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一種發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的強(qiáng)化方法以及新型結(jié)構(gòu)氣門應(yīng)用

2021-06-21 15:35:47

氣門是發(fā)動(dòng)機(jī)密封進(jìn)排氣口的關(guān)鍵基礎(chǔ)零件，用于封鎖氣流控制發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體交換。其在高溫氧化腐蝕性氣氛中承受著反復(fù)的沖擊負(fù)荷，還承受熱應(yīng)力、錐面內(nèi)應(yīng)力及燃燒氣體壓力等共同作用，加之冷卻不足和材料導(dǎo)熱系數(shù)較小，氣門在落座時(shí)還承受沖擊載荷及彈簧力等。
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的提高及排放升級(jí)，對(duì)氣門錐面工作可靠性、抗磨損使用壽命提出更高要求，特別是六缸重型發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域（注：本文后續(xù)闡述的重型發(fā)動(dòng)機(jī)是指六缸重型發(fā)動(dòng)機(jī)）。
在發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、工況及配氣機(jī)構(gòu)確定的情況下，氣門錐面工作可靠性與壽命主要取決如下因素：與座圈摩擦副配合的相容性、座圈可靠性與壽命、氣門錐面材料及氣門錐面強(qiáng)化措施。本文對(duì)重型發(fā)動(dòng)機(jī)氣門錐面常用的強(qiáng)化措施作如下介紹。

氣門錐面強(qiáng)化思路及主要措施
氣門根據(jù)進(jìn)氣、排氣功能分為進(jìn)氣門和排氣門，由于各自工況的不同，其材料、結(jié)構(gòu)、外形尺寸、局部表面強(qiáng)化等也會(huì)不同。氣門工作溫度作為氣門材料選用的首要參數(shù)，再結(jié)合氣門工作負(fù)荷、座圈技術(shù)方案、發(fā)動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、爆壓及B10指標(biāo)等確定氣門材料、氣門結(jié)構(gòu)和氣門局部表面強(qiáng)化等設(shè)計(jì)方案。
氣門錐面角度、與座圈的密封面寬度是氣門外形尺寸中直接影響錐面磨損的兩個(gè)因素。錐面角度對(duì)錐面磨損影響很大，增大錐角可減少磨損，同時(shí)需注意大錐角難以擠掉與座圈之間的沉積物。
重型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門常采用120°～150°錐角，排氣門常采用110°～130°錐角，與座圈接觸密封面寬度越大，其抗磨損性能越強(qiáng)，但更大的接觸寬度將一定程度影響氣門密封性能，六缸重型發(fā)動(dòng)機(jī)氣門與座圈接觸密封面寬度按2.4～4.4mm進(jìn)行布置設(shè)計(jì)。
目前重型發(fā)動(dòng)機(jī)氣門材料主要采用馬氏體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼、鐵鎳基高溫合金及鎳基高溫合金。為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化要求，行業(yè)上對(duì)氣門錐面常采用的主要強(qiáng)化措施有：馬氏體表面感應(yīng)淬火處理、氮化處理、錐面堆焊、奧氏體表面硬化處理及新型結(jié)構(gòu)氣門應(yīng)用等。

馬氏體表面淬火處理
目前市場(chǎng)上有部分重型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門采用整體40Cr10Si2Mo、85Cr18Mo2V馬氏體耐熱鋼，主要應(yīng)用于沒采用外部EGR或進(jìn)氣門工作溫度≤550℃的重型柴油機(jī)。馬氏體耐熱鋼材料在擁有較好的高溫性能的同時(shí)，還可以采用高頻感應(yīng)淬火，對(duì)氣門錐面、氣門桿端進(jìn)行表面淬火強(qiáng)化，可大幅度提高表面耐磨損性能。
以85Cr18Mo2V馬氏體材料為例，錐面經(jīng)表面感應(yīng)淬火后，表面硬度可達(dá)48～56HRC，淬硬度層深可達(dá)0.5～2.5mm。氣門桿部常按鍍硬鉻處理。也有一些發(fā)動(dòng)機(jī)廠，為進(jìn)一步提升馬氏體表面淬火后耐磨損性能，對(duì)錐面已經(jīng)表面感應(yīng)淬火后再進(jìn)行整體氮化處理，這樣氣門錐面擁有感應(yīng)淬火層數(shù)及氮化層數(shù)雙重抗磨損性能，氣門更耐磨損。
整體氮化處理
氣門經(jīng)過氮化處理后，氮化層可提高磨損性能。重型發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)上更多的是對(duì)奧氏體耐熱鋼及鐵鎳基高溫合金進(jìn)行氮化（奧氏體耐熱鋼不能利用高頻感應(yīng)淬火對(duì)表面進(jìn)行硬化），以提高氣門耐磨損性能。
氮化是在材料的外表面形成鐵鉻氮化合物的滲層，它具有較高的硬度（氣門用奧氏體耐熱鋼經(jīng)氮化后，氮化層最低硬度達(dá)1000HV），所以有良好的抗磨性和耐蝕性。鹽浴氮化工藝應(yīng)用僅限于鐵基合金材料，鎳基合金則不會(huì)產(chǎn)生有效的擴(kuò)散層和混合層，故不能提高其耐磨性能。
重型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣門常采用奧氏體耐熱鋼有21-4N、21-4NWNb和ResisTEL。氮化層硬度很高，厚的氮化層易導(dǎo)致滲層剝落。奧氏體耐熱鋼氣門國(guó)內(nèi)常用氣門氮化層深為15～30μm。
重型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣門常采用鐵鎳基高溫合金有NCF3015、Ni30和LF2，由于鐵鎳基高溫合金含鎳量較高約30%，較難形成擴(kuò)散層和混合層，其層深很淺約為5～10μm。

錐面堆焊
氣門錐面是否需要堆焊取決于發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度，錐面堆焊應(yīng)用于最嚴(yán)苛錐面磨損工況、高壽命錐面使用要求及高腐蝕錐面使用工況。多數(shù)高附加值氣門最終被錐面堆焊，堆焊強(qiáng)化主要應(yīng)用于船機(jī)氣門、重油發(fā)動(dòng)機(jī)氣門、部分燃?xì)鈾C(jī)氣門和部分重型發(fā)動(dòng)機(jī)氣門。
錐面堆焊可大幅降低磨損，在發(fā)動(dòng)機(jī)總的運(yùn)行期間起到更好的密封效果。堆焊氣門焊層失效風(fēng)險(xiǎn)大及生產(chǎn)成本較高，極大限制了堆焊的應(yīng)用。行業(yè)上普遍采用PTA等離子焊法進(jìn)行錐面堆焊，Stellit合金一直是氣門錐面堆焊主要材料，考慮到鈷元素的成本及戰(zhàn)略特性，很多企業(yè)開始采用鎳基鐵基合金粉。
堆焊合金材料選擇除要考慮堆焊合金應(yīng)用范圍外，同時(shí)應(yīng)考慮堆焊合金與基體材料之間的平均熱膨脹系數(shù)，堆焊合金與基體材料熱膨脹系數(shù)越接近可靠性越高。
堆焊層深設(shè)計(jì)取決于發(fā)動(dòng)機(jī)壽命要求或氣門磨損極限要求，一般情況下，氣門越大堆焊層相應(yīng)較深。但不推薦過深的錐面堆焊層深，原因如下：滿足氣門磨損極限情況下過深的堆焊層深造成浪費(fèi)，最小的堆焊層深在能滿足氣門整體壽命情況下即可，堆焊層深尺寸要求標(biāo)注為最小保證多少層深；過深的堆焊層堆焊質(zhì)量難控制，氣門錐面堆焊層深按≥0.8～1.2mm設(shè)計(jì)。
氣門錐面堆焊槽型應(yīng)結(jié)合氣門座兩者的密封帶來確定，以推薦的氣門錐面與氣門座密封帶為例如圖1所示，堆焊槽型確定參考見圖2。

奧氏體表面硬化處理
奧氏體鋼、鐵鎳基高溫合金和鎳基高溫合金在常溫下為奧氏體組織，無(wú)磁性，奧氏體材料不能利用高頻感應(yīng)淬火對(duì)表面進(jìn)行硬化，常采用氮化處理后提高表面耐磨損性能。但是由于氮化層較淺，耐磨損性能受到一定限制。
奧氏體材料氣門不能通過相變使錐面強(qiáng)化，但奧氏體材料冷作硬化現(xiàn)象明顯，行業(yè)上各廠家利用冷作硬化原理對(duì)奧氏體材料氣門錐面進(jìn)行表面硬化處理，主要應(yīng)用于重型發(fā)動(dòng)機(jī)采用鎳基高溫合金材料的排氣門。目前已有相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硬化后硬度進(jìn)行的規(guī)定，如機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T11878－2014《往復(fù)式大功率內(nèi)燃機(jī)進(jìn)、排氣門技術(shù)條件》，對(duì)于非堆焊的高溫合金盤錐面硬度規(guī)定應(yīng)滿足≥450HV要求。
奧氏體表面硬化處理既兼顧了錐面堆焊氣門耐磨的優(yōu)點(diǎn)，又避免了堆焊焊層失效風(fēng)險(xiǎn)大及生產(chǎn)成本較高的缺點(diǎn)，因此具備很好的應(yīng)用前景。行業(yè)上主要采取兩類工藝方法對(duì)奧氏體材料氣門錐面進(jìn)行硬化處理：
利用滾壓或高頻振動(dòng)滾壓工具在氣門半精加工或精加工，對(duì)氣門錐面進(jìn)行硬化處理。
利用鍛壓設(shè)備在氣門毛坯階段或粗加工階段，對(duì)氣門錐面進(jìn)行再次鍛打?qū)崿F(xiàn)硬化處理。

新型結(jié)構(gòu)氣門應(yīng)用
按汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T469－2016《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門技術(shù)條件》氣門結(jié)構(gòu)型式有整體氣門（通過高頻淬火或氮化或表面硬化處理對(duì)錐面進(jìn)行強(qiáng)化）、焊接氣門（通過氮化或表面硬化處理或堆焊對(duì)錐面進(jìn)行強(qiáng)化）、堆焊合金氣門（即應(yīng)用堆焊對(duì)錐面進(jìn)行強(qiáng)化）、表面處理氣門（通過氮化或表面硬化處理或堆焊對(duì)錐面進(jìn)行強(qiáng)化）、中空鈉冷氣門（通過氮化或表面硬化處理或堆焊對(duì)錐面進(jìn)行強(qiáng)化）。
專利號(hào)為ZL2020214796879的實(shí)用新型公布了“一種多金屬結(jié)構(gòu)氣門”。其氣門頭部由金屬材料A和B組成，兩種材料的結(jié)合面為圓臺(tái)面或圓柱面。材料A與材料B形成結(jié)合角度α，當(dāng)α=0°時(shí)即結(jié)合面為圓柱面；當(dāng)α≠0°時(shí)結(jié)合面為圓臺(tái)面。當(dāng)α＞0°時(shí)該專利擁有最佳結(jié)構(gòu)工作可靠性；當(dāng)α＜0°時(shí)該專利擁有較好加工工藝性，適用于中低等發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷場(chǎng)合。
采用該新型結(jié)構(gòu)的氣門，錐面部位材料A可采用高硬度耐磨性更好的材料，材料B采用行業(yè)常用的馬氏體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼、鐵鎳基高溫合金和鎳基高溫合金。

結(jié) 語(yǔ)
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率、爆壓等強(qiáng)化程度的提高，特別是在重型發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，氣門錐面所承受的負(fù)荷、溫度等逐步增加，更加復(fù)雜惡劣的工況讓氣門錐面強(qiáng)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。本文對(duì)常用的氣門錐面強(qiáng)化措施進(jìn)行簡(jiǎn)要的說明，供同行借鑒參考。

文章來源：汽車工藝師，搜狐汽車

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