CN103627956A

CN103627956A - 一种耐磨进气门及其制备方法

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Publication number: CN103627956A
Application number: CN201310636337.7A
Authority: CN
Inventors: 杨卫国
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2033-11-27
Also published as: CN103627956B

Abstract

本发明公开了一种耐磨进气门及其制备方法。本发明的进气门采用的合金成分重量百分比范围为：C:0.32～0.40%；Si:0.17～0.27%；Mo:0.5～1.2%；Mn:0.50～0.80%；Nb:0.2～0.5%；Cr:0.80～1.10%；W:0.50～1.0%；Ni:≤0.030%；P:≤0.015；S:≤0.015；Cu:≤0.010%；余料为Fe。该进气门经表面纳米化、低温渗氮、堆焊钨锆合金等工艺加工而成。本发明的进气门的表面强度大、硬度高、耐磨性能好、寿命高。

Description

一种耐磨进气门及其制备方法

技术领域

本发明涉及机械制造及金属材料领域，尤其涉及一种耐磨进气门及其制备方法。

背景技术

气门是发动机的关键零件之一，它是用来打开或关闭进、排气道的直接零件。气门分为进气门与排气门，空气通过进气门进入发动机气缸内与燃料混合燃烧，燃烧后产生的废气通过排气门排出气缸，从而实现新鲜空气进入气缸燃烧产生车辆行驶的动力并排除废气。目前发动机一般设有多个气门。常见的是每个汽缸布置有4个气门，4汽缸的发动机一共有16个气门。这种多气门结构容易形成紧凑型燃烧室，喷油嘴在中央，这样可以令油气混合气燃烧更迅速、更均匀，各气门的重量和开度适当地减小，使气门开启或闭合的速度更快。

发动机的工作特点要求进气门要具备耐磨擦、耐高温、耐疲劳、高韧性等特征，气门材料的性能直接影响到发动机的性能。由于该项技术的高度商业价值及高度的商业机密性，关于气门材料及其加工工艺方面的相关报道极少。目前国内的气门材料有40Cr、4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo、21-4N和23-8N等少数几种。然而，我国目前的气门寿命尚不及国外先进水平的三分之一。

发明专利102493853A提出了采用TiAl基金属间化合物作为气门材料。这种材料在耐高温方面能够得到很大的提升，然而，其韧性尚达不到工业应用的标准，并且存在价格昂贵的问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题与不足，本发明的目的是提供一种成本适中的耐磨进气门及其制备方法。

技术方案：为实现上述技术方案，本发明提供了的一种耐磨进气门，该进气门采用的合金成分重量百分比范围为C:0.32～0.40%；Si:0.17～0.27%；Mo:0.5～1.2%；Mn:0.50～0.80%；Nb:0.2～0.5%；Cr:0.80～1.10%；W:0.50～1.0%；余量为纯度为99.8%的Fe。其中，纯度为99.8%的Fe中的杂质重量百分比含量为：Ni:≤0.030%；P:≤0.015；S:≤0.015；Cu:≤0.010%。

上述耐磨进气门的制造方法，包括如下工艺步骤：

（1）按照合金成分范围准备配料，将合金材料混合均匀；

（2）采用真空感应炉熔炼，温度控制在1600～1650℃，熔炼1～1.5小时；

（3）采用锻造或轧制方式成型，得到进气门毛坯；

（4）进行调质热处理，再切削加工，表面超声处理，得到表面纳米晶；

（5）在330～360℃进行渗氮处理；

（6）采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；

（7）在锥面堆焊钨锆合金，其中钨的含量为40～60%，锆为余量；

（8）采用铣床加工再次进行表面处理，控制表面光洁度。

其中，步骤（4）中的调制热处理的步骤为在800-850℃下保温1-1.5h，淬火，然后加热到450-500℃，保温2-2.5小时，最后空气冷却。

步骤（4）中所述的切削加工的加工条件为：冲击工作头为球形，输出端圆弧半径为2mm、转速200r/min；冲击头的振幅为5μm。

步骤（4）中所述表面超声处理是在室温下、频率控制在3-3.5万赫兹的条件下进行的。

步骤（5）中锥面堆焊钨锆合金的工艺参数为：在450℃下预热，焊接电压为300V，电流900A。

有益效果：本发明的合金耐热性能优异、疲劳性能优异，Nb是重要的阻碍晶粒粗化的元素，由于加入了Nb，形成稀土相，耐磨性能大大提高，寿命增高，台架试验表明该合金气门的寿命是目前40Cr的2.5倍以上，经济效益显著。同时，本发明采用表面纳米化技术，使材料表面和整体的机械和化学性能得到不同程度的改善。表面纳米化在改善材料的摩擦磨损性能、提高材料表面的抗冲击性能、提高材料整体性能的同时不明显降低材料的韧性、改善材料表面的化学性能、提高材料的强度、硬度以及耐蚀性等方面都发挥了重要的作用。表面纳米化及低温渗氮的工艺是一种新型的复合表面强化手段，能够改善材料表面的耐磨性以及耐腐蚀性，同时，该技术能够改善传统渗氮的温度高、周期长等缺陷，在不改变基础材料性能的情况下大大提高了合金的表面强度、硬度与耐磨性。另一方面，合金采用堆焊钨锆合金，大大提高了锥面的耐高温性能、硬度与耐磨性。

具体实施方式

以下各个实施例中所使用的纯度为99.8的Fe中杂质的重量百分比含量为：Ni:≤0.030%；P:≤0.015；S:≤0.015；Cu:≤0.010%。

实施例1

经表面纳米化、低温渗氮、堆焊钨锆合金等工艺加工耐磨进气门，具体步骤如下：

（1）配料，所用合金材料重量百分比成分为：C:0.32%；Si:0.17%；Mo:1.2%；Mn:0.50%；Nb:0.5%；Cr:0.80%；W:0.50%；余料为纯度为99.8%的Fe，将合金料混合均匀；

（2）采用真空感应炉熔炼，温度1600℃，熔炼1.5小时；

（3）采用锻造成型，得到气门毛坯；

（4）进行调质热处理，即在850℃下保温1h，淬火，然后加热到500℃，保温2小时，最后空气冷却；再切削加工，加工条件为：冲击工作头为球形，输出端圆弧半径为2mm、转速200r/min；冲击头的振幅为5μm；最后在室温条件下进行表面超声处理，频率控制在3-3.5万赫兹，得到表面纳米晶；

（5）在350℃下进行渗氮处理；

（6）采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；

（7）在锥面堆焊钨锆合金，使用ARC-NMP7-1型在线明弧自动堆焊机进行堆焊钨锆合金，工艺参数为：预热温度为450℃，焊接电压为30伏特、电流900安培，其中钨的含量为40%，锆为余量；

（8）再次用铣床加工进行表面光洁度处理，得到最终的零件尺寸。

实施例2

（1）配料，所用合金材料重量百分比成分为：C:0.40%；Si:0.27%；Mo:0.5%；Mn:0.80%；Nb:0.2%；Cr:1.10%；W:1.0%；余料为纯度为99.8%的Fe，将合金料混合均匀。

（2）采用真空感应炉熔炼，温度1650℃，熔炼1小时；

（3）采用锻造成型，得到气门毛坯；

（4）进行调质热处理，即在850℃下保温1.5h，淬火，然后加热到500℃，保温2小时，最后空气冷却；再切削加工，加工条件为：冲击工作头为球形，输出端圆弧半径为2mm、转速200r/min；冲击头的振幅为5μm；最后在室温条件下进行表面超声处理，频率控制在3-3.5万赫兹，得到表面纳米晶；

（5）在360℃进行渗氮处理；

（6）采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；

（7）在锥面堆焊钨锆合金，使用ARC-NMP7-1型在线明弧自动堆焊机进行堆焊钨锆合金，工艺参数为：预热温度为450℃，焊接电压为30伏特、电流900安培，其中钨的含量为60%，锆为余量；

实施例3

（1）配料，所用合金材料重量百分比成分为：C:0.34%；Si:0.25%；Mo:0.75%；Mn:0.60%；Nb:0.3%；Cr:1.00%；W:0.80%，余料为纯度为99.8%的Fe，将合金料混合均匀；

（2）采用真空感应炉熔炼，温度1630℃，熔炼1.2小时；

（3）采用锻造成型，得到气门毛坯；

（4）进行调质热处理，即在800℃下保温1h，淬火，然后加热到500℃，保温2.5小时，最后空气冷却；再切削加工，加工条件为：冲击工作头为球形，输出端圆弧半径为2mm、转速200r/min；冲击头的振幅为5μm；最后在室温条件下进行表面超声处理，频率控制在3-3.5万赫兹，得到表面纳米晶；

（5）在330℃进行渗氮处理；

（6）采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；

（7）在锥面堆焊钨锆合金，使用ARC-NMP7-1型在线明弧自动堆焊机进行堆焊钨锆合金，工艺参数为：预热温度为480℃，焊接电压为30伏特、电流900安培，其中钨的含量为45%，锆为余量；

实施例4

（1）配料，所用合金材料重量百分比成分为：C:0.36%；Si:0.22%；Mo:0.5%；Mn:0.67%；Nb:0.25%；Cr:0.87%；W:0.68%；余料为纯度为99.8%的Fe，将合金料混合均匀；

（2）采用真空感应炉熔炼，温度1600℃，熔炼1小时；

（3）采用锻造成型，得到气门毛坯；

（4）进行调质热处理，即在830℃下保温1h，淬火，然后加热到500℃，保温2小时，最后空气冷却；再切削加工，加工条件为：冲击工作头为球形，输出端圆弧半径为2mm、转速200r/min；冲击头的振幅为5μm；最后在室温条件下进行表面超声处理，频率控制在3-3.5万赫兹，得到表面纳米晶；

（5）在350℃进行渗氮处理；

（6）采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；

（7）在锥面堆焊钨锆合金，使用ARC-NMP7-1型在线明弧自动堆焊机进行堆焊钨锆合金，工艺参数为：预热温度为450℃，焊接电压为30伏特、电流900安培，其中钨的含量为47.5%，锆为余量；

实施例5

经表面纳米化、低温渗氮、堆焊钨锆合金等工艺加工进气门，具体步骤如下：

（1）配料，所用合金材料重量百分比成分为：C:0.36%；Si:0.17%；Mo:0.9%；Mn:0.66%；Nb:0.35%；Cr:0.97%；W:0.67%；余料为纯度为99.8%的Fe，将合金料混合均匀；

（2）采用真空感应炉熔炼，温度1640℃，熔炼1.0小时；

（3）采用锻造成型，得到气门毛坯；

（4）进行调质热处理，即在850℃下保温1.5h，淬火，然后加热到500℃，保温2.5小时，最后空气冷却；再切削加工，加工条件为：冲击工作头为球形，输出端圆弧半径为2mm、转速200r/min；冲击头的振幅为5μm；最后在室温条件下进行表面超声处理，频率控制在3-3.5万赫兹，得到表面纳米晶；

（5）在360℃进行渗氮处理；

（6）采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；

（7）在锥面堆焊钨锆合金，使用ARC-NMP7-1型在线明弧自动堆焊机进行堆焊钨锆合金，工艺参数为：预热温度为500℃，焊接电压为30伏特、电流900安培，其中钨的含量为40%，锆为余量；

测试以上实施例与对比例（调制处理的40Cr合金材料）的表面硬度、磨损率、台架试验寿命（数据见表1），可以看到，本发明的硬度、磨损性能与寿命都大大提高。

表1 材料的表面硬度、磨损率与台架试验寿命

Claims

1.一种耐磨进气门，其特征在于，该进气门采用的合金成分重量百分比范围为：C:0.32～0.40%；Si:0.17～0.27%；Mo:0.5～1.2%；Mn:0.50～0.80%；Nb:0.2～0.5%；Cr:0.80～1.10%；W:0.50～1.0%；余量为纯度为99.8%的Fe。

2.根据权利要求1所述的耐磨进气门，其特征在于，所述纯度为99.8%的Fe中的杂质重量百分比含量为：Ni:≤0.030%；P:≤0.015；S:≤0.015；Cu:≤0.010%。

3.权利要求1或2所述的耐磨进气门的制备方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：

（1）按照合金成分范围准备配料，将合金材料混合均匀；

（3）采用锻造或轧制方式成型，得到进气门毛坯；

（5）在330～360℃进行渗氮处理；

（6）采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；

（8）采用铣床加工再次进行表面处理，控制表面光洁度。

4.根据权利要求3所述的耐磨进气门的制备方法，其特征在于，步骤（4）中的调制热处理的步骤为在800-850℃下保温1-1.5h，淬火，然后加热到450-500℃，保温2-2.5小时，最后空气冷却。

5.根据权利要求3所述的耐磨进气门的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述的切削加工的加工条件为：冲击工作头为球形，输出端圆弧半径为2mm、转速200r/min；冲击头的振幅为5μm。

6.根据权利要求3所述的耐磨进气门的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述表面超声处理是在室温下、频率控制在3-3.5万赫兹的条件下进行的。

7.根据权利要求3所述的耐磨进气门的制备方法，其特征在于，步骤（5）中锥面堆焊钨锆合金的工艺参数为：在450℃下预热，焊接电压为300V，电流900A。