汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門材料及摩擦學(xué)性能研究進(jìn)展

摘 要：為了有效適應(yīng)日益增長(zhǎng)的氣門材料性能挑戰(zhàn)，確保汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的持續(xù)可靠性，文章深入探討了當(dāng)前氣門材料的前沿動(dòng)態(tài)，以及對(duì)主流氣門鋼摩擦學(xué)特性的深入探究。我們系統(tǒng)梳理了各種表面工程策略在提升氣門減摩耐磨能力中的關(guān)鍵角色，如精密的表面淬火、物理機(jī)械強(qiáng)化、先進(jìn)激光處理以及高效熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用。最終，文章對(duì)未來(lái)氣門減摩抗磨技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用前景進(jìn)行了前瞻性的展望。

關(guān)鍵詞：氣門 汽車發(fā)動(dòng)機(jī) 氣門材料 摩擦學(xué)性能

氣門的精密操作對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的機(jī)能至關(guān)重要，其如同閥門，精確地調(diào)控著空氣和廢氣在引擎工作周期中的進(jìn)出流動(dòng)。在大部分時(shí)間內(nèi)，氣門緊密封閉，只依賴于復(fù)雜的機(jī)械動(dòng)作實(shí)現(xiàn)瞬間開啟。氣門結(jié)構(gòu)由頭部、桿部和底座這三個(gè)關(guān)鍵部分構(gòu)成，任何微小的瑕疵都可能顯著影響引擎的效能。

要在瞬息萬(wàn)變的汽車行業(yè)保持技術(shù)領(lǐng)先和商業(yè)優(yōu)勢(shì)，內(nèi)燃機(jī)必須展現(xiàn)出卓越的性能，兼顧經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性。設(shè)計(jì)師們持續(xù)優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)，目標(biāo)是在所有工況下提升動(dòng)力輸出密度，并追求效率的最大化，同時(shí)還要應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。隨著燃燒室壓力和溫度的不斷提升，對(duì)氣門材料的選擇和處理工藝提出了更高的要求，這在當(dāng)前的設(shè)計(jì)革新中顯得尤為關(guān)鍵。

1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門服役工況以及對(duì)性能的要求

作為配氣系統(tǒng)的核心組件，氣門在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間頻繁地開啟和閉合，其運(yùn)作過(guò)程伴隨著氣門彈簧的持續(xù)作用力和關(guān)閉瞬間的沖擊力。尤其在壓縮和動(dòng)力生成階段，進(jìn)氣門和排氣門扮演了至關(guān)重要的角色，它們確保燃燒室的有效密封，同時(shí)還得承受熾熱燃?xì)獾乃矔r(shí)沖擊以及高溫廢氣的侵蝕性影響。此外，由于工作環(huán)境惡劣，潤(rùn)滑條件嚴(yán)峻，使得氣門面臨著多重挑戰(zhàn)。

氣門堪稱配氣機(jī)構(gòu)中承受最嚴(yán)酷考驗(yàn)和結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的元件。其實(shí)際的工作特性可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

（1）極高運(yùn)作溫度。作為四沖程引擎執(zhí)行工作循環(huán)和氣體交換的關(guān)鍵部件，氣門作為構(gòu)建燃燒室的關(guān)鍵組件，其耐用性面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，尤其是在極端的工作條件下。在運(yùn)行過(guò)程中，它們所經(jīng)受的溫度波動(dòng)尤其顯著。在動(dòng)力循環(huán)階段，氣門的溫度峰值可達(dá)重型引擎排氣門頂點(diǎn)（接觸燃燒區(qū)域）和頸部，高達(dá)820攝氏度，相比之下，輕型引擎的進(jìn)氣門溫度上限僅為520℃，顯示出顯著的溫差。

（2）除了高熱負(fù)荷，氣門還得應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)力的猛烈沖擊。它們不僅承載自身預(yù)緊力和彈簧力，還要配合凸輪軸進(jìn)行頻繁且高強(qiáng)度的開閉動(dòng)作，這可能導(dǎo)致高達(dá)1180牛頓（大型引擎中甚至可達(dá)2943牛頓）的沖擊載荷。當(dāng)氣門振動(dòng)或配氣系統(tǒng)的間隙增大時(shí)，這些沖擊會(huì)進(jìn)一步加劇。特別是排氣門，在排出廢氣的同時(shí)，還需抵御高溫?zé)嶝?fù)荷和瞬時(shí)的氣體壓力沖擊。

（3）腐蝕問(wèn)題也不容忽視。進(jìn)氣門頭部，盡管處于燃燒室內(nèi)，但因較低的工作溫度，腐蝕主要發(fā)生于低于介質(zhì)熱化學(xué)反應(yīng)點(diǎn)的范圍內(nèi)。然而，排氣門在高溫環(huán)境中運(yùn)作，腐蝕現(xiàn)象更為嚴(yán)重。因此，對(duì)排氣門材料的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)，以抵抗腐蝕性介質(zhì)的侵襲，顯得至關(guān)重要。如表1所示，不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)，如柴油機(jī)和汽油機(jī)，面對(duì)的腐蝕介質(zhì)特性各有差異。

（4）潤(rùn)滑條件嚴(yán)峻的問(wèn)題顯現(xiàn)。首先，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門-門座的工作過(guò)程中，氣門導(dǎo)桿與導(dǎo)管間的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)主要依賴于少量的油液潤(rùn)滑，這導(dǎo)致潤(rùn)滑狀況極其不穩(wěn)定，時(shí)常發(fā)生局部金屬直接接觸，引發(fā)磨損現(xiàn)象。其次，高溫和頻繁的沖擊性間歇接觸使得氣門-門座錐面幾乎無(wú)法得到潤(rùn)滑，只能依賴材料自身的表面特性進(jìn)行自我保護(hù)。

鑒于氣門在運(yùn)行中的各種復(fù)雜環(huán)境，對(duì)其各個(gè)部分材質(zhì)性能的需求各異，氣門桿端面需具備耐磨和抗沖擊特性，鎖夾槽部分則要求在常溫下保持足夠的強(qiáng)度，桿體部分則需要耐磨和抗損傷能力，頸部則需耐腐蝕且在高溫下保持強(qiáng)度，而盤錐面則著重于耐磨、耐腐蝕和抗裂性，盤端面則需耐高溫和防腐。因此，對(duì)生產(chǎn)氣閥的材料提出了下列基本要求：

（1）具有良好的室溫機(jī)械性能。

（2）在高溫條件下，要求材料具有較好的高溫硬度與強(qiáng)度，同時(shí)具有較高的高溫抗拉、抗拉、抗拉、抗拉強(qiáng)度。

（3）材料應(yīng)具有抵抗高溫氧化的能力，以及對(duì)釩沖擊腐蝕和高溫硫化腐蝕的卓越耐受性。

（4）還需易于冶煉、鍛造、切割加工和焊接處理。

2 氣門材料的選擇

氣門的選擇通?；谄涔δ芴匦?，最常用的材料為高溫耐候鋼。這些鋼大體可分成三大類：馬氏體形Cr—Si耐熱鋼，奧氏體形Ni耐熱鋼和高檔耐熱Ni合金。在較早時(shí)期，進(jìn)氣閥主要采用馬氏體耐熱鋼材，但在當(dāng)今汽車工業(yè)中，其材料已有較大的改變；傳統(tǒng)馬氏體耐熱鋼已逐步被奧氏體不銹鋼（21-4N，21-2N，21-12N，23-8N）所替代。在重載發(fā)動(dòng)機(jī)中，閥門錐形表面的磨損和耐腐蝕性能往往是一個(gè)難題，這促使研發(fā)出在氣門錐面上進(jìn)行強(qiáng)化焊接的特殊合金解決方案。

從使用場(chǎng)景來(lái)看，氣門材料可分為排氣門、進(jìn)氣門和強(qiáng)化錐面材料。接下來(lái)，我們將逐一深入探討這三大類材料的獨(dú)特特性和應(yīng)用。

2.1 進(jìn)氣門材料

重型引擎的進(jìn)氣閥門在極端工況下可能承受高達(dá)525℃的高溫考驗(yàn)，常規(guī)選用的材料包括普通碳鋼、低合金鋼和高級(jí)耐熱馬氏體鋼。這些高合金鋼以高含量的碳和合金元素為特色，顯著提升了其強(qiáng)度、抗磨損和抵抗表面侵蝕的能力。為了增強(qiáng)抗氧化性，有時(shí)會(huì)添加Cr和Si元素，同時(shí)，由于加入了鉬、鎢、釩等高熔點(diǎn)的金屬，提高了合金的耐熱性能和抗磨損性能[1]。馬氏體耐高溫鋼室溫順磁、可經(jīng)急冷處理、易成形、具有優(yōu)良的低溫力學(xué)性質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，但其在高溫環(huán)境中的應(yīng)用受到限制。但該合金的抗高溫性能主要受到其熱處理溫度的制約，且長(zhǎng)期處于連續(xù)的回火過(guò)程中，其真實(shí)的抗高溫強(qiáng)度較大程度低于奧氏體鋼。

自采用Sil-1（含4Cr9Si3）合金后，重型柴油機(jī)進(jìn)氣門材料的性能變化微乎其微。相比之下，Sil-XB（簡(jiǎn)稱XB），一種高鉻馬氏體耐熱鋼，因其具備更高的疲勞強(qiáng)度和抗磨損特性，已被部分發(fā)動(dòng)機(jī)制造商選作對(duì)性能要求更為嚴(yán)苛的應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)于一般的汽油機(jī)和功率較小的柴油機(jī)，進(jìn)氣門通常采用40Cr或4Cr9Si2這類基礎(chǔ)材料。

2.2 排氣門材料

為了確保柴油機(jī)排氣閥組件的可靠運(yùn)行，其閥盤部分需具備極高的熱疲勞強(qiáng)度和耐蝕特性。通常采用的材料是鐵基奧氏體耐熱鋼或高級(jí)鎳基高溫合金作為基礎(chǔ)。其中，通常的備選方案是奧氏體耐熱21-4N。該材料在室溫下具有良好的耐磁特性，經(jīng)固溶及時(shí)效強(qiáng)化后，在較高的溫度及較高的溫度下仍具有優(yōu)異的塑性及切削能力。

但大部分Fe基奧氏體相在服役之前必須經(jīng)過(guò)滲碳、氮化等時(shí)效強(qiáng)化處理。鎳基奧氏體鋼具有優(yōu)異的抗疲勞性能，但其增強(qiáng)機(jī)理是由Ni、Al、Ti等組成的過(guò)渡態(tài)。盡管如此，這類合金由于加工難度大且成本高昂，限制了其廣泛應(yīng)用。

對(duì)于閥桿部位，耐磨性和抗磨損性至關(guān)重要，因此，常見的材料是馬氏體鋼，例如4Cr9Si2和4Cr10Si2Mo等，這些材料因其出色的抗磨性能而備受青睞。

2.3 氣門錐面的強(qiáng)化材料

重型發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門錐面金屬涂層經(jīng)常無(wú)法抵御高強(qiáng)度磨損或腐蝕，通常需要采用堆焊工藝增強(qiáng)其耐用性。常規(guī)的做法是運(yùn)用氣體或亞弧焊技術(shù)，沉積層厚度可達(dá)0.5至1mm或更多。如果強(qiáng)化材料為焊絲，則傾向于采用TIG或氧乙炔熔接；而粉末型強(qiáng)化材料則青睞于等離子焊接。值得注意的是，與等離子堆焊（PTA）相比，氣體焊接對(duì)氣門錐面的影響區(qū)域顯著較大，因此在現(xiàn)代高性能柴油機(jī)中，PTA幾乎成為強(qiáng)化合金堆焊的標(biāo)準(zhǔn)選擇。

氣門強(qiáng)化合金的構(gòu)成多種多樣，它既有以鈷、鎳為主的析出相，也有以鉻、鉬、鎢或釩為主的鐵基奧氏體基體合金。這種合金因其高含碳量而表現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨損性能。國(guó)際上也有研究指出，通過(guò)替換Fe-Cr-Ni合金為含Mn的合金，能提升涂層的耐磨性和耐腐蝕性。

當(dāng)析出相在增強(qiáng)材料中所占比例較大時(shí)，其高溫下的硬度、壓縮強(qiáng)度及耐磨性均有較大的改善。另外，在高溫高壓條件下，在高溫高壓條件下，在高溫高壓條件下，其高溫耐磨性能顯著提高；結(jié)果表明，高Cr元素的Fe、Co基合金比Ni基合金具有更好的力學(xué)性能。雖然閥門的錐形增強(qiáng)體在常溫下表現(xiàn)出了順磁特性，并且經(jīng)過(guò)了老化后還能夠得到進(jìn)一步的增強(qiáng)，并且具有優(yōu)異的低溫性能和高溫強(qiáng)度，并且還具有非常好的耐腐蝕性能，但其加工難度相對(duì)較大。

3 氣門減摩抗摩中表面技術(shù)的應(yīng)用

3.1 表面熱處理

氣門的品質(zhì)與其熱處理工藝密切相關(guān)，眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入探討。王忠誠(chéng)詳盡剖析了針對(duì)不同材質(zhì)氣門的熱處理策略，揭示潛在的問(wèn)題，并給出改進(jìn)方案。Jaswin在馬氏體的En52的閥門鋼經(jīng)傳統(tǒng)的熱處理工序之后，再進(jìn)行一次深冷。黃曉敏等對(duì)21-4N耐熱鋼進(jìn)行了熱力學(xué)仿真試驗(yàn)，得到了一定的變形狀態(tài)下21-4 N耐熱鋼的應(yīng)力-應(yīng)變特征參數(shù)。氮化工藝是目前應(yīng)用最廣泛的一種工藝方法，按其所采用的工藝方法可將其劃分為離子氮化和氣氮化兩種；在轎車生產(chǎn)中得到了廣泛的使用，使最終產(chǎn)品的表面硬度及耐磨性得到明顯提高。Menthe對(duì)AISI304L型奧氏體不銹鋼進(jìn)行了離子氮化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與未經(jīng)處理的合金相比，表面改性后的合金具有顯著的減摩性能。

PFewell引入了一種新的方法，即在同樣的處理周期下，在較低的溫度下可以生成較厚的含氮化合物?；谶@一點(diǎn)，馬晨陽(yáng)和他的團(tuán)隊(duì)開始對(duì)40 Cr合金閥門進(jìn)行了低溫等離子體氮化工藝的研究。李準(zhǔn)把重點(diǎn)放在了閥門的熱處理變形特性上。對(duì)于重負(fù)荷的和中性的引擎閥，勒曼使用了鹽浴滲氮法，并對(duì)這一工藝進(jìn)行深入研究和優(yōu)化。

3.2 表面機(jī)械處理

近年來(lái)，超聲波滾軋是一種新興的加工方法，它是利用高頻振動(dòng)產(chǎn)生的能量，使材料表面發(fā)生塑性變形，從而形成納米尺度的晶體結(jié)構(gòu)。因此，該復(fù)合材料的機(jī)械性能得到了明顯的提高。賴福強(qiáng)等人將23-8N的排氣閥材料經(jīng)超聲波軋制后，其表層組織出現(xiàn)了50-150nm、由亞納米尺度的不均勻組織組成的層狀晶。該工藝不但降低了材料的摩擦系數(shù)，還提高了材料的疲勞強(qiáng)度，達(dá)到了730MPa。這種提高主要是由于殘余應(yīng)力、強(qiáng)化加工效應(yīng)和強(qiáng)塑性變形區(qū)內(nèi)晶粒細(xì)化而實(shí)現(xiàn)的。

另外，采用高速射彈（高速射彈）以20-100m/s的高速撞擊，使材料發(fā)生多次硬撞擊，促使材料發(fā)生塑性變形，進(jìn)而提高其抗疲勞、抗應(yīng)力腐蝕性能。黃志超在這方面做了很深的研究，認(rèn)為粒子沖擊可以提高材料的抗磨損能力，激光沖擊可以提高零件的精確定位能力，而超聲/高能噴丸可以在材料表面實(shí)現(xiàn)納米尺度的重建。

3.3 熱噴涂技術(shù)

在摩擦磨損管理中，熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用已變得十分普遍。這種技術(shù)主要通過(guò)增強(qiáng)材料的抗磨和耐高溫特性，來(lái)提高材料在各種工作環(huán)境下的耐久性。其中，Pilla等人針對(duì)兩種在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門上廣泛使用的合金，即31V和DA-1合金，在900℃且高濕度的極端條件下，深入研究了表面擴(kuò)散形成的鎳鋁復(fù)合涂層的熱穩(wěn)定性。通過(guò)熱噴涂技術(shù)在這些合金表面形成的鎳鋁復(fù)合涂層，可以有效地提高材料在高溫高濕環(huán)境中的耐磨性和耐腐蝕性[3]。然而，盡管熱噴涂技術(shù)顯示出了其巨大的應(yīng)用潛力，但在實(shí)際應(yīng)用中，涂層與基體之間的機(jī)械連接問(wèn)題一直是一個(gè)難以克服的挑戰(zhàn)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究者們一直在努力尋找提高涂層粘附力的方法。然而，由于技術(shù)上的局限性，目前的解決方案仍不能完全滿足實(shí)際需求。因此，如何在保證涂層性能的同時(shí)，提高涂層與基體之間的粘附力，是熱噴涂技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，全球氣候變遷和溫室氣體排放問(wèn)題日益緊迫，汽車行業(yè)面臨著顯著的減排挑戰(zhàn)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)油效率、動(dòng)力系統(tǒng)耐用性和車輛效能的提升至關(guān)重要。關(guān)于材料科學(xué)與摩擦力學(xué)領(lǐng)域的探索，未來(lái)趨勢(shì)將呈現(xiàn)如下特征：

（1）在新型材料的研發(fā)上，以往往往追求單一性能的優(yōu)化，而忽視了整體性能的均衡。未來(lái)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)尋求在各項(xiàng)性能間找到最佳平衡點(diǎn)。

（2）針對(duì)氣門材料的表面處理技術(shù)，傳統(tǒng)的單技術(shù)策略將被挑戰(zhàn)。未來(lái)的研究可能聚焦于多技術(shù)融合，例如在基本熱處理后，通過(guò)引入噴丸強(qiáng)化，以增強(qiáng)材料的抗疲勞性，這種復(fù)合方法還需進(jìn)一步深入探討。

（3）針對(duì)表面工藝在閥門領(lǐng)域的深入研究，重點(diǎn)解決目前工藝在實(shí)踐中存在的問(wèn)題，例如，如何優(yōu)化熔覆層質(zhì)量，如何選用和完善熱噴涂層工藝和鍵合模式等，以及解決超聲滾壓過(guò)程中可能出現(xiàn)的表層連續(xù)性問(wèn)題。這些都將為降低汽車排放貢獻(xiàn)關(guān)鍵性的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴一帆，譚澤飛，陳文剛，等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門材料及摩擦學(xué)性能研究進(jìn)展[J].熱加工工藝，2023，52（20）：91-94+100.

[2]張猛，沈輝，孫明珠，等.Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)NiCr涂層高溫摩擦磨損性能的影響[J].特種鑄造及有色合金，2020，40（11）：1269-1273.

[3]高潔，薛姣.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用氣門材料的選擇及研究進(jìn)展[J].時(shí)代汽車，2016，（11）：27-28.