國六柴油機(jī)氣門座圈材料的研究

王斌　袁春

摘 要：隨著科技的發(fā)展，人們對于生活品質(zhì)的追求逐漸提高，車輛作為現(xiàn)代社會不可缺少的一種物品，車輛的配置和制造工藝也越來越好，伴隨著全球汽車保有量的提升，對大自然的破壞也越來越嚴(yán)峻，全球各個國家和地區(qū)對環(huán)境的保護(hù)逐漸重視起來，對于汽車排放的標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格，我國也隨之推出了國六排放標(biāo)準(zhǔn)，為了達(dá)到國六排放標(biāo)準(zhǔn)，各個車廠對于汽車發(fā)動機(jī)也進(jìn)行了各種方法的改進(jìn)，力求在達(dá)到國六排放標(biāo)準(zhǔn)的情況下做到節(jié)能減排，同時提升發(fā)動機(jī)的使用壽命。而發(fā)動機(jī)的氣門與氣門座圈是組成發(fā)動機(jī)燃燒室的重要部件，氣門座圈的主要作用是配合氣門，保證發(fā)動機(jī)燃燒室的密封性。本文主要對國六排放柴油氣門座圈的制作材料進(jìn)行研究和解讀。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī) 氣門座圈 材料

Research on Valve Seat Material of National Sixth Diesel Engine

Wang Bin，Yuan Chun

Abstract：With the development of science and technology， peoples pursuit of the quality of life has gradually improved. Vehicles are an indispensable item in modern society， and the configuration and manufacturing processes of vehicles have become better and better. With the increase in the number of vehicles in the world， the destruction of nature is becoming more and more severe. Countries and regions around the world are gradually attaching importance to environmental protection， and the standards for automobile emissions are becoming more and more stringent. China has also introduced the National Sixth Emission Standard. To achieve the National Sixth Emission Standard， various automakers have also made various improvements to automobile engines， striving to achieve energy conservation and emission reduction while meeting the National VI emission standards， and at the same time increase the service life of the engine. The engine's valve and valve seat ring are important components that make up the engine combustion chamber. The main function of the valve seat ring is to match the valve to ensure the sealing of the engine combustion chamber. This article mainly researches and interprets the materials used to make the National VI diesel valve seat.

Key words：diesel engine， valve seat ring， material

想要針對性的研究柴油發(fā)動機(jī)氣門座圈制作材料，那么首先我們要知道的柴油發(fā)動機(jī)的使用設(shè)備，柴油機(jī)因為其本身的熱效率高、扭矩特性好的特點(diǎn)，在軍用車輛、船舶及工程機(jī)械等重型機(jī)械設(shè)備和大型運(yùn)輸車輛上被廣泛使用。然后我們以發(fā)動機(jī)的工作原理分析柴油發(fā)動機(jī)氣門座圈的故障環(huán)境，以工作環(huán)境，來選擇相對適合該環(huán)境的材料，用以生產(chǎn)。

隨著市場對柴油機(jī)的要求不斷提高，柴油機(jī)的性能也隨之不斷提升，燃燒室零部件所承受的熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷不斷加大，氣門座圈承載的壓力也慢慢變大。然而，柴油機(jī)的氣門座圈是單獨(dú)的一個零部件，是通過過盈配合安裝在氣缸蓋上的，用以配合氣門對燃燒室進(jìn)行密封的重要零部件，在燃燒室承受的負(fù)荷不斷加大的情況下，氣門座圈承受的工作壓力也在不斷上升，增加了氣門座圈的損壞的概率。

1 氣門座圈所處的工作環(huán)境分析

（1）高溫環(huán)境。柴油發(fā)動機(jī)汽缸內(nèi)溫度隨柴油機(jī)工作周期進(jìn)、壓、爆、排的變化而變化，其中在發(fā)動機(jī)做進(jìn)氣工作時，進(jìn)氣門氣門座圈溫度最低達(dá)300攝氏度以上，發(fā)動機(jī)做排氣工作時，排氣門氣門座圈溫度可達(dá)到700攝氏度。在高溫的條件下，在氣門的不斷開合情況下，氣門和氣門座圈各部分溫度的動態(tài)變化和分布會有不均勻的現(xiàn)象產(chǎn)生，可能會造成氣門座圈一定的熱應(yīng)力疲勞，高溫也會使材料硬度相對應(yīng)的降低，氣門座圈會在氣門落座沖擊作用下更容易磨損以至于產(chǎn)生變形。（2）沖擊載荷。如上圖所示，如若氣門座圈與氣門是垂直作用的運(yùn)動荷載的話，相對的沖擊力會減少許多，但氣門座圈與氣門是成一定斜度的配合密封，所以相對的沖擊載荷就大了許多。一般的大中型柴油機(jī)氣門對氣門座圈的沖擊次數(shù)每分鐘可以達(dá)1000次以上，以柴油運(yùn)輸車輛為依據(jù)，一般怠速在800轉(zhuǎn)左右，發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速在1500轉(zhuǎn)左右，想對應(yīng)的，氣門與氣門座圈每分鐘的配合次數(shù)就在800次到1500次，在高溫燃?xì)獾沫h(huán)境中還要承受著高頻率的反復(fù)沖擊作用，氣門與氣門座圈的表面磨損速度就會急劇增加。

化學(xué)成分。柴油是輕質(zhì)石油產(chǎn)品，復(fù)雜烴類（碳原子數(shù)約10～22）混合物，在燃燒室與空氣相遇燃燒，會有一些氧化物沉積在氣門與氣門座圈表面，增加氣門和氣門座圈之間的摩擦力，并對氣門座圈產(chǎn)生一定的腐蝕，加速氣門座圈的磨損。

柴油機(jī)在工作過程中需要同時承受高溫氣體的沖刷作用、化學(xué)成分沉積腐蝕、高頻燃爆壓力作用、氣門落座高頻沖擊和與氣缸蓋之間相互的擠壓作用。在各種極端環(huán)境同時并存下，氣門座圈可能會因為異常磨損，與氣門之間配合不緊密漏氣，降低發(fā)動機(jī)性能，也可能會不可逆熱變形而發(fā)生松脫，導(dǎo)致氣門無法落座，損壞氣門閥體，氣門閥體碎塊隨工作運(yùn)轉(zhuǎn)打破活塞、缸套乃至打破缸體、缸蓋損壞發(fā)動機(jī)，導(dǎo)致機(jī)械無法正常使用，設(shè)備停擺。

2 氣門座圈的故障分析

當(dāng)柴油機(jī)氣門座圈有缺陷時，氣門與氣門座圈不能很好地配合，密封性會降低，吸入的氣體就會從縫隙逸出，導(dǎo)致氣缸內(nèi)壓縮力不足，壓縮比變小，隨之發(fā)動機(jī)性能降低，在設(shè)備上的表現(xiàn)為，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時間不長，排氣管的溫度過高。

故障原因：（1）空氣濾清過濾不到位，發(fā)動機(jī)內(nèi)部進(jìn)入顆粒物，磨損氣門、氣門座圈，拉傷缸套;（2）氣門彈簧彈力不足，氣門開閉程度不足，閉合不到位，產(chǎn)生漏氣;（3）氣門導(dǎo)管與氣門桿之間間隙大，導(dǎo)致氣門與氣門座偏磨;（4）氣門間隙大，密封不嚴(yán)，使高溫氣體竄出引起燒蝕;（5）氣門與氣門座圈之間相互高頻沖擊產(chǎn)生機(jī)械磨損，同時受燃燒室高溫環(huán)境侵蝕，產(chǎn)生化學(xué)熱損傷而引起凹陷、燒蝕等。

故障現(xiàn)象：（1）粘著磨損。粘著磨損是由于氣門座圈接觸面由于工作運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生塑性變形，在高溫情況下，氣門高頻沖擊作用，逐漸與之結(jié)合，主要特征是物質(zhì)轉(zhuǎn)移。該故障的主要原因是因為接觸面潤滑不夠、接觸應(yīng)力較高等導(dǎo)致。（2）犁溝效應(yīng)。犁溝效應(yīng)是第二種故障表現(xiàn)，是一方接觸面較硬的材質(zhì)，與另一接觸面較軟的材質(zhì)相互發(fā)生切割作用產(chǎn)生的一種溝壑形狀的痕跡，因為很像以前的犁溝，故形象的稱之為“犁溝”效應(yīng)。該故障產(chǎn)生的原因可能是燃燒后的產(chǎn)物有較硬的附作物，亦可能是由外部吸入的較硬質(zhì)粒導(dǎo)致。（3）第三種是塑性變形，主要表現(xiàn)是氣門座圈接觸面受到高頻沖擊，加上高溫環(huán)境導(dǎo)致材料變形，導(dǎo)致，主要原因是材料的應(yīng)力程度不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致。

故障檢測：一般情況下氣門和氣門座圈出現(xiàn)磨損、起槽、麻點(diǎn)、燒蝕和裂紋等故障時，把氣門和氣門座圈接觸面清理干凈，便可以分辨出來，特殊情況下才會使用百分表、游標(biāo)卡尺之類的工具用以檢測。

3 氣門座圈材料研究和選材

從氣門座圈的故障分析和氣門座圈所處的工作環(huán)境，不難得出氣門座圈的材料選擇需要同時具備著良好的高溫力學(xué)性能、耐腐蝕、強(qiáng)度大、蠕變特性高、體積穩(wěn)定特性好的材料，而且材料中應(yīng)添加一定的減少摩擦的成分，用以改善高溫情況下接觸面的摩擦阻力，保證機(jī)械的使用性能，以及使用壽命。

氣門座圈的材料：氣門座圈材料分為傳統(tǒng)材料，和分傳統(tǒng)材料。一般傳統(tǒng)材料指的是金屬和各種合金類，非傳統(tǒng)材料指陶瓷木材等，非傳統(tǒng)材料制作的氣門座圈還在開發(fā)研制階段，故現(xiàn)有的氣門座圈使用的一般都是金屬材料。根據(jù)使用負(fù)荷情況，合金的成分會有相對應(yīng)的變化，一般都是中、高合金鑄鐵，如耐熱鋼、鎳基、鈷基合金等，主要以鉻、鎳、鉬、鎢、鈷、釩作為主要合金元素，以回火索氏體、回火屈氏體、奧氏體、鐵素體為基體，以碳化物為硬質(zhì)點(diǎn)。

柴油機(jī)氣門座圈選材，耐高溫材料是首先，再根據(jù)其他因素的要求，現(xiàn)有三種高溫合金材料成為我們研究新的氣門座圈材料的預(yù)選方向。分別是（1）鈷基高溫合金、（2）鎳基高溫合金、（3）粉末冶金材料。這三種新合金材料的蠕變溫度都高于氣門座圈的工作溫度，故對材料性能的蠕變影響暫不做考慮。

下面我主要跟大家講解一下粉末冶金氣門座圈材料工藝和減摩方法。

隨著燃油標(biāo)號的改變，發(fā)動機(jī)的功率增加等原因，傳統(tǒng)的金屬合金氣門座圈逐漸被市場淘汰，粉末冶金氣門座圈逐漸走向主流市場。當(dāng)下，世界各個國家和地區(qū)的研究中心都是以粉末冶金技術(shù)為氣門座圈的主要研究方向。粉末冶金氣門座圈的特點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn)，如：材料利用率高、生產(chǎn)加工成本小，適合批量生產(chǎn)，易添加減摩成分以達(dá)到減磨作用等。

粉末冶金氣門座圈以材料分類可分為：1、基體強(qiáng)化型材料，2、硬質(zhì)相粒子強(qiáng)化型材料?；w強(qiáng)化型材料是在燒制合金時添加一定量的Cr、Ni、Co、Cu 、P等固溶強(qiáng)化元素，用以增加材料的密度，從而達(dá)到材料基體組織強(qiáng)化的作用。硬質(zhì)相粒子強(qiáng)化型材料在燒制基體合金時添加一定量的合金元素，主要有Fe-Cu-Mo、Fe-Cr、Fe-Cr-Ni、Fe- Co、Fe-Co-Ni 等系列的合金體系，這些合金元素在處理過程中反應(yīng)生成的硬質(zhì)相會反過來強(qiáng)化合金，如碳化物;也可以在燒制前加入硬質(zhì)相質(zhì)點(diǎn)，在燒制后形成特殊耐磨材料。

粉末冶金氣門座圈制造工藝一般要求：過程盡可能的簡單、便于操作、可行性好等特點(diǎn)。從制造成本來考慮，盡可能的不用或少用稀缺材料。因為粉末冶金氣門座圈的機(jī)械性能與密度有關(guān)聯(lián)，所以為提高粉末冶金產(chǎn)品的密度，主要采用復(fù)壓復(fù)燒、熱等靜壓及熔滲等工藝方法。為提高粉末冶金氣門座圈的綜合性能，一般采用滲銅的方法來實施。滲銅時，熔化的銅水流入粉末冶金氣門座圈的孔隙中，一來可以提升粉末冶金氣門座圈的導(dǎo)熱性，減少一定的熱應(yīng)力，二來提高了材料的沖擊韌性和耐磨性能，增強(qiáng)了座圈的抗切削性能。

4 結(jié)語

我國的粉末冶金氣門座圈的起步較歐美國家晚了許多。在研制開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的粉末冶金氣門座材料體系和制備工藝時走了許多彎路，吃了許多虧，所以對于我們過來來說，更加迫切的需要緊追歐美國家的腳步，從氣門座圈的摩擦磨損機(jī)理的研究開發(fā)，涂層材料和工藝的創(chuàng)新研究等方面，根據(jù)發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢，設(shè)計出新的，具體我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能發(fā)動機(jī)氣門座圈材料和氣門座圈產(chǎn)品。

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