柴油发动机排气门材料浅析

摘要: 机械零部件的材料对机械零部件的性能有很大的影响,因此在日常的工作中必须加强对机械零部件的材料分析。本文就对柴油发动机排气门材料进行了简要的分析。

Abstract: The material of parts of the machine has great influence on properties of parts of the machine, so in the daily work we muststrengthen material analysis for parts of machines. This paper briefly analyzed the material of diesel engine exhaust valve.

关键词: 柴油发动机;机械;排气门;材料

Key words: diesel engine;machinery;exhaust valve;materials

中图分类号:TK4文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)26-0141-01

0引言

柴油发动机排气门材料与激光表面强化技术。目前在排气门表面进行强化的技术有氮化、镀铬、高频淬火、乙炔焰堆焊及等离子堆焊等。随着汽车工业的发展,上述工艺在产品质量、生产效率等方面均不同程度的越来越不适应大功率高速新型柴油发动机的要求,促使广大材料表面工程技术人员致力发展新的工程技术,表面激光强化技术就是其中最引人关注和最具有发展潜力的技术之一。激光表面强化技术发展至今已有20多年历史,随着工业用大功率激光器及辅助设备的商品化和实用化,经过各国科学家的共同努力这项技术已经逐渐的成熟。排气门是柴油发动机中的重要零件之一,它长期处于在高温燃气腐蚀和反复冲击负荷下工作,其工作条件要比柴油机其它零件都恶劣得多,所以对排气门材料的性能要求也十分苛刻。排气门除需具备高的耐热性、抗热性、抗疲劳性和抗燃气腐蚀性外,还必须具备良好的抗冲击性和抗磁性。

高温密封是排气门的主要功能,倘若在服役过程中过早损坏,将直接影响到整台发动机的动力性能和运转性能,如燃油窜、漏将使爆发力降低、输出功损失,甚至可能出现气门的严重烧蚀和折断,从而酿成整台发动机报废的事故,所以人们一直对排气门材料和生产工艺予以高度重视。随着高速、高负荷、大功率柴油发动机的出现,对排气门的性能要求也越来越高。目前国内外引进的各种先进机型都面临着气门材料尽快实现国产化的任务,以节约进口所需的大量外汇。我们现在从排气门的实际情况出发,总结归纳排气门的主要失效形式的基础上,从排气门材料研制和激光表面强化工艺技术的方面探讨生产高质量、高性能排气门的可能性和可采用的技术措施。

1具体分析柴油发动机的材料

柴油发动机排气门工况复杂多变,我们将以排气门工况和失效形式作为分析问题的出发点。根据排气门的功能和在发动机中所处位置,排气门基本上受到热应力、化学腐蚀力和机械应力三种作用力。对于排气门的具体部位可能处在一种或上述多种作用力的综合作用下,而且随工作时间长短还有程度上的变化。

热应力分析,排气门两个高温区即在排气门的头部与颈部这些区域,主要承受热应力和燃烧的化学腐蚀应力,故应具有高的热强度和良好的耐腐蚀性能。锥面是与气门座圈接触的区域,它对气门的高温密封起关键作用,此处要承受高温冲击和热疲劳磨损是排气门工况最恶劣、最危险的位置,可以通过堆焊一层高温硬度比基体合金高得多而耐磨、耐腐蚀的硬质合金来解决排气门与气门导管之间的咬合和磨损,可将排气干所有接触区域采用镀铬或氧化等表面强化技术。

经验表明温度是影响气门寿命的关键因素。由于高温腐蚀气体以高速(一般可达600m/s)冲刷排气门头部而气门热气从气门传出的条件又很差,所以排气门工作温度很高一般可达500～800℃,曾经采用多种测试技术来测量排气的实际工作温度值。因为它取决于发动机功率、设计结构以及工作参数等多种因素。采用过热电偶实测是一种方法,然而这种方法只能得到某一点的温度值,而且与排气门处表面终究是有一段距离的温度偏差。

东风汽车制造厂曾用热电偶方法实测6100发动机排气门温度可达780℃左右,排气门的工况条件是极其苛刻的。

化学腐蚀应力分析,柴油发动机主要以轻柴油为燃料。柴油与汽油比较有如下不同点:柴油中的有机酸含量较汽油中的含量高,柴油在气缸内经历着极为复杂的物理化学变化过程,柴油中的硫化物不论是活性或非活性的燃烧后都会生产具有腐蚀性的气体。与此不同,可能生成的酸性盐在700多度的工况环境下具备热化学腐蚀的条件,硫化物的存在还将促进柴油机中的积碳的生成。

机械应力分析:排气门锥面与气门座圈的高温密封是排气门的主要功能。它们的高频率冲击能达1400次/分以上,排气门在坐落时承受由惯性力引起的冲击性变载荷及弹簧力,此载荷在一般发动机中约1000N,在强化发动机中可达30000N。在高温条件下这种多次冲击就变得很恶劣了。这种高温冲击磨损通常是由于表面接触疲劳、粘着磨损、磨料磨损三种磨损机理综合作用的结果。同样气门杆与导管之间气门端部分与摇臂之间的机械磨损也都处于高温、高速和燃气蚀等复杂的工况条件下,一个部位的早期损坏会导致排气门的报废。

排气门失效形式分析:十分明显排气门的工况是苛刻的而又复杂的,它受着单一或多种负荷应力的综合作用。实际生产中又可能受到材质加工精度、热处理和装配不当等多种因素的影响。排气门的失效形式大体可分下列几种:①气门杆部分和颈部折断;②气门锥面腐蚀和磨损;③气门头部烧蚀;④气门杆和端面的磨损与擦伤。在上述几种损坏形式中,排气门的烧蚀与折断是最严重的,破坏形式在高温的热变形、燃烧气热化学腐蚀、冲击疲劳应力的联合作用下,在排气门头部和锥面处易形成大大小小的麻点或麻坑。随着时间增长,腐蚀加剧引起排气门锥面产生腐蚀和麻坑较为普遍。一般情况下不仅降低使用寿命而且影响发动机性能。

2分析结论

排气门材料综合性能应该具备:①优异的耐热性和耐、抗热疲劳性;②高的抗腐蚀性;③良好的抗冲击性和耐磨性等。

3结束语

通过几年来的实际经验深深体会到机械零部件的材料的重要性和形成各种故障的重要性。在今后工作中加强零部件材料和行形成故障原因探讨分析,不断提高自己的业务能力和水平为四化多做贡献。