[01470740]复合陶瓷内燃机进排气门技术的研究

1、科学技术领域：铁路机车车辆；材料表面与界面(包括表面优化技术)。2、主要内容：采用“复合陶瓷薄膜强化金属表面技术”，对内燃机车进、排气门表面进行强化处理。陶瓷薄膜强化金属表面技术，又称为等离子体化学气相沉积技术。负电荷粒子(特别是电子)和正电荷粒子(正离子)几乎相等的媒质或者所处的状态被定义为Plasma(等离子体)，通常产生电离的气体极易转变成等离子体。这种气体在外场作用下，因受激发而产生移动，并引发许多特异的性质。当含有陶瓷元素的工作气体进入真空室时，高温高速的电子与工作气体分子相碰撞，将工作气体电离成离子，分解成游离基。气相游离基经扩散、对流，与工件(气门)表面金属离子发生相互作用，一部分被反射引起第二次碰撞，其它的被吸附，由临界核转变为稳定核。稳定核不断生长，与相邻近的稳定核结合发展为整体，形成具有网状结构的连续的陶瓷膜。这些异质游离基的聚合，在工件表面发生化学置换反应而渗入工件20-30微米，同时，金属离子也向陶瓷膜内部渗入，形成双向扩散梯度层，在金属工件表面形成结合紧密牢固的被称为复合陶瓷薄膜的强化层。利用该技术对内燃机车柴油机进排气门进行处理，在气门表面沉积BN-SiN复合陶瓷薄膜材料，称之为复合陶瓷进排气门，通过提高气门表面的硬度、耐磨性、抗氧化性以及降低摩擦系数，使用寿命延长一倍以上，大幅度减少故障发生，从而达到运输安全和节能的目的。该成果的研发成功填补了国内同类产品应用复合陶瓷薄膜强化金属表面技术的空白，产品具有国内先进水平,已获国家实用新型专利。3、特点：(1)在＜350℃的工作环境下，解决了金属和陶瓷两种不同材料实现表面复合，国内外同类技术的工作温度一般高于500℃、该产品采用低温P-CVD技术，其中低温等离子体表明一种状态，只有在该状态下才具有一系列优越性。(2)在陶瓷材料与金属基体之间形成双向扩散，陶瓷材料向金属基体内扩散，而金属基体材料又向外扩散进陶瓷薄膜中。国内外同类技术是用火焰喷涂陶瓷粉，其最大缺点是因陶瓷、金属两种材料的热膨胀系数相差过大，易发生涂层脱落。此外，喷涂时高温陶瓷粉会引起金属表面局部过热而损坏基体材料。(3)在结构上，金属复合陶瓷为网络与超微粒子并存，超微粒子随机分布于网络中，超微粒子最大直径为0.8μｍ，使材料既有硬度又有强度，提高了金属的耐磨性，并且具有良好的韧性和表面光洁度，并可降低材料的摩擦系数。(4)该技术最新研究表明，新成分在气门表面实施双向扩散后，室温下复合材料导热系数可提高42％并随温度升高呈指数函数规律上升。在低温下(＜350℃)，对气门表面进行技术研究，在国内属首创。(5)沉积温度低，其形状不发生变形，由于沉积膜厚＜3μm，故加工后，基体尺寸形状几乎不变，不影响精度和装配性能。(6)复合陶瓷气门能达到指标：表面显微硬度至少提高50％；耐磨性能提高到二倍以上；使用寿命明显延长；气门表面光洁度提高一个数量级；摩擦系数下降30-50%；高温条件下导热性能提高40％以上；柴油机排放尾气中的HC、CO等有毒气体减少。4、推广应用情况：(1)推广情况。截止2012年12月底，该项目研究成果产品已在全国铁路系统的上海、南昌、哈尔滨、沈阳、太原、乌鲁木齐、南宁等8个铁路局19个机务段，以及南车北车集团的戚墅堰机车有限公司、成都机车厂、北京二七机车厂推广使用，已批量生产，年产值和销售额均突破1500多万元，累计销售额超过1.0亿元。(2)运用效果。复合陶瓷气门质量稳定，适应铁路“重载、长交路”的发展变化，能降低检修成本，以一台中修机车为例，如果装用复合陶瓷进、排气门，仅免除更换气门一项，一台机车可节约费用为0.6万元，全路每年大中修机车约5000辆，则可节约材料费3000万元左右；同时，复合陶瓷进、排气门故障率降低，大幅度减少了因气门引发的碎修、临修、机破的发生，以及由于气门掉块所造成的活塞、缸套及增压器破损故障，因而大大降低检修人员的劳动强度和由此产生的费用支出。(3)符合国家产业政策方向。由于复合陶瓷气门与导管的摩擦系数减小，复合陶瓷中的B、SI等离子对燃油燃烧有催化作用，气门磨损较小，使柴油机有较稳定的压缩比，提高了机车功率，达到节约机油、燃油的作用，同时有降低排气温度和HC、CO等有害气体排放，适应环保的发展要求。