CN104294269A - 一种气门座加工工艺 - Google Patents

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马明星
陈文明
刘文今
孙康和
张伟明
铁守荣
谢锦田
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

一种气门座加工工艺，涉及气门座技术领域。采用激光合金化表面改性方法，在气门座主体的密封面形成层深可控的、与基材呈牢固冶金结合的原位合成颗粒增强镍基复合涂层；所述复合涂层的硬度为36～46HRC。本发明利用Ni基合金粉未进行侧向送粉激光合金化制备原位合成颗粒增强镍基复合涂层气门座工作密封锥面的强化层厚度0.5～1.4mm。

Description

一种气门座加工工艺
技术领域
    本发明涉及气门座技术领域。
背景技术
当今车用发动机（尤其是柴油机）向高速强化、高可靠性、低能耗、低排放方向发展，并采用先进增压技术，电控高压共轨燃油喷射技术。促使发动机对其零部件提出越来越苛刻的工况要求。作为发动机配气机构中，气门和气门座组成一对重要密封摩擦付。气门座工作条件十分苛刻，气门座的工作温度可达500℃～800℃。气门座不仅承受到机械冲击作用，还受到高温燃烧气体的冲刷、燃烧产物、空气中灰尘的磨损。气门座在交变的冲击力作用下要保持一定的动态稳定性，就必须具有较高的耐磨、耐腐蚀等性能。随着车用发动机的进一步向高速、强化、低耗、低排放方向发展，其对气门和气门座的温度适应性能要求也越来越高。
目前，国内外气门座的研究和生产一直致力于两个方向：（1）设计和改进气门座的材质及采用适当的热处理，以获得气门座本体最佳的机械性能；（2）开发气门座的各种表面改性技术，以降低磨损为导向，研制或应用新的涂层材料和涂层工艺，制造致密、耐热、耐磨、抗氧化性能良好的气门座涂层，以达到减小气门(座)下沉量的目的。后者已成为近年来国内外气门座技术进步的主要研究方向。
发明内容
本发明目的是提出一种能克服以上现有技术缺陷的气门座加工工艺。
本发明技术方案是：采用激光合金化表面改性方法，在气门座主体的密封面形成层深可控的、与基材呈牢固冶金结合的原位合成颗粒增强镍基复合涂层；所述复合涂层的硬度为36～46HRC。
本发明利用Ni基合金粉未进行侧向送粉激光合金化制备原位合成颗粒增强镍基复合涂层气门座工作密封锥面的强化层厚度0.5～1.4mm。
本发明控制的激光的光斑直径为3mm，激光输出功率为1600W～1800W，送粉速率为6～9g/min，工件旋转速度13～15°/s。工艺参数主要包括激光的光斑直径、激光输出功率、工件旋转速度、送粉速率，不同工艺参数影响到合金化层稀释率和镍基合复涂层硬度，合理的工艺参数可在CrCuB低合金铸铁气门座密封锥面制备出成形良好，无裂纹、气孔缺陷的与基材呈冶金结合的颗粒增强镍基合复涂层及不同要求硬度和涂层厚度的复合涂层。
另外，本发明还以送料器进行侧向同步送粉的方法解决了气门座圈表面因不易涂粉带来的粉未添加问题，且送粉法具有较高的效率，可实现批量生产。
所述Ni基合金粉末中各种元素质量百分比分别为镍60%～75%、钛：2%～8%、锆：2%～6%，钨：2%～8%，稀土：4%～6%，硼：2～6%、碳10%～20%。
在镍基粉未中添加强碳化物形成元素（钛、锆、钨）和稀士元素，本发明复合涂层利用高能密度激光束快速熔化和超高温度梯度快速凝固、冷却的特点，激光作用下可以形成由Ni-稀土和少量强碳化物形成元素构成的熔体，凝固过程中在气门座工作密封表面生成微米级原位自生颗粒细小弥散分布于细小固溶体为主要结构特征的镍基复合涂层。金相分析和扫描电镜检验表明，镍基复合涂层的显微组织特点是分布密度达104个/mm2数量级的硬质复合碳化物陶瓷颗粒均匀分布以亚共晶介稳组织为主（存在部分共晶或过共晶介稳组织）的基底上，绝大部分硬质颗粒尺寸为1um左右。
复合涂层中的高硬度增强颗粒与以过饱和固溶体为主的Ni基体组织中的细小晶间化合物形成摩擦副之间的支撑骨架，而镍基组织中的韧性相则成为均匀弥散的储油区。这种结构特征复合涂层显著降低摩擦系数、提高气门座自身耐磨性的同时，具有优良的耐热、耐磨、耐蚀性、抗氧化性能以及高的高温强度和较低的导热系数、良好的隔热性，不仅保证工作面长时间保持优良工作性能，还可显著减缓气门座本体合金铸铁高温下长时工作的氧化和变形。
本发明设计采用激光表面改性新技术直接在普通CrCuB低合金铸铁气门座工作表面形成层深可控的、与基材呈牢固冶金结合的原位自生颗粒增强Ni基复合涂层，复合涂层具有优良的耐热、耐摩、抗氧化性能以及高的高温强度和硬度；较低的导热系数、良好的隔热性，具备制造大功率发动机气门座所必须的特性。将日益广泛的应用于汽车，大功率的发动机，以及天然气、液化石油气和甲醛燃料发动机。
具体实施方式
加工步骤：
1、由CrCuB低合金铸造成气门座毛坯。
2、对毛坯进行端面磨削加工。
3、对毛坯进行外圆面粗车。
4、对毛坯进行内圆面粗车。
5、在内圆的上端处，即气门座主体1上与气门配合的工作密封面进行锥面粗车加工。
6、利用送料器侧向同步送粉，激光合金化制备原位合成颗粒增强镍基复合涂层2：
具体过程：
配制Ni基合金粉末，使各种元素质量百分比分别为镍60%～75%、钛：2%～8%、锆：2%～6%，钨：2%～8%，稀土：4%～6%，硼：2～6%、碳10%～20%。
调整工件旋转速度13～15°/s，采用激光合金化表面改性方法，调整激光器的照射方向指向气门座主体的密封面，激光光斑直径为3mm，激光器窗口输出激光功率1600W～1800W。
利用送料器侧向同步送粉，送粉速率为6～9g/min。
经处理后，在气门座主体的密封面形成与基材呈牢固冶金结合的原位合成颗粒增强镍基复合涂层，厚度为0.8～1.9mm。
7、对步骤6加工形成的半制品进行精加工：对气门座主体的密封面上的复合涂层进行精加工，使加工成的镍基复合涂层厚度为0.5～1.4mm。
8、产品检验：
经检测，制备原位合成的颗粒增强镍基复合涂层硬度为36～46HRC。
9、检验成品包装。

Claims (5)

1.一种气门座加工工艺，由CrCuB低合金铸铁制成的气门座主体，其特征在于：采用激光合金化表面改性方法，在气门座主体的密封面形成层深可控的、与基材呈牢固冶金结合的原位合成颗粒增强镍基复合涂层；所述复合涂层的硬度为36～46HRC。
2.根据权利要求1所述一种气门座加工工艺，其特征在于：利用Ni基合金粉未进行侧向送粉激光合金化制备原位合成颗粒增强镍基复合涂层，镍基复合涂层厚度0.5～1.4mm。
3.根据权利要求2所述一种气门座加工工艺，其特征在于：以送料器进行侧向同步送粉，送粉速率为6～9g/min，工件旋转速度13～15°/s。
4.根据权利要求3所述一种气门座加工工艺，其特征在于：激光的光斑直径为3mm，激光输出功率为1600W～1800W。
5.根据权利要求2或3所述一种气门座加工工艺，其特征在于：所述Ni基合金粉末中各种元素质量百分比分别为镍60%～75%、钛：2%～8%、锆：2%～6%，钨：2%～8%，稀土：4%～6%，硼：2～6%、碳10%～20%。
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