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汽车发动机气门材料及摩擦学性能研究进展

摘要：为了有效适应日益增长的气门材料性能挑战，确保汽车发动机运行的持续可靠性，文章深入探讨了当前气门材料的前沿动态，以及对主流气门钢摩擦学特性的深入探究。我们系统梳理了各种表面工程策略在提升气门减摩耐磨能力中的关键角色，如精密的表面淬火、物理机械强化、先进激光处理以及高效热喷涂技术的应用。最终，文章对未来气门减摩抗磨技术的创新应用前景进行了前瞻性的展望。

关键词：气门汽车发动机气门材料摩擦学性能

气门的精密操作对于内燃机的机能至关重要，其如同阀门，精确地调控着空气和废气在引擎工作周期中的进出流动。在大部分时间内，气门紧密封闭，只依赖于复杂的机械动作实现瞬间开启。气门结构由头部、杆部和底座这三个关键部分构成，任何微小的瑕疵都可能显著影响引擎的效能。

要在瞬息万变的汽车行业保持技术领先和商业优势，内燃机必须展现出卓越的性能，兼顾经济性与环保性。设计师们持续优化内燃机的设计，目标是在所有工况下提升动力输出密度，并追求效率的最大化，同时还要应对日益严格的排放标准。随着燃烧室压力和温度的不断提升，对气门材料的选择和处理工艺提出了更高的要求，这在当前的设计革新中显得尤为关键。

1汽车发动机气门服役工况以及对性能的要求

作为配气系统的核心组件，气门在发动机运行期间频繁地开启和闭合，其运作过程伴随着气门弹簧的持续作用力和关闭瞬间的冲击力。尤其在压缩和动力生成阶段，进气门和排气门扮演了至关重要的角色，它们确保燃烧室的有效密封，同时还得承受炽热燃气的瞬时冲击以及高温废气的侵蚀性影响。此外，由于工作环境恶劣，润滑条件严峻，使得气门面临着多重挑战。

气门堪称配气机构中承受最严酷考验和结构最复杂的元件。其实际的工作特性可以总结为以下几点：

（1）极高运作温度。作为四冲程引擎执行工作循环和气体交换的关键部件，气门作为构建燃烧室的关键组件，其耐用性面临着严峻的考验，尤其是在极端的工作条件下。在运行过程中，它们所经受的温度波动尤其显著。在动力循环阶段，气门的温度峰值可达重型引擎排气门顶点（接触燃烧区域）和颈部，高达820摄氏度，相比之下，轻型引擎的进气门温度上限仅为520℃，显示出显著的温差。

（2）除了高热负荷，气门还得应对动态应力的猛烈冲击。它们不仅承载自身预紧力和弹簧力，还要配合凸轮轴进行频繁且高强度的开闭动作，这可能导致高达1180牛顿（大型引擎中甚至可达2943牛顿）的冲击载荷。当气门振动或配气系统的间隙增大时，这些冲击会进一步加剧。特别是排气门，在排出废气的同时，还需抵御高温热负荷和瞬时的气体压力冲击。

（3）腐蚀问题也不容忽视。进气门头部，尽管处于燃烧室内，但因较低的工作温度，腐蚀主要发生于低于介质热化学反应点的范围内。然而，排气门在高温环境中运作，腐蚀现象更为严重。因此，对排气门材料的化学成分和微观结构进行精细设计，以抵抗腐蚀性介质的侵袭，显得至关重要。如表1所示，不同类型的发动机，如柴油机和汽油机，面对的腐蚀介质特性各有差异。

（4）润滑条件严峻的问题显现。首先，在发动机气门-门座的工作过程中，气门导杆与导管间的滑动运动主要依赖于少量的油液润滑，这导致润滑状况极其不稳定，时常发生局部金属直接接触，引发磨损现象。其次，高温和频繁的冲击性间歇接触使得气门-门座锥面几乎无法得到润滑，只能依赖材料自身的表面特性进行自我保护。

鉴于气门在运行中的各种复杂环境，对其各个部分材质性能的需求各异，气门杆端面需具备耐磨和抗冲击特性，锁夹槽部分则要求在常温下保持足够的强度，杆体部分则需要耐磨和抗损伤能力，颈部则需耐腐蚀且在高温下保持强度，而盘锥面则着重于耐磨、耐腐蚀和抗裂性，盘端面则需耐高温和防腐。因此，对生产气阀的材料提出了下列基本要求：

（1）具有良好的室温机械性能。

（2）在高温条件下，要求材料具有较好的高温硬度与强度，同时具有较高的高温抗拉、抗拉、抗拉、抗拉强度。

（3）材料应具有抵抗高温氧化的能力，以及对钒冲击腐蚀和高温硫化腐蚀的卓越耐受性。

（4）还需易于冶炼、锻造、切割加工和焊接处理。

2气门材料的选择

气门的选择通常基于其功能特性，最常用的材料为高温耐候钢。这些钢大体可分成三大类：马氏体形Cr—Si耐热钢，奥氏体形Ni耐热钢和高档耐热Ni合金。在较早时期，进气阀主要采用马氏体耐热钢材，但在当今汽车工业中，其材料已有较大的改变；传统马氏体耐热钢已逐步被奥氏体不锈钢（21-4N，21-2N，21-12N，23-8N）所替代。在重载发动机中，阀门锥形表面的磨损和耐腐蚀性能往往是一个难题，这促使研发出在气门锥面上进行强化焊接的特殊合金解决方案。

从使用场景来看，气门材料可分为排气门、进气门和强化锥面材料。接下来，我们将逐一深入探讨这三大类材料的独特特性和应用。

2.1进气门材料

重型引擎的进气阀门在