汽車發(fā)動機用氣門材料的選擇及研究進展

高潔　薛姣

摘 要：氣門材料在汽車發(fā)動機制造中具有重要的作用，在本文中，將就汽車發(fā)動機用氣門材料的選擇及研究進展進行一定的研究。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機；氣門材料；選擇；研究進展

1 引言

在現(xiàn)今汽車工業(yè)不斷發(fā)展的情況下，人們對發(fā)動機性能也具有了更高的要求。作為發(fā)送機燃燒室內(nèi)的門戶，發(fā)動機氣門的質(zhì)量情況將直接對汽車油耗、壽命以及扭矩等性能產(chǎn)生影響。為了使氣門能夠具有更好的應(yīng)用質(zhì)量，就需要做好適當(dāng)材料的選擇。

2 氣門性能特征

作為配氣機構(gòu)中的重要組成零件，在發(fā)動機每一次工作中，進氣門以及排氣門都需要打開一次，且在此過程中將承受到氣門彈簧的壓力，可以說，其是配機結(jié)構(gòu)中工作環(huán)節(jié)最為復(fù)雜的零件，其特征有：第一，工作溫度高。在做功沖程當(dāng)中，由于汽油等燃料的燃燒，則將極大提升氣門溫度。對于重型發(fā)動機，其排氣門頸部以及盤端面最高溫度在800℃以上，而輕型發(fā)動機氣門溫度也將在520℃以上；第二，工作應(yīng)力以及交變荷載大。當(dāng)發(fā)動機運行當(dāng)中，氣門不僅會承受到來自自身的彈簧力以及預(yù)緊力，且將在凸輪挺桿作用下使其根據(jù)一定規(guī)律對氣門的開啟情況產(chǎn)生控制，即同時承受反復(fù)沖擊、具有較高頻率的交變載荷，該載荷一般在1180N，當(dāng)配氣機構(gòu)間隙增大、氣門出現(xiàn)跳動情況時，該種載荷更是將顯著增加。而當(dāng)其向外排出燃燒廢氣時，也將承受到較高的氣體爆發(fā)壓力以及熱負荷；第三，燃氣腐蝕。排氣頭處于燃燒室的部分，在具體工作當(dāng)中經(jīng)常受到腐蝕情況，而該介質(zhì)受到的侵蝕情況則同氣門工作溫度具有密切的關(guān)聯(lián)。進氣門方面，腐蝕溫度將小于熱力學(xué)反應(yīng)溫度，排氣門方面，也具有較高的工作溫度，同進氣門相比，具有更為嚴(yán)重的腐蝕情況，對此，就需要做好排氣門材料顯微組織特征以及化學(xué)成分的降低，以此實現(xiàn)腐蝕介質(zhì)侵蝕程度的降低；第四，潤滑狀況惡劣。當(dāng)發(fā)動機氣門摩擦工作時，導(dǎo)管同氣門導(dǎo)桿間將作往復(fù)運行，以供油方式潤滑。但由于供油量較小，則將因此對潤滑狀況產(chǎn)生負面影響，經(jīng)常導(dǎo)致金屬因此受到磨損。

3 氣門材料選擇

3.1 排氣門材料

在柴油機排氣門盤部位置，需要具有較高的耐腐蝕性抗疲勞強度，其材料一般為鎳基高溫合金，其中，21-4N為常用的奧氏體耐熱鋼，在室溫環(huán)境下，其具有順磁性特征，能夠較好的實現(xiàn)時效強化以及固溶處理，在具有良好高、低溫疲勞強度的情況下獲得更高的機械加工性能與鍛造性能。對于大多數(shù)奧氏體型合金材料，其在應(yīng)用當(dāng)中都需要通過碳氮化合物的應(yīng)用實現(xiàn)沉淀強化。同鐵基奧氏體合金相比，其在高溫疲勞強度方面更好的表現(xiàn)，主要通過Al、Ti以及Ni化合物沉淀形成，但這部分化合物并不適合應(yīng)用在機械以及鍛造加工當(dāng)中，且具有較高的成本。排氣門桿方面，其在工作當(dāng)中對耐損傷以及耐磨耗方面具有較高的要求，較多應(yīng)用馬氏體鋼材料。

3.2 進氣門材料

對于通過重型發(fā)動機設(shè)備，其進氣門溫度一般在500℃以上，其氣門材料主要為低合金鋼、普通碳素鋼以及高合金馬氏體耐熱鋼。在馬氏體耐熱鋼當(dāng)中，其中合金以及碳元素具有較高的含量，并因此使材料獲得較高的抗磨損、沉積刻蝕以及強度性能。在部分情況下需要對抗氧化性進行提升時，則需要在其中加入Si以及Cr等元素。而高熔點元素如Mo、V以及W的加入，則能夠?qū)崿F(xiàn)其耐磨以及高溫性能的提升。在室溫環(huán)境下，該材料具有順磁性特征，能夠在應(yīng)用當(dāng)中淬火強化，大多數(shù)適合應(yīng)用在機械加工以及鍛造工作當(dāng)中，且在低溫性能方面具有較好的表現(xiàn)。高溫強度方面，同回火溫度具有緊密的關(guān)聯(lián)，在工作狀態(tài)下，氣門在高溫環(huán)境下也將回火，并因此同奧氏體強度相比高溫強度較低。重型柴油機方面，其氣門材料自從對Sil合金進行應(yīng)用后，并沒有發(fā)生十分明顯的變化。在普通柴油機以及汽油機進氣門當(dāng)中，較多的應(yīng)用4Cr9Si2以及40Cr材料。

3.3 氣門錐面強化材料

對于應(yīng)用在重型發(fā)動機上的氣門錐面，其經(jīng)常因抗腐蝕以及抗磨損能力方面的缺乏而不能夠滿足工作要求，在該種情況下，其通常需要在錐面上做好強化合金的堆焊。如果強化合金為焊條，則要以氧乙炔方式TIG技術(shù)進行焊接，如果合金為粉末狀態(tài)，則需要做好等離子焊接技術(shù)的應(yīng)用。在氣體焊接過程中，氣門錐面熱影響同PTA相比具有更大的影響范圍，對此，目前很多高性能氣門錐面合金都通過PTA方式實現(xiàn)堆焊處理。強化合金方面，其則由Ni以及Co沉淀處理后形成的鐵劑奧氏體合金，沉淀物一般為V、Mo以及Cr等，且錐面強化合金在碳含量方面較高，并因此具有較好的耐磨性。

4 國內(nèi)外氣門材料研究進展

4.1 國內(nèi)材料研究進展

從上世紀(jì)50年代開始，我國引進前蘇聯(lián)氣閥鋼，70年代中期，所研發(fā)的6102汽油機在排氣閥當(dāng)中使用了21-4N，并以此正式開展我國氣閥鋼國產(chǎn)化工作。改革開放以后，我國在大量引進外國先進車型的同時也積極開展國外氣閥鋼的國產(chǎn)化工作，所涉及的鋼種有21-2N。21-4N以及23-8N等。在此過程中，上海內(nèi)燃機研究所以及我國鋼鐵研究總院共同實現(xiàn)了了MF811氣閥鋼顏值，同美國材料XB相比，具有更好的性能，且具有制造成本低、工藝性能好以及成材率高的特征。時間發(fā)展到上世紀(jì)90年代，在我國鐵道部大力支持下，天津機車以及大連機車配件廠研制LF2合金新型氣閥，在240B型機車當(dāng)中運行，并已經(jīng)達到了我國先進水平。同當(dāng)時國外的王牌合金Nimonic 80A等材料相比，兩者間合金性能基本相當(dāng)，但在成本方面具有更高的優(yōu)勢，在當(dāng)時轎車、機車以及重型汽車方面都具有較為廣闊的應(yīng)用前景。21世紀(jì)初，我國研制出具有較高經(jīng)濟性的奧氏體氣閥鋼LF6，準(zhǔn)備將其實現(xiàn)21-4N鋼的擬替。同21-4N鋼相比，該種鋼成本更低，具有較好的長時高溫強度，具有較好的發(fā)展前景。總的來說，在改革開放以來，我國不斷實現(xiàn)內(nèi)燃機引進，在使我國內(nèi)燃機水平不斷提升的情況下也實現(xiàn)了我國氣閥鋼的不斷推動。

4.2 國外材料研究進展

同國內(nèi)相比，國外在氣門材料研究方面相對較早，技術(shù)方面也具有更為成熟的特征。在材料選擇方面，國外根據(jù)進排氣門類型的不同也具有不同的材料選擇。排氣門方面，其通過具有較好耐蝕性合金制成整體氣門以及雙金屬焊接氣門。進氣門方面，則較多應(yīng)用造價較低、且具有較高耐磨性的馬氏體耐熱鋼整體結(jié)構(gòu)。

最初，美國使用馬氏體耐熱鋼作為排氣門材料，目前依然應(yīng)用在溫度較低的發(fā)動機排氣門當(dāng)中。在實現(xiàn)更高性能柴油機開發(fā)之后，則對具有更高高溫疲勞強度的合金進行應(yīng)用。TPA是一種Cr-Ni合金，其在21-12N基礎(chǔ)上，加入了W以及Mo元素，目前較為廣泛的應(yīng)用在柴油機設(shè)備當(dāng)中。同時，其也開發(fā)出了應(yīng)用在飛機發(fā)動機的高溫氣門材料，兩種高溫合金分別為TPM以及N155。通過Ni、Mo以及W金屬的加入，則有效實現(xiàn)了N155性能的提升，并在10年之后應(yīng)用到了高性能柴油機當(dāng)中。在上世紀(jì)50年代開始，國外開發(fā)出了21-4N奧氏體耐熱鋼，該種合金材料可以實現(xiàn)沉淀時效強化。而到了60年代，則逐漸通過Inconel751實現(xiàn)21-12N的代替，普通卡車發(fā)動機也通過該材料實現(xiàn)Sil10的代替。此時，有發(fā)動機制造企業(yè)為了實現(xiàn)錐面抗磨性能的提升，也使用N155實現(xiàn)Sil10的取代，以此獲得更好的錐面抗磨性以及高溫強度，從60年代開始，則使用Inconel751在部分發(fā)動機氣門當(dāng)中。

23-8N是上世紀(jì)80年代末由Armco以及伊頓公司聯(lián)合開發(fā)的、專門應(yīng)用在發(fā)動機排氣門的材料，同當(dāng)時同時期經(jīng)常應(yīng)用在排氣門上的Sil10以及21-12N材料相比，通過其當(dāng)中Ni以及Cr元素的增加，則使得奧氏體具有了更為穩(wěn)定的特征。在590℃以上，由于Sil 10將變得不夠穩(wěn)定，則會在發(fā)動機運行一定時間后在疲勞強度方面具有降低特點。長期穩(wěn)定方面，其同Sil 10具有更好的表現(xiàn)，且在同類合金當(dāng)中具有最好的鍛造性能。近年來，新興空心氣門獲得了更多研究人員的注意以及重視，通過空氣氣門的減重，不僅在寄生消耗降低方面具有一定的推動，且更好實現(xiàn)配氣機構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的實現(xiàn)，將因此有效實現(xiàn)發(fā)動機對效率、性能方面控制的提升，可以說，在未來幾年內(nèi)，該技術(shù)在汽車工業(yè)以及賽車運動方面都將具有重要意義。

5 結(jié)束語

在上文中，我們對汽車發(fā)動機用氣門材料的選擇及研究進展進行了一定的研究，在未來工作當(dāng)中，也需要能夠繼續(xù)做好新材料的研發(fā)，以此更好的滿足汽車發(fā)動機發(fā)展中的新需求。

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