6BT排气门颈部断裂原因分析与对策

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从气门设计、制造、组装、使用等方面对6BT排气门颈部断裂产生的原因进行了分析并提出了相应对策。
1 引言}[
气门作为发动机配气机构中的执行元件，是保证发动机动力性能、经济性能和可靠性、耐久性的重要零件。由于其担负的特殊功用和恶劣的工作条件，气门失效时有发生，轻则损及功率，重则机器报废甚至产生恶性事故。气门颈部断裂是气门失效模式中最为严重的失效模式之一。!ah
近年来，6BT发动机以其结构紧凑,马力强劲，性价比高等特点，广泛应用于汽车、工程机械等领域。由于种种原因，近年来，6BT排气门掉头（主要表现为从颈部断裂）市场反馈呈上升趋势，给用户和配件供应商带来了极坏影响。本文从6BT排气门设计、制造、以及组装和使用等方面对产生颈部断裂的原因进行了分析，并提出了相应对策。愿于广大同行共同探讨。#w%
2 颈部断裂原因分析及相应对策}5?O2%
从数起6BT排气门颈部断裂残骸分析结果来看，其断裂方式大多为疲劳断裂，且断裂部位集中在气门颈部靠近第二热点（气门杆部与颈部相接处附近）区域。分析结果认为断裂与气门设计、制造、组装和使用等环节相关，以下作分别讨论。fZk
2.1 气门设计R=lZSY
2.1.1 材料设计欠妥当。~5-~y
6BT排气门材料设计为：21-4N（头部）和4Cr9Si2（杆部）双金属结构。
21-4N钢属于Cr-Ni-Mn-N系奥氏体耐热钢，具有较高的热强性和耐蚀力，被广泛应用于制造工作温度小于800℃的排气门。但是，此钢种对V2O5的耐蚀性较差。据资料显示，在900℃熔融状态的V2O5（90%）+Na2SO4（10%）混合液中21-4N钢的腐蚀减量达到26克/分米2/小时，是4Cr10Si2Mo钢腐蚀减量的两倍。因此，对使用含钒较多的柴油做燃料的柴油机不宜采用。
6BT发动机采用柴油作为燃料，由于燃油中含有〔V〕〔S〕〔Na〕等元素，其燃烧产物中含有V2O5和Na2SO4，此二种物质将对21-4N钢产生腐蚀。气门颈部频繁受到含有腐蚀气氛废气的冲刷，久而久之将产生蚀坑，降低材料的疲劳强度。
对策⑴：采用21-12N钢取代21-4N钢，21-12N钢属于Cr-Ni-Mn-Si-N系奥氏体耐热钢,具有优秀的耐氧化、耐PbO腐蚀、耐S腐蚀和耐V2O5腐蚀性能。但与21-4N相比，其高温强度不如21-4N，可对气门锥面堆焊Stellite合金进行弥补。或采用23-8N代替21-4N。L.
对策⑵：采用不含〔V〕的燃油添加剂，尽可能降低燃油中的〔V〕含量，但此举必须让发动机用户知晓。7
2.1.2 气门颈部形状设计欠妥当tl
考察市场销售的6BT排气门，其颈部形状多为普通漏斗形设计，受排出气流冲击的那段区域尺寸过于单薄。经检测盘锥面母线延长线与杆部外圆母线相交处横截面尺寸（以下简称ΦE）为：ΦE=Φ7.98。由于气门受排出气流冲击的那段区域对腐蚀和疲劳失效非常敏感，为提高气门的耐久性，将这部分区域设计成锥形，因此所提供的附加截面能够大大减轻排除气流对颈部的危害。改进前、后6BT排气门颈部尺寸示意图如图一、二所示。图二中γ建议取4～6°，E建议取20～22mm。在γ=6°，E=22mm时，ΦE=Φ8.58，比改进前直径方向增加了0.6mm。 K-nA6
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适当改变气门颈部形状设计，增大受排出气流冲击的那段区域的尺寸，以增加的截面积来提高气门颈部强度，实践证明效果显著。国内某机型发动机排气门经过类似改进，功率由由原来的140马力提高到160马力，气门掉头率不但未增加，反而有所降低。其排气门颈部设计改进前后如图三、四所示。改进前ΦE=Φ10.63，改进后ΦE=Φ11.68，增大了1.05mm左右。
2.2 气门制造M
2.2.1 21-4N晶粒过细。
晶粒大小对钢的高温性能影响很大。当使用温度低于等强温度时，细晶粒钢具有较高的强度；当使用温度高于等强温度时，粗晶粒钢具有较高的蠕变抗力和持久强度，但晶粒太大会使持久塑性和冲击韧性降低。6BT排气门工作温度大于750℃，在工作温度下，粗晶粒比细晶粒性能优越，从数起6BT排气门颈部断裂残骸物理检验结果来看，近60%气门晶粒等于或细于10级，为不完全固溶组织。还有部分气门存在较重的混晶：同一视场内或不同视场间最大频度的晶粒（占视场面积20%以上）晶粒度级别差大于等于3级。较重混晶会显著降低钢的高温性能，这是由于在大小晶粒交界处出现晶粒集中，裂纹就易于在此产生而引起过早的断裂。
综合考虑气门的常温和高温性能并结合有关文献，笔者认为6BT排气门21-4N部分应为全固溶组织。晶粒度控制在5-8级，混晶按上述标准检测，晶粒度级别差应不大于三级。鉴于国产21-4N钢混晶情况较重，建议强制采用先进国家进口21-4N钢材。
2.2.2 金相组织中碳化物分布呈网状分布，割断了基体，降低了钢的疲劳强度。
21-4N钢一般采用固溶、时效工艺进行强化。热处理后的金相组织为：奥氏体+层状组织 +碳化物。经分析，组织中的碳化物为M23C6型合金碳化物，弥散分布于奥氏体基体上，起沉淀硬化作用。从6BT排气门颈部断裂残骸金相检验结果来看，部分气门碳化物呈网状分布。未溶带状碳化物有些是一次碳化物，用热处理的方法不能消除。
层状组织是一定温度下发生晶界反应的结果，是处于晶界上的脆性相，应加以控制，JB/T6720-93《内燃机气门金相检验》中规定，层状组织应不得大于视场面积的15%。笔者认为此标准规定的是气门出厂检验标准，一旦装机使用后，由于气门盘、颈部工作温度较高，有的已超过780℃，层状组织含量将发生变化，换句话来说，气门发生颈部断裂后，仅检验层状组织超差就认为这就是造成断裂的原因证据不充分。据有关资料介绍，层状组织在780℃保温时将剧烈增加。实际检测替换下来的日本DA640、意大利菲亚特进口发动机排气门盘、颈部层状组织，结果为 20-40%。
在热处理生产中，我们应确保固溶加热温度和保温时间（保温时间应不低于0.5小时），使碳化物充分溶于奥氏体基体，时效温度和时间以保证金相合格的情况下，温度越高，时间越长，越有利于碳化物的弥散效果。
2.2.3颈部存在校直缺陷
气门毛坯经热处理不可避免要产生变形，现国内气门生产厂家普遍采用双滚式校直机进行矫正。由于设备调试不当等原因（如校直长度过长），校直轮滚压到气门颈部，由于21-4N钢特有的冷作硬化性能，被压部位表层将产生微观变化。金相检验发现，此变形区域晶格产生了严重扭曲，具有大量位错和孪晶。校直压力过大时，有微裂纹出现。由于此种缺陷深度较深，在后续加工不能完全去除，并且该种微裂纹用普通探伤的方法很难发现。气门装机后，此种微裂纹即成为发生断裂的裂纹源。
生产中应采用严格的定位装置和适当的校直压力进行校直作业。
2.2.4 颈部存在较深的刀纹。
从市场销售的6BT排气门来看，颈部加工主要采用两种方式；一是颈部精锻（或机加工）后进行抛丸处理，二是颈部采用车削或磨削加工，存在刀纹。过深的刀纹会降低钢的疲劳强度，尤其是在气门颈部第二热点附近应避免出现过深的刀纹。
2.2.5 镀铬缺陷
6BT排气门要求杆部镀铬。镀铬时，常会在铬层出现环形裂纹，尤其是在镀层较厚时。这是由于铬沉积时产生较高的拉伸应力引起的，这种情况会导致在明显具有机械弯曲应力处的疲劳强度大大降低。因此，应避免在颈部与杆部过渡表面上镀铬。m,
2.3 气门的组装和使用
2.3.1 在发动机配气机构中，气门与气门座，气门与导管，气门与摇臂构成了三对摩擦副。前两个摩擦副配合不当也是造成气门颈部断裂的一个因素。
众所周知，6BT发动机气门座和气门导管与汽缸盖是一体的。新汽缸盖气门座和气门导管是一起铰制的，位置精度很好。经过一段时间的使用后，气门座口和气门导管均有不同程度的磨损，尤其是使用了配合性较差的气门，气门与气门座配研后，气门座与导管同轴度变差，同时，气门杆与导管之间的间隙增大，气门在气体压力、惯性力和弹簧预紧力的共同作用下落座时，将作摇头运动，这是由于气门锥面不能同时落座造成，弯曲力矩将增大，并且气门向导管的传热恶化，气门容易过热，强度降低，当弯曲应力超过材料的疲劳极限时，气门将产生断裂。
据市场反馈，由于6BT发动机汽缸盖不能象其他发动机一样更换磨损了的气门座和气门导管，只能在原汽缸盖上进行修复，并且大部分修车厂不能提供此类维修，只能更换汽缸盖，许多车主嫌费用太高，总抱着侥幸心理，凑合着用，增加了6BT排气门颈部断裂发生的可能性。
2.3.2 发动机超载、超速运转也是造成6BT排气门颈部断裂的原因之一。
在高速、高功率运转时，发动机虽然在一定的负荷和转速下运转，但各部分的温度很高，机械负荷也最重。就配气机构而言，容易产生气门与气门座的磨损。如果这样的负荷是断续发生的，如山区路面、上、下坡等，情况就不同了，在发动机高温部分会形成裂纹。这种裂纹是热应力引起的疲劳裂纹，在发动机内承受高温燃气作用部分：如气门颈部第二热点附近区域容易发生。}
采用对发动机来说轻松的使用方法可以避免或减轻以上损害。所谓轻松的使用方法即使发动机在相对恒定的转速和负荷下连续运转。与之相反，考核发动机性能常用的“低循环次数的疲劳耐久试验”对发动机而言是最坏的使用方法。)
2.3.3 路况和燃油不良有时也是促成断裂的充分条件.
3 结束语'
造成6BT排气门颈部断裂的原因有很多，且有时不止一个，往往是多个因素促成的结果。而且一旦事故发生，损破现场无法保护，原始资料不易搜集，给失效分析带来了种种困难。但无论如何，我们应充分认识到失效分析的重要性，从事故中取得经验和教训，用以改进我们的工作，减少此类问题的再发生。

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针对“6BT排气门颈部断裂原因分析与对策”，以下是我的专业回复：

关于6BT排气门颈部断裂，经分析主要原因包括：1. 材质问题，可能存在内在缺陷或疲劳强度不足；2. 操作或使用过程中的负荷过载、高温环境也对其产生影响。为应对此问题，建议采取以下对策：一是对原材料进行严格把关，确保材质优良；二是优化排气门结构设计，提高强度与耐久性；三是加强使用过程中的维护保养，避免超负荷运行和高温环境的影响。以上措施可有效降低排气门颈部断裂的风险。