CN104165073A - 一种防止气门座圈脱落的气缸盖 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止气门座圈脱落的气缸盖，涉及发动机配件领域。包括气缸盖和镶嵌在气缸盖气门处的气门座圈，气门座圈材料的化学成分及各成分的重量百分含量为：Cr:7.9~9.0%，Mo:26.0~30.0%，Si:2.0~3.0%，C:≤0.12%，Fe:≤3.0%，Ni:≤3.0%，余量为Co和不可避免杂质；所述气缸盖材质为HT250。气门座圈基体组织为奥氏体基体加共晶碳化物。气门座圈与气缸盖配装过盈量为0.081mm~0.113mm。本发明的气门座圈能耐各类型磨损和腐蚀以及高温氧化，具有较高的强度、良好的抗热疲劳、抗热腐蚀和耐磨蚀性能；气门座圈与气缸盖的座圈孔压装时，可通过增加过盈量而防止松脱。

Description

一种防止气门座圈脱落的气缸盖

技术领域

本发明涉及发动机配件领域，具体的说是一种柴油发动机上使用的气门座圈。

背景技术

柴油发动机的主体结构包括气缸机体、气缸盖和活塞等部件，发动机的进气出气通道设置在气缸盖上，排气通道的内端为燃烧室。燃烧后的气体通过排气门的开启排出，排气门是由气门盘部和气门阀杆构成，气门盘部镶嵌有气门座圈。在需要关闭气门时，气门座圈需能够与气门阀杆紧密接触，才将气门密闭。气门座圈是影响柴油机可靠性的关键件之一，它是为弥补缸盖耐磨性和耐热性不足，以满足质量要求而配置的与气门一起构成燃料室的门户。原气门座圈铁基合金气门座圈材料为普通柴油机广泛采用的气门座圈材料，价格便宜，但高温特性较差，主要用于强化程度不高的铸铁缸盖柴油机的排气门座圈。曾用的高铬气门座圈材料为德国标准，主要用于河柴的大马力船机、潍柴排温高的柴油机，国内广泛将高铬合金用于气体发动机排气门座圈。

气门座圈安装在气缸盖上，现今的气缸盖结构越来越复杂，气缸盖内部还布置有水道和气道，而安装气门座圈的位置却不能改动。由于现在的柴油机功率强化、爆发压力增加，热负荷增大，而气门在承受高温高压的同时，还需要做高频率的开启和关闭动作，因此致使气门座圈频繁出现脱落故障。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种使用寿命长的气缸盖，它能够解决由于柴油机功率强化、爆发压力增加、热负荷增大产生的气门座圈松动故障，防止气门座圈脱落。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种防止气门座圈脱离的气缸盖，包括气缸盖和镶嵌在气缸盖气门处的气门座圈，所述气门座圈所用材料的化学成分及各成分的重量百分含量为：Cr:7.9~9.0%，Mo:26.0~30.0%，Si:2.0~3.0%，C:≤0.12%，Fe:≤3.0%，Ni:≤3.0%，余量为Co和不可避免的杂质；所述气缸盖材质为铸铁。

本发明的进一步改进在于：所述该气门座圈采用真空炉熔炼、浇铸而成；气门座圈经过退火处理后的基体组织为奥氏体基体加共晶碳化物，硬度为50～58HRC；所述气缸盖材质为铸铁HT250；通过控制浇注温度、开箱时间，退火处理后基体组织为珠光体组织，珠光体数量≥98%，石墨片状分布，石墨长度3～6级，抗拉强度280MPa～320Mpa。

本发明的进一步改进在于：所述气门座圈与气缸盖配装时的过盈量为0.081mm~0.113mm。

本发明的进一步改进在于：气门座圈与气缸盖配装的方法是：将气门座圈在液氮中冷却到-170℃～-195℃后，压入气缸盖，气门座圈压入缸盖后静止放置24h，然后再精锪气门座圈锥面。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明通过使用含有大量Cr、Mo、Co合金粒子的钴基高温合金材料制作气门座圈，改善了气门座圈与气缸盖配合时的高温抗压特性，改善了屈服极限和断裂极限，提高了气门座圈的强度，减少了气门座圈的变形量，解决了由于柴油机功率强化、爆发压力增加、热负荷增大产生的气门座圈松动故障，防止气门座圈脱落。增强了气门座圈与气门阀杆配合的耐磨性和热稳定性。

本发明的气门座圈的材质是一种钴基高温合金，是以钴作为主要成分，含有相当数量的钼、铬和少量的镍、硅、碳、铁等合金元素。此合金具有耐各种类型磨损和腐蚀以及高温氧化的性能，在高于700℃时具有较高的强度、良好的抗热疲劳、抗热腐蚀和耐磨蚀性能。本发明的气门座圈的材质可以有效抑制金属间的初期磨损，保证了合金材料的强度、耐磨性、热稳定性、抗腐蚀性和韧性。

气门座圈的基体组织为奥氏体基体加共晶碳化物，硬度为50～58HRC，能够与气缸盖的HT250材质形成良好的高温配合，两者的过盈量为0.081mm~0.113mm，即可以防止气门座圈在常温、低温或者高温时的松动，也可以减少气门座圈的变形，保证气门座圈的密封性。气门座圈与气缸盖的座圈孔压装时，可以通过增加过盈量而防止松脱。

气门座圈与气缸盖低温配装完成后静止放置24h，能够使气门座圈与气缸盖在恢复常温后，其结合力度达到最大值，此时再精锪气门座圈锥面，就不会对两者的结合强度产生影响。

附图说明

图1是本发明的气缸盖的局部结构示意图；其中，1、气缸盖，2、机体，3、气门座圈，4、气门阀杆。

具体实施方式

下面结合实验对本发明做进一步详细说明：

Cr:7.9~9.0%，Mo:26.0~30.0%，Si:2.0~3.0%，C: ≤0.12%，Fe:≤3.0%，Ni:≤3.0%，余量为Co和不可避免的杂质；所述气缸盖材质为铸铁，最好是HT250。所述气门座圈经过热处理后的基体组织为奥氏体基体加共晶碳化物，硬度为50～58HRC。

气门座圈3与气缸盖1配装时的过盈量为0.081mm~0.113mm。配装的方法是：将排气门座圈在液氮中冷却到-170℃～-195℃后，压入气缸盖，气门座圈压入缸盖后静止放置24h，然后再精锪气门座圈锥面。

采用上述方法和材质制作的气缸盖和气门座圈，经“国家钢铁材料测试中心”以及“冲击环境材料技术重点实验室”实验，并与其它材料进行了对比，本发明的气缸盖和气门座圈能够达到下述的技术效果：

一、气门座圈材料性能得到很大的改善

测试时使用的气门座圈的材料的化学成分及各成分的重量百分含量为：Cr:7.95%，Mo:28.0%，Si:2.5%，C:0.12%，Fe:2.8%，Ni:2.5%，余量为Co和不可避免的杂质；气缸盖材质为HT250铸铁。气门座圈经过热处理后的基体组织为奥氏体基体加共晶碳化物，硬度为50HRC，气门座圈与气缸盖座圈孔的过盈量为0.097mm。气缸盖的座圈孔尺寸为φ44.010mm（下同）。

气门座圈的对比材料为高铬合金铸铁和粉末冶金材料。

在实验分别在常温、500℃、600℃、700℃的不同温度下检测了气门座圈的抗压强度、抗拉强度、线膨胀系数等。结论如下：

A.气门座圈（钴基高温合金）在常温下的压缩特性并没有表现出特别的优势，但气门座圈的塑形变形小，也有利于防止松脱。

B.在高温压应力下，气门座圈具有非常优越的高温抗压特性，一直到700℃抗压性能基本没有变化。粉末冶金材料的气门座圈在500℃~600℃之间抗压性能开始下降，而高铬合金铸铁在500℃之前就已经开始快速下降。

C.压缩条件下，本发明的钴基高温合金的屈服极限和断裂极限几乎一样，不仅远远高于高铬合金，而且断裂前塑形变形很小，这种特性对防止气门座圈松动非常有利。

因此，在不改变气缸盖、气门阀杆材料的情况下，本发明的气门座圈的耐磨性优于原高铬铸铁材料。本发明的气门座圈具有非常优越的抗压特性，一直到700℃抗压性能基本没有变化。本发明的气门座圈的屈服极限和断裂极限不仅远远高于高铬合金，而且断裂前塑形变形很小，这种特性对气门座圈防松很有利。

二、配对耐磨试验

本试验所采用的气门座圈的材料的化学成分及各成分的重量百分含量为：Cr:7.9%，Mo:30.0%，Si:2.0%，C:0.10%，Fe:2.0%，Ni:2.8%，余量为Co和不可避免的杂质；气缸盖材质为HT250铸铁。气门座圈经过热处理后的基体组织为奥氏体基体加共晶碳化物，硬度为55HRC，配装时气门座圈与气缸盖座圈孔的过盈量为0.081mm。

气门座圈的对比材料为高铬合金铸铁。气门盘部的材料为X50CrMnNiNbN219通常使用的合金材料。

经对磨试验发现，高铬合金铸铁材料与气门盘部（X50CrMnNiNbN219合金材料）对磨后两者的磨损率都大于本发明的气门座圈材料（钴基高温合金）与气门材料间的磨损，而钴基高温合金与气门盘部材料的摩擦磨损没有恶化，甚至有所改善。

综合对比摩擦系数、磨损量和磨损表面形貌，钴基高温合金气门座圈好于高铬材料

三、装配过盈量的安全系数测试

本试验所采用的气门座圈的材料的化学成分及各成分的重量百分含量为：Cr:9.0%，Mo:26.0%，Si:3.0%，C:0.08%，Fe:3.0%，Ni:2.8%，余量为Co和不可避免的杂质；气缸盖材质为HT250铸铁。气门座圈经过热处理后的基体组织为奥氏体基体加共晶碳化物，硬度为55HRC，气门座圈与气缸盖座圈孔配装时的过盈量为0.113mm。

对比试验的气门座圈采用高铬合金，气门座圈与气缸盖的最大过盈量为0.086mm。

经试验，对比试验的气门座圈对应的最大压应力为810MPa,安全系数为1.3。而本发明的气门座圈过盈量为0.113mm，安全系数至少可以达到1.44。

另外经过过盈量为0.081mm、0.094、0.097、0.110等多组的试验，本发明的气门座圈的安全安全系数在1.40～1.45之间。

因此，本发明的气门座圈与气缸盖的过盈量提高后，不但安全系数没有下降，反而有所提高。

Claims (4)

1.一种防止气门座圈脱离的气缸盖，包括气缸盖（1）和镶嵌在气缸盖气门处的气门座圈（3），其特征在于：所述气门座圈（3）所用材料的化学成分及各成分的重量百分含量为：Cr:7.9~9.0%，Mo:26.0~30.0%，Si:2.0~3.0%，C:≤0.12%，Fe:≤3.0%，Ni:≤3.0%，余量为Co和不可避免的杂质；所述气缸盖(1)材质为铸铁。

2.根据权利要求1所述的一种防止气门座圈脱离的气缸盖，其特征在于：所述该气门座圈（3）采用真空炉熔炼、浇铸而成；气门座圈（3）经过退火处理后的基体组织为奥氏体基体加共晶碳化物，硬度为50～58HRC；所述气缸盖（1）材质为铸铁HT250；通过控制浇注温度、开箱时间，退火处理后基体组织为珠光体组织，珠光体数量≥98%，石墨片状分布，石墨长度3～6级，抗拉强度280MPa～320Mpa。

3.根据权利要求1或者2任一项所述的一种防止气门座圈脱离的气缸盖，其特征在于：所述气门座圈（3）与气缸盖（1）配装时的过盈量为0.081mm~0.113mm。

4.根据权利要求3所述的一种防止气门座圈脱离的气缸盖，其特征在于：气门座圈（3）与气缸盖（1）配装的方法是：将气门座圈（3）在液氮中冷却到-170℃～-195℃后，压入气缸盖（1），气门座圈压入缸盖后静止放置24h，然后再精锪气门座圈锥面。