某型缸盖气门和座圈改进

段彩莲

摘要：文章首先对某型缸盖气门的常见故障进行了介绍，然后进行了失效分析，最后给出了针对性的改进方案，提高了气门和座圈的耐腐蚀性、耐磨性。

关键词：缸盖气门;座圈;改进方案

0  引言

据市场反馈某型柴油机在使用约1200h，发现气门故障。拆解后如图1，需要进行改进。

1  气门的常见故障

发动机气门工作在高温、高腐蚀性、冲击和交变载荷下，气门的设计、结构、形状、材料、加工工艺等都会影响其使用期限，与气门相关的气门座圈、气门导管、气门弹簧、凸轮轴、气缸盖、冷却状态等也会影响气门。常见的气门损坏方式如下：

1.1 排气门烧蚀

烧蚀现象在气门颈部、锥面、头部端面均可见到，以锥面的影响最大。烧蚀之处为麻点，继而被高温燃气冲刷成沟槽，气门的密封性完全被破坏，发动机无法正常运转。

引起排气门烧蚀的原因通常有材料抗高温腐蚀性不够;积碳破坏气门与座圈间热传导，造成锥面局部温度升高，气门材料烧蚀等。

1.2 气门断裂

断裂主要发生在锁夹槽及颈部与杆部交接处附近，最常见的损坏形式是疲劳损坏。

气门断裂的主要原因有：颈部锻造裂纹未消除;发动机排温过高;气门座扭曲变形或与导管同心度差使气门产生弯曲应力;气门强度过低;锁夹槽过渡圆角太小等。

1.3 气门头部裂纹和碎落

造成气门头部碎落的因素很多，通常是属于冲击损坏和疲劳损坏。

主要原因有气门锻造时有小裂纹、气门座圈变形等。

1.4 气门锥面磨损过快

主要是由于气门材料选择不当或气门材料与座圈材料、硬度匹配不合适;以及气门与座圈产生相对滑移，造成气门磨损;此外，机油滲漏，积碳过多也会引起气门锥面异常磨损。

2  失效分析

该柴油机应用于近海捕捞渔船，发动机基本参数如表1。

气门杆部材料4Cr10Si2Mo，头部材料23-8N，热处理后头部硬度≥HRC28。与之配合的粉末冶金座圈，材料PB50WD，硬度HRC40～55。

2.1 材料检测

对失效件进行材料检测，发现进、排气门座圈同为PB50材料，进气门座圈检测没有Co，不符合要求，硬度符合图纸要求。座圈密度比图纸要求低。

2.2 电镜分析

使用电子显微镜，对气门、座圈进行扫描分析。

从样件座圈磨损的电子扫描图片中可以看到由于氧化、腐蚀等原因容易造成座圈中耐磨粒子剥落，造成座圈加速磨损形成凹槽或凹坑。（图3、图4）

2.3 失效分析

通过综合分析确定：

①气门的失效首先是由于气门座圈不耐磨引起。

②通过成分检测，该PB50材料主要采用的是以Cr-Mo合金作为耐磨粒子添加在普通基体材料中，通过高温烧结弥散形成烧结合金钢，该材料中Cr很容易在300～400℃与氧发生反生成氧化物，尤其是进气门侧含氧量高的情况下，且该氧化物是疏松的。在气门落座时，气门与气门座圈发生金属接触，在落座力作用下产生滑移，再加上气门本身的旋转，故进气门座圈产生明显的一圈凹槽，造成气门与座圈密封性能降低，同时由于燃烧不充分，产生大量积炭，又加剧了磨损。

③温度较高的排气门，气门与座圈之间发生干涩冲击配合，在高温的情况下，积炭中的固体颗粒在排气门发生粘结磨损，该发动机在近海捕鱼作业，空气盐分酸性腐蚀性更强，发动机增压使排气的气流压力大，在高温、高速、酸性腐蚀性气流的冲刷容下易造成耐磨粒子剥落形成磨粒磨损，由于PB50材料整体热硬度不高，排气门座圈很容易产生凹坑。凹坑出现的情况下，气门与座圈配合紧密度降低，造成热传导性能下降，气门热量不能及时传导出处，形成气门热应力变形。

3  改进方案

①排气门材料改为21-4NWNb，气门采用整体氮化处理，提高耐高温、耐腐蚀性。

②耐磨性能与耐腐蚀性能更好的ST25，同时具备良好的热硬度。

对气门与座圈进行模拟试验，先进行4h台架冲击试验，检测气门下沉量，再进行12h台架冲击试验，检测气门下沉量。试验表明改进后的磨损量明显减少。（图5）

4  结语

通过对故障件进行分析和针对性改进，提高气门和座圈的耐腐蚀性、耐磨性，改进后的缸盖气门座圈和气门，应用在渔船上，现已运行超过2000h无故障。

参考文献：

[1]史绍熙主编.柴油机设计手册[M].中国农业机械出版社 1984年1月北京第一版，统一书号15216-139.

[2]朱仙鼎主编.中国内燃机工程师手册[M].上海科学技术出版社，2000.8.ISBN 7-5323-5459-8.