CN1126768A - 具有铁基表面加硬用合金接触表面的内燃机阀门 - Google Patents

Abstract

一种内燃机阀门，包括有阀体，头部，和位于头部上的用于与阀座周期地进行气密封啮合的接触表面，该接触表面由焊接在该阀门头部上的金属沉积物构成，所述接触表面所测出的成分，除铅和硼可以任意外，其他基本成分为(重量比)：

碳：1.3-2.0％，铬：19-23％，钼：8-11％，镍：17-21％，锰：6-13％，硅：＜0.5％，氧：＜0.06％，其余为铁和不可避免的杂质。

Description

具有铁基表面加硬用合金接触 表面的内燃机阀门

本发明涉及一种具有耐磨性好，防止氧化铅腐蚀、抗氧化的成分成本低的铁基表面加硬用合金。

本发明所述的合金粉末用于构成发动机阀门的接触表面，具有较强的竞争性，并可以大量节省发动机阀门加工的准备费用。

本发明所述的合金粉末，特别适用于作为覆盖内燃机排气阀门和进气阀门接触表面的表面加硬用合金。

本发明所述的合金粉末，通常用于高温和强腐蚀条件需要高性能合金的场合，这种特殊设施是必需的，例如阀门和相关的部分如阀门表面和插入部分直接置于内燃机的高温和腐蚀产物中。通常在循环的不同阶段，这些发动机零件必须在538℃或更高温度的腐蚀性气体中经受检验。

一般用于排气阀门加工的表面加硬用合金是史特莱铁合金，其为钴—铬表面加工合金，通常用于非覆盖的奥氏体不锈钢阀门容易受到严重磨损和腐蚀的其他情况。不同的史特莱合金包括STL(史特莱铁合金)#6(参照日本工业标准，1.2c-1.0Si-30Cr-4w-co：剩余部分)，STL#32(1.8c-1.0Si-22Ni-26Cr-12w-co；剩余部分)的钴基合金，具有极好的高温抗磨损、抗氧化铅腐蚀，抗氧化性能。然而由于钴、镍、钨成本高，导致史特莱铁合金价格昂贵。普通的史特莱铁合金的非铁成分为：钴40-80％，钨0-25％，铬20-35％，碳0.75-2.5％。

另一方面，一般铁基合金相对便宜，但高温性能不好。

将氧炔焊接处理铁基合金用来制备发动机阀门接触表面，在接触表面加工时，准备的接触表面必然带来可能多的铸造缺陷。

美国专利第4122817公开了一种由一种合金构成的接触表面的发动机阀门，该合金具有抗磨损，抗氧化铅腐蚀，抗氧化性能，并包括(以重量百分比表示)：碳1.4-2％，钼4.0-6.0％，硅0.1-1.0％，镍8-13％，铬20-26％，锰0-3.0％，余为铁。

日本专利申请(未审查)N0.2-243042/1980提供了一种用于发动机阀门表面加工涂覆材料的铁基合金粉末，其包括有(以重量百分比表示)：C 1.0-2.5％，Si 0.1-1.0％，Mn 3-12％，Ni 15-25％，Cr20-30％，Mo 5-15％，B 0.005-0.05％，AL 0.01-0.1％，0；0.01-0.05％，其余为铁和杂质。在这种合金粉末中，相对便宜的附加物锰可提供所企望的抗腐蚀性，附加物硼在高温下可以保证一定的流动性，附加物铝能保证合金微结构的均匀性。

而且，日本专利申请NO 5-49802/1993(未审查)提供了一种具有一种合金层的发动机阀门，该合金层包括(重量百分比)；Cr10-60％，C，1-8％，Mo，Ni，W，B，Si和Co的总重量占5-20％，其余为铁，该合金层涂在奥氏体钢的表面。

已经证明，用本发明所述的铁基合金构成的阀门表面加工，比用史特莱铁合金构成的表面合金更好。

与史特莱铁合金相比，特别是和日本未审查专利N02-92494/1991相比较，本发明的显著之处在于以极低成本实现高水平性能。

本发明的目的在于，提供具有较高竞争性但十分便宜的铁基合金构成的阀门表面加工。

本发明的另一个目的在于，提供如下的铁基合金，它具有较高的竞争性而无需添加使合金微结构均匀化的硼和铝。

本发明的再一个目的在于，提供一种铁基粉末合金成分，它只含有相对便宜的组分。

本发明的其他目的，可以从以下说明中看出。

以下参照说明书附图，较详细地说明本发明，其中：

图1为位于阀座上的阀门头的局部垂直剖面图。

图2为借助等离子喷灯焊接工艺采用表面加硬用合金对阀门头部加工的局部示意图。

参照图1，其所示为一阀门10的部分剖面的局部视图，阀门10包括有头部12和杆14。头部12具有一个与阀座表面气密封啮合的倾斜接触表面16。阀门孔18为阀门嵌入件24的一部分，嵌入件24可以用比发动机活塞部件或头部20常用的铸块材料具有更好的抗腐蚀、抗磨损和硬度更大的金属材料制成。阀门孔18通常为环状孔，阀门嵌入件24通常为位于其中的环状嵌入件。因此，阀门头部12的接触表面16应有前述阀门嵌入件一样好的抗腐蚀、抗磨损和硬度性能。

参照图2，阀门头12可以用一个沿其圆周具有槽的阀门毛坯加工。该槽为其中的表面加硬用合金16镀层提供一个位置。如图2所示。本发明所述的粉末合金颗粒8由一个等离子粉末焊接装置3供给，与等离子喷灯5一起伴随有载流等离子气体和防护气体6。然后，合金源颗粒在等离子中相遇并沉积在槽中，这样构成了表面加硬用合金16。如图2所示，表面硬化部分16形成，其表面在一周期中与阀门密封表面24处于气密封啮合啮合状态。因此阀门10具有以表面加硬用合金沉积构成的接触表面16，该合金沉积被焊接到阀门头部的面部区域。

结果，发明者发展了一种具有内燃机阀阀体，头部和位于该头部适用于周期地与阀门座气密封啮合的接触表面，所述的接触表面由焊接到该阀门头部的金属沉积构成，在所述接触表面测量的金属沉积的成分，基本上包括如下所述的成份。

实际上，本发明所采用的阀门毛坯可以由各种普通合金构成，其典型例子以下将详细说明。

同样，构成阀门表面的粉末合金的成分和比例，可以在适当宽的范围内变化。

主要的是，沉积在阀门头部，特别是其中构成接触表面的粉末合金其成分重量比例为：碳1.3-2.0％，铬19-23％，钼8-11％，镍17-21％，锰6-13％，硅＜0.5％，氧＜0.06％，其余部分为铁和难以避免的杂质。

用于制备发动机阀门接触表面的合金粉末的每种成分受限制的原因为：

碳是一种添加剂，以保证接触表面的硬度和抗磨损性达到希望的水平。

当碳的重量含量低于1.3％时，硬度和抗磨损性难以达到所希望的水平。而且，当碳的重量含量超出2.0％时，接触表面的硬度增大，而韧性降低。所以碳的重量含量最好为1.65-1.9％。

添加铬有助于提高抗腐性，尤其是抗酸性能。当铬的重量含量小于19％时，抗酸性不可能达到所希望的有效程度。而且，当铬的重量含量超过23％时，价格昂贵的铬会使接触表面的制造成本明显增加。因此，其重量含量小于21％时最为合适。

添加钼可以确定表面的硬度和高温强度，使之达到所希望的水平。当钼的重量含量小于8％时，其高温硬度不足，而且也难以提供希望的抗磨损性能。当钼的重量含量超过11％时，接触表面的硬度剧增，韧性减少。其次，特别是当钼的重量含量低于9％时，抗磨损性能是不够的。而且当钼的重量含量超过10.5％时，接触表面的硬度和韧性将受影响。

添加镍可以改善抗氧化铅性能和氧化铅＋硫酸铅性能。当镍的含量小于17％时，抗腐蚀性能不足。当镍的重量含量超过21％时，由于镍的成本较高，将增加铁基粉末合金的制造成本。特别是当镍的重量含量低于19％时，抗腐蚀性能明显不足。

添加锰是作为一种替代镍元素的还原剂，以便改善抗氧化铅性能。当锰的重量含量小于6％时，抗腐蚀性能不足，而且，当锰的重量含量超过13％时，高温时材料的流动性将受影响，导致加工表面的故障率增加。特别是当锰的重量含量低于11％时，抗氧化铅性能明显不足。

添加硅是作为一种还原剂。当硅的重量含量超过0.5％时，预加工表面性能下降，其上出现小孔的可能性增加。

当氧的重量含量超过0.06％时，出现小孔的可能性增加，产品的缺陷率也将增大。因此，最好氧的重量含量低于0.02％。

本发明所述的表面加工粉末合金可以采用已知的焊接方法，包括等离子技术和激光粉末焊接如惰性气体保护焊。

上述过程可以自动操作，以便表面硬化发动机阀门高速率生产。

而且，本发明所述的粉末合金重量成分的最佳范围如下：

碳1.65-1.9％；铬19-21％；钼9-10.5％，镍19-21％，锰11-13％，硅＜0.5％，氧＜0.02％；其余部分为铁和一些不可避免的杂质。

本领域技术熟练人员知道，具有所希望的治金成分比例的接触表面，通过相互作用的阀门毛坯台金，焊丝台金和焊接条件可以实现。这样，在焊接期间增加供给能量时，通常稀释，增加了冶金性能对阀门毛坯中的焊接成分的影响。相反，焊接期间供给能量的减小，降低了阀门毛坯对前述性能的有利影响，并且不得不在焊丝和其他原始焊接金属中进行补偿调节，以使接触表面具有所希望的组成。

本发明实用的可以用作制造阀门毛坯的合金包括：

21-2N；

元素         重量百分比

 C           0.50-0.60

 Mn          7.0-9.5

 Si          最多0.25

 N           0.20-0.40

 Cr          19.25-21.50

 Ni          1.50-2.75

 Fe          其余部分

 SuH36

 元素        重量百分比

 C           0.48-0.58

 Mn          8.0-10.0

 Si          最多0.35

 Cr          20.0-22.0

 Ni          3.25-4.50

 N           0.35-0.50

 Fe          其余部分

本发明通过以下阀门表面加工合金的例子作进一步说明，但并不局限于此。

阀门毛坯系列用21-2N合金构成，其头部测量直径为23.5mm，为一种通过等离子技术粉末焊接方法提供的铁基表面加硬用合金，对每个样品，阀座区域采用下述成分的粉末合金：(见表1)

焊接参数：

用于焊接的铁基合金颗粒尺寸：80-350目表1样品        成分(重量百分比)No.    C    Cr   Mo   Ni   Mn    Si   O     Al    B        Fe1     1.3   20   8    20   12   0.2  0.01   -     -     其余部分2     1.6   19   9    20   11   0.3  0.01   -     -     其余部分3     1.8   20   10   20   12   0.2  0.02   -     -     其余部分4     2.0   22   10   21   12   0.2  0.02   -     -     其余部分5     1.8   20   10   20   12   0.2  0.02  0.02  0.01   其余部分6     2.0   23   8    17   6    0.1  0.01  0.09  0.01   其余部分每一阀门的接触表面重量：2.7克循环速度：12秒焊接等离子电流(稳定)：100安等离子氩气速率：1.31/分供给粉末的氩气速率：1.01/分氩保护气体供给速率：10.01/分阀门毛坯的预加工和随后一般生产之后的硬化阀门表面的后期加工，对本技术领域中的熟练人员是公知的。

产品的缺陷百分率是预加工产生的缺陷和完成产品中所形成的缺陷的总和。

预加工的接触表面硬度在5公斤负载下由维氏(Vickers)硬度仪测出。

每个样品阀门利用含铅汽油(铅1.5克/加仑)在发动机转速为5400转/分情况下经过200小时实验。

发动机运行参数包括速度、载荷、定时和空气燃料比在全部实验中维持不变，尽可能消除其所有变化，以节省排气阀门表面加工粉末合金。

200小时实验之后，测量磨损量。如表2所示，认为接触表面的磨损量极小。

每个样品在三个独立的腐蚀实验中进行实验。

准备的样品是粉末合金，其直径约为10mm，长度约为12mm。

第一个实验是氧化损坏实验。

在大气压力下，将样品置于温度为1000℃，经过100小时之后，测量重量减少量。

在第二个实验中，氧化铅腐蚀实验过程包括将称好的样品与40克的氧化铅一起放置在铅氧坩埚中。然后在空气中加热坩埚一小时到920℃。冷却后，被处理的样品重新称重，并确定出的毫克/厘米²表示的重量损失。

而在第三分试验中，6P_bO＋4P_bSO₄实验利用6P_bO＋4P_bSO₄坩埚取代P_bO坩埚实验，并且在空气中加热坩埚一小时到900℃，冷却后的样品称重，其重量损失用类似的方法确定。

结果如表2所示。表2：样品    缺陷    硬度    磨损    腐蚀(毫克/厘米²)NO       ％     (Hv)    微米   氧化 氧化铅  硫酸铅1       0.2     400       5    1.9    85      912       0.1     410       3    2.0    83      933       0.2     420       3    2.0    73      804       0.1     430       2    2.6    67      765       0.1     420       2    3.0    70      906       0.2     420       5    1.8    83      85

实验结果表明，具有本发明所述的铁基表面加硬用合金的阀门，在所述的实验条件下，其抗磨损和抗氧化性能与上述现有技术已公开的专利申请中所述的昂贵并看好的史特莱铁表面加工和添加锰的铁基合金表面加工完全可以相比。

一般来说，发现在发动机实验中看好氧化铅(P_bO)和氧化铅—硫酸铅(6P_bO＋4P_bSO₄)的抗磨蚀性的重量损失约90毫克/厘米²/小时。

如果不附加Al和B元素。本发明所述的用于发动机阀门表面加工的粉末合金成分，比日本未审查的专利申请NO 2-92494/1991所公开的合金更有竞争性。

锰的重量含量最好为11-13％。

等离子技术粉末焊接工艺用于发动机阀门接触表面的预制，但其他惰性气体保护焊接工艺如激光粉末焊接方法也可以采用，能产生类似的焊接结构。

本发明所述的粉末合金用于发动机阀门接触表面结构，甚至在添加铅和硼的情况下都具有较强的竞争性，结果节省预制费用。

本发明可以提供高硬度，强抗腐蚀性的接触表面。

Claims (2)

1.一种内燃机阀门，包括有阀体、头部和位于头部上的与阀座周期地进行气密封啮合的接触表面，接触表面由焊接在该阀门头部的金属沉积物构成，经测量的沉积在接触表面上的所述金属沉积物的基本成分为(重量比)：

碳：1.3-2.0％；

铬：19-23％；

钼：8-11％

镍：17-21％；

锰：6-13％；

硅：＜0.5％；

氧：＜0.06％；

其余为铁和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述阀门，其特征是：在接触表面所测出的金属沉积物基本成分最好(重量比)为：

碳：1.65-1.9％

铬：19-21％

钼：9-10.5％

镍：19-21％

锰：11-13％

硅：＜0.05％

氧：＜0.02％其余为铁和不可避免的杂质。

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