汽車發動機氣門材料及摩擦學性能研究進展

摘 要：為了有效適應日益增長的氣門材料性能挑戰，確保汽車發動機運行的持續可靠性，文章深入探討了當前氣門材料的前沿動態，以及對主流氣門鋼摩擦學特性的深入探究。我們系統梳理了各種表面工程策略在提升氣門減摩耐磨能力中的關鍵角色，如精密的表面淬火、物理機械強化、先進激光處理以及高效熱噴涂技術的應用。最終，文章對未來氣門減摩抗磨技術的創新應用前景進行了前瞻性的展望。

關鍵詞：氣門 汽車發動機 氣門材料 摩擦學性能

氣門的精密操作對于內燃機的機能至關重要，其如同閥門，精確地調控著空氣和廢氣在引擎工作周期中的進出流動。在大部分時間內，氣門緊密封閉，只依賴于復雜的機械動作實現瞬間開啟。氣門結構由頭部、桿部和底座這三個關鍵部分構成，任何微小的瑕疵都可能顯著影響引擎的效能。

要在瞬息萬變的汽車行業保持技術領先和商業優勢，內燃機必須展現出卓越的性能，兼顧經濟性與環保性。設計師們持續優化內燃機的設計，目標是在所有工況下提升動力輸出密度，并追求效率的最大化，同時還要應對日益嚴格的排放標準。隨著燃燒室壓力和溫度的不斷提升，對氣門材料的選擇和處理工藝提出了更高的要求，這在當前的設計革新中顯得尤為關鍵。

1 汽車發動機氣門服役工況以及對性能的要求

作為配氣系統的核心組件，氣門在發動機運行期間頻繁地開啟和閉合，其運作過程伴隨著氣門彈簧的持續作用力和關閉瞬間的沖擊力。尤其在壓縮和動力生成階段，進氣門和排氣門扮演了至關重要的角色，它們確保燃燒室的有效密封，同時還得承受熾熱燃氣的瞬時沖擊以及高溫廢氣的侵蝕性影響。此外，由于工作環境惡劣，潤滑條件嚴峻，使得氣門面臨著多重挑戰。

氣門堪稱配氣機構中承受最嚴酷考驗和結構最復雜的元件。其實際的工作特性可以總結為以下幾點：

（1）極高運作溫度。作為四沖程引擎執行工作循環和氣體交換的關鍵部件，氣門作為構建燃燒室的關鍵組件，其耐用性面臨著嚴峻的考驗，尤其是在極端的工作條件下。在運行過程中，它們所經受的溫度波動尤其顯著。在動力循環階段，氣門的溫度峰值可達重型引擎排氣門頂點（接觸燃燒區域）和頸部，高達820攝氏度，相比之下，輕型引擎的進氣門溫度上限僅為520℃，顯示出顯著的溫差。

（2）除了高熱負荷，氣門還得應對動態應力的猛烈沖擊。它們不僅承載自身預緊力和彈簧力，還要配合凸輪軸進行頻繁且高強度的開閉動作，這可能導致高達1180牛頓（大型引擎中甚至可達2943牛頓）的沖擊載荷。當氣門振動或配氣系統的間隙增大時，這些沖擊會進一步加劇。特別是排氣門，在排出廢氣的同時，還需抵御高溫熱負荷和瞬時的氣體壓力沖擊。

（3）腐蝕問題也不容忽視。進氣門頭部，盡管處于燃燒室內，但因較低的工作溫度，腐蝕主要發生于低于介質熱化學反應點的范圍內。然而，排氣門在高溫環境中運作，腐蝕現象更為嚴重。因此，對排氣門材料的化學成分和微觀結構進行精細設計，以抵抗腐蝕性介質的侵襲，顯得至關重要。如表1所示，不同類型的發動機，如柴油機和汽油機，面對的腐蝕介質特性各有差異。

（4）潤滑條件嚴峻的問題顯現。首先，在發動機氣門-門座的工作過程中，氣門導桿與導管間的滑動運動主要依賴于少量的油液潤滑，這導致潤滑狀況極其不穩定，時常發生局部金屬直接接觸，引發磨損現象。其次，高溫和頻繁的沖擊性間歇接觸使得氣門-門座錐面幾乎無法得到潤滑，只能依賴材料自身的表面特性進行自我保護。

鑒于氣門在運行中的各種復雜環境，對其各個部分材質性能的需求各異，氣門桿端面需具備耐磨和抗沖擊特性，鎖夾槽部分則要求在常溫下保持足夠的強度，桿體部分則需要耐磨和抗損傷能力，頸部則需耐腐蝕且在高溫下保持強度，而盤錐面則著重于耐磨、耐腐蝕和抗裂性，盤端面則需耐高溫和防腐。因此，對生產氣閥的材料提出了下列基本要求：

（1）具有良好的室溫機械性能。

（2）在高溫條件下，要求材料具有較好的高溫硬度與強度，同時具有較高的高溫抗拉、抗拉、抗拉、抗拉強度。

（3）材料應具有抵抗高溫氧化的能力，以及對釩沖擊腐蝕和高溫硫化腐蝕的卓越耐受性。

（4）還需易于冶煉、鍛造、切割加工和焊接處理。

2 氣門材料的選擇

氣門的選擇通常基于其功能特性，最常用的材料為高溫耐候鋼。這些鋼大體可分成三大類：馬氏體形Cr—Si耐熱鋼，奧氏體形Ni耐熱鋼和高檔耐熱Ni合金。在較早時期，進氣閥主要采用馬氏體耐熱鋼材，但在當今汽車工業中，其材料已有較大的改變；傳統馬氏體耐熱鋼已逐步被奧氏體不銹鋼（21-4N，21-2N，21-12N，23-8N）所替代。在重載發動機中，閥門錐形表面的磨損和耐腐蝕性能往往是一個難題，這促使研發出在氣門錐面上進行強化焊接的特殊合金解決方案。

從使用場景來看，氣門材料可分為排氣門、進氣門和強化錐面材料。接下來，我們將逐一深入探討這三大類材料的獨特特性和應用。

2.1 進氣門材料

重型引擎的進氣閥門在極端工況下可能承受高達525℃的高溫考驗，常規選用的材料包括普通碳鋼、低合金鋼和高級耐熱馬氏體鋼。這些高合金鋼以高含量的碳和合金元素為特色，顯著提升了其強度、抗磨損和抵抗表面侵蝕的能力。為了增強抗氧化性，有時會添加Cr和Si元素，同時，由于加入了鉬、鎢、釩等高熔點的金屬，提高了合金的耐熱性能和抗磨損性能[1]。馬氏體耐高溫鋼室溫順磁、可經急冷處理、易成形、具有優良的低溫力學性質等優點，但其在高溫環境中的應用受到限制。但該合金的抗高溫性能主要受到其熱處理溫度的制約，且長期處于連續的回火過程中，其真實的抗高溫強度較大程度低于奧氏體鋼。

自采用Sil-1（含4Cr9Si3）合金后，重型柴油機進氣門材料的性能變化微乎其微。相比之下，Sil-XB（簡稱XB），一種高鉻馬氏體耐熱鋼，因其具備更高的疲勞強度和抗磨損特性，已被部分發動機制造商選作對性能要求更為嚴苛的應用場合。對于一般的汽油機和功率較小的柴油機，進氣門通常采用40Cr或4Cr9Si2這類基礎材料。

2.2 排氣門材料

為了確保柴油機排氣閥組件的可靠運行，其閥盤部分需具備極高的熱疲勞強度和耐蝕特性。通常采用的材料是鐵基奧氏體耐熱鋼或高級鎳基高溫合金作為基礎。其中，通常的備選方案是奧氏體耐熱21-4N。該材料在室溫下具有良好的耐磁特性，經固溶及時效強化后，在較高的溫度及較高的溫度下仍具有優異的塑性及切削能力。

但大部分Fe基奧氏體相在服役之前必須經過滲碳、氮化等時效強化處理。鎳基奧氏體鋼具有優異的抗疲勞性能，但其增強機理是由Ni、Al、Ti等組成的過渡態。盡管如此，這類合金由于加工難度大且成本高昂，限制了其廣泛應用。

對于閥桿部位，耐磨性和抗磨損性至關重要，因此，常見的材料是馬氏體鋼，例如4Cr9Si2和4Cr10Si2Mo等，這些材料因其出色的抗磨性能而備受青睞。

2.3 氣門錐面的強化材料

重型發動機的氣門錐面金屬涂層經常無法抵御高強度磨損或腐蝕，通常需要采用堆焊工藝增強其耐用性。常規的做法是運用氣體或亞弧焊技術，沉積層厚度可達0.5至1mm或更多。如果強化材料為焊絲，則傾向于采用TIG或氧乙炔熔接；而粉末型強化材料則青睞于等離子焊接。值得注意的是，與等離子堆焊（PTA）相比，氣體焊接對氣門錐面的影響區域顯著較大，因此在現代高性能柴油機中，PTA幾乎成為強化合金堆焊的標準選擇。

氣門強化合金的構成多種多樣，它既有以鈷、鎳為主的析出相，也有以鉻、鉬、鎢或釩為主的鐵基奧氏體基體合金。這種合金因其高含碳量而表現出優異的抗磨損性能。國際上也有研究指出，通過替換Fe-Cr-Ni合金為含Mn的合金，能提升涂層的耐磨性和耐腐蝕性。

當析出相在增強材料中所占比例較大時，其高溫下的硬度、壓縮強度及耐磨性均有較大的改善。另外，在高溫高壓條件下，在高溫高壓條件下，在高溫高壓條件下，其高溫耐磨性能顯著提高；結果表明，高Cr元素的Fe、Co基合金比Ni基合金具有更好的力學性能。雖然閥門的錐形增強體在常溫下表現出了順磁特性，并且經過了老化后還能夠得到進一步的增強，并且具有優異的低溫性能和高溫強度，并且還具有非常好的耐腐蝕性能，但其加工難度相對較大。

3 氣門減摩抗摩中表面技術的應用

3.1 表面熱處理

氣門的品質與其熱處理工藝密切相關，眾多學者對此進行了深入探討。王忠誠詳盡剖析了針對不同材質氣門的熱處理策略，揭示潛在的問題，并給出改進方案。Jaswin在馬氏體的En52的閥門鋼經傳統的熱處理工序之后，再進行一次深冷。黃曉敏等對21-4N耐熱鋼進行了熱力學仿真試驗，得到了一定的變形狀態下21-4 N耐熱鋼的應力-應變特征參數。氮化工藝是目前應用最廣泛的一種工藝方法，按其所采用的工藝方法可將其劃分為離子氮化和氣氮化兩種；在轎車生產中得到了廣泛的使用，使最終產品的表面硬度及耐磨性得到明顯提高。Menthe對AISI304L型奧氏體不銹鋼進行了離子氮化試驗，發現與未經處理的合金相比，表面改性后的合金具有顯著的減摩性能。

PFewell引入了一種新的方法，即在同樣的處理周期下，在較低的溫度下可以生成較厚的含氮化合物。基于這一點，馬晨陽和他的團隊開始對40 Cr合金閥門進行了低溫等離子體氮化工藝的研究。李準把重點放在了閥門的熱處理變形特性上。對于重負荷的和中性的引擎閥，勒曼使用了鹽浴滲氮法，并對這一工藝進行深入研究和優化。

3.2 表面機械處理

近年來，超聲波滾軋是一種新興的加工方法，它是利用高頻振動產生的能量，使材料表面發生塑性變形，從而形成納米尺度的晶體結構。因此，該復合材料的機械性能得到了明顯的提高。賴福強等人將23-8N的排氣閥材料經超聲波軋制后，其表層組織出現了50-150nm、由亞納米尺度的不均勻組織組成的層狀晶。該工藝不但降低了材料的摩擦系數，還提高了材料的疲勞強度，達到了730MPa。這種提高主要是由于殘余應力、強化加工效應和強塑性變形區內晶粒細化而實現的。

另外，采用高速射彈（高速射彈）以20-100m/s的高速撞擊，使材料發生多次硬撞擊，促使材料發生塑性變形，進而提高其抗疲勞、抗應力腐蝕性能。黃志超在這方面做了很深的研究，認為粒子沖擊可以提高材料的抗磨損能力，激光沖擊可以提高零件的精確定位能力，而超聲/高能噴丸可以在材料表面實現納米尺度的重建。

3.3 熱噴涂技術

在摩擦磨損管理中，熱噴涂技術的應用已變得十分普遍。這種技術主要通過增強材料的抗磨和耐高溫特性，來提高材料在各種工作環境下的耐久性。其中，Pilla等人針對兩種在發動機氣門上廣泛使用的合金，即31V和DA-1合金，在900℃且高濕度的極端條件下，深入研究了表面擴散形成的鎳鋁復合涂層的熱穩定性。通過熱噴涂技術在這些合金表面形成的鎳鋁復合涂層，可以有效地提高材料在高溫高濕環境中的耐磨性和耐腐蝕性[3]。然而，盡管熱噴涂技術顯示出了其巨大的應用潛力，但在實際應用中，涂層與基體之間的機械連接問題一直是一個難以克服的挑戰。

為了解決這個問題，研究者們一直在努力尋找提高涂層粘附力的方法。然而，由于技術上的局限性，目前的解決方案仍不能完全滿足實際需求。因此，如何在保證涂層性能的同時，提高涂層與基體之間的粘附力，是熱噴涂技術進一步發展的關鍵。

4 結語

當前，全球氣候變遷和溫室氣體排放問題日益緊迫，汽車行業面臨著顯著的減排挑戰，其中發動機油效率、動力系統耐用性和車輛效能的提升至關重要。關于材料科學與摩擦力學領域的探索，未來趨勢將呈現如下特征：

（1）在新型材料的研發上，以往往往追求單一性能的優化，而忽視了整體性能的均衡。未來的創新設計應尋求在各項性能間找到最佳平衡點。

（2）針對氣門材料的表面處理技術，傳統的單技術策略將被挑戰。未來的研究可能聚焦于多技術融合，例如在基本熱處理后，通過引入噴丸強化，以增強材料的抗疲勞性，這種復合方法還需進一步深入探討。

（3）針對表面工藝在閥門領域的深入研究，重點解決目前工藝在實踐中存在的問題，例如，如何優化熔覆層質量，如何選用和完善熱噴涂層工藝和鍵合模式等，以及解決超聲滾壓過程中可能出現的表層連續性問題。這些都將為降低汽車排放貢獻關鍵性的解決方案。

參考文獻：

[1]戴一帆，譚澤飛，陳文剛，等.汽車發動機氣門材料及摩擦學性能研究進展[J].熱加工工藝，2023，52（20）：91-94+100.

[2]張猛，沈輝，孫明珠，等.Al2O3質量分數對NiCr涂層高溫摩擦磨損性能的影響[J].特種鑄造及有色合金，2020，40（11）：1269-1273.

[3]高潔，薛姣.汽車發動機用氣門材料的選擇及研究進展[J].時代汽車，2016，（11）：27-28.