménami) nebo dochází ke skokovým změnám polarizace tzv. Barkhausenovými přeskoky. Po zániku vnějšího magnetického pole H0 se nevrátí všechny domény do původního stavu příčinou mřížkových poruch, atomárnímu pnutí a atomů vázaných v molekulách, jež brání vratným změnám domén. Vzniká remanentní polarizace Ir a zmagnetované místo vykazuje vlastní magnetické pole o intenzitě Hr.
Vratným změnám brání atomy feromagnetika (tuhého roztoku Fe-C) vázané v molekulách a atomární napětí, mřížkové poruchy. Proto složky struktury, které obsahují karbid železitý, martenzit, četné dislokace a hranice zrn vykazují vysokou hodnotu remanentní polarizace Ir.
Hr = H0 – N× Ir /µ [A/m] (8)
Kde N je demagnetizační činitel, který charakterizuje vnější i strukturní geometrické poměry rozhraní feromagnetika.
Na zkoušené místo výrobku působí impulzní magnetické pole o intenzitě H0. Tvar proudového impulzu vedený do příložné silové cívky, případně přesně definovaný jejich sled definuje tok parazitních vířivých proudu (mohou se vhodně využít k potlačení negativních vlivů N) a strukturně selektivní citlivost metody.
Snímačem Hr může být Hallova nebo Försterova sonda. Příspěvek dHri
jednotlivých zrn feromagnetika na výsledné hodnotě Hr závisí na stínícím účinku m a jejich vzdálenosti ti od snímače.
Hr = ∑m× ti × dHri [A/m] (9)
S hloubkou průniku magnetizačního pole klesá vliv jednotlivých zrn na Hr.
V praxi do tloušťky 12 mm. V tenčích stěnách se tak energie pulzu soustředí do menšího objemu zrn.
V současnosti se u nás k měření magnetické skvrny (bodového pólu) používají přístroje z řad DOMÉNA od firmy ELKOSO s.r.o, Brno, které umožňují měřit tvrdost (i přes povrchovou vrstvu), pevnost či hloubku prokalení feromagnetických materiálů.
Vyznačuje se rychlou technickou diagnostikou a nenáročností obsluhy, čímž lze zajistit vysokou produktivitu kontroly přímo ve výrobě. Příložnou sondou měří intenzitu remanentního magnetického pole Hr v kontrolovaném objemu součásti lokálně zmagnetovaného místa.
- 17 -
2.5.3. Magnetizace a měření na přístrojích DOMÉNA
Příložná sonda nejprve zmagnetizuje kontrolovaný objem materiálu pod čelem sondy metodou magnetického bodového pólu. Magnetizace probíhá přes cívku třemi proudovými impulzy (výboji kondenzátoru) v opačných polaritách.
Hallův snímač umístěný uprostřed cívky na čele sondy měří remanentní intenzitu Hr po odeznění druhého (záporného) a třetího (kladného) impulzu sondou. Na displeji přístroje se ukáže součet obou absolutních hodnot:
Hr = │Hr2│+ │Hr3│ (10)
Tímto se výrazně eliminuje vliv rušivých magnetických polí a reprodukovatelnosti měření ve stejném místě, díky prvnímu demagnetizačnímu impulzu.
Obr. 10. Schéma příložné klasické sondy s rovným čelem
Přístroj však neměří v absolutních hodnotách intenzity magnetického pole. Udává pouze porovnávací hodnoty mezi jednotlivými měřenými vzorky (etalonem a zkoumaným materiálem), z kterých se odvozuje závislost na strukturně mechanické vlastností. Pro měření konkrétní veličiny přístrojem DOMÉNA je nejprve nutné do paměti uložit lineární přepočtový vztah s obecným vzorcem C=A×M+B a konstantami A,B určenými aplikačním vývojem.
DOMÉNA B3.b je přenosný bateriový přístroj pro měření strukturně mechanických vlastností litin a ocelí. Využívá metody magnetického bodového pólu, kdy po magnetizaci měří příložnou sondou intenzitu remanentního magnetického pole kontrolovaného objemu materiálu součásti, jejíž hodnota přímo závisí na tvrdosti, pevnosti, hloubce prokalení a množství magneticky tvrdých strukturních složek
( perlit, cementit, bainit aj.).
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventil
Dalším přístrojem z
DOMÉNA NC. Na rozdíl od DOMÉNY program, displej a je tudíž pln
hardwarové a softwarové prost propojení s počítačem. Po
DOS pomocí příslušného programu dodávaného výrobcem. Propojení se uskute rozhraním typu RS232.
a proto je nutné tyto olov připojit pomocí dvou konekt rozměrově menší a levně
Obr.12. DOMENA
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventil Bohumír Zlatuška
Obr.11. DOMENA B3.b
ístrojem z řady Domén, na kterém se měření v této práci provád DOMÉNA NC. Na rozdíl od DOMÉNY B3.b, která má vlastní mik
program, displej a je tudíž plně soběstačným přístrojem, DOMÉNA NC tyto hardwarové a softwarové prostředky neobsahuje, a proto potřebuje ke svému provozu
em. Počítač s přístrojem komunikuje a řídí ho z opera
íslušného programu dodávaného výrobcem. Propojení se uskute DOMÉNA NC nemá vlastní integrované napájecí akumulátory a proto je nutné tyto olověné akumulátory (shodného typu jako u DOMÉNA B3.b)
ipojit pomocí dvou konektorů k přístroji externě. Přístroj je z uvedených rozdíl menší a levnější.
DOMENA NC s novou tvarovou sondou s feritovým nástavcem Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventilů
- 18 - této práci provádělo, je , která má vlastní mikroprocesor, ístrojem, DOMÉNA NC tyto ebuje ke svému provozu operačního systému íslušného programu dodávaného výrobcem. Propojení se uskutečňuje DOMÉNA NC nemá vlastní integrované napájecí akumulátory né akumulátory (shodného typu jako u DOMÉNA B3.b) ístroj je z uvedených rozdílů
feritovým nástavcem
- 19 -
3. Experimentální část
3.1. Úvod
Austenitické oceli dosud neexponovaných ventilů jsou paramagnetické, a proto měření intenzity remanentního magnetického pole Hr u těchto ocelí je tedy možné až po provozním namáháním, kdy se začnou v austenitických ocelích vykazovat jisté feromagnetické vlastnosti.[3]
Dosud bylo měření magnetických vlastností výfukových ventilů prováděno přístroji z řad Doména na okraji talířku ventilu (obr. 12 vpravo) na celistvých ventilech nebo na oddělených částech s metalografickým výbrusem. Původní ploché sondy přístroje DOMÉNA nemohli dříve měřit po celé délce ventilu; především v oblasti v jeho kritických míst (tj. přechod dříku a ventilové hlavy). Tento nedostatek by měla vyřešit nová speciální tvarová sonda s malým poloměrem čela feritového nástavce, navržená a zhotovená panem ing. Richardem Ryšavým (Elkoso s.r.o. Brno). Dále se bude v měření s novou sondou pokračovat do rádiusu hlavy k sedlové ploše.
Obr. 13. Měření původní sondou s plochým čelem na dříku a čele ventilu
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventilů Bohumír Zlatuška
- 20 -
3.2. Výběr vzorků a jejich popis
Pro měření bylo k dispozici 14 vzorků rozdělených do tří sad podle daného výrobce jednotlivých ventilů a 2 vzorky sloužící jako mustr sacího a výfukového ventilu vyrobené z oceli ČSN 12 060. Jedná se o vzorky nové či získané ze skutečných motorů.
Ventily byly dříve vyráběny firmami MIV Sremska Mitrovica (bývalá Jugoslávie), PRAGA Hrádek nad Nisou a TRW DAS Dačice. Výrobci MIV Sremska Mitrovica a PRAGA Hrádek nad Nisou se potýkali s velkou poruchovostí ventilů, proto v současnosti dodává ventily pouze společnost TRW DAS Dačice.
Tabulka 5. uvádí používané materiály výfukových a sacích ventilů (dle sledovaných typů a výrobců), na kterých měření bylo prováděno.
Tabulka chemického složení uvedených materiálů s výjimkou ocele 1.4783 se nalézá v teoretické části kapitoly 2.2.
Tab. 6. Chemické složení (hmotnostní %) a rozbor tavby ocele 1.4783
Označení ventilu Číslo výkresu dle: Materiál Úhel
sedla
TEDOM TRW Hlava Dřík Sedlo
H014 1209 014-3 V75566PA 17115 17115 kaleno 30°
H015 1209 015-3 V75709PA 17465 17115 P37 45°
TRW C027 1209 027 b V75710PA 1.4871 1.4718 P37S 30°
TRW C028(76033TA) 1209 028 C V75033TA 1.4871 1.4718 P37S 20°
TRW T1209 030 1209 030 V75749PA 2.4952 1.4718 P37 20°
TRW 75566TB 39 1209 014 V75566PB 1.4871 1.4718 P37S 30°
TRW T120901467(07) 1209 014 V75566PA 1.4871 1.4718 - 30°
TRW C 014/0407 1209 014-4 V75566PA 1.4871 1.4718 - 30°
MIV EX 1209 015-1 - 1.4783 1.4783 Stellit F 45°
MIV IN 1209 014-1 - 1.4871 1.4871 - 30°
Prvek hmotnostní [%]
MIV EX rozbor DIN 1.4783
C 0,448 0,4-0,5
Si 2,88 2-3
Mn 1,05 0,8-1,5
P 0,025 max.0,045
S 0,001 max. 0,03
Cr 16,4 17-19
Mo 0,34 -
Ni 9,3 8-10
Cu 0,36 -
W 0,81 0,8-1,2
V 0,06 -
Fe zbytek
- 21 -
3.2.1. Popis jednotlivých ventilů
Vzorek číslo 1
Označení ventilu: H015
Popis ventilu: výfukový ventil, nový (neprošel provozem) Vzorek číslo 2
Označení ventilu: H015 Palivo motoru: nafta
Typ poškození: bez viditelných známek opotřebení a vad Popis ventilu: výfukový ventil, provozovaný
Vzorek číslo 3
Označení ventilu: H015 Palivo motoru: nafta
Typ poškození: únavový lom iniciovaný s nadkritické vady, Popis ventilu: výfukový ventil, provozovaný
Vzorek číslo 4
Označení ventilu: H015 Palivo motoru: nafta
Typ poškození: nepoškozen, povrch pokrytý úsadami Počet ujetých km: 160 000km
Popis ventilu: výfukový ventil, provozovaný, přetěžován, motor tahače
Vzorek číslo 5
Označení ventilu: H014 Palivo motoru: nafta
Typ poškození: nepoškozen, povrch pokrytý úsadami Počet ujetých km: 160 000km
Popis ventilu: sací ventil, přetěžován, motor tahače Vzorek číslo 6
Označení ventilu: MIV EX
Popis ventilu: výfukový ventil, nový (neprošel provozem) Vzorek číslo 7
Označení ventilu: MIV IN
Popis ventilu: sací ventil, nový (neprošel provozem) Vzorek číslo 8
Označení ventilu: MIV EX Palivo motoru: nafta
Typ poškození: pokrytý jemnou vrstvou úsad bez viditelných známek opotřebení a vad Popis ventilu: výfukový ventil, provozovaný
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventilů Bohumír Zlatuška
- 22 - Vzorek číslo 9
Označení ventilu: MIV EX Palivo motoru: nafta
Typ poškození: pokrytý jemnou vrstvou úsad bez viditelných známek opotřebení a vad Popis ventilu: výfukový ventil, provozovaný
Vzorek číslo 10
Označení ventilu: TRW 027 Palivo motoru: bioplyn
Typ poškození: bez viditelných známek opotřebení a vad
Popis ventilu: sací ventil, provozovaný, demontován z autobusu při výměně Vzorek číslo 11
Označení ventilu: TRW 027 Palivo motoru: bioplyn
Typ poškození: sací ventil, nesymetricky vytlučené po obvodu talířku, dření ve vodítku Popis ventilu: provozovaný
Vzorek číslo 12
Označení ventilu: TRW 028 Palivo motoru: bioplyn
Typ poškození: propal sedlové plochy (SP),
Popis ventilu: výfukový ventil, provozovaný, typ motoru 681-747-0007 Vzorek číslo 13
Označení ventilu: TRW T1209 030 Palivo motoru: bioplyn
Typ poškození: -
Počet ujetých km: 3000km
Popis ventilu: výfukový ventil, provozovaný, motor „STECHIO“, Vzorek číslo 14
Označení ventilu: TRW 75566TB 39 Palivo motoru: bioplyn
Typ poškození: -
Počet ujetých km: 3000km
Popis ventilu: sací ventil, provozovaný, motor „STECHIO“, Vzorek číslo 15, 16
Označení ventilu: mustr výfukového a sacího ventilu
Popis ventilu: mustr z oceli 12060 sloužící pro hodnocení vlivu tvaru na Hr, není určen k provozu
- 23 -
3.3. Měřící přístroje a pomůcky
Měření remanentní intenzity Hr bylo nejprve prováděno přístrojem DOMÉNA B3.b na dříkách a na čelech ventilů. Následně na týchž vzorcích bylo měření prováděno přístrojem DOMÉNA NC s novou tvarovou sondou s feritovým nástavcem po celé délce i v oblastech rádiusu hlavy ventilu. Vzdálenosti od čela ventilu byly měřeny v oblasti dříku digitálním posuvným měřítkem značky Mitutoyo s přesností setiny milimetru. Pro tento způsob měření byl zhotoven přípravek pro snadnější odměřování a manipulaci s posuvným měřítkem a usazení ventilu do vodorovné polohy se stolem (obr.14.). Pro měření na hlavové části byly pozice předem označeny na nádrhu.
Obr. 14. Měření vzorků novou tvarovou sondou
Další část měření byla prováděna přístrojem FERROMASTER, který měří permeabilitu a je určen ke zjišťování stopového množství zbytkového feritu ve svarech austenitických ocelí. Podrobný popis a technické specifikace se nalézají v příloze 05.
Pro přesné pozicování míst měření bylo u tohoto přístroje vyloučeno použití posuvného měřítka k odměřování vzdálenosti sondy od čela, a to z důvodu ovlivňování hodnoty měřené permeability při přiblížení konce posuvky ke krytu sondy. Konec posuvného měřítka vykazoval hodnotu magnetického pole na konci posuvky 2100 A/m (měřeno Hallovou sondou). Na konci špiček posuvky se vytváří magnetický pól, který působí jako permanentní magnet a ovlivňuje hodnotu měřené permeability. Z tohoto důvodu byl pro pozicování použit laserový měřící přístroj HILTI PD42 s přesností 0,5mm.
Obr.15. Permeametr Ferromaster
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventilů Bohumír Zlatuška
- 24 -
3.4. Nastavení a kalibrace měřících přístrojů
Před každým začátkem měření je nutné na přístroji nastavit příslušné parametry.
Po zapnutí DOMENY B3.b a nastavení přepínače na střední stupeň magnetizace M4 bylo zařízení zkalibrováno pomocí příslušného etalonu na hodnotu M = 200. Pro měření používáme režim krátké magnetizace L, kdy k zmagnetování měřeného místa dojde pouze jednou. Po skončení měření byla změřena hodnota etalonu a při velkých změnách citlivosti sondy během měření se získá korekční součinitel (z podílu původní a konečné hodnoty M).
U přístroje DOMENA NC je volba jednotlivých parametrů uskutečněna, kromě nastavení stupně magnetizace, pouze pomocí programu z řídícího počítače. Po zapnutí přístroje a nastavení stupně magnetizace M3 pomocí třípolohového přepínače je možné spustit program Domnc003.exe v systému DOS. Po vyplnění tabulky základních informací o prováděném měření je provedena kalibrace přístroje dle etalonu na hodnotu M=200. V posledním kroku před samotným měřením se vyplní údaj o počtu měření n, po kterých se protokol s naměřenými hodnotami ukládá na disk. Vzorový protokol je přiložen v příloze 04.
Přístroj Ferromaster je důležité před každým měřením zkontrolovat na výrobcem dodávaným etalonu o hodnotě : µ =1.292 ± 0,001, a popř. kalibrovat pomocí potenciometru na zadní části přístroje.
- 25 -
3.5. Způsob měření remanentního magnetizmu
Měření přístrojem DOMÉNA B3.b na dříkách bylo provedeno s klasickou sondou s plochým čelem a rozlišením 2 mm mezi jednotlivými místy měření až do sondou dostupné oblasti (tj. vzdálenost 41 mm od čela ventilu) válcového přechodu dříku a hlavy ventilu. Poté bylo měření provedeno přístrojem DOMÉNA NC s novou tvarovou sondou s feritovým nástavcem, díky níž lze měřit po celé délce ventilu bez jakéhokoliv omezení.
Měření touto sondou se provedlo na hlavové části po vzdálenostech 2 mm mezi jednotlivými měřenými body, na dříkové části za oblastí svaru ventilu bylo voleno rozlišení větší s ohledem na časovou náročnost měření (cca minuta jeden měřený bod).
Po přiložení sondy bylo měřené místo zmagnetizováno střídavým magnetickým polem (velikost magnetizace je určena nastavením parametrů daného měřícího přístroje). Ihned po zmagnetizování sonda měří zbytkové magnetické pole zmagnetizovaného bodu.
Obr. 16. Měření na dříku a v rádiusu hlavy ventilu ve vzdálenosti L[mm] od čela ventilu tvarovou sondou s feritovým nástavcem (vlevo) a klasickou sondou s plochým čelem (vpravo)
Další měření byla situována na čelo ventilů. Čelo ventilu bylo rozděleno na 4 dílčí části po 90°. Klasická sonda s plochým čelem byla postupně přikládala na daná měřící místa čela po 90° s konstantní vzdáleností od středu kaloty. Vnější okraj válcové sondy (DOMÉNA B3.b) je zároveň s okrajem čela ventilu (viz obr. 17. vlevo). U tvarové sondy bylo měření prováděno ve vzdálenostech 10 a 20 mm od středu kaloty.
Obr. 17. Pozice sond na čele ventilu
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventilů Bohumír Zlatuška
- 26 -
3.5.1. Naměřené hodnoty Hr po obvodu čela ventilů
Tabulka 7. udává naměřené hodnoty remanentní intenzity Hr [m/A] po obvodu čela talířku ventilu měřené klasickou sondou přístrojem DOMENA B3.B.
Ze získaných hodnot lze jejich porovnáním usoudit míru obvodové symetrie zatěžování ventilu a velikost provozní degradace původně paramagnetických austenitických materiálů, které vlivem dlouhodobého provozních zatížení se souvisejícími strukturními změnami začínají vykazovat feromagnetické vlastnosti.
Tab.7. Hodnoty remanentní intenzity Hr na čelech ventilů jednotlivých vzorků a posouzení symetričnosti provozního zátížení ventilů
SY - symetrické
LNSY – lehce nesymetrické NSY - nesymetrické zatěžování
Z tabulky 7. vyplývá, že materiál ventilů MIV EX dosahuje nejvyšších hodnot Hr a tudíž je nejcitlivější na provozní degradaci. Vzorek č.6 představuje nový ventil MIV EX a vzorky č.8. a č.9. ventily provozně exponované. Remanentní intenzita Hr dosahuje u vzorku č.8. a 9. značně vysokých hodnot.
Hr [m/A] na čelech ventilů
Pozice/Vzorek č.1. č.2. č.3. č.4. č.5. č.6. č.7. č.8. č.9.
0° 6,5 407 191 488 102 6,5 1,4 2359 1712 90° 7,2 467 170 448 104 6,5 0,7 2635 1488 180° 5,8 491 lom 470 111 8,0 0,3 2450 1638 270° 7,2 464 167 474 113 5,8 1,4 2482 1816 posouzení SY LNSY LNSY LNSY SY SY SY NSY NSY Pozice/Vzorek č.10. č.11. č.12. č.13. č.14. č.15. č.16. č.17. č.18.
0° 147 594 352 2,2 1,4 23,2 48,6 178 167 90° 149 360 311 2,2 2,2 47,9 51,6 177 173 180° 147 359 185 1,4 1,4 77 57,6 170 174 270° 144 337 206 1,4 2,9 řez propal 171 171
posouzení SY NSY NSY SY SY NSY SY SY SY
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0
H[[A/m]
3.5.2. Grafy hodnot remanentní intenzity Hr
Hodnoty remanentní intenzity Hr zpracované a zanesené do graf
probíhalo. Modrá křivka sondou a červená křivka p
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0
H[A/m]
0 5 10 15 20
135 140 145 150
L [mm]
Hr[A/m]
0 5 10 15 20
92,5 93 93,5 94
L [mm]
Hr[[A/m]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 vzdálenost od čela L[mm]
Graf 1. - vzorek č.1.
Grafy hodnot remanentní intenzity Hr
Hodnoty remanentní intenzity Hr [m/A] měřené po délce a na zpracované a zanesené do grafů s pojmenováním jednotlivého vzorku, na n
řivka značí hodnoty naměřené přístrojem DOMENA B3.b klasickou řivka přístrojem DOMENA NC sondou s feritovým nástavcem.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 vzdálenost od čela L [mm
Graf 2. - vzorek č.2.
- 27 - 110 120 130 140 150 160 170
]
ené po délce a na čele ventilů jsou pojmenováním jednotlivého vzorku, na němž měření ístrojem DOMENA B3.b klasickou
feritovým nástavcem.
110 120 130 140 150 160 170 mm]
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventil
0 5 10 15 20
130 135 140 145 150
L[mm]
Hr[A/m]
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0 10
H[A/m]
0 5 10 15 20
118,5 119 119,5 120
L[mm]
Hr[A/m]
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0 10
Hr[A/m]
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventil Bohumír Zlatuška
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 vzdálenost od čela L[mm]
Graf 3. - vzorek č.3.
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 vzdálenost od čela L[mm]
Graf 4. - vzorek č.4.
Mikromagnetická strukturoskopie výfukových ventilů
- 28 - 130 140 150 160 170
130 140 150 160 170
- 29 - 0
5 10 15 20
92 94 96 98
L[mm]
Hr[A/m]
0 100 200 300 400 500 600 700
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170
Hr[A/m]
vzdálenost od čela L[mm]
Graf 5. - vzorek č.5.
0 5 10 15 20
170 180 190 200
L[mm]
Hr[A/m]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170
Hr[A/m]
vzdálenost od čela L[mm]