Optymalizacja właściwości i zastosowań stali

Prowadzący: dr inż. Tomasz Kachlicki

Temat: Wał korbowy w silniku

spalinowym.

1. Przedstawienie wyrobu

Wał korbowy:

- służy do zamiany ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka i wahadłowego
ruchu korbowodu na ruch obrotowy koła zamachowego
- działają na niego siły wynikające z ciśnienia gazów spalin w
cylindrach, które przenoszone są na czopy korbowe wału za
pośrednictwem tłoków i korbowodów, oraz siły bezwładności,
powstające w skutek obracania się wału

Przekrój silnika samochodu FIAT126p; 1 - zawór ssący, 2 - gniazdo zaworów,
3 - zawór wydechowy, 4 - sprężyny zaworowe, 5 - cylinder, 6 - korbowód,
7- wał korbowy, 8 - tłoki, 9 - sworzeń, 10 - pierścienie, 11 - panewki górne,
12 - panewki korbowodowe, 13 - miska olejowa.

2. Budowa wału korbowego

- czopy główne - wyznaczają oś obrotu wału,

- czopy korbowe, na których osadzone są stopy korbowodów,
- ramiona łączące czopy główne z korbowymi ,

Na kształt wału wpływa:
- konstrukcję silnika,
- liczbę i układ cylindrów,
- kolejność zapłonów,
- liczbę czopów głównych wału itp.

• Przedłużenia ramion wału korbowego pełnią funkcję

przeciwciężarów, które mają za zadanie wyrównoważenie
układu.  

• Łożyska czopów głównych i czopów korbowych są

łożyskami ślizgowymi. Charakteryzuje je większa nośność
oraz większa wytrzymałość na zmienne w czasie
obciążenia. 

• spalanie mieszanki w cylindrze – w silnikach

Diesla 5 ton na cylinder,

• rosnące do kwadratu prędkości obrotowej siły

bezwładności wału,

• siły odśrodkowe,
• pokonywanie oporów powstających przy

sprężaniu mieszanki paliwowej,

• moment obrotowy największy, gdy korbowód

ustawiony pod kątem prostym do wykorbienia

3. Obciążenia w wale korbowym

Przyczyny:
• nadmierny luz lub uszkodzenie łożysk głównych wału

korbowego,

• niecentryczność lub inne odkształcenia wału korbowego,
• odkształcenie korbowodu.

Naprawa / recykling:
- odzysk produktów, podzespołów i części polega

na ponownym użyciu części, które poddawane są
naprawie, regeneracji i badaniom
dopuszczającym do użytkowania (tzw. ponowne
użycie z ograniczeniami).

- napawanie, szlifowanie wału korbowego, pomiary

odchyłek,

- recykling materiałowy.

4. Ewentualne uszkodzenia

• Kuźnia: wały korbowe z metalowych

prętów φ 30 – 90 mm ciętych na
kawałki, rozgrzewanych
w piecu indukcyjnym do
1200°C i formowane na
prasie o nacisku 2000 ÷ 5000 ton.

• Odlewnia: odlewanie wałów korbowych

żeliwnych w formach wytworzonych
systemem rdzeniowym – 4 czopy = 14
rdzeni

5. Technologia wytwarzania

Wały z kuźni i odlewni poddawane są obróbce mechanicznej
(skrawaniem), która nadaje im ostateczny kształt.
Wymagana jest ogromna precyzja (dokładność do 4 mikronów).
Ostatecznie sprawdzane jest wyważenie wału, dalej montaż –

łączenie

wału z korbowodami.

5. Technologia wytwarzania

• W silnikach o mniejszej mocy do wykonania wałów

korbowych wykorzystuje się głównie żeliwo sferoidalne.
Żeliwo jest materiałem tanim i łatwym w obróbce, a
odlewane zeń wały korbowe pracują bardzo spokojnie.

• Tam jednakże, gdzie silnik ma większą moc oraz w

pojazdach wyczynowych, wały korbowe wykonywane są
ze stali przez odkuwanie matrycowe. Tego typu produkcja
jest droższa, ponieważ dalsza obróbka trwa dłużej.

• Główne wymagania w stosunku do materiałów na wały to

duża sztywność i wytrzymałość zmęczeniowa. Można je
uzyskać stosując duże średnice czopów głównych oraz
odpowiednio mocne ramiona korby.

5. Materiały

Stal C45

niestopowa jakościowa do ulepszania cieplnego

Zastosowanie:

na części średnio obciążone i odporniejsze na ścieranie,

jak osie, wały korbowe, mimośrodowe oraz uzębione,

wrzeciona, walce, itp.

W stanie ulepszonym cieplnie dla φ 40 – 100

mm

Rm [MPa]

630 - 780

Re (Rp0,2) [Mpa]

≥ 590

wydłużenie A [%]

≥ 17

przewężenie Z [%]

≥ 45

gęstość [g/cm³]

7,85

kt [MPa]

390

Stal C45

niestopowa jakościowa do ulepszania cieplnego

Informacje technologiczne:

w stanie wyżarzonym zmiękczająco stal ma dobrą

skrawalność, w stanie normalizowanym i wyżarzonym

zmiękczająco jest podatna na cięcie mechaniczne.

Warunki procesów technologicznych obróbki plastycznej i

cieplnej

Kucie

1100 - 850°C

Walcowanie

1100 - 850°C

Hartowanie

820 – 860°C (w/o)

Odpuszczanie

550 - 660°C

Wyżarzanie normalizujące

840 - 880°C

Wyżarzanie zmiękczające

650 - 700°C

Stal 38HNM

konstrukcyjna stopowa do ulepszania cieplnego

Zastosowanie:

na silnie obciążone wały wykorbione, korbowody,

piasty śmigieł, części pomp, pras, sprężarek, bębny,

wały, tarcze i pierścienie turbin parowych.

W stanie ulepszonym cieplnie dla φ 40 – 100

mm

Rm [MPa]

880 - 1080

Re (Rp0,2) [Mpa]

≥ 690

wydłużenie A [%]

≥ 12

przewężenie Z [%]

≥ 50

gęstość [g/cm³]

7,85

kt [MPa]

540

Stal 38HNM

konstrukcyjna stopowa do ulepszania cieplnego

Informacje technologiczne:

stal spawalna, skrawalna oraz podatna na cięcie

mechaniczne.

Warunki procesów technologicznych obróbki plastycznej i

cieplnej

Kucie

1050 - 850°C

Walcowanie

1180 - 850°C

Hartowanie

830 – 860°C (w/o)

Odpuszczanie

540 - 660°C

Wyżarzanie normalizujące

830 - 860°C

Wyżarzanie zmiękczające

650 - 700°C

Stal 42CrMo4

stopowa specjalna do ulepszania cieplnego

Zastosowanie:

na bardzo obciążone osie, wały, wały korbowe, części

narażone na zmienne obciążenia zginające i

skręcające oraz na zużycie, koła zębate, itp.

W stanie ulepszonym cieplnie dla φ 40 – 100

mm

Rm [MPa]

1000 - 1200

Re (Rp0,2) [Mpa]

≥ 750

wydłużenie A [%]

≥ 11

przewężenie Z [%]

≥ 45

gęstość [g/cm³]

7,85

kt [MPa]

660

Stal 42CrMo4

stopowa specjalna do ulepszania cieplnego

Informacje technologiczne:

stal spawalna, skrawalna oraz podatna na cięcie

mechaniczne.

Warunki procesów technologicznych obróbki plastycznej i

cieplnej

Kucie

1050 - 850°C

Walcowanie

1050 - 850°C

Hartowanie

820 – 860°C (w/o)

Odpuszczanie

540 - 680°C

Wyżarzanie normalizujące

840 - 880°C

Wyżarzanie zmiękczające

680 - 720°C

Żeliwo ciągliwe

EN-GJMB-600-3

Zastosowanie:

motoryzacja: wały korbowe i korbowody samochodów

i ciągników.

Właściwości mechaniczne

Rm [MPa]

≥ 600

Re (Rp0,2) [Mpa]

≥ 390

wydłużenie A [%]

≥ 3

twardość [HB]

≥ 195 - 245

gęstość [g/cm³]

7,3 – 7,5

kt [MPa]

500

Żeliwo sferoidalne

EN-GJS-800-2

Zastosowanie:

odlewy pracujące przy znacznych obciążeniach i

naciskach, np. stoły pras, wały wykorbione, koła

zębate, suwaki i tuleje suwakowe.

Właściwości mechaniczne

Rm [MPa]

≥ 800

Re (Rp0,2) [Mpa]

≥ 480

wydłużenie A [%]

≥ 2

przewężenie Z [%]

≥ 45

gęstość [g/cm³]

7,2

kt [MPa]

720

Wyznaczenie spawalności

CEV = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni +

Cu)/15 [%]

C45:

CEV = 0,45 + 0,65/6 + (0,3 + 0,1+ 0)/5 + (0,3 + 0)/15 =
0,66

38HNM:

CEV = 0,38 + 0,56/6 + (0,75 + 0,2 + 0,05)/5 + (0,85 +
0,15)/15 = 0,64

42CrMo4:

CEV = 0,42 + 0,75/6 + (1,1 + 0,2 + 0)/5 + (0 + 0)/15 =
0,81

Żeliwo ciągliwe: praktycznie

niespawalne

Żeliwo sferoidalne: trudno spawalne

Proces wytwarzania

C45

-

kucie, obróbka cieplna, niski rygor czystości,

38HMN

-

dodatki stopowe, kucie, obróbka cieplna,

42CrMo4

-

znaczna ilość dodatków stopowych,

kucie, obróbka cieplna,

Żeliwo ciągliwe

– wytworzenie żeliwa białego,

skurcz odlewniczy 2%, obróbka cieplna, trudna
obróbka skrawaniem, w szczególności w centrach
obróbczych sterowanych numerycznie (CNC),

Żeliwo sferoidalne

– modyfikacja żeliwa

wyjściowego, skurcz odlewniczy 1%, trudna
obróbka skrawaniem, w szczególności w centrach
obróbczych sterowanych numerycznie (CNC),

Przyznanie punktacji materiałom w kategorii odpowiedniej właściwości

C45

38HNM

42CrMo4

Żeliwo
ciągliwe

Żeliwo
sferoidaln
e

R0,2
[Mpa]

≥ 590

7,9 pkt.

≥ 690

9,2 pkt.

≥ 750

10 pkt.

≥ 390

5,2 pkt.

≥ 480

6,4 pkt.

wytrzym.
na ścinanie
kt
[MPa]

390

5,4 pkt.

540

7,5 pkt.

660

9 pkt.

500

7 pkt.

720

10 pkt.

gęstość ρ
[g/cm³]

7,85

8 pkt.

7,85

8 pkt.

7,85

8 pkt.

7,3 – 7,5

9 pkt.

7,2

10 pkt.

trudność
produkcji /
cena

10

pkt.

9 pkt.

8 pkt.

6 pkt.

7 pkt.

spawalność
CEV

CEV 0,66

8 pkt.

CEV 0,64

8 pkt.

CEV 0,81

10 pkt.

niespawaln

a

1 pkt.

trudno

spawalna

2 pkt.

moduł
Younga E
[GPa]

207

9,8 pkt.

210

10 pkt.

210

10 pkt.

130-170

7,1 pkt.

176

8,4 pkt.

Przyznanie wartości współczynnika α danej właściwości materiału

R0,2
[Mpa]

wytrzym.
na
ścinanie
kt
[MPa]

gęstość
ρ
[g/cm³]

trudność
produkcji
/ cena

spawalno
ść
CEV

moduł
Younga E

SUMA

R0,2
[Mpa]

0

1

1

1

1

4

wytrzym.
na
ścinanie kt
[MPa]

1

1

1

0

0

3

gęstość ρ
[g/cm³]

0

0

0

0

0

0

trudność
produkcji /
cena

0

0

1

1

1

3

spawalnoś
ć
CEV

0

1

1

0

0

2

moduł
Younga E

0

1

1

0

1

3

R0,2 4 pkt. ->

α = 0,24

k

t

3 pkt. ->

α = 0,2

ρ 0 pkt. ->

α = 0,04

prod./cena 2 pkt. ->

α = 0,12

spawalność 3 pkt. ->

α = 0,2

E 3 pkt. ->

α = 0,2

C45

38HMN

42CrMo4

żeliwo

ciągliwe

żeliwo

sferoidaln

e

α

β

γ=

α*β

β

γ=

α*β

β

γ=

α*β

β

γ=

α*β

β

γ=

α*β

R

0,2

0,2

4

7,9

1,9

9,2

2,21

10

2,4

5,2

1,25

6,4

1,54

k

t

0,2

5,4

1,08

7,5

1,5

9

1,8

7

1,4

10

2

ρ

0,0

4

8

0,32

8

0,32

8

0,32

9

0,36

10

0,4

prod

/

cena

0,1

2

10

1,2

9

1,08

8

0,96

6

0,84

7

0,72

spaw

.

0,2

8

1,6

8

1,6

10

2

1

0,2

2

0,4

E

0,2

9,8

1,96

10

2

10

2

7,1

1,42

8,4

1,68

SUM

A

8,06

8,71

9,48

5,47

6,74

Najbardziej optymalnym materiałem na wał korbowy okazała się

stal 42CrMo4, odznaczająca się największą sztywnością oraz
najwyższą granicą plastyczności.

Z uwagi na wykorzystanie wałów korbowych w środkach

komunikacji, ich poprawne działanie stanowi istotną kwestię
dla bezpieczeństwa ogromnej ilości osób.

Największe zagrożenie wynika z możliwości uszkodzenia łożysk

głównych wału korbowego. Dzieje się tak zwłaszcza w
przypadku zastosowania łożysk ślizgowych, które po kilku
sekundach pracy bez właściwego smarowania przegrzewają się
i zacierają, dlatego po zapaleniu się kontrolki ciśnienia oleju
najlepiej zgasić silnik.

Kontrola oraz naprawa wałów korbowych powinna odbywać się

jedynie w warsztacie wyposażonym w odpowiednie urządzenia
– do rozebrania i złożenia wału konieczna jest prasa o nacisku
około 4-5 ton, natomiast wycentrowanie złożonego wału
wymaga zamocowania go w kłach tokarki lub specjalnego
przyrządu oraz jednoczesnego użycia dwóch czujników.

7. Podsumowanie

• Norma EN 10083 1996
• Norma EN 1562 1997
• Norma EN 1563 1997

• Dobrzański A.: Zasady doboru materiałów inżynierskich z kartami charakterystyk, 2000r.
• Goncza P., Gubeljak N.: Fracture mechanics parameters od 42CrMo4 steel, Advanced

Engineering, 2010r.

• Myszka D., Babul T.: Wytwarzanie żeliwa sferoidalnego ausferrytycznego w piecu

próżniowym z chłodzeniem gazowym, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2010r.

• Tabor A., Rączka J.: Polskie urządzenie do ekologicznej produkcji żeliwa sferoidalnego,

Sodification of Metals and Alloys, 1999r.

• Tabor A., Lewandowski K.: Wpływ magnezu na strukturę i właściwości wytrzymałościowe

białego żeliwa ciągliwego, Archiwum Odlewnistwa, 2006r.

• Karty technologiczne firmy Novacciai, 2013r.
• Katalog firmy AlfaTech, 2013r.
• Katalog firmy Lucefin Group, 2012r.
• Katalog firmy SCHEDA TECNICA, 2012r.
• steelnumber.com, Free Searchable Database of the National Technical University KhPl
• toyotapl.com, Toyota Motor Manufacturing Poland

8. Wykorzystane źródła

Dziękuję za uwagę

Alicja Drzewiecka
Inżynieria Materiałowa
Rok IV, semestr VII