V bežnom motore sa môže využiť martenzitická oceľ, ktorá sa používa hlavne na sacie ventily, ktoré nepodstupujú takú tepelnú záťaž, ako vý­fukové ventily. Martenzitická oceľ sa využíva hlavne na driek ventilu, v kombinácii s feritickou liatinou vykazuje veľmi dobré klzné vlastnos­ti. Kombinované ventily s martenzitickým driekom a privareným auste­nitickým tanierom spôsobuje problémy vzhľadom na rozdielnu tepelnú rozťažnosť oboch materiálov, čo je pri výkonnejších motoroch kritickým miestom na dosiahnutie požadovanej kompresie.

Spodná časť drieku taniera sa viac tepelne roztiahne a má tendenciu odie­rať sa vo vodidle. Preto sa niekedy spodná časť drieku kužeľovito zbrusu­je. Pre vysoko výkonné motory (vysoké tepelné namáhanie) sa používajú kované ventily alebo ventily s návarom stelitu a driekom z tvrdochrómu – čo je kvalitný, ale celkom bežný výfukový ventil. Materiál ventilu musí byť vhodne legovaný ďalšími prvkami podľa normy STN EN 10 090, pričom obsah nečistôt je limitovaný [1], pretože síra v palive a ďalšie podobné látky spôsobujú koróziu, proti ktorej musia byť ventily čo najodolnejšie.

Tanier ventilu má za úlohu tesniť kanál voči spaľovaciemu priestoru, a podľa toho musí byť aj vyrobený, nielen aby nadmerne nebránil pre­chodu zmesi alebo vzduchu do val­ca, alebo, naopak, spalín von z valca. Na tanier ventilu sú rozdielne požia­davky, podľa toho či ide o sací alebo výfukový ventil, a ako veľmi je mo­tor výkonovo namáhaný. Najdôleži­tejšie sú tuhosť taniera a dobrý od­vod tepla. Ventil sa nesmie teplom deformovať – táto požiadavka platí tak pre tanier, ako aj pre driek. Driek ventilu odvádza teplo, ktoré sa neodviedlo cez sedlo ventilu či sálaním a zároveň zabezpečuje pohyb taniera. Sací ventil má za prevádzky teplo­tu od 300 do 500 °C. Pri preplňovaných motoroch a motoroch s vysokým merným výkonom môže dosiahnuť až 600 °C. Sací ventil je totiž chlade­ný nasávanou zmesou alebo vzduchom, takže jeho teplota nie je taká vy­soká, ako pri výfukovom ventile. Výfukový ventil má v prípade zážihové­ho motora teplotu až 850 °C, pri vznetovom motore je teplota medzi 600 až 800 °C. Prekročenie teploty 850 °C spôsobuje degradáciu ventilu, pre­tože materiál stráca pevnosť v dôsledku tečenia [2]. Odvod tepla je zabez­pečený cez sedlo a driek ventilu. Výfukový ventil je menší ako sací, prebe­rá menšou plochou menej tepla a lepšie ho odvádza, navyše uvoľní miesto pre sací ventil, ktorý môže byt väčší. Pomer priemerov tanierov výfuko­vého a sacieho ventilu je asi 0,85. Teplota ventilov sa zvyšuje so stúpajú­cim zaťažením otáčkami motora a nesprávnym (malým) predzápalom [3].

Tanier výfukového ventilu má spravidla rovnaký tvar ako tanier sacieho ventilu, iba v mieste prechodu do drieku je iný tvar prechodovej časti. Tu­lipánový tvar ventilu sa vyznačuje veľkou tuhosťou, ale má väčší povrch a prijíma viac tepla, ktoré sa horšie odvádza. Najbežnejšie je vyhotove­nie taniera ventilu s rovným dnom. Na sedlo taniera výfukového ventilu sa prakticky bez výnimky dáva návar tvrdokovu, najviac sa používa Stelit F (Co-Cr-W zliatina s rôznou modifikáciou). Vrstva návaru má hrúbku od 0,7 do 1,5 mm. Príliš hrubá vrstva návaru má tendenciu praskať a od­lupovať sa. Sedlá ventilov v hlave sa pri výrazne namáhaných motoroch navárajú stelitmi. Kvôli zvýšeniu životnosti a odolnosti proti korózii a ote­ru tejto dvojice pri vyšších prevádzkových teplotách, prípadne pri väčších objemoch je najvhodnejším spôsobom predĺženia životnosti renovácia [4].

 

OPIS POŠKODENÉHO VENTILU

Premetom analýzy bol poškodený výfukový ventil spaľovacieho moto­ra s rovným tanierom, ako je uvedené na obr. 1a. Z obrázka je vidieť, že výfukový ventil v sedlovej časti taniera vykazuje výrazný úbytok mate­riálu (obr. 1b). Zreteľne vidno „vypálené“ miesta, ako aj výrazný opal na povrchu sedlovej časti ventilu. Predpokladom zlyhania kompresných pa­rametrov motora bola netesnosť sedla ventilu a stykovej plochy hlavy valca, čo viedlo k tepelnej degradácii v mieste intenzívneho tlaku horú­cich spalín, strate pevnosti a k následnému odtavovaniu materiálu ven­tilu. Tlak spalín vznikajúci pri činnosti motora spôsobil úbytok materiá­lu z taniera sedla ventilu.

 

METODIKA ŠTÚDIA TEPELNÉHO POŠKODENIA

Cieľom štúdia bolo pomocou metalografických skúšok po­súdiť stav základného materiálu taniera sedlovej časti a vy­konať rozbor poškodenia. Zo sedla ventilu boli odobra­té vzorky pre makroskopické posúdenie a mikroskopické skúšky.

Detailná analýza poškodených oblastí bola vykonaná riad­kovacím elektrónovým mikroskopom. Vzhľadom na to, že nebol špecifikovaný materiál tanierového sedla ventilu, analytické práce sme doplnili o chemickú analýzu s cieľom určenia hlavných legujúcich prvkov, ako aj ďalších sprievod­ných prvkov (predovšetkým obsah Mo, Ti, V, Nb ďalej Al, Cu a obsahy S, P) na identifikáciu materiálu taniera výfukové­ho ventilu v súlade s normou STN EN 10 090. Pre celkovú identifikáciu a overenie vlastností bola na analyzovaných vzorkách vyko­naná skúška tvrdosti HV a HRC podľa noriem STN EN ISO 6507-1 a STN EN ISO 6508-1.

MAKROSKOPICKÁ ANALÝZA

Pri makroskopickej analýze sme sa zamerali na hodnotenie stavu tanie­ra (obr. 2), ako aj spálenej oblasti sedla s výrazným úbytkom materiálu, čo vidieť na obr. 3. Predovšetkým pre ďalšie analýzy bolo potrebné vyko­nať odbery vzoriek, nielen na zhodnotenie porušenej oblasti pomocou elektrónového mikroskopu, ale aj na mikroštruktúrnu analýzu svetelným mikroskopom.

 

ANALÝZA POŠKODENÉHO POVRCHU POMOCOU REM

Hodnotenie stavu spálenej oblasti sme vykonali pomocou riadkovacie­ho elektrónového mikroskopu REM TESLA 300 BS v zobrazovacom po­li sekundárnych elektrónov. Analyzovali sme celkovo dva odrezky, tanier ventilu bol oddelený od driekovej časti na presnej metalografickej píle a rozrezaný v osi. Ako vidieť na obr. 4, vypálené miesta majú charakte­ristický lastúrový reliéf, získaný prúdom horúcich spalín (tlaku) výfuko­vých plynov.

Na ďalších obrázkoch je zdokumentovaný prehľad degradácie štruktúry materiálu taniera ventilu – vzhľadom na to, že súčasťou mikroskopu ne­bol analyzátor, produkty vzájomnej interakcie spalín a prvkov obsiahnu­tých v štruktúre materiálu telesa, sa nehodnotili, zaznamenali sme iba povrchovú kontamináciu v dutinách.

Pri detailnom štúdiu sme zistili, že na povrchu sa vyskytujú kavity rôznej veľkosti a bolo možné pozorovať kontaminované povrchy spálených zŕn základného materiálu a dobre čitateľné hranice zŕn štruktúry, čo je vi­dieť na obr. 5. Takýto stav bol výrazný najmä vo väčšom objeme materiá­lu taniera ventilu. Smerom k okraju taniera, teda do oblasti profilu sedla, je medzifázové rozhranie stelitového návaru, ktoré je znázornené bielou prerušovanou čiarou na obr. 6. Zelenou šípkou je označená výrazná den­dritická štruktúra stelitového návaru, oranžová šípka označuje štruktúru základného materiálu ako je na obr. 5.

Na druhej polovici vzorky sme pozorovali smerom od vnútornej dutiny až na povrch sedla ventilu rozhranie stelitového návaru, pokrytého na­lepenými zvyškami odtaveného kovu, ktorý bol bezprostredne v styku s chladnejším povrchom (obr. 7).

 

ODBER VZORIEK NA ANALÝZU MIKROŠTRUKTÚRY

Odber vzoriek na mikroštruktúrnu analýzu bol z oblastí sedla a taniera ventilu, ako je znázornené na obr. 8. Celkovo boli mikroskopicky vyhod­notené tri vzorky. Príprava vzoriek pozostávala z vyhotovenia rovinných výbrusov mokrou cestou na metalografických brúskach. Použili sme au­tomat s nastaviteľnou záťažou a časom prípravy. Štruktúra vzoriek bo­la zviditeľnená elektrolytickým leptaním v 10-percentnom roztoku ky­seliny soľnej.

Vzorky pripravené na analýzu štruktúry svetelným mikroskopom sú uve­dené na obr. 9 a, b, c. Na snímkach možno vidieť výrazné pretvorenie štruk­túry telesa taniera ventilu, dutinu so spáleným materiálom sedla (obr. 9 a vpravo), ako aj jasne identifikovateľný návar, ktorý bol prítomný po celom obvode sedla taniera ventilu (obr. 9 b, c). Pri mikroskopickom štúdiu sme sa preto zamerali nielen na zhodnotenie stavu štruktúry v mieste spálenia, ale aj v podnávarovej oblasti a v teplom ovplyvnenej oblasti.

VZORKA 1

Zhodnotenie stavu mikroštruktúry sme vykonali v postupnosti, podľa značenia na obr. 9. Vzhľadom na to, že vz. 1 bola odobratá zo spálenej ob­lasti, pri hodnotení stavu poškodenia sme sa sústredili nielen na miesta, priliehajúce k vonkajšiemu povrchu, ale aj miestnu dutinu, ktorej orien­tácia bola do smeru vláknitej štruktúry, resp. usporiadaniu zŕn štruktúry pretvárneného (pretlačeného) taniera ventilu.

Pri každom obrázku je uvedený opis analyzovanej oblasti. Vzorka 1 je zdo­kumentovaná na obr. 10 a – f doplnená o štruktúru základného materiá­lu sedla v mieste pod porušeným povrchom, teda z oblasti pod vypálenou dutinou na obr. 11 a – b. Z obrázkov vidieť vláknité rozloženie austenitic­kej štruktúry – usporiadanie do pásov, v miestach výrazného zhrubnutia zrna je poškodenie najväčšie – veľkosti zŕn v pásoch sa pohybujú v rozme­dzí 40 až 100 μm. V takomto zoskupení sa prejavila degradácia zrna ochu­dobneného o legujúce prvky ako aj hranice zŕn, buď nastalo úplné odde­lenie zrna zoslabením kohéznej pevnosti hranice alebo interkryštalickým mechanizmom, ako je vidieť na obr. 12 e, f. Primárny stav štruktúry bol pravdepodobne tvorený γ-zrnami v tvare dendritov. Po prekovaní sa den­dritické útvary orientovali do vláknitej štruktúry a následným tepelným spracovaním sa primárne γ-zrná transformovali na austenitické zrná.

Vláknité usporiadanie zrna prechádza do riadkovitej štruktúry. Miestami je vidieť na mikroštruktúre uplatnenie difúznych procesov v dôsledku in­terakcie so splodinami horenia a pôsobenie teploty v primárnych medzi­dendritických priestoroch. V prípade austenitických legovaných ocelí sa jedná o častice karbidickej fázy, ktoré môžu ochudobniť austenitické zr­no o prvky ako je Cr a Mn. Vylúčenie takýchto štruktúrnych útvarov pod­ľa literárnych poznatkov [5,6] vedie k lokálnym zmenám mechanických vlastností, príkladom je stav štruktúry na obr. 11 a, 11 b.

 

VZORKA 2

Analyzovaná vzorka bola odobratá z opálenej sedlovej časti ventilu (viď. odber na obr. 9) spolu s návarom, ako je vidieť na obr. 12 a – f. Okrem oje­dinelej dutiny na obr. 12 b sme zaznamenali pravdepodobne sieťovie kar­bidickej fázy na rozhraní medzi návarom a pásmom premiešania (obr. 12 d). Štruktúra austenitického materiálu taniera ventilu je v podnávarovej časti – hranici natavenia jemnozrnná, čo dokumentuje obr. 12 e. Smerom do objemu, približne v strede hrúbky je zrno výrazne hrubé s veľkosťou 25 až 80 μm, je možné sledovať žíhacie dvojčatá v austenitických zrnách (obr. 12 f), dominantná je však textúra štruktúry v pozdĺžnom smere.

 

VZORKA 3

Posledný odrezok v poradí – vz. 3, ktorého umiestnenie bolo mimo opá­lenej časti sa vyznačoval kvalitatívne priaznivejším vyhotovením návaru (obr. 13 a) – makroskopickou analýzou sa nezistili necelistvosti v podná­varovej časti, štruktúra návaru je dendritická, v nadväznosti na štruktúru základného materiálu telesa sedla s dostatočnou hĺbkou závaru.

Mikroštruktúra stelitového návaru je dokumentovaná na obr. 13 d. Mik­roštruktúra analyzovaného materiálu taniera je znázornená na obr. 13 e. Z obrázku vidieť vo vyžíhanom pásme kopírujúcom hranicu stavenia prí­tomnosť pravdepodobne chrómového perlitu (vrchná časť na obr. 13 e). Vzhľadom na to, že sa jedná o pretvárnenú štruktúru, vláknové až riad­kovité usporiadanie, táto je charakterizovaná bimodálnou veľkosťou zŕn s pásmi hrubozrnného austenitického zrna. V miestach najväčšieho te­pelného zaťaženia, t. j. v spodnej časti sedla (hlava) indikujú prítomnosť termálne aktivovaných procesov sklzové systémy a väčšie dutiny – kavi­ty, ako je vidieť na obr. 13 g a obr. 13 h. Prevádzková teplota sa v tejto čas­ti pri tepelnom namáhaní (prúdení výfukových plynov) obvykle pohybuje v rozmedzí 400 až 500 °C.

 

IDENTIFIKÁCIA MATERIÁLU TANIERA VENTILU

Z dôvodu spresnenia typu austenitického materiálu telesa ventilu bola na troch častiach odrezku (drieková oblasť, teleso taniera – priečny od­rezok a tanier) vykonaná spektrálna analýza. Cieľom analýzy bolo ur­čiť zastúpenie hlavných legujúcich prvkov (špecifických pre materiály ventilov), ako aj sprievodných prvkov austenitického materiálu v sú­lade s normou STN EN 10090. Výfukové ventily piestových spaľova­cích motorov sa vyhotovujú z austenitickej CrMnNi ocele pri číselnom značení materiálu podľa STN EN 10027-2 nasledovne: 1.4870, 1.4871, 1.4875a 1.4882. Podľa výsledkov uvedených v tab. 1 je zrejmé zastúpenie Cr v 21,17 hm. %., Mn 9,25 hm. % a Ni na úrovni 3,46 hm %. Priemer­ný obsah uhlíka z troch meraní je 0,54 hm. %. Oceľ je legovaná ďalšími prvkami ako Nb, Ti a V, ktoré slúžia na zlepšenie mechanických vlast­ností za vyšších teplôt a zjemnenie zrna. Ich súhrnný obsah sa v analy­zovanej austenitickej oceli pohybuje do 0,15 hm. % čo je priaznivé. Na základe uvedených zistení v tab. 1 a po vzájomnom porovnaní s normou STN EN 10090 na materiály ventilov sa hmotnostné podiely zistených prvkov ako Mn a Mo pohybujú v rámci stanoveného rozsahu chemické­ho zloženia a podľa zatriedenia v zmysle normy STN EN 10090 (tab. 1) sa jedná o materiál s označením 1.4870.

SKÚŠKY TVRDOSTI NA ANALYZOVANÝCH ODREZKOCH

Skúšky tvrdosti sú doplnkovou metódou na overenie mechanických vlast­ností analyzovaného materiálu. Norma STN EN 10090 v tab. A 1 uvádza informatívne hodnoty tvrdosti v stave po rozpúšťacom žíhaní a vytvrde­ní pri teplote okolia. Pre identifikovaný materiál telesa ventilu 1.4870 je hodnota tvrdosti v škále HRC uvedená číslom 30. Podľa výsledkov z na­meraných hodnôt tvrdosti a po spriemerovaní z piatich meraní je maxi­málna hodnota tvrdosti analyzovaného telesa ventilu 30 HRC (tab. 2).

DISKUSIA DOSIAHNUTÝCH VÝSLEDKOV

Už zo samotnej obhliadky ventilu, znázorneného na obr. 1 až 3 vidieť, že po­vrch prechodu (taniera) a drieku ventilu je pokrytý utlačenými produktmi spa­ľovania. Je možné, že malá časť z tohto povlaku sa v procese exploatácie uvoľnila a zakliesnila sa pri uzatváraní ventilu medzi sedlo a ventil. Tým moh­la vzniknúť lokálna netesnosť, ktorou začali prúdiť spaľované palivo, kto­ré pravdepodobne horelo. Vzhľadom na kompresný pomer, teplotu horenia a druhu nečistôt môže dôjsť až k plazmatickému výboju, a teda výraznému lo­kálnemu zvýšeniu teploty na inkriminovanom okraji výfukového ventilu spa­ľovacieho motora. V dôsledku toho sa pravdepodobne poškodila dosadacia plocha ventilu (tenký prierez, ktorý sa rýchle ohrieva) lokálnym natavením povrchu, pričom nečistota pravdepodobne slúžila ako katalyzátor.

Takéto primárne poškodenie (malý opal povrchu ventilu) potom netesní a poškodenie sa zväčšuje. Výsledkom uvedeného procesu bola tepelná de­gradácia a poškodeniu návaru obvodovej časti sedla, ako je vidieť z obr. 2. K samotnému porušeniu prispela nerovnovážna mikroštruktúra. Aj napriek tomu, že analyzovaná oceľ taniera obsahuje 0,54 hm. % uhlíka, vplyv ki­netiky premien počas tepelnej záťaže sa môže v mikroobjemoch materi­álu a najmä v oblastiach s rôznou veľkosťou zrna meniť. Z toho dôvodu sa v norme STN EN 10090 uvádza pre austenitické materiály (pretvárnené polotovary) stav spracovania riadené ochladzovanie a rozpúšťacie žíhanie.

 

ZÁVER ANALÝZY

Z výsledkov analýz na poškodenom výfukovom ventile spaľovacieho mo­tora možno konštatovať nasledovné zistenia:

• jedným z pravdepodobne prevládajúcich mechanizmov porušenia sedla ventilu bol nedostatočný odvod tepla tanierom ventilu, čo spôsobilo te­pelný prienik cez sedlovú časť a možnú zmenu v uhle sedla ventilu,

• zmena kompresného pomeru a zníženie výkonu bolo náhle, a po nie­koľkonásobnom opakovaní nastalo úplné poškodenie a vyhorenie ma­teriálu taniera,

• poškodenie bolo nielen makroskopické, ale aj mikroskopické – na úrovni štruktúry, tvorbou kavít a dutín značne hrubozrnných páso­vých oblastí,

• na sedlo ventilu je po obvode navarený stelitový návar, tento bol výraz­ne poškodený, v mieste kontaktnej plochy priľahlej kužeľovej časti sedla,

• analýza chemického zloženia materiálu taniera spresnila identifikáciu austenitickej ocele s číselným označením 1.4870,

• doplnkové skúšky tvrdosti v pozdĺžnych rezoch vzoriek potvrdili hod­notu tvrdosti 30 HRC, ktorá je odporúčaná pre stav tepelného spraco­vania po rozpúšťacom žíhaní a vytvrdení,

• hrubozrnné oblasti vláknovej štruktúry v stave, aký bol zdokumento­vaný nemajú priaznivý účinok na zabezpečenie mechanických vlast­ností a odolnosti voči tečeniu pri prevádzkových teplotách.

V súlade s výsledkami vykonaných analytických prác a doplnkových skú­šok na poškodenom telese taniera výfukového ventilu spaľovacieho mo­tora môže byť jedným z faktorov poškodenia práve nerovnovnomer­nosť veľkosti austenitických zŕn. Podľa zistenia sa jedná o materiál ocele X5CrMnNiNbN21-9 skupinového značenia 1.4870. V norme STN EN 10090 je pre tento austenitický materiál polotovaru tyčového prierezu určený referenčný stav po rozpúšťacom žíhaní a vytvrdení (1.4870 +AT + P). Z metalografického rozboru na analyzovaných vzorkách stav štruktú­ry v pozdĺžnom smere vykazuje heterogenitu veľkosti zrna ako aj výraz­nú textúru – vláknitosť.

 

TEXT/FOTO PETER ŽÚBOR

 

LITERATÚRA:

[1] STN EN 10 090. Ocele a zliatiny na ventily pre spaľovacie motory. SÚTN Bratislava. 2001

[2] HAZLINGER R. – MORAVČÍK R. – ČAPLOVIČ, Ľ.: Degradačné procesy a predikcia životnosti. STU Bratislava. 2010. ISBN 978-80-227-3334-2

[3] VEVERKA, J. – KOTUS, M. – ANDRÁSSYOVÁ, Z. – HUJO, Ľ.: Vplyv teploty motora na zloženie výfukových plynov. In Najnovšie trendy v poľnohospodárstve, v strojárstve a v odpadovom hospodárstve. SPU v Nitre, 2011. s. 222-227

[4] HLAVATÝ, I. – BENEŠ, L. – SCHMIDOVÁ, E.: Renovace výfukových ventilů naftových motorů materiálem STELLIT P37. Svařování, dělení, spojování a materiálů, TM vydavatelství, s.r.o. Praha, ročník I.(V), 6/2003, s. 24-26, ISSN 1212-4044

[5] HRIVŇÁK, I.: Zváranie a zvariteľnosť materiálov. Bratislava: Vydavateľstvo STU, 2008. 486 s. ISBN 978-80-227-3167-6

[6] DOMÁNKOVÁ, M. – MAREK, P. – MORAVČÍK, R.: Effect of annealing at 650°C on precipitation in chosen austenitic stainless steels. Acta Metallurgica Slovaca. Roč. 13, č. 1. s. 52-60. ISSN 1335-1532.