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一種發(fā)動(dòng)機氣門(mén)的強化方法以及新型結構氣門(mén)應用
來(lái)源:
萍鄉德博科技股份有限公司
日期:
2021-06-21 15:35:47
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4685
屬于:
行業(yè)新聞
氣門(mén)是發(fā)動(dòng)機密封進(jìn)排氣口的關(guān)鍵基礎零件,用于封鎖氣流控制發(fā)動(dòng)機的氣體交換。其在高溫氧化腐蝕性氣氛中承受著(zhù)反復的沖擊負荷,還承受熱應力、錐面內應力及燃燒氣體壓力等共同作用,加之冷卻不足和材料導熱系數較小,氣門(mén)在落座時(shí)還承受沖擊載荷及彈簧力等。
隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機強化程度的提高及排放升級,對氣門(mén)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)機領(lǐng)域(注:本文后續闡述的重型發(fā)動(dòng)機是指六缸重型發(fā)動(dòng)機)。
在發(fā)動(dòng)機參數、工況及配氣機構確定的情況下,氣門(mén)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(mén)錐面材料及氣門(mén)錐面強化措施。本文對重型發(fā)動(dòng)機氣門(mén)錐面常用的強化措施作如下介紹。
氣門(mén)錐面強化思路及主要措施
氣門(mén)根據進(jìn)氣、排氣功能分為進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén),由于各自工況的不同,其材料、結構、外形尺寸、局部表面強化等也會(huì )不同。氣門(mén)工作溫度作為氣門(mén)材料選用的首要參數,再結合氣門(mén)工作負荷、座圈技術(shù)方案、發(fā)動(dòng)機功率、轉速、爆壓及B10指標等確定氣門(mén)材料、氣門(mén)結構和氣門(mén)局部表面強化等設計方案。
氣門(mén)錐面角度、與座圈的密封面寬度是氣門(mén)外形尺寸中直接影響錐面磨損的兩個(gè)因素。錐面角度對錐面磨損影響很大,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)機進(jìn)氣門(mén)常采用120°~150°錐角,排氣門(mén)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,但更大的接觸寬度將一定程度影響氣門(mén)密封性能,六缸重型發(fā)動(dòng)機氣門(mén)與座圈接觸密封面寬度按2.4~4.4mm進(jìn)行布置設計。
目前重型發(fā)動(dòng)機氣門(mén)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(mǎn)足發(fā)動(dòng)機強化要求,行業(yè)上對氣門(mén)錐面常采用的主要強化措施有:馬氏體表面感應淬火處理、氮化處理、錐面堆焊、奧氏體表面硬化處理及新型結構氣門(mén)應用等。
馬氏體表面淬火處理
目前市場(chǎng)上有部分重型發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣門(mén)采用整體40Cr10Si2Mo、85Cr18Mo2V馬氏體耐熱鋼,主要應用于沒(méi)采用外部EGR或進(jìn)氣門(mén)工作溫度≤550℃的重型柴油機。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淬火,對氣門(mén)錐面、氣門(mén)桿端進(jìn)行表面淬火強化,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)表面感應淬火后,表面硬度可達48~56HRC,淬硬度層深可達0.5~2.5mm。氣門(mén)桿部常按鍍硬鉻處理。也有一些發(fā)動(dòng)機廠(chǎng),為進(jìn)一步提升馬氏體表面淬火后耐磨損性能,對錐面已經(jīng)表面感應淬火后再進(jìn)行整體氮化處理,這樣氣門(mén)錐面擁有感應淬火層數及氮化層數雙重抗磨損性能,氣門(mén)更耐磨損。
整體氮化處理
氣門(mén)經(jīng)過(guò)氮化處理后,氮化層可提高磨損性能。重型發(fā)動(dòng)機市場(chǎng)上更多的是對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淬火對表面進(jìn)行硬化),以提高氣門(mén)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(mén)用奧氏體耐熱鋼經(jīng)氮化后,氮化層最低硬度達1000HV),所以有良好的抗磨性和耐蝕性。鹽浴氮化工藝應用僅限于鐵基合金材料,鎳基合金則不會(huì )產(chǎn)生有效的擴散層和混合層,故不能提高其耐磨性能。
重型發(fā)動(dòng)機進(jìn)排氣門(mén)常采用奧氏體耐熱鋼有21-4N、21-4NWNb和ResisTEL。氮化層硬度很高,厚的氮化層易導致滲層剝落。奧氏體耐熱鋼氣門(mén)國內常用氣門(mén)氮化層深為15~30μm。
重型發(fā)動(dòng)機進(jìn)排氣門(mén)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%,較難形成擴散層和混合層,其層深很淺約為5~10μm。
錐面堆焊
氣門(mén)錐面是否需要堆焊取決于發(fā)動(dòng)機強化程度,錐面堆焊應用于最嚴苛錐面磨損工況、高壽命錐面使用要求及高腐蝕錐面使用工況。多數高附加值氣門(mén)最終被錐面堆焊,堆焊強化主要應用于船機氣門(mén)、重油發(fā)動(dòng)機氣門(mén)、部分燃氣機氣門(mén)和部分重型發(fā)動(dòng)機氣門(mén)。
錐面堆焊可大幅降低磨損,在發(fā)動(dòng)機總的運行期間起到更好的密封效果。堆焊氣門(mén)焊層失效風(fēng)險大及生產(chǎn)成本較高,極大限制了堆焊的應用。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(mén)錐面堆焊主要材料,考慮到鈷元素的成本及戰略特性,很多企業(yè)開(kāi)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用范圍外,同時(shí)應考慮堆焊合金與基體材料之間的平均熱膨脹系數,堆焊合金與基體材料熱膨脹系數越接近可靠性越高。
堆焊層深設計取決于發(fā)動(dòng)機壽命要求或氣門(mén)磨損極限要求,一般情況下,氣門(mén)越大堆焊層相應較深。但不推薦過(guò)深的錐面堆焊層深,原因如下:滿(mǎn)足氣門(mén)磨損極限情況下過(guò)深的堆焊層深造成浪費,最小的堆焊層深在能滿(mǎn)足氣門(mén)整體壽命情況下即可,堆焊層深尺寸要求標注為最小保證多少層深;過(guò)深的堆焊層堆焊質(zhì)量難控制,氣門(mén)錐面堆焊層深按≥0.8~1.2mm設計。
氣門(mén)錐面堆焊槽型應結合氣門(mén)座兩者的密封帶來(lái)確定,以推薦的氣門(mén)錐面與氣門(mén)座密封帶為例如圖1所示,堆焊槽型確定參考見(jiàn)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淬火對表面進(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(mén)不能通過(guò)相變使錐面強化,但奧氏體材料冷作硬化現象明顯,行業(yè)上各廠(chǎng)家利用冷作硬化原理對奧氏體材料氣門(mén)錐面進(jìn)行表面硬化處理,主要應用于重型發(fā)動(dòng)機采用鎳基高溫合金材料的排氣門(mén)。目前已有相關(guān)行業(yè)標準對硬化后硬度進(jìn)行的規定,如機械行業(yè)標準JB/T11878-2014《往復式大功率內燃機進(jìn)、排氣門(mén)技術(shù)條件》,對于非堆焊的高溫合金盤(pán)錐面硬度規定應滿(mǎn)足≥450HV要求。
奧氏體表面硬化處理既兼顧了錐面堆焊氣門(mén)耐磨的優(yōu)點(diǎn),又避免了堆焊焊層失效風(fēng)險大及生產(chǎn)成本較高的缺點(diǎn),因此具備很好的應用前景。行業(yè)上主要采取兩類(lèi)工藝方法對奧氏體材料氣門(mén)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(mén)半精加工或精加工,對氣門(mén)錐面進(jìn)行硬化處理。
利用鍛壓設備在氣門(mén)毛坯階段或粗加工階段,對氣門(mén)錐面進(jìn)行再次鍛打實(shí)現硬化處理。
新型結構氣門(mén)應用
按汽車(chē)行業(yè)標準QC/T469-2016《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機氣門(mén)技術(shù)條件》氣門(mén)結構型式有整體氣門(mén)(通過(guò)高頻淬火或氮化或表面硬化處理對錐面進(jìn)行強化)、焊接氣門(mén)(通過(guò)氮化或表面硬化處理或堆焊對錐面進(jìn)行強化)、堆焊合金氣門(mén)(即應用堆焊對錐面進(jìn)行強化)、表面處理氣門(mén)(通過(guò)氮化或表面硬化處理或堆焊對錐面進(jìn)行強化)、中空鈉冷氣門(mén)(通過(guò)氮化或表面硬化處理或堆焊對錐面進(jìn)行強化)。
專(zhuān)利號為ZL2020214796879的實(shí)用新型公布了“一種多金屬結構氣門(mén)”。其氣門(mén)頭部由金屬材料A和B組成,兩種材料的結合面為圓臺面或圓柱面。材料A與材料B形成結合角度α,當α=0°時(shí)即結合面為圓柱面;當α≠0°時(shí)結合面為圓臺面。當α>0°時(shí)該專(zhuān)利擁有最佳結構工作可靠性;當α<0°時(shí)該專(zhuān)利擁有較好加工工藝性,適用于中低等發(fā)動(dòng)機負荷場(chǎng)合。
采用該新型結構的氣門(mén),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 語(yǔ)
隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機功率、爆壓等強化程度的提高,特別是在重型發(fā)動(dòng)機領(lǐng)域,氣門(mén)錐面所承受的負荷、溫度等逐步增加,更加復雜惡劣的工況讓氣門(mén)錐面強化設計顯得尤為重要。本文對常用的氣門(mén)錐面強化措施進(jìn)行簡(jiǎn)要的說(shuō)明,供同行借鑒參考。
文章來(lái)源: 汽車(chē)工藝師,搜狐汽車(chē)
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