許勇靜，張 智

（武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430063）

柴油機(jī)氣門在工作中不僅承受著高頻沖擊，交變的拉壓及熱應(yīng)力的作用，還承受著高溫腐蝕和高速燃?xì)獾臎_刷。在此惡劣的工作環(huán)境下，氣門容易產(chǎn)生漏氣、異常磨損、氣門菌部損壞等［1］。特別是在使用低質(zhì)油的柴油機(jī)上，還受釩的侵襲，因而引起排氣門的故障。造成個(gè)別氣門發(fā)生失效，輕者需修理，重者要更換整機(jī)，不僅嚴(yán)重的損害了用戶的利益，也給制造廠帶來經(jīng)濟(jì)和信譽(yù)上的損失。因此，了解排氣門的溫度，是提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的重要因素。

1 測溫硬度塞的材料選擇及加工

在實(shí)際工作中常需要測量發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場，而硬度塞測溫法是比較簡單而實(shí)用的方法之一。硬度塞測溫法，就是利用金屬材料的硬度變化來測量溫度的方法，即運(yùn)用淬火后金屬材料的硬度隨回火溫度的升高，硬度值降低這一特性。淬火后的碳素鋼隨著回火溫度的逐漸升高，馬氏體首先析出極其細(xì)微的片狀碳化物晶體，隨后碳化物增多、長大，聚集直至形成球粒狀碳化物，滲碳體的金相組織不斷變化，因而促使材料硬度逐漸下降［2］。回火溫度越高，碳化物析出越多，材料的硬度就越低，從而達(dá)到測量溫度場的目的，見表1。

表1 GCr6軸承鋼金相組織隨回火溫度的變化

1.1 硬度塞對材料的要求

硬度塞法測溫精度與材料的性能有著密切的關(guān)系，因此，對硬度塞材料有如下要求：

1）材料必須有良好的淬透性，材料的金相顯微組織和化學(xué)成分必須均勻。

2）材料淬火后的硬度要高，一般Rc≥65，同時(shí)淬火后硬度要長期保持均勻和穩(wěn)定，不允許有軟點(diǎn)和硬點(diǎn)出現(xiàn)。

3）材料的回火溫度和硬度變化最好成直線關(guān)系或近似線形關(guān)系，同時(shí)要求材料在同一回火溫度下硬度值十分穩(wěn)定。

要冶煉一種同時(shí)能滿足上述要求的材料尚存在一定的困難。目前一般選用性能接近上述要求的碳素鋼作為硬度塞材料。通過各種材料進(jìn)行的分析對比，選用GCr6，見表2。

表2 GCr6化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)對照表

1.2 硬度塞的加工

為使用方便，硬度塞按標(biāo)準(zhǔn)件平端緊定螺釘（GB73-66）的形狀進(jìn)行加工，見圖1。

圖1 硬度塞外形

使用證明，尺寸選用M3×0.5mm×4.0mm是合適的。螺釘?shù)募庸すに囀菍ⅵ?的GCr15鋼絲拉成標(biāo)準(zhǔn)直徑φ＝2.63+0.01mm，螺紋用搓絲板搓成。

平端緊定螺釘為（GB73-66）M3×0.5mm×4.0mm

1.3 淬火處理

硬度塞的淬火處理在自備的氣體保護(hù)電爐中進(jìn)行。淬火溫度為840±5℃。每籃裝50只硬度塞，在爐中840℃下保溫30min。并且在氣體保護(hù)的情況（防止氧化脫碳）迅速投入溫度為50℃的機(jī)油中冷卻，油冷后再取出空冷。對淬火后的硬度塞均進(jìn)行檢查，維氏硬度值均在945～980范圍內(nèi)（滿足Rc≥65的要求）。

2 硬度塞HV-T標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

當(dāng)回火溫度低于100℃時(shí)，材料硬度變化極小，難于測準(zhǔn)。同時(shí)活塞各點(diǎn)溫度高于100℃，故可避開這一低溫區(qū)域?；鼗鹪囼?yàn)從100℃開始，每隔50℃一次，一直到650℃?；鼗饡r(shí)，每次將5只硬度塞放在鋼絲籃里，掛在油浴爐或鹽浴爐的回火劑里，進(jìn)行恒溫回火。取出后將其斷面拋光，用光學(xué)維氏硬度計(jì)打出各組硬度塞的硬度，并求其平均值。以維氏硬度值為縱坐標(biāo)，回火溫度為橫坐標(biāo)，作出標(biāo)準(zhǔn)曲線，見圖2。

圖2 GCr6回火后硬度與回火溫度的關(guān)系

硬度塞的回火處理是分成3個(gè)區(qū)域在不同的設(shè)備中進(jìn)行。

1）100～250℃的回火是在油浴爐中進(jìn)行，見圖3。

圖3 回火裝置示意圖

該油浴爐采用人工攪拌，以水銀溫度計(jì)（0～300℃，每刻度為2℃）和電解點(diǎn)溫度計(jì)測量控制溫度，燒杯內(nèi)液體溫度波動(dòng)不大于±2℃為準(zhǔn)記錄油浴溫度值。油浴介質(zhì)的選擇與所需工作溫度相適應(yīng)，選用10＃機(jī)油。

2）300～500℃的回火在坩堝電爐中進(jìn)行。裝置同圖3。采用50%NaNO2+50%NaNO3作為回火介質(zhì)，介質(zhì)的熔點(diǎn)為208℃，工作溫度為600℃。

3）550～700℃的回火在坩堝電爐中進(jìn)行，裝置見圖3所示。采用21%NaCl+31%BaCl2+48%CaCl2作為回火介質(zhì)，介質(zhì)的熔點(diǎn)為435℃，工作溫度為480～780℃。為提高標(biāo)準(zhǔn)曲線的準(zhǔn)確性，采用614-B型交流穩(wěn)壓器，并用人工調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器的方法，使?fàn)t溫波動(dòng)控制在±2℃內(nèi)。坩堝電爐內(nèi)鹽浴液由人工攪拌，考慮到爐膛內(nèi)鹽浴溫度不均勻，因此將電解點(diǎn)水銀溫度計(jì)、K裝熱電偶、硬度塞一同放在鋼絲網(wǎng)藍(lán)內(nèi)，三者處于同一位置。這樣即可大致避免因爐溫不均所帶來的不良影響。

由以上結(jié)果看出回火溫度越高，碳化物析出越多，其材料的硬度就越低。

3 硬度塞的安裝

1）用φ2.5mm鉆頭鉆孔，孔深為5.0～5.5mm，將絲錐的錐尖磨平，盡量使螺孔的底平整。防止存在氣囊而產(chǎn)生測量誤差。

2）為消除傳熱中因螺紋間隙造成的誤差，要求硬度塞較緊地與螺孔相配。為此均采用攻絲錐攻孔。

3）硬度塞擰入測點(diǎn)孔后，要求硬度塞頂平面與被測平面相平齊。被測件是鋼件時(shí)，由于熱膨脹系數(shù)基本一致，硬度塞不會(huì)飛掉。而被測件是鋁合金件時(shí)，硬度塞就應(yīng)被鉚一下，防止運(yùn)行時(shí)脫落。切忌鉚得太緊，防止以后硬度塞取不出來。

4）在停車后不久就應(yīng)取出硬度塞。因?yàn)樵囼?yàn)件還處于熱態(tài)，這時(shí)硬度塞還未被結(jié)膠粘牢。

5）鑲嵌硬度塞，將硬度塞被測量的端面拋光，用同一臺(tái)硬度計(jì)，同一人測量出所有硬度。盡量減少測讀誤差。

6）一定要從低負(fù)荷向上開車，到達(dá)預(yù)定工況后穩(wěn)定運(yùn)行到計(jì)定時(shí)間，然后停車?yán)鋮s，再取出硬度塞。

7）為防止硬度塞端面在高溫燃?xì)獾臍夥障卵趸撎?，安裝前將硬度塞用硫酸清洗，而后用NaOH中和，再用蒸餾水清洗，最后將硬度塞投放到CuSO4溶液中浸泡10min。

4 精度問題

材料不均勻及回火溫度波動(dòng)都會(huì)對曲線產(chǎn)生誤差，而且很難估計(jì)更無法計(jì)算。但實(shí)際工作中采用同一批材料，溫度波動(dòng)控制在±2℃之內(nèi)，先后做了5次曲線，雖不完全相同但誤差不超過2%。實(shí)踐證明測量硬度時(shí)視覺誤差較大，因此應(yīng)由專人完成。

由此可見，不管是相對誤差還是絕對誤差都在一般允許偏差之內(nèi)?？捎糜诎l(fā)動(dòng)機(jī)零件的測溫。

5 柴油機(jī)氣門的工作環(huán)境與熱狀態(tài)

氣門是柴油機(jī)完成工作循環(huán)，實(shí)現(xiàn)換氣和密封功能的零件。在形成密閉燃燒室空間的零件中，它是承受熱負(fù)荷最高的零件之一。進(jìn)氣門工作溫度一般在200～450℃，排氣門的工作溫度一般在600～800℃，有的甚至高達(dá)850℃。高溫下材料的各項(xiàng)性能發(fā)生變化，如機(jī)械性能下降，甚至發(fā)生蠕變［3］。與此同時(shí)，氣門還承受高壓。目前，我國自然吸氣柴油機(jī)的最高爆壓一般要大于8.5MPa，增壓及增壓中冷柴同機(jī)為10～13 MPa，有的甚至還要高。

圖4 氣門塞溫度分布

通常排氣門的溫度分布規(guī)律見圖4。最高溫度是排氣門的中心A處，直接與高溫排氣接觸，其次是氣門桿C處及氣門的菌部與氣門座接觸的B處。

1）最高溫度在氣門頭中心，這是高溫燃?xì)馑鹪跉忾T頭中心的熱集中。

2）在氣門頭和氣門桿過渡的頸部，沿過渡區(qū)溫度先是逐步升高，然后再降低，這是由于高速廢氣沖刷氣門桿的結(jié)果，其最高溫度約位于圓弧半徑的中點(diǎn)處。

3）排氣門的溫度分布是不對稱的，靠近汽缸套側(cè)的溫度低，靠近噴油嘴側(cè)的溫度高，二者之間的溫度差和熱負(fù)荷的高低與設(shè)計(jì)及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)因素有關(guān)。

4）排氣門所受到的熱量是從兩方面走的，位于氣門頭和氣門桿過渡頸部的中點(diǎn)以上的熱量全由氣門桿經(jīng)導(dǎo)管傳走，位于過渡頸部的中點(diǎn)以下部分熱量經(jīng)由氣門錐面和氣門座傳走，氣門錐面是時(shí)而和氣體接觸，時(shí)而和氣門座接觸，在自由排氣階段中，排氣門受到從氣缸中流出并具有超臨界速度的氣流沖刷，這時(shí)氣門所受到的熱量只能通過氣門桿散出，而不通過氣門錐面散熱［4］。在大缸徑柴油機(jī)上，排氣門的熱量大部分是從氣門錐面上傳走的，見圖5。

圖5 氣門工作熱循環(huán)

6 實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)路線

硬度塞測溫的簡要過程是將淬火后的硬度塞（通常為M3-0.5-4）擰入被測量點(diǎn)處，在實(shí)際工況下至少穩(wěn)定受熱2h，然后經(jīng)拋光，用光學(xué)維氏硬度計(jì)打出準(zhǔn)確的硬度值，在事先作出的HV-T℃標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出對應(yīng)的溫度，即為被測量點(diǎn)的溫度值。

在柴油機(jī)氣門的溫度測量中，首先把氣門從柴油機(jī)中拆卸下來，在預(yù)先安排好的部位用φ2.5mm鉆頭鉆孔，孔深為5.0～5.5mm，把硬度塞擰入被測量點(diǎn)處；然后裝機(jī)還原，分別在100%，110%額定負(fù)荷下至少穩(wěn)定受熱2h；再停機(jī)把氣門從柴油機(jī)中拆卸下來，取出硬度塞，拋光，用光學(xué)維氏硬度計(jì)打出準(zhǔn)確的硬度值，再在事先作出的HV-T℃標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出對應(yīng)的溫度，即為被測量點(diǎn)的溫度值。

硬度塞在氣門上的具體測點(diǎn)布置見圖6。

圖6 氣門測點(diǎn)布置

7 結(jié)束語

在氣門熱負(fù)荷的研究中，通過對氣門的溫度測量，考察溫度是否在所使用材料性能的容許范圍內(nèi)，為氣門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)的理論依據(jù)，使氣門工作時(shí)達(dá)到最佳使用狀態(tài)；同時(shí)通過了解氣門的熱均勻程度，進(jìn)一步來確定其可靠性和壽命；并且也將為熱負(fù)荷的改善指出途徑或找出解決的方法，對精確設(shè)計(jì)提供保障。

［1］俞小莉，鄭 飛，嚴(yán)兆大，等.內(nèi)燃機(jī)氣缸體內(nèi)表面穩(wěn)定傳熱邊界條件的研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，1987（4）：329-332.

［2］朱張校.工程材料［M］.北京：北京清華大學(xué)出版社，2001.

［3］錢作勤，吳家兵，王蘇丹.柴油機(jī)機(jī)體溫度的實(shí)驗(yàn)測量與三維數(shù)值仿真［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)工程，2005，27（3）：70-73.

［4］Yan Zhaoda，Liu Zhentao.Simulation of Cylinder Radiative Heat Transfer of Diesel Engine with Mone Carto Method ［J］.Journal of Zhejiang University：seience，2000（B）：300-310.