汽车发动机用气门材料的选择及研究进展

高洁　薛姣

摘 要：气门材料在汽车发动机制造中具有重要的作用，在本文中，将就汽车发动机用气门材料的选择及研究进展进行一定的研究。

关键词：汽车发动机；气门材料；选择；研究进展

1 引言

在现今汽车工业不断发展的情况下，人们对发动机性能也具有了更高的要求。作为发送机燃烧室内的门户，发动机气门的质量情况将直接对汽车油耗、寿命以及扭矩等性能产生影响。为了使气门能够具有更好的应用质量，就需要做好适当材料的选择。

2 气门性能特征

作为配气机构中的重要组成零件，在发动机每一次工作中，进气门以及排气门都需要打开一次，且在此过程中将承受到气门弹簧的压力，可以说，其是配机结构中工作环节最为复杂的零件，其特征有：第一，工作温度高。在做功冲程当中，由于汽油等燃料的燃烧，则将极大提升气门温度。对于重型发动机，其排气门颈部以及盘端面最高温度在800℃以上，而轻型发动机气门温度也将在520℃以上；第二，工作应力以及交变荷载大。当发动机运行当中，气门不仅会承受到来自自身的弹簧力以及预紧力，且将在凸轮挺杆作用下使其根据一定规律对气门的开启情况产生控制，即同时承受反复冲击、具有较高频率的交变载荷，该载荷一般在1180N，当配气机构间隙增大、气门出现跳动情况时，该种载荷更是将显著增加。而当其向外排出燃烧废气时，也將承受到较高的气体爆发压力以及热负荷；第三，燃气腐蚀。排气头处于燃烧室的部分，在具体工作当中经常受到腐蚀情况，而该介质受到的侵蚀情况则同气门工作温度具有密切的关联。进气门方面，腐蚀温度将小于热力学反应温度，排气门方面，也具有较高的工作温度，同进气门相比，具有更为严重的腐蚀情况，对此，就需要做好排气门材料显微组织特征以及化学成分的降低，以此实现腐蚀介质侵蚀程度的降低；第四，润滑状况恶劣。当发动机气门摩擦工作时，导管同气门导杆间将作往复运行，以供油方式润滑。但由于供油量较小，则将因此对润滑状况产生负面影响，经常导致金属因此受到磨损。

3 气门材料选择

3.1 排气门材料

在柴油机排气门盘部位置，需要具有较高的耐腐蚀性抗疲劳强度，其材料一般为镍基高温合金，其中，21-4N为常用的奥氏体耐热钢，在室温环境下，其具有顺磁性特征，能够较好的实现时效强化以及固溶处理，在具有良好高、低温疲劳强度的情况下获得更高的机械加工性能与锻造性能。对于大多数奥氏体型合金材料，其在应用当中都需要通过碳氮化合物的应用实现沉淀强化。同铁基奥氏体合金相比，其在高温疲劳强度方面更好的表现，主要通过Al、Ti以及Ni化合物沉淀形成，但这部分化合物并不适合应用在机械以及锻造加工当中，且具有较高的成本。排气门杆方面，其在工作当中对耐损伤以及耐磨耗方面具有较高的要求，较多应用马氏体钢材料。

3.2 进气门材料

对于通过重型发动机设备，其进气门温度一般在500℃以上，其气门材料主要为低合金钢、普通碳素钢以及高合金马氏体耐热钢。在马氏体耐热钢当中，其中合金以及碳元素具有较高的含量，并因此使材料获得较高的抗磨损、沉积刻蚀以及强度性能。在部分情况下需要对抗氧化性进行提升时，则需要在其中加入Si以及Cr等元素。而高熔点元素如Mo、V以及W的加入，则能够实现其耐磨以及高温性能的提升。在室温环境下，该材料具有顺磁性特征，能够在应用当中淬火强化，大多数适合应用在机械加工以及锻造工作当中，且在低温性能方面具有较好的表现。高温强度方面，同回火温度具有紧密的关联，在工作状态下，气门在高温环境下也将回火，并因此同奥氏体强度相比高温强度较低。重型柴油机方面，其气门材料自从对Sil合金进行应用后，并没有发生十分明显的变化。在普通柴油机以及汽油机进气门当中，较多的应用4Cr9Si2以及40Cr材料。

3.3 气门锥面强化材料

对于应用在重型发动机上的气门锥面，其经常因抗腐蚀以及抗磨损能力方面的缺乏而不能够满足工作要求，在该种情况下，其通常需要在锥面上做好强化合金的堆焊。如果强化合金为焊条，则要以氧乙炔方式TIG技术进行焊接，如果合金为粉末状态，则需要做好等离子焊接技术的应用。在气体焊接过程中，气门锥面热影响同PTA相比具有更大的影响范围，对此，目前很多高性能气门锥面合金都通过PTA方式实现堆焊处理。强化合金方面，其则由Ni以及Co沉淀处理后形成的铁剂奥氏体合金，沉淀物一般为V、Mo以及Cr等，且锥面强化合金在碳含量方面较高，并因此具有较好的耐磨性。

4 国内外气门材料研究进展

4.1 国内材料研究进展

从上世纪50年代开始，我国引进前苏联气阀钢，70年代中期，所研发的6102汽油机在排气阀当中使用了21-4N，并以此正式开展我国气阀钢国产化工作。改革开放以后，我国在大量引进外国先进车型的同时也积极开展国外气阀钢的国产化工作，所涉及的钢种有21-2N。21-4N以及23-8N等。在此过程中，上海内燃机研究所以及我国钢铁研究总院共同实现了了MF811气阀钢颜值，同美国材料XB相比，具有更好的性能，且具有制造成本低、工艺性能好以及成材率高的特征。时间发展到上世纪90年代，在我国铁道部大力支持下，天津机车以及大连机车配件厂研制LF2合金新型气阀，在240B型机车当中运行，并已经达到了我国先进水平。同当时国外的王牌合金Nimonic 80A等材料相比，两者间合金性能基本相当，但在成本方面具有更高的优势，在当时轿车、机车以及重型汽车方面都具有较为广阔的应用前景。21世纪初，我国研制出具有较高经济性的奥氏体气阀钢LF6，准备将其实现21-4N钢的拟替。同21-4N钢相比，该种钢成本更低，具有较好的长时高温强度，具有较好的发展前景。总的来说，在改革开放以来，我国不断实现内燃机引进，在使我国内燃机水平不断提升的情况下也实现了我国气阀钢的不断推动。

4.2 国外材料研究进展

同国内相比，国外在气门材料研究方面相对较早，技术方面也具有更为成熟的特征。在材料选择方面，国外根据进排气门类型的不同也具有不同的材料选择。排气门方面，其通过具有较好耐蚀性合金制成整體气门以及双金属焊接气门。进气门方面，则较多应用造价较低、且具有较高耐磨性的马氏体耐热钢整体结构。

最初，美国使用马氏体耐热钢作为排气门材料，目前依然应用在温度较低的发动机排气门当中。在实现更高性能柴油机开发之后，则对具有更高高温疲劳强度的合金进行应用。TPA是一种Cr-Ni合金，其在21-12N基础上，加入了W以及Mo元素，目前较为广泛的应用在柴油机设备当中。同时，其也开发出了应用在飞机发动机的高温气门材料，两种高温合金分别为TPM以及N155。通过Ni、Mo以及W金属的加入，则有效实现了N155性能的提升，并在10年之后应用到了高性能柴油机当中。在上世纪50年代开始，国外开发出了21-4N奥氏体耐热钢，该种合金材料可以实现沉淀时效强化。而到了60年代，则逐渐通过Inconel751实现21-12N的代替，普通卡车发动机也通过该材料实现Sil10的代替。此时，有发动机制造企业为了实现锥面抗磨性能的提升，也使用N155实现Sil10的取代，以此获得更好的锥面抗磨性以及高温强度，从60年代开始，则使用Inconel751在部分发动机气门当中。

23-8N是上世纪80年代末由Armco以及伊顿公司联合开发的、专门应用在发动机排气门的材料，同当时同时期经常应用在排气门上的Sil10以及21-12N材料相比，通过其当中Ni以及Cr元素的增加，则使得奥氏体具有了更为稳定的特征。在590℃以上，由于Sil 10将变得不够稳定，则会在发动机运行一定时间后在疲劳强度方面具有降低特点。长期稳定方面，其同Sil 10具有更好的表现，且在同类合金当中具有最好的锻造性能。近年来，新兴空心气门获得了更多研究人员的注意以及重视，通过空气气门的减重，不仅在寄生消耗降低方面具有一定的推动，且更好实现配气机构动态响应的实现，将因此有效实现发动机对效率、性能方面控制的提升，可以说，在未来几年内，该技术在汽车工业以及赛车运动方面都将具有重要意义。

5 结束语

在上文中，我们对汽车发动机用气门材料的选择及研究进展进行了一定的研究，在未来工作当中，也需要能够继续做好新材料的研发，以此更好的满足汽车发动机发展中的新需求。

参考文献：

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