论文部分内容阅读
气门是发动机配气机构的关键零部件,气门与座圈配合对气缸起密封作用,并控制新鲜空气的吸入与燃气的排出,其工作的稳定性和可靠性直接影响发动机的动力性、经济性、可靠性、排放性能乃至使用寿命。气门-座圈接触副工作于高温度、高应力和腐蚀性气氛的恶劣环境中,容易发生磨损失效。随着发动机性能指标的不断提高,特别是增压和强化技术的应用,导致发动机的转速、燃烧室的爆发压力、气门的工作温度越来越高,使气门-座圈的工作环境进一步恶化,磨损更加严重。虽然实心气门选择了性能较为优异的材料,但仍不能满足发动机高性能指标提升的要求。而充钠气门由于具有降低气门工作温度、减轻气门重量的两大突出优势,是发动机性能提升的主要途径之一,目前得到了越来越多的关注。本文针对某发动机对高性能气门的迫切需求,在不同气门制备方法优缺点分析的基础上,提出气门的镦粗-钻孔-摩擦焊制备方法,开展了42Cr9Si2和23-8N气门材料高温摩擦磨损性能和旋转弯曲疲劳性能研究,探讨了表面超声滚压技术对排气门材料23-8N的强化效果,设计开发了新型气门-座圈模拟台架试验装置,并对所制备的空头充钠气门进行可靠性考核试验验证,具有重要的理论意义和实用价值。新型充钠气门的制备方法和关键工艺过程研究。在气门制造工艺分析的基础上,提出空头充钠气门的镦粗-钻孔-摩擦焊制备方法。通过不同气门制造方法的优劣势对比,确定了镦粗-钻孔-摩擦焊方法的全制造工艺流程;分别对两种材料42Cr9Si2和23-8N的空头充钠气门制造关键工艺过程即气门头部摩擦焊进行研究,探讨了不同工艺条件下的焊缝质量,获得优化后的工艺参数范围;制备了小批量的两大类空头充钠气门,与实心气门相比,空头充钠气门重量相对减轻了16.14%17.44%。开展42Cr9Si2和23-8N气门材料的摩擦磨损性能研究,明晰两种材料高温磨损机理。采用销盘式磨损试验机对42Cr9Si2和23-8N气门材料进行了不同温度的摩擦磨损性能研究,发现550oC和600oC分别是42Cr9Si2和23-8N摩擦磨损行为出现较为明显变化的临界温度。低于临界温度时气门材料的摩擦系数和磨损量相对较大,42Cr9Si2材料的磨损机理是磨粒磨损、氧化磨损和黏着磨损混合机制,23-8N材料磨损机理为磨粒磨损和黏着磨损的混合机制,并伴随一定程度氧化磨损;达到临界温度时,磨损表面产生具有保护作用的氧化膜,气门材料的摩擦系数和磨损量明显降低,此时42Cr9Si2以轻微氧化磨损机理为主,伴随黏着磨损;23-8N为氧化磨损机理为主,伴随黏着磨损。开展42Cr9Si2和23-8N气门材料的旋转弯曲疲劳性能研究,明晰两种材料的疲劳断裂机理。采用三参数幂函数表达S-N曲线,通过相关系数优化法确定了两种气门材料在不同温度下的S-N曲线表达式;确定了42Cr9Si2材料在25℃650℃三个温度下的疲劳强度,发现其断口均为表面断裂模式,典型断口可分为裂纹萌生区、裂纹扩展区、断裂区三个区。确定了23-8N气门材料在25℃800℃七个温度下的疲劳强度,发现其断口也以表面断裂模式为主,典型断口也可分为三个区。在300℃时,有试样因为杂质的存在,裂纹在试样次表面萌生,属于次表面断裂模式。开展排气门材料23-8N表面超声滚压强化技术研究,探讨气门材料表面强化机制,分析强化技术对材料疲劳性能和耐磨性能的影响。使用表面超声滚压技术对23-8N排气门材料进行表面强化,材料表面生成了具有一定厚度的经过剧烈塑性变形的改性层。和未处理材料相比,改性层材料的晶粒得到显著细化,形成厚度为50150 nm板状纳米级晶粒,改性层材料晶粒内部位错增加,晶粒之间取向差增大。超声滚压处理后,表面粗糙度Ra由0.84μm降为0.21μm,最大残余压应力达到-908 MPa;最大硬度达430.6 HV0.2,硬化层深度为800μm;超声滚压后23-8N气门材料在25℃和650℃的抗拉强度、疲劳强度均得到显著提高。超声滚压处理后,材料在微动磨损和滑动磨损试验条件下,耐磨性能均得到提高。空头充钠气门零件的模拟台架装置搭建和考核试验研究。设计开发新型气门-座圈模拟台架试验装置,对空头充钠气门进行了考核试验,通过1000万次落座冲击,验证了空头充钠气门可靠性。优化后空头气门设计制造参数为:头部采用23-8N材料、氮化处理,杆部采用42Cr9Si2材料、氮化处理,杆端面帽形淬火,盘锥面堆焊Stellite F合金。气门头部可靠性和盘锥面耐磨性均满足要求。在高温干摩擦试验环境,气门-座圈接触副的主要磨损机理是黏着磨损、氧化磨损和表面疲劳磨损的相互综合作用。对某款汽油发动机实心排气门和空杆充钠排气门温度分布进行测试,相比于实心排气门,空杆充钠排气门整体最高温度从745℃降到590℃,相对降低20.80%,降温效果得到验证。