船用柴油机气阀的材料选择与热处理工艺研讨.pdfVIP

工艺09 船用柴油机气阀的材料选择与热处理工艺研究 711研 究所 法卫东 1 前 言 随着船用柴油机不断向大缸径、高功率、高增压、高负载的高指标方向发展，要求柴油机平 均燃烧压力(最高燃烧压力Pmax的提高)不断提高;为了提高经济性而使用劣质燃油.这对柴 油机进排气阀的工作可靠性提出了更高的要求;由于气阀的工作可靠性直接影响柴油机性能; 轻则使其密封面漏气而功率降低、油耗增加;重则使柴油机不能正常工作。本文主要通过对气 阀的材料选择及其热处理工艺研究，力求提高进排气阀的内在质量，满足气阀恶劣工况，从而 提高其工作可靠性。 2 气阀的工况及其失效形式 由于柴油机的最高燃烧压力Pmax和功率的不断提高，对气阀的机械负荷和热负荷也相 应增加，特别是排气闷比进气阀的工作温度高得多(排气阀是燃烧室中温度最高零件，阀盘最 高温度可达650℃左右)，故更易失效。 Pe(平均燃烧压力)的提高使气阀负荷增大，冲击力增大、使气阀变形增大，同时由于 Pmax的提高，燃烧室的温度提高，气阀在高温下长期工作使其强度降低而阀盘R部更易磨损 而漏气 ;另外由于使用劣质燃油，使气阀的腐蚀条件恶劣，同时由于冲击力增大.润滑条件下 降，使阀盘与阀座密封面及阀杆的磨损增大而导致其间隙增大而漏气，使柴油机油耗增大，功 率下降，甚至不能正常工作。 3气阀的材料选择及锻造 综上所述，气阀材料应具有足够高的高温强度和耐磨性，良好的抗氧化性和抗撼气腐蚀性 能，较高的热传导和较低的膨胀系数以及优越的冷热加工和焊接性能;由于排气阀工况比进气 阀恶劣的多，故船用进气阀材料一般选择4Cr9Si2和4Cr10Si2Mo两种材料;排气阀则选用热 强性、抗腐蚀性等综合性能均较好的4Cr14Ni14W2Mo;三种材料化学成分见表1: 表 1 三种材料化学成分 W00 231 由于国内大量引进机的使用，经分析其进排气阀材料主要有MoNiC8o和NiCr20TiAll 两种耐热合金，这类气阀对力学性能要求均较高，这是前面国内上述两类耐热钢所不易达到 的，由于这类气阀还没有国产化，只能依赖进口件.在热处理方面国内也少有研究，本文对这类 进排气阀不作研究。 气阀毛坯一般采用电墩后再模锻或顶锻成型，锻造时锻造比应大于 1:3;温度应严格控 制.温度太高会使毛坯晶粒粗大遗传作用会遗传给后续热处理工艺;温度太低又会使原材料不 能成形或产生裂纹等缺陷。对于4Cr14Ni14W2Mo钢始锻温度为1100.1150C，终锻温度为 850^950C,锻后需820-850C退火;4Cr9Si2和4Cr10Si2Mo钢始锻温度为 1130-v1150C, 终锻温度为850^-900C,锻后需900-930C退火。 通常情况下排气阀多数为同种材料制造，但在考虑工况(工作温度等因素)、成本等因素的 前提下可以采用阀盘为性能高的材料、阀杆为另一种性能较低的耐磨钢对接而成(压力焊)，两 种材料在焊接时已分别进行了预先热处理。 4 气阀的预先热处理 4.1进气阀的预先热处理 进气阀工作温度较低，工况明显优于排气阀气通常情况下选用马氏体型Cr-Si系耐热钢 (如4Cr9Si2或4Cr10Si2Mo)，这类钢预先热处理选用调质工艺以提高其基体性能。由于这类 材料含有大量的合金元素，属高碳高合金钢，锻造工序虽多次墩粗、拉拨，但其晶粒依旧很粗， 组织遗传会使气阀毛坯调质后出现冲击韧性偏低的现象;可采用两次调质工艺(先加热至 1020℃油冷，回火;再960C快冷，回火)加以消除，处理后可大大提高气阀冲击韧性，改善气阀 的综合机械性能，适应其工况。 4.2 排气阀的预先热处理 排气阀是燃烧室中工况最恶劣的零件，其不但受到很大的冲击力，而且要承受很高的热负 荷和很强的腐蚀，故选用4Cr14Ni14W2M。高碳合金钢，此钢系Cr-Ni型的奥氏体钢，预先热 处理采用固溶处理，由于排气阀工况既要耐热又要防腐蚀，故应完全固溶，工艺为420C- 8叩C--1180q侧诀冷竺固暄后组织为单=奥氏述组织』然后在720C左右时效处理，这样会使 单一的奥氏体组织更加稳定，由于是单相组织故提高