發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)座圈工藝研究

韓緒樓

摘要簡(jiǎn)述幾種氣門(mén)座圈的鍛造工藝，展望氣門(mén)座圈的鍛造工藝和材料未來(lái)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞氣門(mén)座圈新材料鍛造

中圖分類(lèi)號(hào)：TH6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-7597(2009)0410142-01

近年來(lái)，工程發(fā)動(dòng)機(jī)朝著大功率、低能耗、長(zhǎng)壽命的方向發(fā)展。發(fā)動(dòng)機(jī)的這些新變化，勢(shì)必對(duì)作為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的氣門(mén)座圈提出新的要求，促使人們對(duì)氣門(mén)座圈材料的制備工藝和研制開(kāi)發(fā)工作不斷進(jìn)行和深入。發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)和氣門(mén)座圈是組成燃燒室的重要部件之一。氣門(mén)座圈的主要作用是和氣門(mén)配臺(tái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的密封。目前，國(guó)內(nèi)外氣門(mén)座圈材料概括起來(lái)可分為2大類(lèi)。一類(lèi)是傳統(tǒng)材料，如金屬及各種合金；另一類(lèi)是非傳統(tǒng)材料，如陶瓷材料等。當(dāng)然，金屬材料是目前使用得最多的氣門(mén)座圈材料，其生產(chǎn)、制造工藝相對(duì)比較成熟。陶瓷材料氣門(mén)座圈正處于研制和開(kāi)發(fā)階段。

一、傳統(tǒng)鑄造或鍛鋼氣門(mén)座圈

傳統(tǒng)氣門(mén)座圈材料一般有鑄鐵、鍛鋼(包括鉆基及鎳基合金)等。鑄造合金氣門(mén)座圈合金成分中含有C、si、Mn、cr、P和Mo等幾種元素。根據(jù)負(fù)荷大小及負(fù)載型號(hào)，其臺(tái)金成分也不相同。對(duì)于高、中負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)，由于排氣門(mén)工作溫度比較高，燃?xì)獾臒岣g比較嚴(yán)重，這類(lèi)材料的合金元素含量都比較高，且含有較多的抗腐蝕元素。

二、粉末冶金所門(mén)座加氣門(mén)座圈材料和減摩工藝

(一)粉末冶金氣門(mén)座圈材料分類(lèi)

粉末冶金氣門(mén)座圈材料可以分為：基體強(qiáng)化型材料和硬質(zhì)相粒子強(qiáng)化型材料?；w強(qiáng)化型主要是通過(guò)在燒結(jié)鐵基合金中添加一定量的cr、Ni、co、cu、P等固溶強(qiáng)化元素，增加材料的密度，控制材料的基體組織，達(dá)到強(qiáng)化其基體的作用。硬質(zhì)相粒子強(qiáng)化型材料包括在燒結(jié)基體合金中添加一定量的合金元素，轟些元素在燒結(jié)或熱處理過(guò)程中反應(yīng)生成一定的硬質(zhì)相(如碳化物等)來(lái)強(qiáng)化合金，另外也包括在燒結(jié)前的金屬粉末中直接添加硬質(zhì)相質(zhì)點(diǎn)，燒結(jié)后形成耐摩材料。合金化硬質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化燒結(jié)鋼主要有Fe—Cu-Mo、Fe-Cr、Fe-er-Ni、Fe-Co、Fe-Co-Ni等系列的合金體系，其加入的主要合金元素一部分和鋼中的碳反應(yīng)生成碳化物，起到強(qiáng)化燒結(jié)鋼基體的作用：另一部分會(huì)固溶到燒結(jié)鋼基體中，起固溶強(qiáng)化作用。除此之外，銅的加入還可以起到提高材料導(dǎo)熱性以及高溫時(shí)潤(rùn)滑性能的作用。

(二)粉末冶金氣門(mén)座圈制造工藝

對(duì)于粉末冶金座圈材料制造工藝的一般要求是：工藝過(guò)程要盡可能地簡(jiǎn)單并具有可行性和易于操作等特點(diǎn)。另外，為了降低成本，應(yīng)盡量采用不稀缺的原料、輔助材料和設(shè)備，易于實(shí)行機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)。粉末冶金產(chǎn)品的機(jī)械性能與其密度有一定的聯(lián)系。為了提高粉末冶金產(chǎn)品的密度，目前主要采用如下幾種工藝：復(fù)壓復(fù)燒、熱等靜壓及熔滲等。

(三)粉末氣門(mén)座圈材料的減摩方法與減摩劑

根據(jù)氣門(mén)座圈所處的惡劣工作環(huán)境和相關(guān)磨損機(jī)理，有人采用外加磁場(chǎng)的方法來(lái)抵消一部分沖擊力，達(dá)到氣門(mén)在氣門(mén)座圈上“軟著陸”的效果，起到減摩作用。另外，人們經(jīng)常采用添加CaF2、MoS2、WZ2、BaFz等減摩組元的辦法來(lái)進(jìn)行材料白潤(rùn)滑，減小磨損。有時(shí)還采用滲銅的方法來(lái)提高粉末冶金氣門(mén)座圈的綜合性能。銅的滲入一方面可以提高材料的導(dǎo)熱性，使工作時(shí)氣門(mén)座圈各個(gè)部位的溫度均勻化，減小熱應(yīng)力，另一方面還可以提高材料的沖擊韌性和耐摩性能，改善其切削性能等。

三、陶瓷材料氣門(mén)座圈

相對(duì)金屬材料而言，陶瓷材料具有其自身的一系列特點(diǎn)。首先，陶瓷材料具有優(yōu)良的耐熱、耐摩、抗氧化性能以及高的高溫強(qiáng)度和硬度；具備制造大功率發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)座圈所必需的特性。陶瓷材料較低的導(dǎo)熱系數(shù)、良好的隔熱性對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱、提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率是有利的。陶瓷材料的另一個(gè)特點(diǎn)是，隨著溫度的變化，這種材料的膨脹系數(shù)不容易發(fā)生突變。主要原因是陶瓷材料高溫組織比較穩(wěn)定，不容易發(fā)生相變。陶瓷材料還有一個(gè)特點(diǎn)是它的抗震性能好，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用陶瓷材料制造的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)(座)使用起來(lái)噪音更小。至于為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，到目前為止，人們?nèi)匀粵](méi)有弄明白其中的原因。由于陶瓷材料具有這么多的優(yōu)點(diǎn)，因此人們爭(zhēng)相研究開(kāi)發(fā)這種材料。美國(guó)專門(mén)列出規(guī)劃，發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)陶瓷氣門(mén)系統(tǒng)部件。國(guó)內(nèi)也有成功研制出氧化錯(cuò)陶瓷氣門(mén)座圈的報(bào)道川。但陶瓷材料成型、切削加工困難，因而目前還沒(méi)有得到廣泛使用。

四、氣門(mén)座圈材料和工藝未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

合金體系較少，大多數(shù)是跟蹤國(guó)外同行的一些相關(guān)產(chǎn)品研制出來(lái)的。為了推動(dòng)我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，有必要進(jìn)一步研制開(kāi)發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的粉末冶金氣門(mén)座圈材料體系和制備工藝。具體說(shuō)來(lái)有以下幾個(gè)方面的工作需要深入：

(一)進(jìn)一步弄清氣門(mén)座圈的摩擦磨損機(jī)理，特別是新材料、新制造工藝條件下氣門(mén)座圈的磨損機(jī)理。定量研究磨損量與發(fā)動(dòng)機(jī)功率及外部環(huán)境的關(guān)系，尋找減少氣門(mén)座圈磨損的方法，包括各種減摩劑和耐摩涂層的研究、開(kāi)發(fā)。

(二)進(jìn)一步開(kāi)展涂層材料和工藝的創(chuàng)新研究，以降低磨損為導(dǎo)向，研制或應(yīng)用新的涂層材料和涂層工藝，制造致密、耐熱、耐摩、抗氧化性能良好的氣門(mén)座圈涂層，以達(dá)到減小氣門(mén)(座)下沉量的目的。

(三)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展變化趨勢(shì)，應(yīng)從材料的種類(lèi)、材料成分出發(fā)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出新的、價(jià)廉物美的、高性能發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)座圈材料和氣門(mén)座圈產(chǎn)品。