一種高性能發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及新材料領(lǐng)域，尤其涉及一種進(jìn)氣門及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)動(dòng)機(jī)是機(jī)車的核心部件，而氣門又是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一。氣門是用來(lái)打開 或關(guān)閉進(jìn)、排氣道的直接零件，其工作環(huán)境惡劣、對(duì)材料的性能要求高。氣門分為進(jìn)氣門與 排氣門，空氣通過(guò)進(jìn)氣門進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)與燃料混合燃燒，燃燒后產(chǎn)生的廢氣通過(guò)排氣 門排出氣缸，從而實(shí)現(xiàn)新鮮空氣進(jìn)入氣缸燃燒產(chǎn)生車輛行駛的動(dòng)力并排除廢氣。在這過(guò)程 之中，燃料燃燒的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。氣門頭部溫度很高，而且還承受氣體的壓力、氣門彈 簧的作用力和傳動(dòng)組件慣性力，其潤(rùn)滑、冷卻條件差，要求氣門必須有一定強(qiáng)度、剛度、耐熱 和耐磨性能。進(jìn)氣門一般采用合金鋼(鉻鋼、鎳鉻鋼)，排氣門采用耐熱合金(硅鉻鋼)。有時(shí) 為了省耐熱合金，排氣門頭部用耐熱合金，而桿部用鉻鋼，然后將兩者焊接起來(lái)。目前發(fā)動(dòng) 機(jī)一般設(shè)有多個(gè)氣門。常見的是每個(gè)汽缸布置有4個(gè)氣門，4汽缸的發(fā)動(dòng)機(jī)一共有16個(gè)氣 門。這種多氣門結(jié)構(gòu)容易形成緊湊型燃燒室，噴油嘴在中央，這樣可以令油氣混合氣燃燒更 迅速、更均勾，各氣門的重量和開度適當(dāng)?shù)販p小，使氣門開啟或閉合的速度更快。不過(guò)，這樣 也就要求氣門的材料性能越高。
[0003] 發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)要求進(jìn)氣門要具備耐磨擦、耐高溫、耐疲勞、高韌性等特征，氣 門材料的性能直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。由于該項(xiàng)技術(shù)的高度商業(yè)價(jià)值及高度的商業(yè)機(jī) 密性，關(guān)于氣門材料及其加工工藝方面的相關(guān)報(bào)道極少。目前國(guó)內(nèi)的氣門材料有40Cr、 4Cr9Si2、4Crl0Si2Mo、21-4N和23-8N等少數(shù)幾種。然而，我國(guó)目前的氣門壽命尚不及國(guó)外 先進(jìn)水平的三分之一。
[0004] 發(fā)明專利CN104895638A提供了一種汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門，采取熔煉鑄造，鍛造頭 部，調(diào)質(zhì)熱處理，切削加工，碳氮共滲熱處理，錐面磨削加工，錐面堆焊，表面打磨，涂覆涂層 等工藝步驟，并對(duì)氣門進(jìn)行碳氮共滲熱處理提高進(jìn)氣門的硬度及強(qiáng)度，避免出現(xiàn)腐蝕點(diǎn)。 [0005] 發(fā)明專利CN103256085A提出了一種燒重油船用發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門，包括氣門基體和 氣門盤錐面，氣門基體的材料采用23-8N氣門鋼，氣門盤錐面上設(shè)置有強(qiáng)化層，強(qiáng)化層采用 鎳基合金材料，具體各組分質(zhì)量百分比為：77-82%的鎳、2. 2-3. 4%的鐵、9. 5-12. 5%的鉻、 0. 1-0. 5%的碳、3. 5-4. 2%的硅、2. 0-2. 5%的硼。以提高其門的壽命。
[0006] 發(fā)明專利CN102493853A提出了采用TiAl基金屬間化合物作為氣門材料。這種材 料在耐高溫方面能夠得到很大的提升，然而，其韌性尚達(dá)不到工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，并且存在價(jià) 格昂貴的問(wèn)題。
[0007] 發(fā)明專利CN103627956A公開了一種發(fā)動(dòng)機(jī)用高耐磨性能進(jìn)氣門材料及該氣門 的制造方法。采用的合金成分范圍為：：c:0. 32~0. 40% ;Si:0. 17~0. 27% ;M〇:0. 5~ 1. 2% ;Μη:0· 50 ~0· 80% ;Nb:0. 2 ~0· 5% ;Cr:0. 80 ~1. 10% ;W:0. 50 ~1. 0% ;Ni:彡 0· 013% ; P:彡0. 015 ;S:彡0. 015 ;Cu:彡0. 010% ;余料為Fe。該氣門經(jīng)表面納米化、低溫滲氮、堆焊 鎢鋯合金等工藝加工而成。
[0008] 發(fā)明專利CN103627961A公開了一種進(jìn)氣門，進(jìn)氣門采用的合金成分重量百分比 為：C:0. 32 ~0· 40% ;Si:0. 17 ~0· 37% ;Μο:2· 5 ~3. 5% ;Μη:0· 50 ~0· 80% ;Cr:0. 80 ~ 1. 10% ;W:0. 50~1. 0% ;余量為純度為99. 8%的Fe。該氣門經(jīng)表面納米化、低溫滲氮、堆焊 鎢鋯合金等工藝加工而成。該氣門可以在500°C以上的高溫長(zhǎng)期服役，但是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能 提升，要求氣門在550°C以上的溫度服役時(shí)，這個(gè)材料便不能勝任了。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 發(fā)明目的：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供本一種成本適中、耐高溫性能優(yōu)異、 使用壽命較長(zhǎng)的綜合性能優(yōu)異的進(jìn)氣門及其制備方法。
[0010] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供了一種進(jìn)氣門，所述進(jìn)氣門的基 體材料成分為：c:0. 30 ~0· 40% ;Si:0. 05 ~0· 1% ;Μ〇:0· 1 ~0· 2% ;Μη:0· 50 ~0· 80% ; Cr:0. 80 ~1. 10% ;W:0. 50 ~1. 0% ;Ce: 0· 1 ~0· 2%;Nb: 0· 05 ~0· 1% ;Cu: 0· 05 ~ 0. 1%。余量為純度大于99. 8%的Fe，所述純度為99. 8%的Fe中的雜質(zhì)重量百分比含量為：Ni:彡0.013% ;P:彡0.015 ;S:彡0.015%。其特征在于，氣門的錐面有鉬鋯合金層，厚度 30-100微米，氣門的表面有石墨烯層，厚度50-500納米。
[0011]相對(duì)于專利CN103627956A使用的材料，本發(fā)明降低了Μ〇、Si的含量，增加了 Cu、Nb元素。降低Mo含量能夠降低產(chǎn)品的成本，增加微量Nb元素，在不顯著增加成本 的前提下，能夠有效地提高合金的耐高溫性能與高溫下的強(qiáng)度，增加微量的Cu元素，能夠 大大改善合金的焊接性能。由此，可以采用鉬鋯合金代替鎢鉬合金，降低了材料成本，而且 降低了焊接工藝的溫度與難度，減少了設(shè)備投資。
[0012] 此外，本發(fā)明采用了石墨烯鍍層，增強(qiáng)了氣門的抗高溫沖擊能力、抗氧化能力、耐 磨性能與表面強(qiáng)度。從而使氣門的長(zhǎng)期使用溫度從5 0 0 °C上升到5 5 0 °C以上。
[0013] 上述進(jìn)氣門的制造方法，包括如下工藝步驟： (1) 按照合金成分范圍準(zhǔn)備配料，將合金材料混合均勻； (2) 采用真空感應(yīng)爐熔煉，溫度控制在1600~1650°C，熔煉2~2.5小時(shí)； (3) 分別在1100°C、1050°C、950°C進(jìn)行三次鍛造，控制變形比大于70%，得到進(jìn)氣門毛 坯； (4) 在800-850°C下保溫1-1. 5h，淬火，然后加熱到450-500°C，保溫2-2. 5小時(shí)，最后 空氣冷卻； (5) 去除表面氧化皮，進(jìn)行光潔處理，再進(jìn)行表面超聲處理，接著在330~360°C進(jìn)行滲 氮處理； (6) 采用銑床加工對(duì)錐面進(jìn)行表面光潔度處理； (7) 在錐面堆焊鉬鋯合金，其中Mo的含量為30~40%，鋯為余量； (8) 進(jìn)行表面光潔度處理，再采用化學(xué)氣相沉積（CVD)法在氣門表面沉積一層石墨烯。 沉積過(guò)程利用CH4為碳源、H2為載氣，溫度為900~1000°C。降溫的速度為15°C/s。
[0014] 其中，步驟（5)中所述表面超聲處理是在室溫下、頻率控制在3-3. 5萬(wàn)赫茲的條 件下進(jìn)行的；步驟（7)中錐面堆焊鉬鋯合金的工藝參數(shù)為：在450°C下預(yù)熱，焊接電壓為300 V，電流900A;步驟（7)中澆鑄后冷卻的速度大于500°C/秒。
[0015]有益效果：使用本發(fā)明的氣門，由于其具有優(yōu)異的高溫性能(強(qiáng)度、抗氧化性、耐磨 性與疲勞壽命等)，能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度，因而提升燃料的燃燒熱量與利用效率。能 夠產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。本發(fā)明采用表面納米化技術(shù)，在改善材料強(qiáng)度的同時(shí)，也提高了材 料的摩擦磨損性能、提高材料表面的抗沖擊性能、提高材料整體性能，同時(shí)，對(duì)材料的韌性、 強(qiáng)度、硬度以及耐蝕性等方面也有好處。另一方面，合金采用堆焊鉬鋯合金，在保證氣門材 料錐面的耐高溫性能、硬度與耐磨性的同時(shí)，降低了成本。通過(guò)沉積石墨烯層，確保了氣門 表面的耐高溫性能與耐磨性能。從而使氣門的長(zhǎng)期使用溫度從5 0 0 °C上升到5 5 0 °C以 上。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 以下各個(gè)實(shí)施例中所使用的純度為99. 8%的Fe中雜質(zhì)的重量百分比含量為：Ni:彡 0· 013% ;P:彡 0· 015 ;S:彡 0· 015。
[0017] 實(shí)施例1 (1) 按照合金成分范圍準(zhǔn)備配料，C:0. 30% ;Si: 0· 1% ;Μο:(λ17% ;Μη:(λ5% ;Cr:L04 % ; W:0.93%;Ce: 0.11%;Nb: 0.06%;Cu: 0.08%。將合金材料混合均勻； (2) 采用真空感應(yīng)爐熔煉，溫度控制在1