王斌　袁春

摘 要：随着科技的发展，人们对于生活品质的追求逐渐提高，车辆作为现代社会不可缺少的一种物品，车辆的配置和制造工艺也越来越好，伴随着全球汽车保有量的提升，对大自然的破坏也越来越严峻，全球各个国家和地区对环境的保护逐渐重视起来，对于汽车排放的标准也越来越严格，我国也随之推出了国六排放标准，为了达到国六排放标准，各个车厂对于汽车发动机也进行了各种方法的改进，力求在达到国六排放标准的情况下做到节能减排，同时提升发动机的使用寿命。而发动机的气门与气门座圈是组成发动机燃烧室的重要部件，气门座圈的主要作用是配合气门，保证发动机燃烧室的密封性。本文主要对国六排放柴油气门座圈的制作材料进行研究和解读。

关键词：柴油机 气门座圈 材料

Research on Valve Seat Material of National Sixth Diesel Engine

Wang Bin，Yuan Chun

Abstract：With the development of science and technology， peoples pursuit of the quality of life has gradually improved. Vehicles are an indispensable item in modern society， and the configuration and manufacturing processes of vehicles have become better and better. With the increase in the number of vehicles in the world， the destruction of nature is becoming more and more severe. Countries and regions around the world are gradually attaching importance to environmental protection， and the standards for automobile emissions are becoming more and more stringent. China has also introduced the National Sixth Emission Standard. To achieve the National Sixth Emission Standard， various automakers have also made various improvements to automobile engines， striving to achieve energy conservation and emission reduction while meeting the National VI emission standards， and at the same time increase the service life of the engine. The engine's valve and valve seat ring are important components that make up the engine combustion chamber. The main function of the valve seat ring is to match the valve to ensure the sealing of the engine combustion chamber. This article mainly researches and interprets the materials used to make the National VI diesel valve seat.

Key words：diesel engine， valve seat ring， material

想要針对性的研究柴油发动机气门座圈制作材料，那么首先我们要知道的柴油发动机的使用设备，柴油机因为其本身的热效率高、扭矩特性好的特点，在军用车辆、船舶及工程机械等重型机械设备和大型运输车辆上被广泛使用。然后我们以发动机的工作原理分析柴油发动机气门座圈的故障环境，以工作环境，来选择相对适合该环境的材料，用以生产。

随着市场对柴油机的要求不断提高，柴油机的性能也随之不断提升，燃烧室零部件所承受的热负荷与机械负荷不断加大，气门座圈承载的压力也慢慢变大。然而，柴油机的气门座圈是单独的一个零部件，是通过过盈配合安装在气缸盖上的，用以配合气门对燃烧室进行密封的重要零部件，在燃烧室承受的负荷不断加大的情况下，气门座圈承受的工作压力也在不断上升，增加了气门座圈的损坏的概率。

1 气门座圈所处的工作环境分析

（1）高温环境。柴油发动机汽缸内温度随柴油机工作周期进、压、爆、排的变化而变化，其中在发动机做进气工作时，进气门气门座圈温度最低达300摄氏度以上，发动机做排气工作时，排气门气门座圈温度可达到700摄氏度。在高温的条件下，在气门的不断开合情况下，气门和气门座圈各部分温度的动态变化和分布会有不均匀的现象产生，可能会造成气门座圈一定的热应力疲劳，高温也会使材料硬度相对应的降低，气门座圈会在气门落座冲击作用下更容易磨损以至于产生变形。（2）冲击载荷。如上图所示，如若气门座圈与气门是垂直作用的运动荷载的话，相对的冲击力会减少许多，但气门座圈与气门是成一定斜度的配合密封，所以相对的冲击载荷就大了许多。一般的大中型柴油机气门对气门座圈的冲击次数每分钟可以达1000次以上，以柴油运输车辆为依据，一般怠速在800转左右，发动机经济转速在1500转左右，想对应的，气门与气门座圈每分钟的配合次数就在800次到1500次，在高温燃气的环境中还要承受着高频率的反复冲击作用，气门与气门座圈的表面磨损速度就会急剧增加。

化学成分。柴油是轻质石油产品，复杂烃类（碳原子数约10～22）混合物，在燃烧室与空气相遇燃烧，会有一些氧化物沉积在气门与气门座圈表面，增加气门和气门座圈之间的摩擦力，并对气门座圈产生一定的腐蚀，加速气门座圈的磨损。

柴油机在工作过程中需要同时承受高温气体的冲刷作用、化学成分沉积腐蚀、高频燃爆压力作用、气门落座高频冲击和与气缸盖之间相互的挤压作用。在各种极端环境同时并存下，气门座圈可能会因为异常磨损，与气门之间配合不紧密漏气，降低发动机性能，也可能会不可逆热变形而发生松脱，导致气门无法落座，损坏气门阀体，气门阀体碎块随工作运转打破活塞、缸套乃至打破缸体、缸盖损坏发动机，导致机械无法正常使用，设备停摆。

2 气门座圈的故障分析

当柴油机气门座圈有缺陷时，气门与气门座圈不能很好地配合，密封性会降低，吸入的气体就会从缝隙逸出，导致气缸内压缩力不足，压缩比变小，随之发动机性能降低，在设备上的表现为，设备运转时间不长，排气管的温度过高。

故障原因：（1）空气滤清过滤不到位，发动机内部进入颗粒物，磨损气门、气门座圈，拉伤缸套;（2）气门弹簧弹力不足，气门开闭程度不足，闭合不到位，产生漏气;（3）气门导管与气门杆之间间隙大，导致气门与气门座偏磨;（4）气门间隙大，密封不严，使高温气体窜出引起烧蚀;（5）气门与气门座圈之间相互高频冲击产生机械磨损，同时受燃烧室高温环境侵蚀，产生化学热损伤而引起凹陷、烧蚀等。

故障现象：（1）粘着磨损。粘着磨损是由于气门座圈接触面由于工作运转产生塑性变形，在高温情况下，气门高频冲击作用，逐渐与之结合，主要特征是物质转移。该故障的主要原因是因为接触面润滑不够、接触应力较高等导致。（2）犁沟效应。犁沟效应是第二种故障表现，是一方接触面较硬的材质，与另一接触面较软的材质相互发生切割作用产生的一种沟壑形状的痕迹，因为很像以前的犁沟，故形象的称之为“犁沟”效应。该故障产生的原因可能是燃烧后的产物有较硬的附作物，亦可能是由外部吸入的较硬质粒导致。（3）第三种是塑性变形，主要表现是气门座圈接触面受到高频冲击，加上高温环境导致材料变形，导致，主要原因是材料的应力程度不达标导致。

故障检测：一般情况下气门和气门座圈出现磨损、起槽、麻点、烧蚀和裂纹等故障时，把气门和气门座圈接触面清理干净，便可以分辨出来，特殊情况下才会使用百分表、游标卡尺之类的工具用以检测。

3 气门座圈材料研究和选材

从气门座圈的故障分析和气门座圈所处的工作环境，不难得出气门座圈的材料选择需要同时具备着良好的高温力学性能、耐腐蚀、强度大、蠕变特性高、体积稳定特性好的材料，而且材料中应添加一定的减少摩擦的成分，用以改善高温情况下接触面的摩擦阻力，保证机械的使用性能，以及使用寿命。

气门座圈的材料：气门座圈材料分为传统材料，和分传统材料。一般传统材料指的是金属和各種合金类，非传统材料指陶瓷木材等，非传统材料制作的气门座圈还在开发研制阶段，故现有的气门座圈使用的一般都是金属材料。根据使用负荷情况，合金的成分会有相对应的变化，一般都是中、高合金铸铁，如耐热钢、镍基、钴基合金等，主要以铬、镍、钼、钨、钴、钒作为主要合金元素，以回火索氏体、回火屈氏体、奥氏体、铁素体为基体，以碳化物为硬质点。

柴油机气门座圈选材，耐高温材料是首先，再根据其他因素的要求，现有三种高温合金材料成为我们研究新的气门座圈材料的预选方向。分别是（1）钴基高温合金、（2）镍基高温合金、（3）粉末冶金材料。这三种新合金材料的蠕变温度都高于气门座圈的工作温度，故对材料性能的蠕变影响暂不做考虑。

下面我主要跟大家讲解一下粉末冶金气门座圈材料工艺和减摩方法。

随着燃油标号的改变，发动机的功率增加等原因，传统的金属合金气门座圈逐渐被市场淘汰，粉末冶金气门座圈逐渐走向主流市场。当下，世界各个国家和地区的研究中心都是以粉末冶金技术为气门座圈的主要研究方向。粉末冶金气门座圈的特点也逐渐显现，如：材料利用率高、生产加工成本小，适合批量生产，易添加减摩成分以达到减磨作用等。

粉末冶金气门座圈以材料分类可分为：1、基体强化型材料，2、硬质相粒子强化型材料。基体强化型材料是在烧制合金时添加一定量的Cr、Ni、Co、Cu 、P等固溶强化元素，用以增加材料的密度，从而达到材料基体组织强化的作用。硬质相粒子强化型材料在烧制基体合金时添加一定量的合金元素，主要有Fe-Cu-Mo、Fe-Cr、Fe-Cr-Ni、Fe- Co、Fe-Co-Ni 等系列的合金体系，这些合金元素在处理过程中反应生成的硬质相会反过来强化合金，如碳化物;也可以在烧制前加入硬质相质点，在烧制后形成特殊耐磨材料。

粉末冶金气门座圈制造工艺一般要求：过程尽可能的简单、便于操作、可行性好等特点。从制造成本来考虑，尽可能的不用或少用稀缺材料。因为粉末冶金气门座圈的机械性能与密度有关联，所以为提高粉末冶金产品的密度，主要采用复压复烧、热等静压及熔渗等工艺方法。为提高粉末冶金气门座圈的综合性能，一般采用渗铜的方法来实施。渗铜时，熔化的铜水流入粉末冶金气门座圈的孔隙中，一来可以提升粉末冶金气门座圈的导热性，减少一定的热应力，二来提高了材料的冲击韧性和耐磨性能，增强了座圈的抗切削性能。

4 结语

我国的粉末冶金气门座圈的起步较欧美国家晚了许多。在研制开发自主知识产权的粉末冶金气门座材料体系和制备工艺时走了许多弯路，吃了许多亏，所以对于我们过来来说，更加迫切的需要紧追欧美国家的脚步，从气门座圈的摩擦磨损机理的研究开发，涂层材料和工艺的创新研究等方面，根据发动机的发展趋势，设计出新的，具体我国自主知识产权的高性能发动机气门座圈材料和气门座圈产品。

参考文献：

[1]徐润泽.粉末冶金结构材料学[M].长沙：中南工业大学出版社，2002.

[2]吕林.发动机陶瓷缸盖底板、气门座的研制[J].武汉交通科技大学学报，1995，19：353～357.

[3]李绍忠.低铅无铅化汽油发动机粉末冶金阀座.汽车科技，1993，1：25.

[4]尹平玉，刘世民.高合金高性能粉末冶金气门座圈的研制.粉末冶金工业，2002，12（2）：31.

[5]王迎辉.一种高密度粉末冶金气门座的制造方法.粉末冶金工业，2002，12（5）：49.

[6]王会安，安云岐，李承宇，等.镍基高温合金材料的研究进展[J].材料导报，2011，25（18）：482-486.

[7]朱远志，尹志民，曾渝，等.重型发动机气门座圈工艺、材料研究进展[J].材料报，2004，18（5）：45-48.

[8]朱远志，尹志民，曾渝，等.重型发动机气门座圈磨损机理与材料[J]内燃机程，2004.25（4）：78-82.