胡 巍

（湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

氣門性能主要由氣門的材料、結(jié)構(gòu)及加工工藝所決定，而材料選擇不當(dāng)導(dǎo)致的氣門失效占到了氣門失效總體原因的4.49%，因此，正確選材對(duì)減少氣門失效非常重要。氣門材料導(dǎo)致的氣門失效形式比較多，由于氣門工作溫度較高，并且受到很大的高頻交變載荷的沖擊，氣門受到較大的熱載荷和機(jī)械載荷。理論上，當(dāng)這些載荷超過材料的允許范圍時(shí)，氣門就會(huì)發(fā)生頸部斷裂、錐面磨損、表面腐蝕、盤部掉頭、鎖夾槽處開裂等現(xiàn)象。這是因?yàn)椴牧系挠捕?、?qiáng)度和抗腐蝕性在高溫下都會(huì)降低[1-3]。所以，應(yīng)根據(jù)具體的工作環(huán)境進(jìn)行選材，即材料在特殊的環(huán)境下其性能不會(huì)受到很大影響，或者即使下降仍能滿足要求而不會(huì)發(fā)生失效。

通過普通電子顯微鏡，可以觀察到斷口宏觀形貌如圖2所示。其斷口沒有明顯的頸縮現(xiàn)象，其斷裂形式是脆性斷裂，斷口處靠近邊緣黑亮區(qū)域存在明顯的貝紋線，結(jié)合氣門工作特點(diǎn)可以判斷失效件的斷裂屬于高周疲勞斷裂，疲勞源在貝紋線的中心，裂紋源在疲勞源附近產(chǎn)生，疲勞裂紋由裂紋源中心向外擴(kuò)展，一直延展到瞬斷區(qū)域，并形成瞬斷臺(tái)階。氣門頸部的應(yīng)力集中是發(fā)生疲勞斷裂的原因之一。用JSM-6490LA掃面電鏡對(duì)斷口微觀形貌進(jìn)行觀察，其微觀形貌如圖3所示。不難發(fā)現(xiàn)，整個(gè)基體組織中存在大量微觀氣孔，大大降低了強(qiáng)度因子K和力學(xué)性能，微氣孔的存在使局部應(yīng)力集中程度增強(qiáng)，增加了氣門在工作過程中疲勞斷裂的概率。

圖2 失效件斷口宏觀形貌

圖3 失效件微觀形貌

1 失效樣件斷口分析

通過對(duì)斷裂失效件的初步勘察以及與正常樣件對(duì)比可得，失效樣件屬于頸部斷裂，斷口在過渡圓弧區(qū)域靠近桿部，如圖1所示。由于氣門斷裂后盤部落入氣缸，其斷口形貌損毀嚴(yán)重，桿部形貌保存相對(duì)完好，因此，取樣件桿部進(jìn)行后續(xù)分析。

圖1 斷裂失效件

2 樣件選材分析

對(duì)氣門進(jìn)行選材時(shí)，主要是依據(jù)材料在特定工況溫度下的屈服強(qiáng)度進(jìn)行選擇的，氣門所受到的最大應(yīng)力值應(yīng)小于氣門的屈服強(qiáng)度，否則一定會(huì)因?yàn)閼?yīng)力過大，導(dǎo)致氣門失效。除此之外，有時(shí)還應(yīng)結(jié)合其他因素綜合考慮，比如氣門頸部處于桿部與盤部的過渡處，是應(yīng)力集中的區(qū)域，由于氣門的高速反復(fù)開閉，其受到的是高頻交變應(yīng)力，而且還要受到高溫、高腐蝕氣體的沖刷，所以此處容易發(fā)生斷裂失效和疲勞失效。因此，對(duì)氣門進(jìn)行選材時(shí)應(yīng)該考慮以下幾點(diǎn)：1）材料在常溫下必須具有較好的機(jī)械性能；2）在高溫下，材料除了必須具有一定的屈服強(qiáng)度和硬度以外，還必須具有抗熱疲勞和抗熱蠕變的能力；3）材料必須有一定的抗腐蝕的能力；4）材料要有良好的加工性能，包括冶煉、鍛造、切削、焊接等工藝性能。

由于馬氏體鋼具有良好的機(jī)械加工性能，目前進(jìn)氣門的加工材料從原來的結(jié)構(gòu)鋼逐漸被特殊性能鋼馬氏體鋼代替[1]。如表1和表2所示，分別是幾種進(jìn)氣門加工材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能。

表1 馬氏體進(jìn)氣門材料化學(xué)成分

表2 室溫力學(xué)性能

不同材料適合不同負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)，低負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)一般可以選擇45Cr9Si3、42Cr9Si2及40Cr10Si2Mo等。中高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門常選擇51Cr8Si2作為加工制造材料。高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)一般選用80Cr20Si2Ni2和85Cr18Mo2V兩種材料。據(jù)分析該失效件的材料為85Cr18Mo2V，而與其相匹配的是WD615.46柴油機(jī)，所以材料選擇沒有問題。

3 加工工藝分析

將失效件桿部沿軸線方向從中心處切開，利用GX51型奧林巴斯倒置金相顯微鏡觀察其金相組織，如圖4所示。不難發(fā)現(xiàn)，失效樣件桿部組織比較致密，為回火索氏體+顆粒狀和少量網(wǎng)狀碳化物+較多殘余奧氏體，斷口附近的組織比較粗大，存在連續(xù)孔坑，這和其加工工藝密切相關(guān)。進(jìn)氣門的主要工藝路線為：下料→倒角→電鐓成型→調(diào)質(zhì)→校直→去應(yīng)力回火→粗加工→桿端淬火→半精加工→表面強(qiáng)化→精加工→鍍鉻→成品檢驗(yàn)→清洗包裝→入庫。氣門的加工工藝好壞決定了氣門產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，15.72%的氣門失效是由加工工藝不當(dāng)造成的，比如鍍鉻層較厚時(shí)，導(dǎo)致鉻的表面沉積，出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，容易在鉻層表面形成裂紋，造成工作過程中的疲勞失效。在氣門電鐓成型的過程中，模鍛溫度為1 150 ℃時(shí)效果最好，過低會(huì)造成過渡圓弧處應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂紋，溫度過高不利于加工[4-6]。

圖4 失效件金相組織（接近斷口的組織）

4 氣門結(jié)構(gòu)分析

該氣門的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，主要由桿部、頸部、頭部等組成。其中，①為盤部區(qū)域，②為頸部區(qū)域，③為桿部區(qū)域，④為桿部鎖夾槽，R為頸部的過渡圓弧半徑，γ表示背錐角，β表示頸部過渡錐角，D表示盤外圓直徑[7-8]。

圖5 氣門結(jié)構(gòu)示意圖

氣門頸部結(jié)構(gòu)是桿部與盤部的過渡部分，是應(yīng)力集中的區(qū)域，而且會(huì)受到高溫、高腐蝕性氣體的沖刷，存在著氣門的第二熱點(diǎn)，其工況條件非常惡劣[9-10]。這也是頸部常發(fā)生彎曲疲勞斷裂的原因所在。因此，頸部結(jié)構(gòu)的合理性顯得尤為重要。氣門頸部結(jié)構(gòu)有下面三種：1）圓弧型；2）圓弧+過渡錐角型；3）圓弧+過渡錐角+背錐角型，氣門頸部結(jié)構(gòu)如圖6所示。該失效件采用的是圓弧+過渡錐角+背錐角型結(jié)構(gòu)。

圖6 氣門頸部結(jié)構(gòu)

氣門結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)決定了其能夠承受的最大載荷，直接影響氣門的工作壽命，該類氣門盤外圓直徑D為Φ55 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸直徑為126 mm，D約為缸徑的0.43倍，在0.42~0.48之間，基本符合要求；氣門盤部厚度為4.4 mm，小于盤外圓直徑的0.1倍，偏薄，容易導(dǎo)致盤部剛度不夠。氣門過渡圓弧半徑R和過渡錐角β影響過渡部分的平順性、頭部剛度以及氣體對(duì)氣門頸部的沖擊。R為15 mm，約為D的0.27倍，在要求的0.2~0.5之間，β為15°，在要求的15°~30°之間，但都處于下限值。由于頸部的過渡圓弧和鎖夾槽的存在，兩個(gè)區(qū)域都存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，加上頸部受強(qiáng)腐蝕性、高溫氣體的沖刷，導(dǎo)致頸部容易出現(xiàn)疲勞斷裂。

5 總結(jié)

本文從氣門的失效件入手，對(duì)氣門斷口的宏觀形貌、微觀形貌，氣門的材料選擇、加工工藝以及結(jié)構(gòu)參數(shù)等幾個(gè)方面，闡述了氣門失效的影響因素和形式。通過電子顯微鏡、JSM-6490LA掃面電鏡和GX51型奧林巴斯倒置金相顯微鏡觀察到斷裂失效件的斷口宏觀形貌、微觀形貌及金相組織，綜合氣門的選材分析結(jié)果、氣門的加工工藝分析結(jié)果、氣門結(jié)構(gòu)參數(shù)分析結(jié)果，分析了該氣門斷裂失效的原因，總結(jié)了以下幾點(diǎn)：

1）失效件的斷裂屬于高周疲勞脆性斷裂，應(yīng)力集中和微氣孔的存在是造成斷裂的原因之一。

2）氣門的材料選擇符合高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)的選材要求，但是原材料的質(zhì)量是否符合要求，應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)一步的研究，應(yīng)該進(jìn)一步分析材料中微氣孔形成的原因，進(jìn)一步檢測(cè)原材料中C、O、Si等元素的含量。

3）氣門的加工工藝的質(zhì)量決定了氣門的質(zhì)量，加工工藝參數(shù)不當(dāng)會(huì)影響氣門的內(nèi)部組織，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。斷口附近組織的連續(xù)孔坑是產(chǎn)生疲勞裂紋的重要因素，應(yīng)該進(jìn)一步分析熱加工工藝中孔坑產(chǎn)生的原因。

4）氣門的結(jié)構(gòu)參數(shù)同樣影響氣門的使用性能和工作壽命，氣門頸部的過渡圓弧半徑、過渡錐角是導(dǎo)致頸部應(yīng)力集中以及影響氣流沖刷的又一重要因素，應(yīng)該在要求的尺寸范圍內(nèi)對(duì)其組合搭配進(jìn)行優(yōu)化，盤部厚度不足容易造成頭部剛性不夠，應(yīng)該考慮適當(dāng)加厚盤部厚度。