Ventilska jekla Ivan Kos 1. UVOD Dotok sveže mešanice goriva in zraka v oto motorjih ter zraka v dizel motorjih in odvod izpušnih plinov iz cilindra je največkrat omogočen preko ventilov. Za izdelavo ventilov se uporabljajo jekla, ki smo jih v ŽR uvrstili v skupino KONSTRUKCIJSKIH JEKEL ZA POSEBNE NAMENE, to so VENTILSKA JEKLA. Ventili so toplotno zelo obremenjeni strojni deli in hkrati močno izpostavljeni agresivni atmosferi plinov. Zaradi tega izbiramo za njihovo izdelavo kvalitetna jekla, legirana z elementi, ki jim med delovanjem zagotavljajo več uporabnih lastnosti. S tem sestavkom želimo predstaviti nekatera ventilska jekla z njihovimi značilnostmi: a) uporabnost, b) kemična sestava, c) struktura, d) mehanske lastnosti. 2. UPORABNOST IN NEKATERE SPLOŠNE ZNAČILNOSTI VENTILSKIH JEKEL Po namenu uporabe delimo ventile na: 1. sesalne ventile, 2. izpušne ventile. Sesalni ventili so manj toplotno obremenjeni. Izdelujemo jih iz manj legiranih jekel, lahko tudi iz nekaterih jekel za poboljšanje, saj se njihova delovna temperatura suče okrog 500 "C. Omeniti moramo tudi dejstvo, da so med delovanjem intenzivno hlajeni s svežo mešanico goriva in zraka. Nasprotno pa za izpušne ventile lahko ugotovimo, da so toplotno izredno močno obremenjeni. Njihova delovna temperatura se giblje med 600 in 800°C, zato morajo biti izdelani iz visoko kvalitetnih jekel, ki so močno legirana in imajo stabilne strukturne faze tudi pri teh temperaturah. i_n o mo olo o m o Q3o or- SO O t "O ^O Slika 1 Razporeditev temperatur na glavi ventila Na sliki 1 je prikazana razporeditev temperatur na glavi ventila. Oto bencinski motorji so temperaturno močneje obremenjeni kot dizel motorji. S slike tudi vidimo, kako poteka odvajanje toplote na ventilu. Največji del toplote se odvede preko sedeža ventila, kar pomeni, da je le-tega potrebno dobro hladiti. Letalski motorji razvijajo večje moči, zaradi česar so tudi njihovi ventili močneje temperaturno obremenjeni. V takem primeru pa pridejo kot rešitev v poštev VOTLI VENTILI, ki imajo v steblu in delu glave odprtino. V njej je natrij, ki izpareva že pri 97 °C ter tako intenzivno ohladi glavo ventila tudi za 100°C. Od ventilskih jekel pričakujemo in zahtevamo naslednje lastnosti: 1. visoka trdnost pri povišanih temperaturah, 2. obstojnost proti korozijskim vplivom Pb ter eroziji, 3. obstojnost mer pri povišanih temperaturah, 4. obstojnost na toplotne šoke, 5. dobro toplotno prevodnost, 6. stabilnost strukture pri visokih temperaturah, 7. odpornost proti obrabi, 8. enakomernost v fizikalnih lastnostih, 9. dobro obdelovalnost z mehanskim odvzemanjem delavcev. 3. KEMIČNA SESTAVA RAZLIČNIH VRST VENTILSKIH JEKEL Lastnosti ventilskih jekel, ki jih navajamo v poglavju 2, zagotavljajo določeni legirni elementi, ki karakteri-zirajo posamezno jeklo ali skupino jekel. V tabeli 1 prikazujemo smerno kemično sestavo ventilskih jekel, ki jih izdelujemo v ŽR. Skupna značilnost ventilskih jekel glede na kemično sestavo je visoka vsebnost ogljika in kroma. Ostali elementi so legirani enkrat v večjih, drugič spet v manjših količinah. Po kemični sestavi lahko ventilska jekla razdelimo v naslednje skupine: 1. krom-silicijevo jeklo (PK8) 2. krom-nikelj-silicijeva jekla (PK9, PK939) 3. krom-nikelj-manganova jekla (214N, 28304N, X45) Ogljik in krom dajeta ventilskim jeklom osnovno trdnost, ki jo pri povišanih temperaturah ohranjajo še elementi: volfram, molibden in vanadij. Za skupino krom-nikelj-manganovih jekel je značilna tudi prisotnost dušika, ki se v strukturi izloča v oblike karbonitridov, ki dajejo tem jeklom trdnost pri temperaturah nad 700°C. Tabela 1 Oznaka jekla Kemična sestava % Oznaka po DIN JUS ŽR C Si Mn Cr Ni ostali Č4270 PK8 0,45 3,0 0,45 9,5 X45CrSi93 Č4581 PK9 0,80 2,0 0,45 20,0 1,45 X80CrNiSi20 W 1,0 Č47703 PK939 0,80 2,0 0,55 15,0 0,75 Mo 1,0 X80CrSiMoWl 52 Č4588 2I4N 0,53 9,0 21,0 3,85 N 0,44 X53CrMnNiN219 Nb 1,0 Č4870 28304N 0,53 9,0 21,0 3,75 V 1,0 Mo 1,0: N 0,44 Č45711 X45 0,49 2,5 1,3 18,0 9,0 W 1,1 X45CrNiW189 Slika 4: Struktura avstenitnega jekla 214 N Povečava: 200 x Jedkalo: nital Prvi strukturni tip (slika 2) je mehko žarjena struktura ferita s karbidi. Za ta tip jekla je značilno M ARTEN-ZITNO UTRJEVANJE: Na sliki 3 imamo strukturo mehko žarjenega jekla PK9 pri 200-kratni povečavi. Značilna so feritna zrna s primarnimi, evtektskimi karbidi. Od velikosti le-teh so odvisne plastomehanske lastnosti jekla; večji so karbidi, slabše so le-te in obratno. Tudi za to vrsto jekla je značilno MARTENZITNO UTRJEVANJE. Naslednja skupina so avstenitna jekla, za katere je značilna osnovna struktura avstenitnih zrn z manjšim ali večjim številom karbidov in karbonitridov. Ta tip jekel se utrjuje izločevalno s STARANJEM, to je z daljšim držanjem na temperaturah okrog 700°C. 5. MEHANSKE LASTNOSTI PRI SOBNI IN POVIŠANIH TEMPERATURAH Mehanske lastnosti ventilskih jekel prikazujemo v tabeli 2. Tabela je razdeljena na dva dela: a) mehanske lastnosti ventilskih jekel pri sobni temperaturi, b) natezna trdnost pri povišanih temperaturah. Analiza mehanskih lastnosti, ki so zahtevane za ven- tilska jekla pri 20°C, pokaže naslednje: — zahtevane so izredno visoke natezne trdnosti preko lOOON/mnr, — pri vseh je določena minimalna meja plastičnosti, — obenem pa morata biti tudi raztezek in kontrak-cija v predpisanih mejah. 4. ZNAČILNOSTI STRUKTURE Kemična sestava jekla in njegova mikrostruktura sta tesno povezani. Ventilska jekla po strukturi delimo na: 1. nadevtektoidna jekla (PK8), 2. ledeburitna jekla (PK939, PK9) 3. avstenitna jekla (214N, 28304N, X45). Strukture, značilne za prej naštete skupine, so prikazane na slikah 2, 3 in 4. Slika 2 Struktura nadevtektoidnega jekla PK8 Povečava: 200 x Jedkalo: nital Slika 3 Struktura ledeburitnega jekla PK9 Povečava: 200 x Jedkalo: nital Tabela 2 Mehanske lastnosti pri 20°C__Natezna trdnost pri temp. Oznaka jekla ŽR Vdelava (N/mm2) (N/mm2) % % 400"C 500°C 600°C 700»C 800"C PK8 poboljšan min. 880 min. 685 1030 14 PK9 poboljšan min. 880 min. 685 1130 5 PK939 poboljšan min. 980 min. 785 1180 14 214N staran min. 980 min. 590 1180 8 28304N staran — max. min. 1250 8 X45 popuščan min. 780 min. 390 980 25 Opomba: mehanske lastnosti pri sobni temperaturi in povišanih temperaturah se nanašajo na končno to- Ugotovimo lahko, da zahtevamo najvišjo trdnost pri sobni temperaturi od jekla 28304N, in sicer 1250 N/ mm2, vsa ostala jekla pa se z natezno trdnostjo gibljejo nekje med 780 in 1180 N/mm2. S tem, ko je jeklo 28304 N najbolj trdo, ima tudi najmanjši raztezek in kontrakcijo; ta dva parametra pa imata največjo vrednost pri jeklu PK.8. Podobno primerjava za povišane temperature — to pot samo nateznih trdnosti — kaže, da ima spet najvišjo trdnost jeklo 28304 N; pri temperaturi 800°C doseže še okrog 450 N/mm2. Za primerjavo poglejmo PK8, ki ima pri tej temperaturi natezno trdnost še samo 70 N/ mm2. min. 40 770 540 260 110 70 min. 12 — 590 245 108 59 min. 20 — 540 295 175 100 min. 15 — 635 540 400 340 min. 9 — — 835 655 450 min. 35 — 660 560 410 260 plotno obdelana stanja; katera so to, je v tabeli 2 v drugi koloni točno definirano. 6. SKLEP Ventilska jekla so izredno zahteven kvalitetni asorti-ment. Glede na njihove posebne značilnosti in zahteve se tako obnašajo tudi v fazi izdelave in plastične predelave. Ne samo, da jih spravimo skozi proizvodno pot železarne, ampak se morajo v nadaljnji predelavi enako dobro predelovati in kot končni izdelki imeti vse prej opisane lastnosti! Literatura Krpan — Jeraj: Laki motori, II. deo Rodič Alenka: Sistematika in značilnosti mikrostruktur ventil-skih jekel proizvodnje ŽR; R-8405.