现代发动机气门座圈材料的发展
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表 2 P / M 气门座圈抗脱落性试验
材质
残留过盈量 / "m 拔出负荷 / kg
铜溶浸 ( V567 )
46
1 580
8Cr20Si2Ni 耐热钢
43
1 400
注：采取温度为 100 ℃ 与 600 ℃ 周期变化的冷热循环试验方 法 ，周 期 循 环 次 数 为 200 次 。 气 门 座 圈 初 始 过 盈 量 为 120 "m。
图 2 温度与气阀座圈磨损的关系
3. 2 发动机燃用的燃料对座圈磨损的影响 当用于燃用有铅汽油的发动机气门座圈用于无
铅汽油发动机时，就会使气门座圈发生严重磨损，如
2001 年 第 4 期
—25—
·材料·工艺·设备· 图 3 所示。这由于含四乙铅的汽油燃烧后产生氧化 铅等的化合物沉积在座圈表面，如同润滑剂一样，抑 制了座面的磨损。而无铅汽油就不存在润滑作用， 使气门和座圈两者金属表面直接接触，在高温、高压 环境中易于发生粘结磨损。
柴油机燃用高硫和高 V2O5 含量柴油时，座圈会 发生氧化和腐蚀磨损，因此，必须控制燃料中硫和钒 的含量。对于天然气也同样应注意除硫和脱水处 理。
ATP 公司采用硬质粒子型铜溶浸的 P / M 材料，提高 了座圈的高温强度和导热性。并按表 2 的试验条件， 对铜溶浸 P / M 材料的座圈与用耐热钢制成的座圈 经 200 次冷热交变循环试验表明，P / M 座圈比耐热 钢具有更好的抗脱落性。试验后仍保持足够过盈量 和较大的拔出负荷。实机使用也证明是可靠的。
·材料·工艺·设备·
现代发动机
气门座圈材料的发展
天 津 大 学 傅茂林 天津市汽车研究所 高洪林 郭 兰
【Abstract】The paper explains the working environment and wear mechanism of valve retainer. The key factors for superior valve retainer quality are the proper material selection and reasonable part design. The physical property and mechanical performance must be considered when selecting the valve material. The powder metallurgy material has an obvious competitive ability compared with other materials and an increasing application in internal combustion engines due to its advantages of higher forming size accuracy, flexible alloy selection and post - treatment technology of sintered powder metal, obvious savings in material, labouring hour and energy. China ATP company ( Anqing TP Powder Metallurgy Co. LTD ) has imported the advanced powder material and production technologies from foreign countries, researched and developed many kinds of valve retainers with a high temperature hardness and high wear resistance, these valve retainers are suitable for applications in high - reinforced gasoline engines, diesel engines and some alternative fuel engines. 【摘要】阐述了气门座圈的工作环境和磨损机理，高品质气门座圈的关键在于恰当的材料选择和零件的合理设 计。在材料选择时必须考虑材料的物理性质和机械性能。由于粉末冶金材料具有成形尺寸精度高，合金选用和烧结 后处理工艺灵活以及明显节约原材料、工时和能源等优点；因此与其它材料相比具有明显的竞争力，在内燃机中得 到了日益广泛的应用。我国 ATP 公司 ( 中日美合资安庆帝伯粉末冶金有限公司 ) 引进国外先进的粉末冶金材料和制 备技术，研制并开发了多种具有高热硬度和高耐磨性的气门座圈，适用于高强化的汽油机、柴油机和某些代用燃料 发动机。
2 气门座圈的材料种类
气门座圈材料的选择应根据发动机使用的燃料 种类、预计的工作温度、发动机的平均有效压力、转 速和使用寿命而定。发动机气门座圈材料通常有合 金铸铁、耐热合金钢、工具钢和粉末冶金 (P / M)材料。
近年来，由于发动机技术水平的提高，性能指标 不断强化，使气门座圈的工作环境愈来愈严酷，为提 高发动机工作的可靠性和使用寿命，合金铸铁座圈 逐渐被耐热合金钢或工具钢所替代。例如，用于汽 油机进、排气门座圈和柴油机进气门座圈的硅铬耐 热合金 XB ；用于汽油机排气门座圈和柴油机进气 门座圈的 M2 工具钢；通常用于高排温重载柴油机 排气门座圈的镍基和钴基合金。干燃料 ( 如 CNG 、 LPG 、甲醇等 ) 发动机的气门座圈由于缺乏润滑，通 常使用钴基合金 Stellite3 或 Tribaloy T400 ，但 Tribaloy 合金材料不仅价格昂贵，而且机械加工困难。 近年 Winsert 公司开发了一种改进的工具钢 W77T6 铁基合金，其适用于高速发动机，这种材料不仅价格 低廉，而且易于加工。
表 3 ATP 公司生产的 P / M 气门座圈材料
用途 进气 有铅 材质 发动机 或排 或无 型号 C
气铅
化学成分 / % Cr Mo Co Ni Cu 其它 Fe
硬度
机械性能
密度 / 径向强度 / 热膨胀系数 / 导热率 /
g·cm - 3
MPa
× 10 - 6·K - 1 W·(m·k) -1
烧结后，或热处理后，经蒸汽处理，使表面产生
FeO / Fe3O4 氧化膜，或采取铜溶浸的方法，从而使 P / M 座圈具有良好的耐磨性。
表 1 磨损试验条件
试验参数
数值
凸轮轴转速 / r·min - 1 试验时间 / h
初始座面密封带宽度 / mm 气门座圈材料 ( P / M)
3 000 5
0. 7 V513 和 V536
重要原因，因此这类发动机的座圈应采用具有自润
滑性的材料。
我国 ATP 公司采用从日本引进的、可改变试件 温度和载荷的先进的磨损试验机，对气门座圈的磨
损特性和材料机械性能进行了大量试验研究工作，
探明了气门座圈的工作温度、发动机燃用的燃料对
座圈抗磨性的影响，以及不同材料对座圈抗脱落性
的影响。
3. 1 气门座圈的工作温度与磨损量的关系 按表 1 所列的试验条件在磨损试验机上进行试
3 气门座圈磨损机理及影响因素
正确了解气门座圈磨损机理，将有助于座圈新 材料的开发和发动机性能的改善。气门座圈磨损机 理主要是粘结磨损和磨蚀磨损。
粘结磨损是由于气门在高温、高压的恶劣环境 下对气门座圈撞击，在接触面上凹凸不平处发生微 熔结的缘故，如图 1 所示。在气门继续运动过程中， 这种微熔结颗粒从表面上脱落，然后又再粘结在气 门或座圈的接触面上。这种现象在气门运动中不断 重复着，一直到这些粘结物硬化，并以松散的碎片或 颗粒物脱落，对气门或座圈接触表面进行磨削，而发 生磨蚀磨损。如果气门和座圈两者的接触表面存在 着滑移，气门又有旋转，那么这种磨损将会变得更为 严重。
这是由于 P / M 合金材料具有一种形成表面氧化膜 和氧化通过孔隙连续向内层扩展的固有特性。这也
与 P / M 座圈实机使用的检测结果是一致的。在发动 机试车磨合的初期磨损量较大，但随着发动机座圈
温度上升，磨损量很快就变小。这种氧化层的形成，
将防止座圈工作面发生粘结。在进气门的一侧，由
于温度较低，氧化层不易发展。这可在进气门座圈
4 我国对气门座圈的研制与开发情况
图 3 汽油含铅量对气门座圈磨损的影响
3. 3 不同材料的气门座圈对抗脱落性的影响 气门座圈的材料选择不当，就可能发生脱落。
我国 ATP 公司研制与开发了适用于汽油机、柴 油机和某些代用燃料发动机气门座圈的多种 P / M 材料，如表 3 所列。该公司的 P / M 材料大体上可分 为两类：基体强化型和硬质粒子扩散强化型 ( 简称为 硬质粒子型 ) 。
Topic words: Engine，Valve retainer，Material，Developing 主题词：发动机 气门座 材料 发展 中图分类号：U465. 3 文献标识码：A 文章编号：1000 - 3703 ( 2001 ) 04 - 0024 - 04
1 前言
发动机气门和气门座圈处于高应力 ( 发动机最 高燃烧压力可达 20 MPa ) 、高温度 ( 气门座面达 815 ℃ ，气门头底平面中心达 870 ℃ ；气门座圈座面达 530 ℃ ) 和腐蚀 ( 高温燃气侵蚀、硫化、V2O5 腐蚀和 氧化作用 ) 的工作环境中 [1] ，其工作环境是非常严 酷的，为保证其工作可靠性和使用寿命，在不同的工 作环境和燃用不同燃料的情况下，必须恰当地选择 材料和合理设计零件。
验可得图 2 所示的不同 P / M 材料座圈磨损量随温 度的变化状况。从图 2 可以看出，当座圈温度为 300 ℃ 时，其磨损量最大；到高于 300 ℃ 后，磨损量逐渐 减小。在 300 ℃ 附近，座圈磨损主要是由粘结引起 的。但温度高于 300 ℃ 后摩擦表面在高温作用下，形 成了一层具有润滑性的氧化膜，起到了减磨作用。
HB80 ～ 100 6. 5 ～ 6. 9
排气 无铅 V536 1. 2 5. 0 5. 0 8. 0 2. 0 —
HB85 ～ 105 6. 4 ～ 6. 8
排 1. 5
12
1. 0 以下
其余
HRC25 ～ 38
7. 7 ～ 8. 0
排气 通用 V557 1. 2 6. 5 6. 5 6. 5 2. 0 12
传统的粉末冶金材料由于其低密度和疏松性， 而使 P / M 零件的热硬度和抗磨性较差，影响了广泛
—24—
汽车技术
·材料·工艺·设备· 应用。但是，近年来，由于粉末冶金的材质和制备技 术与工艺水平的迅速提高，例如 P / M 座圈经两次压 制、两次烧结、热锻、液相烧结，可使 P / M 材料的致 密化程度提高，密度可达 7. 4g / cm3 ～ 8. 0g / cm3。又 由于固体润滑剂和硬质分散相的引入，或铜溶浸工 艺和蒸汽处理等工艺的采用，均使 P / M 的导热性、 热强度和耐磨性等物理性质和机械性能得到了显著 的改善，因此 P / M 气门座圈不仅大量应用于通常的 轻载和中载发动机，而且日益广泛地应用于高强化 的汽油机和重载柴油机，以及天然气、液化石油气和 醇类燃料发动机。P / M 材料的耐热性、耐磨性等机 械性能已远高于合金铸铁，甚至优于某些耐热合金 钢。
进气 通用 V513 0. 9 — 0. 6 — —— 2
HB80 ～ 100 7. 0 ～ 7. 2 932
13. 5
32. 6
进气 通用 V514 1. 3 5. 0 0. 5 — —— —
HB80 ～ 100 6. 5 ～ 6. 9 686
13. 8
20. 5
汽油机 排气 无铅 V532 1. 1 4. 0 4. 0 6. 0 1. 5 —
图 1 粘结磨损机理示意图
这种粘结磨损可以通过恰当的材料选择来防 止，也即座圈的接触表面在适当的温度状况下，能形 成一层坚固的、粘着力强的薄氧化膜，将气门和座圈 两者的接触表面隔离。由于这种氧化膜具有一定的 润滑性，而起了减磨的作用。
对于干燃料 ( CNG、LPG 和甲醇等 ) 发动机，进、 排气门和座圈的接触面缺乏润滑是引起磨损的一个
材质
残留过盈量 / "m 拔出负荷 / kg
铜溶浸 ( V567 )
46
1 580
8Cr20Si2Ni 耐热钢
43
1 400
注：采取温度为 100 ℃ 与 600 ℃ 周期变化的冷热循环试验方 法 ，周 期 循 环 次 数 为 200 次 。 气 门 座 圈 初 始 过 盈 量 为 120 "m。
图 2 温度与气阀座圈磨损的关系
3. 2 发动机燃用的燃料对座圈磨损的影响 当用于燃用有铅汽油的发动机气门座圈用于无
铅汽油发动机时，就会使气门座圈发生严重磨损，如
2001 年 第 4 期
—25—
·材料·工艺·设备· 图 3 所示。这由于含四乙铅的汽油燃烧后产生氧化 铅等的化合物沉积在座圈表面，如同润滑剂一样，抑 制了座面的磨损。而无铅汽油就不存在润滑作用， 使气门和座圈两者金属表面直接接触，在高温、高压 环境中易于发生粘结磨损。
柴油机燃用高硫和高 V2O5 含量柴油时，座圈会 发生氧化和腐蚀磨损，因此，必须控制燃料中硫和钒 的含量。对于天然气也同样应注意除硫和脱水处 理。
ATP 公司采用硬质粒子型铜溶浸的 P / M 材料，提高 了座圈的高温强度和导热性。并按表 2 的试验条件， 对铜溶浸 P / M 材料的座圈与用耐热钢制成的座圈 经 200 次冷热交变循环试验表明，P / M 座圈比耐热 钢具有更好的抗脱落性。试验后仍保持足够过盈量 和较大的拔出负荷。实机使用也证明是可靠的。
·材料·工艺·设备·
现代发动机
气门座圈材料的发展
天 津 大 学 傅茂林 天津市汽车研究所 高洪林 郭 兰
【Abstract】The paper explains the working environment and wear mechanism of valve retainer. The key factors for superior valve retainer quality are the proper material selection and reasonable part design. The physical property and mechanical performance must be considered when selecting the valve material. The powder metallurgy material has an obvious competitive ability compared with other materials and an increasing application in internal combustion engines due to its advantages of higher forming size accuracy, flexible alloy selection and post - treatment technology of sintered powder metal, obvious savings in material, labouring hour and energy. China ATP company ( Anqing TP Powder Metallurgy Co. LTD ) has imported the advanced powder material and production technologies from foreign countries, researched and developed many kinds of valve retainers with a high temperature hardness and high wear resistance, these valve retainers are suitable for applications in high - reinforced gasoline engines, diesel engines and some alternative fuel engines. 【摘要】阐述了气门座圈的工作环境和磨损机理，高品质气门座圈的关键在于恰当的材料选择和零件的合理设 计。在材料选择时必须考虑材料的物理性质和机械性能。由于粉末冶金材料具有成形尺寸精度高，合金选用和烧结 后处理工艺灵活以及明显节约原材料、工时和能源等优点；因此与其它材料相比具有明显的竞争力，在内燃机中得 到了日益广泛的应用。我国 ATP 公司 ( 中日美合资安庆帝伯粉末冶金有限公司 ) 引进国外先进的粉末冶金材料和制 备技术，研制并开发了多种具有高热硬度和高耐磨性的气门座圈，适用于高强化的汽油机、柴油机和某些代用燃料 发动机。
2 气门座圈的材料种类
气门座圈材料的选择应根据发动机使用的燃料 种类、预计的工作温度、发动机的平均有效压力、转 速和使用寿命而定。发动机气门座圈材料通常有合 金铸铁、耐热合金钢、工具钢和粉末冶金 (P / M)材料。
近年来，由于发动机技术水平的提高，性能指标 不断强化，使气门座圈的工作环境愈来愈严酷，为提 高发动机工作的可靠性和使用寿命，合金铸铁座圈 逐渐被耐热合金钢或工具钢所替代。例如，用于汽 油机进、排气门座圈和柴油机进气门座圈的硅铬耐 热合金 XB ；用于汽油机排气门座圈和柴油机进气 门座圈的 M2 工具钢；通常用于高排温重载柴油机 排气门座圈的镍基和钴基合金。干燃料 ( 如 CNG 、 LPG 、甲醇等 ) 发动机的气门座圈由于缺乏润滑，通 常使用钴基合金 Stellite3 或 Tribaloy T400 ，但 Tribaloy 合金材料不仅价格昂贵，而且机械加工困难。 近年 Winsert 公司开发了一种改进的工具钢 W77T6 铁基合金，其适用于高速发动机，这种材料不仅价格 低廉，而且易于加工。
表 3 ATP 公司生产的 P / M 气门座圈材料
用途 进气 有铅 材质 发动机 或排 或无 型号 C
气铅
化学成分 / % Cr Mo Co Ni Cu 其它 Fe
硬度
机械性能
密度 / 径向强度 / 热膨胀系数 / 导热率 /
g·cm - 3
MPa
× 10 - 6·K - 1 W·(m·k) -1
烧结后，或热处理后，经蒸汽处理，使表面产生
FeO / Fe3O4 氧化膜，或采取铜溶浸的方法，从而使 P / M 座圈具有良好的耐磨性。
表 1 磨损试验条件
试验参数
数值
凸轮轴转速 / r·min - 1 试验时间 / h
初始座面密封带宽度 / mm 气门座圈材料 ( P / M)
3 000 5
0. 7 V513 和 V536
重要原因，因此这类发动机的座圈应采用具有自润
滑性的材料。
我国 ATP 公司采用从日本引进的、可改变试件 温度和载荷的先进的磨损试验机，对气门座圈的磨
损特性和材料机械性能进行了大量试验研究工作，
探明了气门座圈的工作温度、发动机燃用的燃料对
座圈抗磨性的影响，以及不同材料对座圈抗脱落性
的影响。
3. 1 气门座圈的工作温度与磨损量的关系 按表 1 所列的试验条件在磨损试验机上进行试
3 气门座圈磨损机理及影响因素
正确了解气门座圈磨损机理，将有助于座圈新 材料的开发和发动机性能的改善。气门座圈磨损机 理主要是粘结磨损和磨蚀磨损。
粘结磨损是由于气门在高温、高压的恶劣环境 下对气门座圈撞击，在接触面上凹凸不平处发生微 熔结的缘故，如图 1 所示。在气门继续运动过程中， 这种微熔结颗粒从表面上脱落，然后又再粘结在气 门或座圈的接触面上。这种现象在气门运动中不断 重复着，一直到这些粘结物硬化，并以松散的碎片或 颗粒物脱落，对气门或座圈接触表面进行磨削，而发 生磨蚀磨损。如果气门和座圈两者的接触表面存在 着滑移，气门又有旋转，那么这种磨损将会变得更为 严重。
这是由于 P / M 合金材料具有一种形成表面氧化膜 和氧化通过孔隙连续向内层扩展的固有特性。这也
与 P / M 座圈实机使用的检测结果是一致的。在发动 机试车磨合的初期磨损量较大，但随着发动机座圈
温度上升，磨损量很快就变小。这种氧化层的形成，
将防止座圈工作面发生粘结。在进气门的一侧，由
于温度较低，氧化层不易发展。这可在进气门座圈
4 我国对气门座圈的研制与开发情况
图 3 汽油含铅量对气门座圈磨损的影响
3. 3 不同材料的气门座圈对抗脱落性的影响 气门座圈的材料选择不当，就可能发生脱落。
我国 ATP 公司研制与开发了适用于汽油机、柴 油机和某些代用燃料发动机气门座圈的多种 P / M 材料，如表 3 所列。该公司的 P / M 材料大体上可分 为两类：基体强化型和硬质粒子扩散强化型 ( 简称为 硬质粒子型 ) 。
Topic words: Engine，Valve retainer，Material，Developing 主题词：发动机 气门座 材料 发展 中图分类号：U465. 3 文献标识码：A 文章编号：1000 - 3703 ( 2001 ) 04 - 0024 - 04
1 前言
发动机气门和气门座圈处于高应力 ( 发动机最 高燃烧压力可达 20 MPa ) 、高温度 ( 气门座面达 815 ℃ ，气门头底平面中心达 870 ℃ ；气门座圈座面达 530 ℃ ) 和腐蚀 ( 高温燃气侵蚀、硫化、V2O5 腐蚀和 氧化作用 ) 的工作环境中 [1] ，其工作环境是非常严 酷的，为保证其工作可靠性和使用寿命，在不同的工 作环境和燃用不同燃料的情况下，必须恰当地选择 材料和合理设计零件。
验可得图 2 所示的不同 P / M 材料座圈磨损量随温 度的变化状况。从图 2 可以看出，当座圈温度为 300 ℃ 时，其磨损量最大；到高于 300 ℃ 后，磨损量逐渐 减小。在 300 ℃ 附近，座圈磨损主要是由粘结引起 的。但温度高于 300 ℃ 后摩擦表面在高温作用下，形 成了一层具有润滑性的氧化膜，起到了减磨作用。
HB80 ～ 100 6. 5 ～ 6. 9
排气 无铅 V536 1. 2 5. 0 5. 0 8. 0 2. 0 —
HB85 ～ 105 6. 4 ～ 6. 8
排 1. 5
12
1. 0 以下
其余
HRC25 ～ 38
7. 7 ～ 8. 0
排气 通用 V557 1. 2 6. 5 6. 5 6. 5 2. 0 12
传统的粉末冶金材料由于其低密度和疏松性， 而使 P / M 零件的热硬度和抗磨性较差，影响了广泛
—24—
汽车技术
·材料·工艺·设备· 应用。但是，近年来，由于粉末冶金的材质和制备技 术与工艺水平的迅速提高，例如 P / M 座圈经两次压 制、两次烧结、热锻、液相烧结，可使 P / M 材料的致 密化程度提高，密度可达 7. 4g / cm3 ～ 8. 0g / cm3。又 由于固体润滑剂和硬质分散相的引入，或铜溶浸工 艺和蒸汽处理等工艺的采用，均使 P / M 的导热性、 热强度和耐磨性等物理性质和机械性能得到了显著 的改善，因此 P / M 气门座圈不仅大量应用于通常的 轻载和中载发动机，而且日益广泛地应用于高强化 的汽油机和重载柴油机，以及天然气、液化石油气和 醇类燃料发动机。P / M 材料的耐热性、耐磨性等机 械性能已远高于合金铸铁，甚至优于某些耐热合金 钢。
进气 通用 V513 0. 9 — 0. 6 — —— 2
HB80 ～ 100 7. 0 ～ 7. 2 932
13. 5
32. 6
进气 通用 V514 1. 3 5. 0 0. 5 — —— —
HB80 ～ 100 6. 5 ～ 6. 9 686
13. 8
20. 5
汽油机 排气 无铅 V532 1. 1 4. 0 4. 0 6. 0 1. 5 —
图 1 粘结磨损机理示意图
这种粘结磨损可以通过恰当的材料选择来防 止，也即座圈的接触表面在适当的温度状况下，能形 成一层坚固的、粘着力强的薄氧化膜，将气门和座圈 两者的接触表面隔离。由于这种氧化膜具有一定的 润滑性，而起了减磨的作用。
对于干燃料 ( CNG、LPG 和甲醇等 ) 发动机，进、 排气门和座圈的接触面缺乏润滑是引起磨损的一个