重型發(fā)動機氣門座圈磨損機理與材料

1、重型發(fā)動機氣門座圈磨損機理與材料朱遠志 1 , 尹志民 1 , 曾 渝 1 , 郝勇剛2(1 . 中南大學(xué)到材料科學(xué)與工程學(xué)院 ,長沙 410083 ;2. 中國兵器工業(yè)集團第 70 研究所 ,大同 037036)Material and Wear Mechanism of H eavy Duty Engine V alve SeatZHU Yuan2zhi 1 , Y IN Zhi2min 1 , ZENG Y

2、u 1 , HAO Yong2gang2(1 . School of Material Science and Engineering ,Center S outh University , Changsha 410083 ,China ;2 . The 70 th Research Institute of the Am ory G roup)Abstract : In this paper , the effect of

3、operating environment such as chemical substance , high temperature and thestress of a heavy duty engine on the wear of valve seat is analyzed , and the mechanisms of wear of the valve seat are dis 2cussed. According to

4、 the mechanisms of wear , the paper also introduces the existing types of material and the properties of the valve seat material developed by our researching group . At last , the tendency of the research of material is

5、 presented.摘要 :本文著重分析了工況條件下化學(xué)介質(zhì) 、 溫度 、 應(yīng)力等環(huán)境因素對重型發(fā)動機氣門座圈材料磨損的影響 ,介紹了氣門座圈的磨損機理 。從磨損機理出發(fā) ,進一步闡明了重型發(fā)動機 氣門座圈的選材原則及當前氣門座圈材料的種類和工藝發(fā)展的概況 。最后提出了氣門座圈材料未來的研究和發(fā)展方向 。關(guān)鍵詞 :內(nèi)燃機 ;氣門座 ;磨損機理 ;材料K ey Words : I. C. Engine ;Valve Seat ;Wear

6、 Mechanism ;Material中圖分類號 : TK 425 文獻標識碼 :A1 概述 等沉積在氣門座表面起到一定的減摩作用 。由于鉛對生態(tài)環(huán)境會造成很大的污染 ,發(fā)達國家已經(jīng)開始 限制和禁止使用含鉛汽油 ,大力推廣無鉛汽油 。因此 ,氣門座這種由于汽油含鉛帶來的潤滑作用也沒 有了 。對于大功率柴油發(fā)動機 ,雖然其尾氣成分和無鉛汽油發(fā)動機類似 ,但其氣體燃燒的溫度更高 ,氣 門和氣門座所處的工作環(huán)境更為惡劣 。表 1 是柴油發(fā)

7、動機和汽油發(fā)動機中腐蝕介質(zhì)的大致情況 。工程發(fā)動機正在朝著大功率 、 低能耗 、 長壽命的方向發(fā)展 。發(fā)動機的發(fā)展勢必對作為發(fā)動機關(guān)鍵部 件的氣門座提出新的要求 ,促使人們對氣門座磨損機理和材料制備開發(fā)工作的不斷進行和深入 。發(fā)動機的氣門和氣門座是組成燃燒室的重要部 件 。氣門座的主要作用是配合氣門保證燃燒室的密封 。要分析研究重型發(fā)動機氣門座材料 , 首先要分 析氣門座圈所處的外部環(huán)境和工況條件 。 表 1 發(fā)動機氣門座腐蝕介

8、質(zhì)情況2 氣門座圈的工況條件2. 1 化學(xué)介質(zhì)氣門座圈和氣門組成了發(fā)動機燃燒室和外界環(huán) 境氣體交換的通道 。汽油車中使用含鉛汽油時 , 汽油燃燒尾氣中除了含有 CO 、 SO2 、 NOX 等氣體外 , 由于 汽 油 中 的 鉛 和 S 、 P 等 反 應(yīng) , 產(chǎn) 生 的 PbO 、 PbSO4 氧化膜的厚度及氧化層的成份會隨溫度變化 。收稿日期 :2003209215作者簡介 :朱遠志( 1970 - ) , 男 , 博士生

9、 , 主要研究方向為高溫合金 、 鋁合金 、 鎂合金等 , E 2ma il :tozyzl @ 163 . com 。發(fā)動機腐蝕介質(zhì)情況氧 硫 氧化釩 氧化鉛柴油型 主要腐蝕介質(zhì) 主要腐蝕介質(zhì) 主要腐蝕介質(zhì) 無汽油型 主要腐蝕介質(zhì) 次要腐蝕介質(zhì) 無 含鉛汽油中 的腐蝕介質(zhì)·80 · 內(nèi) 燃 機 工 程 2004 年第 4 期念 ,文獻 5 中推導(dǎo)出公式如下 隨著納米技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展 , 耐磨

10、涂層技術(shù)有了飛速發(fā)展 。研究發(fā)現(xiàn) 5 ～6 ,納米涂層的磨損比非納 米涂層磨損輕微得多 。另外 ,一些納米材料 ,特別是納米碳管和納米碳纖維等具有高溫?zé)岱€(wěn)定性以及好的耐磨減磨性能 。因此 ,這些材料為生產(chǎn)出性能良 好的氣門 、 氣門座耐磨 、 減磨涂層提供了可能 。由于納米涂層的引入 , 勢必給人們帶來新的研究 課 題 。 如何進一步加深人們對摩擦機理的理解和認識 , 提高氣門 、 氣門座抗磨損特性 ,成為新時期的課題 。

11、K WL H = (1) CA P式中 , H 為磨損深度 ; K 為和材料表面磨損狀態(tài)有關(guān)的摩擦系數(shù) ; W 是滑動表面負荷 ; C 是常數(shù) ; P 是接 觸表面較軟面的硬度 ; A 為接觸面積 。從 (1) 式可以看出 ,磨損深度與摩擦系數(shù) 、 表面 各點負荷的大小 、 以及滑動距離成正比 ,與接觸面積及閥座表面的硬度成反比 。由于摩擦系數(shù)決定于摩 擦表面的狀況以及閥座的材質(zhì) 。如果表面越粗糙 ,表面潤滑狀況越差 ,載荷增加 ,粘著

12、磨損越嚴重 。但 是 ,如果由于加工裝配或磨損原因?qū)е職忾T不對中 ,那么將增加滑動距離 ,增加粘著磨損量 。相反地 ,材 料接觸面積和硬度越大 ,有助于緩解粘著磨損 ,但要從工藝上調(diào)整這兩個因素有些困難 ,因為這兩個因 素要受到其它諸多因素的制約 。溫度對粘著磨損的影響有兩個方面 。一是材料的硬度隨著溫度的升高 而下降 , 會增加粘著磨損程度 ; 二是隨著溫度 的 升高 ,材料表面氧化膜的性質(zhì)和厚度增加 ,使金屬不能 直接接觸 ,

13、降低粘著磨損量 。至于溫度對粘著磨損的影響應(yīng)當是兩個因素消長的結(jié)果 。當然 , 隨著溫 度的改變也有可能產(chǎn)生磨損機制的改變 。犁溝效應(yīng)是另外一種磨損機制 。它是由于接觸 表面一方的硬質(zhì)粒子對另一方較軟基體產(chǎn)生的切削作用 。被切削表面有明顯的 “犁溝” 痕跡 。因此 , 這 種磨損和兩個接觸表面的性質(zhì)如硬的碳化物以及沉積在表面的燃氣產(chǎn)物等因素有關(guān) 。如果一個摩擦表 面上存在較硬的粒子或質(zhì)點 ,而相應(yīng)的另一摩擦表面基體較軟 ,那么有可能

14、發(fā)生犁溝效應(yīng) 。 第三種磨損形式是塑性變形損壞 , 這種磨損的一個重要特征是 : 閥座表面較大的剪切應(yīng)變或金屬 質(zhì)點的徑向流動 ,導(dǎo)致材料磨損破壞 。接觸面表層材料受到?jīng)_擊和徑向剪切作用 ,當這種應(yīng)力超過材 料的塑性極限時 ,材料發(fā)生法向壓縮變形和徑向剪切流動 。這種磨損與氣門座表面載荷以及接觸面摩 擦系數(shù)及相對滑動狀況有關(guān) 。另外還有一種磨損機制是磨蝕磨損 。從氣門座所處化學(xué)介質(zhì)環(huán)境看 ,氧化物的形成有利于減少摩 擦基體金屬的直接接

15、觸 ,從而減少磨損 。其次 ,如燃氣的的腐蝕介質(zhì)與基體金屬形成一定具有潤滑性能 的粒子 ,也可以起到減摩作用 。溫度和腐蝕介質(zhì)是影響磨蝕磨損的主要因素 。磨蝕磨損 ( 化學(xué)磨損) 多 發(fā)生于排氣門Π 排氣門座表面 ,而很少發(fā)生在進氣門Π進氣門座中 。這主要是由排氣門是高溫腐蝕燃氣經(jīng) 過的通道 ,進氣門處一方面溫度較低 ,另外此處接觸的主要是新鮮空氣 。5 氣門座材料目前 ,國內(nèi)外用于發(fā)動機氣門座的材料概括起來可以分為兩大類 :一類是傳

16、統(tǒng)材料 ,如金屬及各種 合金 ;另一類是非傳統(tǒng)材料 ,如陶瓷材料等 。5. 1 鑄造或鍛鋼氣門座傳統(tǒng)氣門座圈材料一般有鑄鐵 、 鍛鋼 ( 包括鈷基 及鎳基合金等) 等 。國內(nèi)外對于鑄造氣門座和鍛鋼氣門座的生產(chǎn)已趨于成熟 。在美國 、 日本 、 歐洲等國 家已制定出了相應(yīng)的氣門座材料生產(chǎn)標準 。鑄造合金氣門座合金成分中含有 C 、 Si 、 Mn 、 Cr 、 P和 M o 等幾種元素 。根據(jù)負荷大小及負載型號 , 其 合金

17、成分也不相同 。對于高 、 中負荷發(fā)動機 ,由于排氣門工作溫度比較高 ,燃氣的熱腐蝕比較嚴重 ,因此這類材料的合金元素的含量都比較高 ,且含有較多 的抗腐蝕元素 。表 2 是國外一些中 、 高負荷氣門座材料所含的合金元素情況 。這類材料一般都是中 、 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 ,金相組織中以回火索氏體 、 回火屈氏體 、 奧氏體 、 鐵素

18、體為基體 ,以碳化物為硬質(zhì)點 。5. 2 粉末冶金氣門座圈材料工藝和減摩方法隨著發(fā)動機功率的增加及無鉛或低鉛汽油的使 用 ,傳統(tǒng)的鑄造氣門座逐漸被粉末冶金燒結(jié)氣門座所代替 。目前 ,各國都把研究重點放在粉末冶金燒 結(jié)氣門座圈材料上 。粉末冶金氣門座相對鑄造氣門座而言具有適于批量生產(chǎn) ,機加工量比較小 ,材料的 利用率高 、 產(chǎn)品品種改型靈活 ( 只需更換模具) 且易于添加減摩組元降低磨損等優(yōu)點 。而依靠原先含鉛 汽油中的鉛來潤滑