淺談船舶主機氣門工作條件及制造選材

1、淺談船舶主機氣門工作條件及制造選材 作為船舶主機燃燒室的重要組成部分，氣門的工作條件極為復(fù)雜。因此在氣門的制造選材過程中應(yīng)充分考慮其工作條件特征?？梢哉f，氣門工作條件決定制造選材方向，制造選材過程也將直接影響氣門適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境的程度。 1.船用主機氣門的工作條件 1.1.燃?xì)獾母邷?、高壓作?船舶主機氣門的頭部直接與高溫、高壓燃?xì)饨佑|，由于受到氣流的高速沖刷、加熱，溫度高達(dá)650800，閥桿溫度可達(dá)150250。圖1為某型號船舶主機的氣門在轉(zhuǎn)速為1200r/min，壓力為1.39mpa工況下的溫度分布。 閥盤底面最高溫度超過了680，整個頭部的溫差在180以上，使船舶主機氣門產(chǎn)生較大熱變形和

2、承受較大的熱應(yīng)力。氣門機構(gòu)留有冷態(tài)間隙，使氣門在開啟和關(guān)閉時受到?jīng)_擊負(fù)荷，若間隙過大，沖擊將更加嚴(yán)重。此外，氣閥和閥座在高溫燃?xì)庾饔孟?，將產(chǎn)生交變機械應(yīng)力和變形，引起氣閥和閥座接觸面發(fā)生相對滑移，使摩擦加劇。 1.2.撞擊和磨損作用 船舶主機氣門在關(guān)閉時，閥面與座面發(fā)生撞擊和磨損。閥盤和閥座在撞擊力的作用下，閥面尺寸減小，座面尺寸增大，氣門滑移著楔入閥座。氣門彈簧的振動和伸縮變形時螺旋線的扭轉(zhuǎn)作用，也使閥面和座面間產(chǎn)生楔入性和扭轉(zhuǎn)性的滑移，這些滑移使閥面和座面間產(chǎn)生干磨擦。閥面和座面上的剝落金屬顆粒、灰分、碳粒又變成了磨料加重了磨損。 1.3.燃燒產(chǎn)物的腐蝕作用 燃燒產(chǎn)物對主機氣門的閥盤和閥座

3、有腐蝕作用。特別是船舶主機燃用重油時，閥盤與閥座上的沉積物即燃燒后生成的硫、釩、鈉氧化物的聚合物產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕和磨損。釩、鈉低熔點的化合物對金屬起腐蝕作用，并使閥盤與閥座接觸不良。閥盤和閥座在頻繁撞擊下，由腐蝕形成的硬脆沉積物崩碎脫落，使閥面和閥座上出現(xiàn)凹坑，造成密封面漏氣，甚至燒損。 2.船舶主機氣門制造材料的選擇 2.1.對氣門制造材料的基本要求 根據(jù)船舶主機氣門的工作環(huán)境和長期實踐過程，人們總結(jié)出了船舶主機氣門選材的四個基本要求:(1) 具有良好的高溫機械性能；既有足夠的高溫強度和熱硬性；(2) 具有高溫抗腐蝕的性能；(3) 具有較高的耐磨性與抗沖擊性能；(4) 導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小。

4、 2.2.耐熱合金鋼成首選 工業(yè)用鋼包括碳素鋼和合金鋼。碳素鋼簡稱碳鋼，其含碳量小于2.11%，為含有少量的si、mn、p、s等雜質(zhì)的鐵碳合金。因碳素鋼具有較好的機械性能、良好的工藝性能、品種多、價格低廉等特點，成為機械工程廣泛使用的重要金屬材料，在鋼的總用量中占90%以上。但是隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對材料的機械性能和理化性能的要求更高了。碳素鋼因其強度低、淬透性低、回火抗力差、高溫性能極差等缺點遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)上所要求的高強度、超高強度、 耐高溫、耐低溫、耐磨損和耐腐蝕等性能。而合金鋼就是應(yīng)運而生的滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)要求的重要金屬材料。合金鋼在碳素鋼的基礎(chǔ)上加入了一定量的合金元素形成

5、的具有特定性能的鋼。合金鋼依用途可分為合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼三大類。其中特殊性能鋼是具有特殊物理、化學(xué)性能的鋼，主要有不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。 對于船舶主機氣門這種工作在高溫、高壓、高強度條件下的部件，其制作材料大多都采用耐熱合金鋼。這是因為耐熱合金鋼具有較好的高溫工作性能，即具有較好的抗氧化性與高溫強度。耐熱合金鋼的工作溫度可以達(dá)到600800，而碳素鋼的工作溫度僅為200左右。同時耐熱合金鋼在600高溫下工作時其硬度仍可保持在hrc60，而碳素鋼在工作溫度超過200時其硬度、耐磨性顯著降低。制造氣門所采用的耐熱合金鋼中加入了cr、si、al等合金元素，生成結(jié)構(gòu)致密的高熔點氧化

6、膜覆蓋于氣門表面，使之不再被氧化。而在氣閥鋼中加入mo、w、ti、v、cr等元素是為了提高氣閥鋼的再結(jié)晶溫度，進(jìn)而提高氣門的抗蠕變能力。氣門的抗蠕變能力越大，其高溫強度越高。 耐熱合金鋼按其組織可分為珠光體鋼、馬氏體鋼和奧氏體鋼。而氣閥所采用的傳統(tǒng)制作材料多為馬氏體鋼和奧氏體鋼。馬氏體鋼中的鉻硅鋼為中碳高合金鋼，多用于制造工作溫度小于700的氣門。如4cr9si2、4cr10si2mo等。奧氏體耐熱鋼含有大量的cr、ni合金元素的高合金鋼，其中4cr14ni14w2mo主要用于制造工作溫度小于750的氣門。 2.3.船舶主機氣門選材制造過程同可靠性與可維修性的關(guān)系 在選取船舶主機氣門鋼的材料以

7、及制造過程中，一定要考慮船舶主機氣門的可靠性與可維修性。船舶主機氣門的可靠性是指氣門在規(guī)定的時間、規(guī)定的條件下完成規(guī)定的功能的能力。所謂規(guī)定的時間即為氣門的使用期（即首次投入使用到發(fā)生故障時的時間間隔或者是修復(fù)后投入使用到再次發(fā)生故障時的時間間隔）、規(guī)定的條件是指氣門的環(huán)境條件（如高溫、高壓等）、使用條件、維修條件（如在船維修或進(jìn)廠維修等）和工作方式等。規(guī)定的功能是指氣門在設(shè)計過程中所賦予的工作性能，例如抗腐蝕性、抗氧化性等。氣門的可靠性是一個綜合性能，反映了設(shè)計、材料、制造、安裝工藝等的質(zhì)量。氣門的可維修性是指其發(fā)生故障后，在規(guī)定的時間內(nèi)通過維修使氣門保持或者恢復(fù)到規(guī)定使用條件下完成規(guī)定功能的能力。可維修性是設(shè)計制造賦予產(chǎn)品的一種固有特性。維修船舶主機氣門的目的是通過維修合理而迅速地保持或恢復(fù)氣門的原有功能，也就是說，在船舶主機氣門發(fā)生故障后，要求維修工作以最佳的質(zhì)量、最短的時間和最低的費用恢復(fù)氣門原有的技術(shù)特性。 近年來盡管船舶柴油機船舶主機氣門可靠性隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、新材料的涌現(xiàn)等原因有了很大提高，但是，由于燃用低質(zhì)油等