重型发动机气门座圈磨损机理与材料

材料
合金元素
发动机
Ｃ
Ｃｒ
Ｎｉ
ＭＯ Ｍｎ
Ｗ
Ｓｉ
Ｆｅ
其它
０．７０ ３．０
５．２５ Ｏ．５
１．１５ 其余
锻钢
中重型
１．０ ５．２５
１．２５ Ｏ．５５
Ｏ．３５ 其余
０．３５Ｖ
１．５３ １Ｚ．０
Ｏ．８
Ｏ．５
Ｏ．４ 其余
高合金铸铁 重型
２．５ ２．５
２０．０ ４０．Ｏ
２８．５ 其余 ２．０
６．Ｏ
其余
０．６
＜９
１２．０Ｃｏ １６．５Ｃｏ ２．ＯＶ
朱远志， 尹志民， 曾渝， 郝勇刚 朱远志,尹志民,曾渝(中南大学到材料科学与工程学院,长沙,410083)， 郝勇刚(中国兵器工 业集团第70研究所,大同,037036)
内燃机工程 CHINESE INTERNAL COMBUSTION ENGINE ENGINEERING 2004,25(4) 8次
图３ 由三种不同磨损机制造成的磨损表面形貌
粘着磨损是由于接触表面产生塑性变形，在局 部高压下逐渐焊合或结合。它是以物质转移为特征
的。这种焊合的主要原因是由于接触表面恶劣的润 滑条件，较高的接Байду номын сангаас应力以及相对滑动。从以上概
万方数据
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２００４年第４期
内燃机工程
表２ 国外一些铸造气门座材料所含合金元素情况表
发动机气门座在高温燃气的环境中承受着气门 高频率的反复冲击，大中型柴油机气门对气门座的 冲击次数每分钟可以达１０００次以上。如果气门和 气门座之间的冲击是一种完全垂直作用的动载荷， 那么其磨损主要来自于表面的冲击压缩塑性变形， 其磨损就会比较微小（１］。可是气门和气门座落座面 相对于载荷的方向并不是完全垂直的。气门和气门 座由于装配原因（如气门与气门座不对中）及燃烧气 流压力各部分的非均匀性可进一步加大落座面和载 荷方向的斜度。这种斜度会造成气门和气门接触面 之间的相对滑动。两个滑动表面的微突体之间的相 互作用，会造成气门和气门座接触表层金属之间的 强烈剪切作用，产生表面急剧磨损。
参考文献(10条) 1.N 伯克斯;赵公台 高温金属氧化导论 1987 2.Wang Y S The Effect of Operating Conditions on Heavy Duty Engine Valve Seat Wear[外文期刊] 1996 3.Ootani;et T Impact Wear Characteristics of Engine Valve and Valve Seat Insert Materials at High Temperature 1995 4.Quinn T F J The Effects of Speed and Elevated Temperatures[外文期刊] 1998(2) 5.CHEN W X Tribological Application of Carbon Nanotubes in a Metal-Based Composite Coating and Composites[外文期刊] 2003 6.Sriram S;Bharat B Micro/Nanotribology of Ultra-Thin Hard Amorphous Carbon Coatings Using Atomic Force/Friction Force Microscopy[外文期刊] 1999 7.徐润泽 粉末冶金结构材料学 2002
本文读者也读过(10条) 1. 朱远志.尹志民.曾渝.郝勇刚 重型发动机气门座圈工艺、材料研究进展[期刊论文]-材料导报2004,18(5) 2. 傅茂林.高洪林.郭兰 现代发动机气门座圈材料的发展[期刊论文]-汽车技术2001(4) 3. 曾德长.钟喜春.魏兴钊.陈灵.许麟康 气门导管断裂失效分析[期刊论文]-理化检验-物理分册2005,41(z1) 4. 潘艳春.权仁泽 轻型车排气门失效分析[会议论文]-2002 5. 李建平.黄文长.陈云华 某型发动机气门失效分析与改进[期刊论文]-汽车科技2003(6) 6. 周慈成 发动机气门挺柱的失效[会议论文]-1999 7. 王胜华 浅谈摩托车发动机气门异常损坏的原因[期刊论文]-摩托车技术2007(10) 8. 朱广凯 发动机气门漏气原因分析[期刊论文]-南方农机2010(1) 9. 朱广凯 发动机气门漏气原因多[期刊论文]-山东农机化2009(2) 10. 宋有国.黄荣华 康明斯发动机曲轴后油封密封性研究[期刊论文]-内燃机2003(4)
对于粉末冶金座圈材料制造工艺的一般要求 是：工艺过程要尽可能的简单并具有可行性和易于 操作等特点。另外，为了降低成本，应尽量采用不稀 缺的原料、辅助材料和设备，易于实行机械化和自动 化生产。粉末冶金产品的机械性能和其密度是有一 定的联系的。为了提高粉末冶金产品的密度，目前 主要采用如下几种工艺：复压复烧及热等静压及熔 渗等。具体工艺线路如图４。
３气门座圈的失效形式
高温气体冲刷、腐蚀，高温磨损的直接结果是造 成气门（座圈）磨损，气门下沉，在极端的情况下气门 间隙消失，气门不能落座，燃气漏出，功率大幅度下 降。同时，漏出的燃气可能导致气门座过热，甚至烧 蚀。这就是气门座失效的主要形式。
４磨损机理
近年来，对气门座磨损机理的研究比较多［２￣引。 通常说来，其磨损机制主要有三种：粘着磨损、犁沟 效应、体积塑性变形损坏。图３是代表三种不同磨 损机制的典型的磨损表面形貌。
昱
昱
捌
落
嫠
僚
趣
∞硬度随温度变化曲线
１００２００湖４００５００鲫７００
温度。。ｃ
（ｂ）摩痕深度随温度的变化曲线
图２ ＳｉＩｌ马氏体钢硬度和磨痕深度随温度变化曲线‘钉
高温的存在，一方面造成材料的硬度下降，造成 软化，使气门座更容易产生压缩或剪切变形，加速气 门座的磨损。而且，由于气门的不断开合，会引起气 门和气门座各个部分的温度的动态变化且分布不均 匀，可能产生热应力疲劳。另一方面也会加速气门 座氧化膜的形成，使基体材料避免直接接触，造成磨 损下降。 ２．３冲击载荷
引证文献(8条)
1.陆克久.孙志成 柴油机活塞环与缸套摩擦副磨损机理分析[期刊论文]-中国农机化 2011(2) 2.黄之德 离心铸造气门座圈用高铬铸铁的组织及性能研究[期刊论文]-热加工工艺 2010(23) 3.朱远志.尹志民.李学谦 一种烧结铁基合金Fe-Cr-Mo-Ni-Co-C的热致密化过程[期刊论文]-中南大学学报（自然科
２．３５ ２９．Ｏ ３９．Ｏ
１５．Ｏ
其余
１０．ＯＣｏ ０．２６Ｖ
复合材料
重型
１．１ ３０．０ ＜３．０ ＜１．５ ＜１．０ ４．５ ＜１．５ ＜３．０
其余ｃｏ
２．８５ ３０．０ ＜３．０
＜１．Ｏ １３．０ ＜１．５ ＜３．Ｏ 其余Ｃｏ其它＜ｚ．ｏ
添加一定量的合金元素，这些元素在烧结或热处理 过程中反应生成一定的硬质相（如碳化物等）来强化 合金，另外也包括在烧结前的金属粉末中直接添加 硬质相质点［７］，烧结后形成耐摩材料。合金化硬质 点强化烧结钢主要有Ｆｅ—Ｃｕ—Ｍｏ、Ｆｅ—Ｃｒ、Ｆｅ—Ｃｒ－Ｎｉ、 Ｆｅ—Ｃｏ、Ｆｅ—Ｃｏ—Ｎｉ等系列的合金体系，其加入的主要 合金元素一部分和钢中间的碳反应生成碳化物，起 到强化烧结钢基体的作用。另一部分会固溶到烧结 钢基体中，起固溶强化作用。 ５．２．２粉末冶金气门座圈制造工艺
8.李红艳 发动机无凸轮轴气门驱动的研究与进展[期刊论文]-车用发动机 2001(04)
9.Yang S Vibration Characteristics and Comparisons of Automotive Engine Valvesmade From Conventional and non-Conventional Materials 1996(05) 10.吕林 发动机陶瓷缸盖底板、气门座的研制 1995
学版） 2006(3)
4.曹永晟 柴油机气门与气门座圈摩擦副磨损机理分析[期刊论文]-汽车技术 2011(9) 5.高群钦.陈安宇 内燃机气门-座圈摩擦副磨损机制的实验研究[期刊论文]-润滑与密封 2009(5) 6.陆克久.周道怀.龚延成 柴油机进气门与座圈磨损机理的试验研究[期刊论文]-农机化研究 2008(6) 7.彭海雄.王小慧.陈闯.陈伟 发动机气门与座圈强化磨损试验系统的开发与研制[期刊论文]-铁道机车车辆
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图１为Ｆｅ的氧化机理图。不同成份的氧化物在不 同温度下摩擦系数相差很大。因而，温度和氧份会 直接影响到气门座的磨损情况。硫在高温时可以直 接和铁反应，产生腐蚀。或者和氧反应产生ＳＯｚ，再 由ＳＯ：产生高温腐蚀作用。
Ｆ矿＋２ｅ一＋Ｆｅｓ０‘＝Ｆ；Ｂ她
图１铁及铁基合金的氧化机理示意图
总之，在高温燃气环境下，化学介质的存在，一方 面有利生成减摩颗粒或减摩层（如气门座上生成氧化 层），减少气门座圈的磨损［１３；另一方面由于高温气体 的冲刷及化学介质的腐蚀会加速气门座圈的磨损。 ２．２高温环境
重型发动机气门和气门座（特别是排气门和排 气门座）工作时要承受着很高的温度。进气门座的 温度可以达到２００～３００℃，排气门座的温度则可达 ４００～５００℃。图２是一种气门座用马氏体钢的硬度 和磨损量随着温度而变化的曲线。
图４制取高密度粉末冶金座圈的若干工艺流程图
５．２．３粉末气门座材料的减摩方法与减摩剂
气门座处在高温冲击磨损下，要降低高温条件 下的摩擦磨损须根据工作条件来采取相应的措施， 如文献［８］采用外加磁场的方法来抵消一部分冲击 力，达到气门在气门座上“软着陆”的效果，起到减磨 作用。另外，经常采用的方法是通过添加减摩组元 的办法来取得自润滑的效果。减摩擦组元有石墨、 ＣａＦｚ、ＭｏＳｚ、ｗｚｓ、ＢａＦｚ等。采用渗铜的方法可提高 粉末冶金气门座圈的综合性能。渗铜时，熔融的铜 填人粉末座圈的孔隙之中。一方面可以提高材料的 导热性，使工作时气门座各个部位的温度均匀化，减 小热应力，另一方面还可以提高材料的冲击韧性和 耐磨性能，改善其切削性能等。 ５．３陶瓷材料气门座
自７０年代以来，各国把对气门座材料的研究重 点相继从传统的钢铁材料铸、锻工艺转向了具有较高 生产效率的粉末冶金材料及推广应用。到８０年代中 后期，美国、日本、西欧等国汽车发动机的９０％以上的
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重型发动机气门座圈磨损机理与材料
作者： 作者单位：
刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
2011(z1)
8.王建.罗善明.余以道.赵军 柴油机气门润滑装置结构设计及特性分析[期刊论文]-湖南科技大学学报（自然科学
版） 2011(4)
引用本文格式：朱远志.尹志民.曾渝.郝勇刚 重型发动机气门座圈磨损机理与材料[期刊论文]-内燃机工程
2004(4)
陶瓷材料具有优良的耐热、耐摩、抗氧化性能以 及高的高温强度和硬度。具备制造大功率发动机气 门座所必须的特性。陶瓷材料还有比较低的导热系 数，良好的隔热性对于发动机的隔热、提高发动机的 热效率是有利的。陶瓷材料的另一个特点是，随着 温度变化，其膨胀系数不容易发生突变。主要原因 是陶瓷材料高温组织比较稳定，不容易发生相变。 陶瓷材料还有一个特点是它的抗震性能好，发动机 试验发现［９］，用陶瓷材料制造的发动机气门（座）使 用起来噪音更小。由于陶瓷材料具有这么多的优 点，因此各国争相研究开发这种材料。美国专门列 出规划，发展发动机陶瓷气门系统部件。国内也有 成功研制出氧化锆陶瓷气门座的报道［１引。但陶瓷材 料成型、切削加工困难，因而目前没有得到广泛使 用。 ５．４国内、外气门座材料研究现状