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工程硕士学位论文马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 摘要 本文综述了国内外内燃机车用柴油机气门用材、结构现状及发展。指出了进、排 气门所处的不同工况及使用同一材质、同一结构的弊端。对选用的两种马氏体钢的化 学成分、力学和物理性能及各项特性进行了系统地介绍。设计制造了工艺性好、成本 低、性能可靠的新型进气门，并进行了实际应用试验。结果表明：新工艺研制的马氏 体钢不堆焊进气门，生产成本可节约2 0 6 0 元支，已安全运行约4 5 万公里，填补 了我国内燃机车用柴油机淬火进气门的空白，为提升柴油机关键部件的技术水平，开 辟了有效的途径。 关键词：马氏体钢，气门，柴油机，工艺试验，淬火 第1 页 工程硕士学位论文 马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t a t e dm a t e r i a l su s e ，s t r u c t u r ea c t u a l i t ya n dd e v e l o pd i r e c t i o no fd i e s e l e n g i n ev a l v eu s e dt o i m e r n a lc o m b u s t i o nl o c o m o t i v e l i s t e dd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n b e t w e e ni n t a k ev a l v ea n de x h a u s tv a l v e , a n dp o i n t e do u td i s a d v a n t a g e st h a tu s e ds a m e m a t e r i a l sa n ds t r u c t u r et om a n u f a c t u r ev a l v e si n t r o d u c e da n dc o n t r a s t e ds y s t e m a t i c a l l y c h e m i c a lc o m p o s i t i o n , m e c h a n i c a l & p h y i l e a lp r o p e r t ye t ca b o u tt w om a r t e n s i t es t e e l s t h en e wi n t a k ev a l v e sw e r e d e s i g n e da n dp r o d u c e d t h a tt e c h n o l o g yi sb e t t e r , c o s ti sl o w e r a n dp r o p e r t yi sc r e d i b i l k y t h ei n t a k ev a l v e sw e r el o a do nd i e s e le n g i n ea n dd i dr u n n i n g t e s tb a s e do i lt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，n e w l yn o h e a p - w e l d i n gi n t a k ev a l v em a ys a v e 2 0 6 0y u a n p e rs t i c ka n d n l ns a f e l ya b o u t4 5t e nt h o u s a n dk i l o m e t e r s f i l lu pab l a n ko f t h e q u e n c h i n gi n t a k ev a l v eo nd i e s e le n g i n ev a l v e u s e dt oi n t e r n a lc o m b u s t i o nl o c o m o t i v ei n o u rc o u n t r y f o ra d v a n c e dt e c h n i c a ll e v e lf o rk e yp a r t so nd i e s e le n g i n e , i n a u g u r a t ea l l e f f e c t i v ea p p r o a c h k e y w o r d s ：m a r t e n s i t es t e e lv a l v ed i e s e le n g i n e t e c h n o l o g yt e s tq u e n c h i n g 第页 y6 8 3 3 3 4 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：二翌垦篁茧年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：丝王丝、 年月日 工程硕士学位论文 马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 1 绪论 1 1 引言 我国自1 9 6 9 年内燃机车问世以来，已有3 0 多年的发展史。目前，我国铁路干 线上运行的以2 4 0 2 7 5 2 5 型柴油机为动力的东风系列内燃机车近1 2 万台，并将继 续增长，仍将是我国铁路运输的主要牵引动力。从1 9 9 3 年起，我国已向1 0 个国家 出口东风系列内燃机车3 0 0 余台，国际市场的需求，必将对我国内燃机车及柴油机 的综合技术水平，提出更高的要求。 我国铁路发展纲要提出，到2 0 2 0 年机车达到国际先进水平。满足“客运高速、 快速，货运重载、快捷”的市场需求，客运时速 _ 2 0 0 k m ，牵引1 8 2 0 辆车箱；货 运时速k 1 2 0 k m ，牵引5 0 0 0 吨及以上。 柴油机作为内燃机车的源动力，正在向大功率、高性能、高可靠性、低排放、 少维修和免维护方向发展。 气门，作为柴油机的重要零件之一，随着柴油机综合技术水平的快速提升，对 其综合技术性能的要求，也越来越高。因此，从结构、材料及制造工艺等方面，研 制内燃机车柴油机用新型气门之一高可靠性的马氏体钢进气门，成为本文的 课题( 本文所研究的气门，除特殊说明外，专指干线内燃机车柴油机用气门) 。 1 。2 气门工作原理、现状及其发展 1 2 1 配气机构及气f - 1 3 ：作原理 配气机构是由气门机构和气门驱动机构组成，如图1 2 1 1 所示1 。其中：1 一气缸盖气门装配；2 、1 3 、1 4 、3 0 一螺柱：3 、1 1 、2 1 一垫圈；4 、7 、1 2 一螺母； 8 一摇臂座装配；9 一压球座：1 0 一横臂装配：1 5 一气缸盖罩装配；1 6 一垫；1 7 一接 头体；1 8 、2 3 、2 6 、2 7 、3 3 一o 形密封圈；1 9 顶杆套简装配；2 0 一顶杆装配；2 2 一压紧螺母；2 4 一推杆法兰；2 5 一垫片；2 8 一弹簧；2 9 一推杆装配；3 l 一示功阀与 座；3 2 一套；3 4 一盖螺母：3 5 一螺栓；3 6 一气门。 我国东风系列机车柴油机中的配气机构采用的是顶置式四气门结构，两个进气 门和两个排气门分别布置在气缸中部的左、右侧( 见图l 。2 。l 。2 ) 。同名气门采用串 联式布置，使进、排气总管集中布置在柴油机的v 形夹角中间，使柴油机结构紧凑。 气门安装在气缸盖上的气门导管内，气门上部装有内、外弹簧。这种双弹簧结构比 单弹簧结构工作可靠。 工程硕士学位论文 马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 图1 2 1 12 4 0 z j d 型柴油机配气机构 图1 2 1 2 装配在气缸盖中的气门位置图 工程硕士学位论文马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 摇臂 图1 2 1 3 配气机糙瞒动棚构原理图( 气门关闭) 杆、顶杆、摇臂，按配气相 位控制其开、闭。此传动机 构原理由图1 2 1 3 和图 1 2 1 4 所示。 配气机构的功能是保 证柴油机按配气正时的要求 进行换气，即在规定时刻、 在一定的时间内把气缸内的 燃烧产物排出，把新鲜空气 引入，以保证工作循环的不 断进行。它们非常敏感地影 晌着柴油机的性能。 对配气机构的要求是： 由于两个弹簧有各自的 自振频率，当一个弹簧在干 扰力作用下产生共振时，另 一个弹簧起到阻尼作用，从 而减少了因弹簧发生断裂的 危险性。弹簧的下端支承在 气门导管中部的法兰上，另 一端顶在气门秆上部的锁夹 套下面。 气门驱动机构主要由横 臂、摇臂、顶杆、推杆和凸 轮轴组成，由凸轮轴通过推 图l2 1 4 配气机梅传动机构原理图( 气门打开) ( 1 ) 具有足够的气流通过能 力，以保证气缸内有尽可能高的充气系数和良好的换气性能。为此，在强化程度较 高的柴油机上，大都采用四气门结构，即进、排气门各两个。四气门布置与两气门 相比，在相同的气缸直径下，能获得较大的气门通道截面，减小气门直径，提高气 门刚度，增大气门散热总面积，降低气门的热负荷。同时，可使气门喷油器布置在 气缸盖中央，有利于燃烧条件的改善。据资料记载o “，当将两气门改为四气门后， 可使进气门通道截面增加4 0 、功率提高1 0 ，油耗、排温也有所下降。但四气门 工程硕士学位论文马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 结构使气缸盖和气门驱动机构变得复杂。 ( 2 ) 具有良好的动力性能，以避免气门机构运动时的冲击和降低噪音。气门 机构运动时，承受了气体压力、气门弹簧的弹力、运动部件的惯性力、推杆和凸轮闻的 接触应力、运动部件的摩擦力等。上述这些力必须适当协调才能保证气门的良好动力性 能。 ( 3 ) 具有足够的刚度，以免产生传动失真，使气门升程、配气相位发生变化， 动力性能恶化，凸轮磨损，气门和活塞相碰，充气效率下降等问题。 1 2 2 国内外进气门现状 1 2 2 1 用材现状 目前，国内外常用进气门用材列于表1 2 2 1 1 中。我国东风4 b 、4 c 型机车 柴油机用气门，通常采用4 c r l 4 n i l 4 w 2 m o ( 即31 4 6 9 钢) 奥氏体型不锈钢；东风4 d 型机车柴油机用气门，采用4 c r l o s i 2 m o 马氏体型不锈钢。 表1 2 2 1 1 国内外进气门用材 国别中国( g b )美国( a s t m )日本( j i s )德国( d i n )俄罗斯 4 c r 9 s i 2h n v 3 s u s l l ，s u h l x 9 0 c r m o v l 8 9 cx8 钢4 0 r 1 0 s i 2 m o s u h 39 1 0 7 种4 c r 9 s i 3 4 0 r 1 4 n i1 4 w 2 m o 3h6 9 表1 2 2 1 2 列出了国内几种进气门用材的化学成份对比。 表1 2 2 1 2 迸气门用材的化学成分对比 钢号 cs im npsc rn im ow 0 3 52 0 0m7 01 n 0 3 51 i 0 0 3 00 0翊6 0 4 c r 9 s i 2 m 4 5书o o1o o o 0 3 51 9 0蜘7 01 1 0 0 3 5翊0 3 09 0 01 i d 6 00 7 0 4 c r l o s i 2 m o 吨4 5 吃6 0- 1 0 5 0_ o 9 0 0 4 53 0 0如6 0m0 3 0m0 3 08 0 0如4 0na l 4 c r 9 s i 3 _ 0 5 53 5 0_ 9 0 0翊3 5翊3 5 0 4 0m8 0翊7 0翊0 3 5翊0 3 01 3 o1 3 00 2 52 0 0 4 c r l 4 n i l 锄渤o 吨5 01 5 o一1 5 o- 0 4 027 5 工程硕士学位论文马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 表1 2 2 1 3 列出了进气门材料的常温及高温力学性能。从表中可见，4 c r 9 s i 2 、 4 c r l o s i 2 m o 和4 c r l 4 n it 4 w 2 m o 三种材质的室温强度相近，但高温强度相差较大。 4 c r l 4 n i l 4 w 2 m o 远远高于4 0 r l o s i 2 m o 和4 c r 9 s i 2 ，4 c r l o s i 2 m o 略高于4 c r 9 s i 2 。这 与合金元素含量关系密切，c r 含量影响较大。c r 元素是不锈钢中提高耐蚀性的主 要添加元素，不锈钢的耐蚀性按含c r 量的比例遵循8 n 原则，即c r 在基体组织中 的有效含量每增加8 ，其钢的耐蚀性能显著提高，而c r 含量在 1 0 ( )n m m 2 n m m 2 ( h v )n m m 2次n m m 2 8 8 7 8 8 6 9 4 8 2 2 3 8 5 7 o 2 9 室温 9 3 9 8 26 9 3 8 4 2 4 o 5 7 43 0 6 0 0 3 1 2 6 2 2 3 0 3 05 4 49 4 2 5 8 8 3 1 3 6 02 3 8 1 46 0 49 4 7 4 c r 9 s i 2 1 4 7 9 88 1 3 48 0 49 7 8 7 0 0 1 4 8 9 68 7 2 28 1 8 8 3 31 0 1 0 8 0 0 9 8 01 4 7 o 9 8 1 9 62 1 65 0 1 3 0 室温 9 9 2 7 47 5 6 5 62 0 04 8 5 3 2 3 2 7 3 23 1 3 64 8 89 1 o 6 0 0 3 0 1 8 43 0 9 6 84 9 29 1 0 4 0 r l o s i 2 m o 1 9 9 9 21 2 2 55 7 89 6 1 7 0 0 1 9 2 0 81 2 0 5 45 7 89 5 8 1 2 6 4 27 0 5 66 4 o9 8 2 8 0 0 1 2 5 4 47 2 5 27 2 o9 8 2 8 9 1 84 4 13 24 3 0( 2 5 5 - - 室温 8 2 3 24 2 1 42 22 7 5 2 6 6 ) 5 5 6 6 41 9 65 0 12 4 5 6 5 0 5 0 0 5 9 6 81 7 。25 1 8( 2 3 5 ) 4 c r l 4 n it 4 w 2 m o 3 2 5 3 62 2 45 6 87 6 0 9 8 7 0 0 3 2 1 4 42 3 56 5 5 ( t 9 6 ) 2 3 6 1 8 3 2 06 1 7 8 0 0 2 3 2 2 64 7 6 6 5 2 工程硕士学位论文马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 1 2 2 2 结构现状 为了提高气门用材表面的耐磨性和耐腐蚀性，传统工艺均采用在气门阀盘锥面 处堆焊钴镍合金或钴铬合金。我国机车柴油机用气门，目前大多采用在阀锥面及阀 杆顶部堆焊c o c r w 合金的结构。现行东风4 d 型机车柴油机用进气门的结构见图 1 2 2 2 1 。该气门是由气阀体( 整体) + 堆焊层( 阀盘锥面) 构成。该种结构从二 十世纪四、五十年代沿用至今。国内主要几种进气门用材和结构见表1 2 2 2 1 。 图1 2 2 2 11 6 v 2 4 0 j z d 型柴油机用进气门结构示意图 表1 2 2 2 1国内机车柴油机用进气门用材和结构一览表 机车型号柴油机缸径气门材料气门结构 东方红系列机车 1 7 5 、1 8 04 c r l 4 n i1 4 w 2 m o 整体结构，阀杆氮 东风3 机车 2 0 74 c r l 4 n i l 4 w 2 m o 东风8 机车 2 8 02 l 1 2 n 化，阀杆末端和阀 东风4 c 机车2 4 0 4 c r l 4 n j 】4 w 2 m o 盘锥面堆焊硬质合 金。 东风4 d 机车 2 4 04 0 r 1 0 s i 2 m o 1 7 5 、1 8 0 、1 9 0 、2 0 0 、 整体结构，采用氮 其它 4 c r l 4 n i1 4 w 2 b l o 2 4 0 、2 8 0 、3 9 0化、堆焊。 工程硕士学位论文马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 1 2 3 存在的问题 气门的工作条件十分恶劣，它承受着很高的热负荷和冲击性机械负荷及燃气腐 蚀。在高温下，气门材料的强度、耐磨性能都会下降，由此易产生热变形、热应力、 疲劳破损和腐蚀磨损。从我国气门在长期应用过程中，暴露的寿命短、可靠性差， 运行8 - - 1 5 万公里就出现气门泄漏、裂纹、烧穿、阀座面腐蚀严重、剥落、掉块等 n ，甚至过早因掉块、疲劳断裂造成机破，其根本原因除因高温强度特性及耐高温 腐蚀性不足以外，更主要的原因在于阀盘表面的堆焊层，形成了很难根除的焊接缺 陷，使气门损坏大多首先发生在此部位。据资料统计： ( 1 ) 早期东风4 型内燃机车进行厂修时的配件更换情况。1 ：1 9 8 3 年厂修9 5 台， 其气门更换率为8 1 ：1 9 8 4 年厂修9 5 台，其气门更换率为9 4 8 。由焊接缺陷引起 的裂纹、掉块破损占8 0 以上，弯曲破损约占1 0 。 ( 2 ) 配属金温地方机务段的东风4 b 型机车走行l o 余万公里，即发现进、排气 门产生阀面开裂穿孔而失效现象h 1 。分析结果认为，造成此进、排气门开裂穿孔失 效的主要原因是焊接质量欠佳，即堆焊层与母材接合不良或堆焊层内存在焊接缺 陷，使裂纹首先在存有缺陷的薄弱处产生，然后扩展，最终失效。 ( 3 ) 根据石家庄机务段应用记录报告”，2 4 0 型柴油机架修每年大约1 2 0 台， 气门更换量较大，排气门更换率较进气门高。气门总的更换率大约在5 0 以上。气 门发生损坏的主要现象有裂纹、掉块、掉头砸缸及穿孔等，进、排气门不能保证安 全运行3 0 1 0 万公里，其他机务段的情况也类似。 1 2 4 进气门的发展 目前，机车柴油机正在向大功率、高可靠性、低油耗、低排放、轻量化、少维 修和免维护方向发展，相应的对燃烧室的重要部件一气门，提出了更高要求。 在气门结构上，以减轻重量及避免复杂堆焊层和降低气门本身的实际工作温度 为主，采用双金属摩擦焊不堆焊结构和充钠空心结构，并带有气门旋转机构，如： i n c o n e l 7 5 1 + s a e 4 1 4 0 ( 4 2 c r m o ) 等。 这种气门结构上的改进可带来如下的好处： ( 1 ) 因气门杆部采用马氏体型结构钢和空心充钠的结构，使气门阀盘本身的 实际工作温度分别降低约5 0 。c 和1 0 0 1 5 0 。c 。这是提高气门强度的最佳选择。为 此，与i n c o n e l 7 5 1 或n i m o n i c 8 0 a 整体结构相比又可减轻重量，从而减少了气门落 座应力。 ( 2 ) 因不采用在气门阀盘锥面及杆端部堆焊s t l 6 或s t l l 2 硬质合金( 即 c o c r w 粉末) ，同样具有高温磨损耐磨性，且避免由堆焊层造成的铸态缺陷，如： 工程硕士学位论文马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 疏松、缩孔、夹渣、裂纹等。 ( 3 ) 园不采用堆焊工艺，大大简化了制造工艺，生产周期缩短，制造成本降 低。 在气门材料的选用上，用4 c r l 4 n i l 4 w 0 2 m o 奥氏体铬镍耐热钢作排气门，耐高 温燃气腐蚀能力不够；而用其作进气门，还造成了材料上的浪费。 基于上述情况，国外早就将进、排气门选用不同材质。如，排气门使用耐蚀性 较好的i n c o n e l 7 5 1 高温合金制成的整体气门、拼台结构的双金属焊接气门、带有 内冷结构的中空气门等；而进气门一般采用耐磨性较高、造价较低的c r _ s i 系列马 氏体耐热钢整体结构。 世界各国在高档次柴油机中普遍采用具有高温强度特性、耐高温腐蚀性好的镍 基耐热合金( 如：i n c o n e l 7 5 1 、n i m o n i c 8 0 e ) 作为排气门用材。i n c o n e l 7 5 1 和 n i m o n i c 8 0 a 两种合金分别由英、美等国的大公司在3 0 年代末，为满足航空柴油机 的叶片和火焰筒等部件的要求，在镍铬合金( c r 2 0 ，n i 8 0 ) 基础上添加适量的z r 、 b 、a 1 、t i 等合金元素，逐渐形成了英国的n i m o n i c 系列和美国的i n c o n e l 系列。 英国的n i m o n i c 系列，美国的i n c o n e l 系列，都是以r n i 。( a 1 、t i ) 1 相为主 要强化相的合金。r 相是a 。b 型金属间化合物，具有长程有序的面心立方结构。t ， 相通过位错的交互作用强化合金，不仅在高温下具有高的稳定性，而且y 相的强度 又随温度上升而提高，从室温至8 0 0 。c 之间有一硬度和屈服强度峰值。y f 相相本身 的塑性，可防止过度脆性，从而使这种合金在高温使用状态下，不仅具有很高的高 温强度和高温硬度，而且在高温使用状态下，可持续时效，使得强度和硬度继续提 高。这种镍基合金还具有较高的持久强度和蠕变强度，较高的热冲击性和热疲劳强 度。以y ，相作为强化相的合金，由于其相组成中不含有在耐热合金中对耐蚀性起关 键作用的c r ，而使得合金中的c r 均在基体中起到最大限度地强化作用。在此类合 金中，n i 是强化相的主要组分。由于镍基合金的成本过高，所以，世界各国都在为 寻求在不失掉i n c o n e l 和n i m o n i c 系列合金所具备的优良特性的基础上，开发研制 出更好的高c r ( c r y 2 0 ) 、保持适当a i t i 和c r c 比、以t 相为主要强化相的低镍 耐热合金，以取得最大的经济效益。同时，也开始研究以a $ 型金属间化合物为基 的合金，以求最大限度地减轻气门的重量。如：以n i 。a 1 、t i a i 、f e 。a i 为强化相的 金属问化合物为基的合金。 从气门制造工艺上，由于各种数控机床、精密检测仪器及可控气氛炉在制造业 的普遍应用，给机械加工和热处理工艺的改进提供了先进的工艺手段，可以十分准 确和更加便利地处理各种以前比较棘手的工艺问题。 目前，人们对陶瓷和工程塑料等新材料在内燃机车上的应用具有极大的兴趣。 一般的陶瓷材料耐热性好，但脆性大；工程材料具有良好的塑性和韧性，但对热敏 工程硕士学位论文马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 感，在较低应力和温度下，容易产生塑性变形。现在，材料专家正在着力研究各种 用途的新型材料。在不久的将来，具有优良的热效率、低比重的功能材料将在内燃 机领域获得广泛的应用。 1 3 选题依据及意义 我国东风4 系列机车柴油机气门，虽然自1 9 6 9 年问世以来持续不断改进，但 气门结构、用材一直未变，落后于其它关键零部件的技术发展。铁道部于1 9 9 8 年， 将新型气门的研制，列入了中车( 9 8 ) 技一1 5 科研计划中。2 0 0 3 年铁道部又提出了 “三个一流”的跨越式发展战略，要求内燃机车的运用维修，实现“一中一大”目 标，“一中”即内燃机车柴油机中修里程由现在的3 0 万公里延长到4 5 万公里，“一 大”即内燃机车柴油机大修里程由现在的8 0 万公里延长到1 2 0 万公里，气门作为 柴油机关键零件其可靠性应顺应这个发展形势。 对于排气门，我们已经研制出具有国内特色的l f 2 + 4 2 c r m o ( 用于东风4 型机车 柴油机) 和( 用于东风8 1 1 型机车柴油机) 双金属摩擦焊不堆焊结构，其中l f 2 + 4 2 c r m o 排气门已通过了1 0 6 万公里的应用试验，l f 4 + 4 2 c r m o 排气门通过了1 0 0 0 h 的柴油机台架试验：而进气门还没有研制出满足工况条件、成本适宜的配套产品。 新型进气门的研制突显端倪。 目前，柴油机正在向提高输出功率，提高强化指标，提高可靠性，改进燃烧质 量，降低燃油消耗率，燃油使用多样化，减少有害排放量，减轻重量，缩小体积， 延长检修期和实现免维护的方向发展。为了与国际先进技术水平接轨充分利用国 内企业在气门用材及结构上的自身的技术优势和领先地位，开发研制新型进气门意 义重大。 据此，我们选用了国内较易采购的、性能价格比较为合适的4 c r l o s i 2 m o 和 4 c r 9 s i 2 两种马氏体钢作为2 4 0 型柴油机用进气门材料，采用先进的加工设备，实 现精确的几何结构，并制定了整体淬火和感应淬火两种工艺，舍弃传统的阀盘锥面 堆焊工艺。课题目标确定为：使用寿命达到8 0 1 0 万公里。 1 4 本文所做的主要工作 本文在对气门的工作原理及设计理论进行较为详细地探讨的基础上，对进气门 的选材、结构、制造工艺等进行了研究，并对研制的气门进行了实际运用考核，最 后对应用考核的气门进行了解剖分析。具体研究工作主要从下面几个方面进行； ( 1 ) 进气门工作原理及失效机理的探讨； ( 2 ) 进气门材料的选择； 工程硕士学位论文马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 ( 3 ) 进气门工作原理及失效机理的探讨； ( 4 ) 进气门工艺试验法的选用及工艺参数的选择； ( 5 ) 进气门试验过程中的理化检验及结果分析； ( 6 ) 进气门的制造及试验； ( 7 ) 进气门成品应用试验和结果分析。 本课题的关键： ( 1 ) 关健部位高精度几何尺寸的加工保证； ( 2 ) 热处理试验方法的制定及工艺参数的合理选择； ( 3 ) 试验数据的分析； ( 4 ) 应用试验和结果分析。 本章小结：本章综述了我国内燃机车的现状，并对气门工作原理、结构现状、 发展及其选题意义等进行了陈述，介绍了当前气门运用中存在的问题，同时明确了 本文所做的主要工作。 工程硕士学位论文马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 2 马氏体钢进气门的设计 2 1 进、排气门的工况 进气门主要用于将新鲜空气导入气缸盖中，保证柴油机燃烧供氧；而排气 门主要用于将柴油燃烧后的废气排出气缸外，进、排气门需精确地控制开、闭 时间。因而，同一柴油机上的进气门和排气门所承受的工作温度是不同的。 进气门的工作温度一般是进气充气温度和柴油机冷却系统效率的函数，可表达 为： t i = f ( t c ) + p ( nc ) + 式中：t i 一进气门工作温度，k ： t c 一进气充气温度，k ； qc 柴油机冷却系统的效率，。 排气门的工作温度是柴油机比功率、燃烧过程相对效率和柴油机冷却系统效率 的函数，可表达为： t e = f ( p ) + g ( r l c o ) + i ( r ic ) 十 式中：t e 一排气门工作温度，k ； nc o 一燃烧过程相对效率，； nc 一柴油机冷却系统的效率，。 由于进气充气的冷却作用，使进气门的工作温度大大低于排气门的工作温度。 进气门的工作温度一般为2 0 0 3 0 0 。c ；而排气门的工作温度一般为5 0 0 7 0 0 c 。 进气门由于工作温度较低，虽然它受到了与排气门相同的燃烧产物的影响，常 可忽略有害气体的腐蚀作用。 排气门的温度分布尤其与废气温度有关。柴油机每一次燃烧过程均会对气门盘 部的燃烧室侧产生高压，即柴油机气体爆发压力，而在气门盘部的气口侧产生周期 拉伸应力。该应力值。是柴油机峰值燃烧压力p 的函数，即可用表达式：o = f ( p ) 表示；其次，气门落座动作使阀杆与阀头气口侧内圆角的连接处产生周期拉伸应力； 在大功率工况下气门座的内在热变形使气门产生点接触的压应力，由于气门与气门 座初始点接触产生的弯曲应力会增加气门落座应力值，即落座冲击力，此力大小与 落座速度有关。 工程硕士学位论文马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 排气门的头部极易受到燃烧产物的影响。因油料中含有v 、s 、p b 、b a 等多种 不纯微量元素，它们与空气中的0 2 和n a c l ( 海盐粒子) 在燃烧过程中发生反应，生 成低熔点、吸氧力很强的复杂组分的钒酸盐、硫酸钠等。在n a 。s o 。和n a c l 共同存在 的情况下形成熔点更低的共晶物。这些含有强腐蚀成份的物质固着在气门头部的表 面斗熔融斗与氧化膜反应一变成非保护性物质( 或向s 所在处扩散) 哼产生异常腐 蚀，也就是人们所说的钒冲击、高温硫化反应，即热腐蚀。末燃烧完了的活性碳也 吸附在气门盘部表面上而发生高温渗碳，这种高温渗碳会使气门脆化和高温硫化腐 蚀。腐蚀生成物的保护性、粘着性、耐龟裂性及熔点等都对气门的耐蚀性和高温强 度特性有着很大的影响。其影响的潜在严重程度是气门合金化学成分的组成、金属 特性( 如晶粒大小、硬化相分布及金相组织等) 和气门工作环境的函数，其中合金 成分的组成尤为重要。 下面就进、排气门的应用工况、破坏形式及原因作以下简述。 ( 1 ) 进气门 工作于中温、高速进气冲击、干磨擦等环境中，所引起的主要破坏形式为阀面 凹陷、裂纹、穿孔、掉块等。其主要原因见表2 1 1 1 。 表2 1 1 1 进气门损伤形态及产生的主要原因 损伤形态主要原因 a ) 高速进气冲击 1 阀面凹陷b ) 阀面落座力 c ) 干磨擦 a ) 堆焊层次表面焊接缺陷 2 裂纹、穿孔、掉块b ) 堆焊层铸造缺陷 d ) 阀座面局部碰撞或偏磨 从表2 1 2 1 可见，进气门在选材方面，需改进其强度、耐磨性，并在此基础上，进 行轻量化改进。另外，对进气门的进一步要求是改进其结构，不使用堆焊层提高可靠性。 ( 2 ) 排气门 工作于高温、高腐蚀性燃气之中，引起故障的主要原因，由高温氧化、高温钒 冲击腐蚀、高温硫化腐蚀、硫酸腐蚀等与高热负荷、高机械负荷叠加效应共同造成 的。排气门损伤形态及产生原因列于表2 1 1 2 。 从表2 1 1 2 可见，排气门材料的高温性能是主要方面。在排气门应用工况的 诸多损伤中，高温硫化腐蚀( 高温热腐蚀) 是重要的腐蚀现象。为降低冲击载荷的 工程硕士学位论文马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 破坏影响，轻量化也是排气门的要求之一。所以，排气门从结构、材料、制造工艺 等要求，都要大大高于进气门，应具有更好的高温强度、高温耐磨性和高温耐蚀性。 表2 1 1 2 排气门失效形态及产生的主要原因 失效形态主要原因 a ) 高温疲劳强度不足 b ) 因发生点蚀、缺口而使局部应力增加 c ) 应力、温度上升( 高p 高输出功率) 1 - 伞部r 处损伤 d ) 燃料质量低劣 e ) 变形和单侧应力增加 f ) 冲击载荷 a ) 阀座面局部腐蚀 b ) 阀座面局部压痕、凹陷 2 阀座面泄漏c ) 阀座面粘附污垢和局部剥离 d ) 阀座面局部碰撞或偏磨 e ) 燃料质量低劣 a ) 燃料质量低劣 3 伞面腐蚀 b ) 材质选择不妥 2 2 马氏体钢进气门的结构设计 我国大功率内燃机车均采用四冲程柴油机作为动力。它采用的是直喷式，即燃 油直接喷入气缸至活塞顶部中心燃烧室。 对于气门结构尺寸的设计，以减少作用在阀盘上的吸引力为主要方向。气门均 采用垂直方式，由于活塞和气缸盖必须有很小的间隙，以便获得一个紧凑的燃烧室 及良好起动和低负荷高速运转所需的高压缩比。通常排气门的直径略小于进气门， 因为一个略高的压差不会劣化柴油机的换气和输出。据资料介绍“，在气缸直径d 内布置的两个垂直气门，其气缸盖最小开口直径内喉口直径d 为0 4 3 0 4 6 d ，相 应的排气口直径为0 3 5 0 3 7 5 d 。如果喷油器在气缸中心或靠近气缸中心，则最大 的进气喉直径大约为0 3 2 d ，而排气口直径低于0 3 0 d 。4 5 。阀座锥角的气门头部直 径大约为1 0 9 d ；如果锥角为3 0 。，则为1 1 l d 。 多年来，进气速度是用最高转速的“经验法”估计的。柴油机在最大功率时的 进气速度为7 6 m s ，我们用m a t h c a d 编制的程序计算的东风4 d 机车柴油机的进气门 名义流速为5 6 m s 。进气速度的计算公式为 工程硕士学位论文马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 v 。= 2 l n ) 2 ( m s ) u 式中：l 一行程，m ； n 一曲轴转速，r s 。 理论上，气门杆截面积应该从气门喉口面积中减去，但这个值t e 4 ，在经验设 计时通常予以忽略。气门杆直径一般为0 2 0 0 2 2 d 。为了获得与气门喉口相同的 面积，气门应提升四分之一的喉口直径( 即为d 4 ) 。 事实上，试图达到最大的气门升程，至少为0 2 6 d 。这通常在如机车柴油机这 类的低速柴油机中使用。 气门面积也是一个重要的参数。 图2 2 1 表示从气门座上提升的气 门。右边开度较小，气门的流通面积 a 是以气门喉口直径d 。为底，d 。为大 底的斜高为x y 的截锥体的侧面积。 n a = s ( d l 十d l ) 式中：s 一截锥体侧面积； s = l c o s q 式中：l 一气门升程； a 一气门锥角。 d l 一气门喉口直径。 图2 2 1 气门的流通截面积 d l 2 d i + 2 x z = d l + 2 x y s i na = d 。+ 2 l c o s c is i na 所以，气门开启截面积为： “”5 “。c 。s 。( 也+ l c 。sas i n a ) 2 d 1 言c o sq ( 1 + 詈c o s qs i nq ) = d i 2 c o sa ( 1 + 旱c o sas i na ) 旱 1 0 1a l 以无量纲菁为基础来比较不同气门喉口的流动特性。 如果锥角为4 5 。，则上述公式变为： a v = d 。2 ( o 7 0 7 1 + o 3 5 3 5 4 - ) 导 u 【a 1 如果锥角为3 0 。，则公式变为： a v = d ；2 ( o 8 6 6 + o 3 7 5 3 “- ) 导 u 1 0 e 如果气门杆直径为o 2 1d ，则气门净喉口面积为： 工程硕士学位论文 马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 三4 d ? 一( o 2 1 d 。) 2 卜o 2 3 9 0 d 。2 所以，锥角= 4 5 。时l d = o 2 9 4 6 ；0 = 3 0 。时，l d = o 2 4 9 t 。 通常，气门杆截面被忽略，则气门净喉口面积被简化为：t “d ，z 。当。= 4 5 。 时，l d = o 3 0 7d 。；a = 3 0 。时，l f l d = o 2 5 9d ，。 当气门升到使垂足x 落到气门座以外时，流通面积不再以这个截面体侧面计算， 如图2 2 1 左侧所示。因此，找出直线e c ，在有关的升程下，这个截面是气门处气 体通道的最小断面积。实际上，当确定流动系数时，在升程范围内，这个截锥体侧 面是能精确地反映真正的流通的。可以按这个假设计算出有关的系数。按上述原理 及公式计算出的柴油机用气门的实际校正尺寸见图2 2 2 。 图2 2 21 6 v 2 4 0 z j d 型柴油机进气门结构设计简图 删4 5 _ 0 竹 工程硕士学位论文马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 2 3 马氏体钢进气门的强度设计 2 3 1 进气门失效机理 气门( 特别是排气门) 在高温下工作，必须保持很高的强度和硬度以避免发生 蠕变现象。燃油中含有硫、较大比重的钒、钠等。这些元素的化合物熔点较低，当 气门头部温度超过这些化合物熔点时，钒化物和氧化钠常常沉积在气门头部密封锥 面上。如果发生沉积现象，使气门偏离气门座，导致气门导管部分裂开，发生烧损。 即使不发生烧损，由于气门头部温度过高，也会产生扭曲和疲劳断裂。 由于受温度的影响，气门属热疲劳损坏。一般气缸盖中，燃气- - n 金属温度在 气缸套中心或附近达到最高。随着向气缸套壁距离增加，温度逐渐减低。因此，中 心金属的膨胀受到周围温度低的金属( 包括气缸套和气缸盖接触部分外侧温度较低 的金属环) 的制约，结果产生中央金属拉应力。同时，金属温度沿着缸盖体从受热 气体壁面侧至冷却介质壁面侧的垂直方向逐渐降低。气缸内温差取决于该区域的热 流量、气缸盏材料热传导性和零件壁厚。假定温度与燃气接触表面距离呈线性关系， 相对于中等壁厚的平均温度，燃气接触壁面的温度较高时，受压应力：而有冷却介 质的壁面温度较低，受拉应力。直喷式柴油机进气门和排气门、排气门和中央喷嘴 鼻梁区水平温差更大。由于进、排气流的冲刷而引起的循环应力也将叠加至这些热 应力和热应变上。 在约2 0 0 0 c 以上温度时，钢铁材料的极限温度即开始下降。这表明，如果温度 的变化引起的热应力足够高时，受热物体作用一侧金属将发生蠕变现象或低应变速 率屈服。当柴油机在较低负荷下运转，或在极端情况下柴油机停机，其温度降低至 周围温度。因此，可以作出整个过程的应力时间曲线，如图2 3 1 _ l 所示“。图 中的主应力o 。为压应力或拉应力，这是由于燃气作用占主导时，温度作用产生应 力和相对较小的高频循环变化应力o ，叠加作用而引起的。主应力循环是由于柴油机 起动和停机引起的，铁路机车运行工作周期较短，因此，一年内柴油机热应力循环 周次很多。柴油机尺寸和金属增大可使热应力增大和蠕变现象增多，发生蠕变时间 也相对延长。 热疲劳断裂是由低周循环疲劳引起的。裂纹通常产生于受热气流冲刷的气门阀 面上，疲劳裂纹一旦产生，即很快扩展。 为了使腐蚀、磨损减至最低，气门头部密封锥面上，常常堆焊钴铬镍等合金。 为了使温度均匀，常常采用气门转动机构。 工程硕士学位论文 马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 夕 忍”同 残钮功时倜一 图2 3 1 1 燃烧室零件理想应力循环 2 3 2 进气门的材料及强度要求 2 3 2 1 气门材料的基本要求 气门，在高压作用下开启，造成气门头部与气门座之间的环形通道上气流 达到了声速，使气门头部阀面达到了较高的温度。因此，对制造气门材料提出 了以下几点要求： ( 1 ) 具有良好的常温机械性能。 ( 2 ) 具有优良的高温综合性能。既要具有良好的高温强度和硬度，又要有足 够高的蠕变破断强度和热疲劳强度。 ( 3 ) 具有定的抗高温氧化性能和具有优异的耐热腐蚀性能，即耐钒冲击腐 蚀性和耐高温硫化腐蚀性。 ( 4 )具有良好的冶炼、锻造成形、切削加工和焊接工艺性能。 由于本文研究的是进气门，工作环境要好于排气门，但仍存在进气冲刷及干摩 擦，因此选择了具有一定的耐蚀性及强度较高的马氏体型不锈钢。 2 3 2 24 c r 9 s i 2 钢简介 4 c r 9 s 1 2 钢是应用很广的中碳高合金钢，属马氏体型耐热钢。其化学成分见表 2 3 2 2 1 。 表2 3 2 2 14 0 r 9 s i 2 钢的化学成分 材料化学成分( ) 牌号 cc rs im nsp 4 c r 9 s i 20 3 5 - 0 5 08 0 0 - 1 0 0 02 0 0 - 3 0 0o 7 0o 0 4 0s 0 0 3 5 工程硕士学位论文 马氏体钢进气门新工艺的试验和研究 4 c r 9 s i 2 钢经调质处理后，具有良好的稳定性。即使在冷热交变的工况下，钢 的组织、性能仍能保持不变。且有优良的耐磨性和热强性，在高温时其抗氧化性能 也较高。4 c r 9 s i 2 钢在氧化性介质中，由于所含的铬能使钢的表面很快生成一层氧 化膜，防止金属基体继续发生氧化和破坏。因此，该钢具有较好的抗氧化性。同时， 由于钢中含铬量高，使c 曲线明显右移( 比较图2 3 2 2 1 与图2 3 2 2 2 ) ，在空 冷条件下便能获得马氏体组织。 用4 c r 9 s i 2 钢制成的零件，除要求一定的抗氧化性外，还要求具有一定的硬 度、强度和较好的综合机械性能。为此，4 c r 9 s i 2 钢常在调质状态下应用。调质状 态的硬度与回火温度密切相关，随着回火温度的提高，钢的硬度将随之下降。 4 c r 9 s i 2 钢的回火温度一般为6 3 0 6 5 0 。c ，硬度在h r c 3 2 3 7 。这类钢具有明显的 回火脆性，为此，回火后应立即采用水或油冷却，以抑制回火脆性倾向。 图23 2 21 合金结构钢c 曲线 图2 3 2 2 2c r s i 钢c 曲线 马氏体钢的耐热性和高温强度不如奥氏体钢，但因其相变点温度较高( a c t 为 9 0 0 ，a c 。为9 7 0 。c ，h r 。为8 1 0 ，a r 。为8 7 0 0 c ) ，故耐热性良好，而且价格比较便 宜。与奥氏体钢相比，有导热率大而膨胀系数小的优点。该类钢容易出现断口组织 粗大、冲击值降低等问题。 4 c r 9 s i 2 钢平衡( 退火) 组织的变化范围较大，这与钢的化学成分范围较宽直 接有关。当碳含量偏于下限时，即得到亚共析的平衡组织。因此，在日常生产中， 应适当控制它的化学成分范围，以避免出现网状碳化物而降低钢的冲击韧性。 工程硕士学位论文 马氏体钢迸气门新工艺的试验和研究 2 3 2 3 4 c r l o s i 2 m o 钢简介 4 c r l o s i 2 m o 钢也是马氏体型不锈耐热钢，一般经淬火回火后使用。4 c r l o s i 2 m o 钢的供货状态为：1 0 2 0 2 0 。c ，l h ，炉冷至7 5 0 0 保温l h ，空冷。它的技术要求见表 2 3 2 3 1 。 表2 3 2 3 i4 c r l