某商用车发动机排气门磨损失效分析

摘要:针对某商用车发动机在台架试验过程中排气门磨损严重的问题,对排气门进行了内在质量的检验以及宏观、微观磨损形貌的分析,还原磨损的过程,寻找导致磨损失效的主要因素,分析结果表明,气门导管下端磨损,由此带来气门与座圈径向运动是导致本次排气门磨损失效的主要原因。

Automobile Technology & Material - - 生 产现场 - 张薇 柳超 李文平 刘瑶 130011) (中国第一汽车集团有限公司新能源研发院,长春

1 前言

气门和座圈是一对重要的发动机摩擦副,配合的气密性和可靠性是保证发动机正常工作的条件之一。发动机运行时,气门特别是排气门不仅与高温燃气接触,受热严重,还要承受气体力和弹簧力的作用,以及由于配气机构运动件的惯性力带来的冲击落座力[1],在这种环境下,常常发生气门和座圈在工作过程中过度磨损问题,影响发动机的输出功率和性能。气门磨损失效是一个动态复杂的过程,造成失效的因素具有广泛性[2],因此,深入研究配副的磨损性质,分析磨损机理,有助于找到影响磨损失效的主要因素,从而提出合理的改进措施。

2 问题描述

某商用车发动机在台架试验过程中,试验人456员发现漏气超标,拆检发现,第、、缸的排气门 1,锥面明显磨损严重,见图排气门下沉量检测结2果见图。该发动机共有六缸,每缸中有四支气门,其中包括两支进气门和两支排气门,而两支排- 1,气门中有一支为非制动排气门,命名为缸号 另-2一支为带制动排气门,命名为缸号 。 Ni30,该排气门技术要求中规定盘部材料为294HV30盘部固溶时效处理,硬度不小于 。

1983—),作者简介:张薇( 女,工程师,工学硕士,研究方向为发动机关键摩擦副、粉末冶金、轴瓦等材料和工艺。

3 磨损形式分析 3.1 宏观形貌

6 3),宏观来看支排气门锥面的磨损形貌(图3 4- 1 5- 1 6- 1)可以分为两组,支非制动排气门( 、 、锥面的磨损形貌相似,磨损带较窄,锥面有豆粒大3 4-2 5-2 6-2)小的凹坑;另外支带制动排气门( 、 、锥面的磨损形貌相似,磨损带宽,整个锥面全部磨6损。 支排气门锥面均有不同程度的凹陷,从与座圈接触的截面图可以清晰看出,气门锥面材料损4, 6-2失,见图 其中 排气门凹陷最严重。

3.2 微观形貌

6 4- 1 6- 1从 支排气门中选择有代表性的 、 和6-2进行微观形貌分析,先从排气门锥面上各取一

ZEISS MERLIN块样品,经丙酮超声清洗后,利用Compact

扫描电子显微镜对微观磨损形貌进行逐一观察。4- 1 4 5),

排气门锥面分为 个磨损区域(图 图6- 9图 分别为不同区域的微观磨损形貌,具体分析

:如下

B( 7) C 8)首先定义 图 区和 区(图 的磨损性质,这种磨损属于表面层定向的敲击、碾压变形并剥落性磨损,变形方向沿径向指向外缘。这两个区域形态大体相同,表面层处于不断碾压变形、剥落的交替发展过程中,其发展进程或状态较为稳定。A 6)区域(图 可以分为两个区域,外侧的横向棱线为座圈棱边敲击变形的边缘,其中靠内的边缘处有初始的拉伤痕迹;里侧的剥落区域大部分呈现了剥落状态,表面变形覆盖区较少,说明其处于高应力、快速剥落发展阶段。D 9)区域(图 为磨损外缘部位,表现出典型的向外侧敲击、变形、流动、堆积及剥落的形态。 6- 1 10,排气门的微观磨损形貌见图 磨损性质4- 1基本与 排气门类似,可以看到气门上物质的剥落与粘附,此外,还可以看到明显的犁沟擦伤磨损。

11,排气门锥面上分布大小不一的凹坑,见图12,另外可以看到大块的积碳,见图 大块的积碳粘附到气门上,受到敲击并被带走,最终将形成凹坑。6-2 13,排气门锥面整体磨损形貌见图 可以分E F G3 3 14为 、、 个区域,个区域的磨损形貌见图

16,图 由图可见,锥面呈现大量剥落、粘附及犁沟,

F 15), 6-1尤其在 区域(图 犁沟的长度较 排气门锥面上的犁沟要长,这种区域处于磨损的快速发展状态。

4 理化检验4.1 化学成分分析GB/T 11170在磨损的排气门盘部取样,根据2008 1标准进行化学成分检验,结果见表 。检验结果表明,排气门盘部的化学成分符合技术要求。4.2 机械性能检验分析在排气门盘部取样进行机械性能的检验分析,

正常工作过程中,气门导管作为气门的导向装置,保证气门作直线往复运动,使气门与座圈同轴,气门锥面与座圈能正确贴合,而该批排气门的种种微观磨损特性表明,气门锥面与座圈产生相对滑移,说明气门导管对气门的约束失效。文献[3- 6] ,

对气门及气门导管受力、润滑有详细分析 气门杆和气门导管孔之间靠飞溅润滑,导管下端常

2结果见表 。检验结果表明,气门的硬度和热处理工艺符合技术要求。

5 讨论分析

排气门微观磨损形貌可以映射磨损过程的一

4- 1 A些细节,例如 排气门锥面磨损形貌,区域外侧被座圈棱边敲击变形的边缘,反映了气门具有6- 1 6- 2摆动不定的特性,另外,从 排气门和 排气门锥面磨损的微观形貌来看,有明显的犁沟,说明气门与座圈有径向运动,犁沟的长度可以换算出6- 2径向运动的距离。 排气门锥面犁沟的长度较6-1 6-2

排气门锥面上的犁沟要长,说明 排气门与座圈径向运动的距离更大,气门的单侧摆动量可

0.20 mm能接近 。 常由于温度高且润滑不良导致磨损,致使导管孔呈现喇叭口状,无法固定气门杆部,从而气门发生了径向摆动。气门的径向摆动增加了滑动摩擦,也增加了摩

6-2擦痕迹的宽度, 排气门整个锥面都参与了磨损,实际上气门锥面并未与座圈锥面接触,而是在相对径向运动过程中,座圈锥面上的棱不断对气门锥面进行刮削,加剧气门锥面磨损;此外,气门径向摆动

,减少了气门与座圈的初始接触面积增加了气门关

, ,闭时冲击负荷所产生的变形增加了滑动距离从而加快磨损速率[7]。同时,气门在径向运动过程中所受的由缸盖带来的侧向力也会加剧导管的磨损,气门磨损与导管磨损是相互促进的过程,气门径向运

图2 排气门下沉量

图1 排气门锥面形貌

a) ( 新气门 图4 气门与座圈接触截面图

图3 排气门锥面磨损形貌 ( e)6-1

图6 4-1排气门A区域磨损形貌

图5 4-1排气门锥面磨损区域

b) ( 磨损后气门

( a)4-1

( c)5-1

( b)4-2

( f)6-2

( d)5-2

1 mm 图13 6-2排气门锥面整体磨损形貌

犁沟 10 μm 图10 6-1排气门磨损形貌

20 μm 图7 4-1排气门B区域磨损形貌

20 μm 图12 6-1排气门锥面积碳

100 μm 图11 6-1排气门锥面凹坑

20 μm 图14 6-2排气门E区域磨损形貌

2 μm 材料堆积 图9 4-1排气门D区域磨损形貌

20 μm 图15 6-2排气门F区域磨损形貌

20 μm 图8 4-1排气门C区域磨损形貌

20 μm

100 μm 图16 6-2排气门G区域磨损形貌

100 μm 图17 奥氏体加析出相

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