CN104736802A - 用于内燃机的阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于内燃机的阀(1)，包括阀1的阀头10、阀座区域2、阀颈区域3、杆4和末端5，其中，包含纳米碳化钨WC、W2C、W3C、W12C或者它们的混合物的金属钨基体涂层(7)施加至所述阀(1)的至少一部分，所述涂层具有的厚度范围为5μm至150μm，硬度在500HV至3500HV之间并且是通过化学气相沉积(CVD)处理施加的。

Description

用于内燃机的阀

技术领域

本发明涉及阀用于使用在内燃机上的阀，至少一个阀部分通过化学气相沉积(CVD)处理接收涂层，这给予了形成的阀以长的耐久性、简化制造以及耐腐蚀性以及耐破裂性。

背景技术

内燃机是绝大部分机动车辆使用的能量转换机构，基本上包括两个主要部分：一个或多个发动机头和发动机缸体。燃烧室位于在发动机头的基座上(通常，在柴油发动机的情况下，燃烧室位于活塞头上)，气缸和曲轴组件位于发动机缸体上。内燃机的阀容纳在发动机头中，并且该设备的目的是允许或阻止气体进入或排出发动机气缸。

发动机将燃烧室中的混合物(燃料和空气)的燃烧产生的能量转化为机械能，机械能能够赋予车轮运动。进气阀是控制气态混合物进入发动机气缸的阀，而溢流阀是在爆炸后允许气体离开的阀。

因阀所受到的应力不同，通常，其构造结构是非常相似的。因此，如图1中可以看出的，阀1由盘形阀头10和阀颈区域3构成，阀头10包括阀座区域2，阀颈区域3作为杆4的过渡区域，其中，阀1的末端5位于杆的与阀头相对的端部。

每个阀部分受到不同的工作条件，因此以不同方式被施加应力。阀座区域因冲击和摩擦而受到磨损，其功能在于密封阀头上存在的座件/插件。应当指出的是，当关闭阀时除了因冲击而磨损，还会因摩擦而磨损(当阀开启而接触插件时的粘合)。而阀头区域应是耐腐蚀的。杆区域应是耐磨损的并具有低摩擦。应当注意的是，尽可能少量的润滑液应通过杆和引导件之间的区域，以防止润滑剂到达燃烧室。最后，阀末端必须是耐磨损的，因为它接收到迫使阀打开和关闭的致动器的一部分的恒定压力。

总之，阀应表现出抵抗三种不同类型的应力，即：机械应力、热应力和化学应力。关于机械阻力，阀应在阀座区域和末端区域表现出耐冲击性。关于耐磨性，受影响的主要部分是阀座区域、杆和阀末端。反过来，耐压力应该是阀头前方的特征。最后，疲劳强度是必要的，由于牵引应力和压缩应力之间恒定交替。

需要耐热性是源自于燃烧温度、溢出气体的高温以及在高低温度之间交替引起的疲劳。

耐化学性变得必要以防止腐蚀，这容易发生在阀所受到的气体、水分和工作温度的腐蚀环境中。

因此，为了克服该阀受到的越来越苛刻的工作条件，常见的是阀是单金属的特种合金的、双金属的或设置有插件。

单金属阀是由单一材料构成的，并且应用到普通要求的部件上。因此，对于进气阀，人们通常采用马氏体钢，优选铬-硅合金，这是由于其优良的机械性能。关于溢出阀，人们通常利用铬-镍-锰合金钢，这是因为其良好的耐腐蚀和耐高温的性能。

双金属阀应用在更多要求的场合，在这种情况下，特定材料应用于每个阀部分。作为示例，杆使用马氏体钢以保证高耐磨性。对于阀头，使用奥氏体钢或镍基合金以保证高温下的耐腐蚀性。自然，这些阀具有较高的成本，这是因为它们的制造过程具有局限性，因此，不适合于许多应用。

阀末端通常依靠焊接接收奥氏体合金板(在该情况下是单金属阀)、低合金的硬回火奥氏体钢(在该情况下是双金属阀)。

目前，需要更高的热效率和发动机的比功率，显著地由于限制排放污染物和限制燃料和润滑油的消耗，这导致了增加奥托或柴油发动机的热应力，其中有阀。在一些更近期的应用中，这些部件的耐用性的降低得到了很大的考虑，要求进行改善。

到现在为止，在现有技术的发动机的涂层阀的最常见的解决方案中，可以引用氮化，其显示了例如关于抗疲劳性的负性能。另一个例子是钛阀，用于赛车发动机，但具有非常高的成本和低的耐磨损，由于这个原因，其表面应涂覆有氮化钛(TiN)或氧化钛(TiO)以抵消低耐磨性。

对于发动机阀仍有一些额外的方案，这些方案利用了商业上已知的合金，如Nimonic或Nireva合金，但这些材料的成本无法补偿大多数情况下的性能。

在各种现有方案中，文献US4811701公开了一种用于内燃机的进气阀，其设置有通过热喷涂施加的氧化铈涂层以防止在阀上形成的碳沉积。

文献US7562647公开了一种具有耐高温涂层的进气阀以及具有这种阀的内燃机。该阀部分地被涂覆以保证耐腐蚀性，还经历阀头硬化处理。公开的保护膜通过用可固化树脂实现，包括至少一种金属或陶瓷材料以及至少一种有机或无机结合剂。

文献US5441235公开了一种氮化钛涂敷阀及其制造方法。该钛阀基本上是氮化物，但在现实中确实可以沉积TiN膜，但与钛进行的加压氮反应不是仅发生在阀表面。因为这是一个扩散过程，所以产生700至880℃的高温以实现充分的形成氮化物。这个过程是基于阴极和阀(阳极)之间建立的电弧，从而效率丧失，或许因末端效应(其累积负载)而造成不一致的膜。因此，作为现有技术文献的缺点，准确地说由于高温存在用于涂层钢的非适宜方法。

专利US7225782也公开了一种阀，其经历通过物理气相沉积(PVD)施加的氮化钛处理，目的是促进在阀表面上形成保护氧化膜。该文件还评论了使用由PVD沉积的DLC、氮化铬或WC/C膜的可能性。关于WC/C涂层，提到了多层碳化钨与非晶碳层交替形成。然而，PVD方法在均匀沉积方面具有很多困难，这会导致阀的耐磨性的不期望行为。PVD工艺的另一缺点在于，沉积该涂层至零件的所有面(称为阳极)困难，这是因为PVD工艺要求待涂覆的阳极面应该正面暴露于阴极(即PVD的材料源)。

通过PVD沉积的多层膜通常具有高的残余应力，特别是DLC膜。虽然它们具有良好的摩擦性能，但是DLC不耐高温，更不用说阀所要经受的其他方面。还应当指出的是，其现在能在腐蚀环境下很好地工作(DLC通常具有“针孔”，通过该针孔，腐蚀物质可以出去，尽可能远至衬底)。还应当指出的是，在通过PVD沉积的WC/C的情况下，有必要从粉末或目标蒸发出钨，这需要大量的能量，因为需要达到约2500℃。

因此，相比本发明利用PVD的方案具有缺点。不同于PVD工艺，在本发明中使用当前的CVD工艺，因为CVD工艺是化学沉积，在该沉积中涂层材料以气体的形式被引入到沉积室中，所以由于环境中的气体会与零件表面发生反应使得不受保护的所有零件表面将接收涂层。

即使有许多尝试来最小化阀经受的磨损，但是现有技术的方案不能提供内燃机的阀，该阀在所有耐久性要求方面伴随地管理而呈现优良行为。

图2至图7示出了它们影响现有技术阀的耐久性的几个例子。因此，影响现有技术阀的耐久性的现象之一大多数是源自晶间腐蚀(ITG)。

这种现象可描述为开始于晶粒的轮廓中的腐蚀。由于暴露于高温，合金铬迁移到晶粒的轮廓，即，铬形成为参与晶粒的边界区域。结果是，铬作为合金元素的损失(这对于腐蚀是至关重要的)导致晶粒边界和相邻区域的溶解(参见图3、图4、图6和图7)。

这种效应的结果导致了阀的断裂，如图5所示，图5示出了现有技术的阀，其阀头区域的一部分已经损失，这是由于主断裂(基本上平行于周边，参见图6)，还示出了二次断裂(基本上垂直于周边，参见图4)。

图6和图7分别详细示出了在化学粘附和应用500倍之后的晶间腐蚀，以及从图5的AA和BB截面去除少量晶粒。

通常发生在现有技术阀上的另一磨损机理称为热气腐蚀(HCG)。图8和图9示出了这种现象发生在阀杆中，可以从杆表面去除些材料。

阀受到的热气所造成的腐蚀通常是均匀的腐蚀机理，在大多数情况下，腐蚀关联于排气阀受到的热气。这通常与氧化有关，但是也可发生熔融盐攻击，诸如硫化(由燃料和润滑流体形成的硫化盐)。通常，现有技术试图通过形成极高粘附的非多孔铬氧化物层来控制腐蚀钢阀的工艺，其中当层丧失其保护能力时会开始HGC现象。

攻击阀的第三种常见现象示于图10中。在这种情况下，阻止阀旋转的阀故障可能会导致小开口，该小开口允许燃烧的气体通过。这些气体反过来会导致阀座区域的腐蚀，因为它们具有高温和腐蚀性。

这种情况会阻止阀应提供的正确密封。在一些情况下，会发生局部融合，这会加速腐蚀现象，直到阀失效。这会发生，由于热气的恒定通过，使一个局部集中区域的温度急剧上升(参见图10中的箭头)，并且该阀不能使发动机正确操作。还应当指出的是，当阀具有密封问题时这种现象具有特殊发生率。

面对前述问题，迄今没有人发明出通过化学气相沉积(CVD)工艺施加涂层的阀，从而给予阀长的耐久性并且保持可接受的制造成本。

发明内容

发明目的

本发明的目的是提供一种用于使用在内燃机上的阀，其中，碳化钨涂层通过温度范围450℃至650℃的化学气相沉积(CVD)处理施加至阀的至少一部分。

本发明的目的还在于，提供由单个钢件形成的阀，其接收碳化钨涂层，使得生产处理更容易。

最后，本发明的另一目的在于提供一种阀，阀及其杆和座面通常呈现更好的耐磨损性以及耐阻力性，该阀能够抵抗晶间腐蚀和后续破裂，抵抗因燃烧加热的气体的通过导致的腐蚀以及渗漏的形成。

本发明的目的是依靠用于内燃机的阀实现的，其中，包含纳米碳化钨WC、W2C、W3C、W12C或者它们的混合物的钨基体金属涂层施加至阀的至少一部分，该涂层具有的厚度范围为5μm至150μm，硬度范围为500HV至2000HV并且是通过化学气相沉积(CVD)处理施加的。

附图说明

现在将参考附图中示出的例子更详细描述本发明。

图1是阀的示意性侧视图，具有构成阀的部件；

图2是示意图，示出了通过贫化现有技术阀的边界晶粒区域中的铬产生的晶间腐蚀机理；

图3对应于的照片示出了现有技术阀的晶间腐蚀；

图4对应于的照片示出了现有技术阀发生的晶间腐蚀和二次断裂；

图5是现有技术阀的立体图，由于主断裂(基本上平行于周边)和二次断裂(基本上垂直于周边)导致其阀头区域的一部分已经丢失；

图6是表示晶间腐蚀和移除图5所示阀的AA截面中的少量晶粒的照片；

图7是表示晶间腐蚀和移除图5所示阀的BB截面中的材料的照片；

图8是表示现有技术阀在热气腐蚀之后杆区域的照片；

图9是表示现有技术阀在热气腐蚀以及随后去除材料之后杆区域的照片；

图10是表示现有技术阀在因燃烧加热的气体的通过导致的腐蚀以及随后去除阀座区域材料之后杆区域的照片；

图11表示本发明的阀上的碳化钨涂层的照片；

图12表示现有技术阀在其已经受到120N载荷的划痕试验之后发生涂层分层的照片；

图13表示现有技术阀在其已经受到180N载荷的划痕试验之后未发生涂层分层的照片；

图14示出本发明的阀，其设置有厚度50微米的涂层，其中，人们可以看到该涂层均匀地遵循衬底。

具体实施方式

图1公开了用于使用在内燃机上的阀1，例如排气阀或者进气阀。该图示出了侧视图，从该图可以清楚地看到存在构成阀1的各种部件，阀1包括盘状阀头10，盘状阀头10充当过渡至杆4的区域，其中，与阀头10相对的杆端4位于阀1的末端5。

作为主要创新，本发明的阀在其至少一个部件上具有通过化学气相沉积(CVD)处理施加的碳化钨(WC)涂层7，这是现有技术文献没有公开过的，给予了当前阀以优异的耐久性特性并且可实现极有利的质量制造成本。

如之前指出的，基于不同原因，阀的磨损更多发生在阀头10上、阀座区域2中、阀颈区域3中、杆4上以及阀1的末端5上。

碳化钨涂层可以施加至阀的任何特定区域，优选施加至阀1的阀头10、阀座区域2、阀颈区域3、杆4和/或末端5。可替换地，涂层7可以施加至整个阀1。

施加碳化钨涂层7尤其适合于复杂几何形状的阀1，因为这保证了膜在暴露于CVD处理的任何部分中沉积于期望厚度，因而保证以简单经济的方式均匀且同质的沉积涂层7。

采用化学气相沉积(CVD)处理将涂层施加至指定的衬底9上。作为一般规则，衬底9暴露于环境中，在该环境中，易失元件反应并且均匀地沉积在整个暴露表面上，因而尤其适合于阀1。

优选地，阀1的数个段位于要施加涂层7的环境中。阀1可以悬挂或放置成阀头区域10搁置在一表面上，或者甚至以适合于此的其他方式。应该注意的是，仅要观察的规则是，促进支撑的阀部(例如，搁置在一表面上的阀头10)将不接受涂层7的处理，因为阀1的表面将不暴露至要施加涂层7的环境中。因而，在单个件中，可以管理以施加涂层至很多阀1，这使得这些部件的制造非常经济。

此外，因为涂层7在阀1表面上是均匀的，所以使用的衬底9可以是任何更简单质量的单金属或者双金属材料，具有焊接的阀1的末端5或者不具有末端5。关于衬底9，可以使用不贵的低合金及高碳钢、或者呈现良好机械属性的马氏体低合金钢，或者甚至呈现高温下的良好作业属性以及耐腐蚀性的奥氏体钢。

作为优于现有技术的优势，存在的可能性是增加阀1的合金中的碳量，结果是在材料的硬度和热稳定性方面有好处。

而且，当相比于现有技术时，获得本发明的单金属阀1省去了上述的结合处理，在结合处理中，阀1的阀头10和杆4之间或者杆4和末端5之间的结合保证了阀1具有优异的耐久性。虽然不是强制性的，本发明的阀能够省去焊接末端5。而且，取消了需要插件和硬化处理，因为阀作为整体将接收碳化钨涂层7。以该方式，在处理方面，这种实施例公开了在成本要求方面有竞争力的增益。

在优选实施例中，CVD处理在大致450℃至650℃之间的温度下执行，相比于该类型处理通常采用的温度(1000℃)降低了很多，从而保证了衬底9(阀)不会因暴露于非常高的温度而损坏。涂层7是通过气体的化学反应获得的，即：六氟化钨作为供给金属的气体，氢气作为活性气体，诸如丙烷或甲烷等的气体用作碳源。

这些气体以特定比例的组合与受加热的衬底(阀1)接触而形成了均匀覆盖其的涂层7。

优选地，上述提到的气体以特定比例插入，使得涂层7将具有包含纳米碳化钨WC、W2C、W3C、W123C或者它们的混合物的金属钨基体，其厚度范围为5μm至80μm，硬度范围为500HV至3500HV，更优选地1000HV至2000HV。作为示例，关于深度高达10、50和80微米的涂层深度，其有关的硬度行为分别具有2000、1500和1000HV。

还应该注意的是，图14示出了本发明的阀1，其设置有50微米厚度的涂层7，其中，能够观察到的是，涂层7均匀地遵循衬底9，甚至在完美情况下有些微小的小瑕疵。

作为额外优势，本发明的阀1使得通过电刷处理能够获得良好的抛光参数，Ra粗度低于0.02，这导致杆4区域的低摩擦。

进一步优选地，人们先前向涂层7施加纯镍层8，纯镍层8具有粘附功能(黏结层，见图11)，优选厚度范围为1μm至5μm。纯镍层有利于粘附通过CVD处理所形成和沉积的碳化钨层，但其不是强制性的。

此外，根据非限制方式的优选实施例，由于碳化钨的比例降低，杨氏模量(E)是大约410GPa，因此类似于纯钨金属。这比起通过物理气相沉积(PVD)获得的涂层具有优势，后者具有的典型值是大约250GPa。

作为所形成的碳化钨涂层7的特性，其呈现变化的硬度，使得表面上的硬度根据涂层深度而降低，表面上的硬度的降低高达50％。

还应该注意的是，本发明的阀1已经管理为实现了优于现有技术的耐分层性。图12和图13分别示出了受到划痕测试的现有技术的阀以及本发明的阀1。现有技术的阀设置有通过PVD处理施加的30微米的氮化铬涂层，本发明的阀1设置有通过CVD施加的45微米的碳化钨涂层7。图示出了现有技术阀在受到120N负荷时发生了分层，而本发明的阀1即使受到测试机允许的最大负荷即180N也不发生任何分层。结果示出了本发明的阀1显著增加了阻力，可以得出的结论是，阀1具有对于高于180N的负荷的耐分层性。

本发明的阀1相对于当前公知的阀具有许多优势以及利益：

(a)相比于现有方案，增加了涂层7的强度以及良好粘附性；

(b)通过沉积碳化钨涂层于当前难以同质沉积的区域，延长了阀的使用寿命；

(c)使用不贵的原材料；

(d)增加了阀的硬度以及热稳定性；

(e)增加了阀的耐磨性和耐冲击性；

(f)通过有黏着力的致密、无裂缝的低孔隙度涂层7增加了阀1的耐热性、耐化学物质性以及耐腐蚀性；以及

(g)调节阀1具有独特属性的能力，诸如高耐腐蚀性以及高耐疲劳性。

因而，通过单个涂层7，本发明管理了施加至阀1的所有致动部分的强度及化学特性。

已经描述了实施例的优选示例，本领域技术人员应该理解的是，本发明的范围包含其他可能的变型，例如，使用表面处理以及陶瓷以及金属涂层的目的是改善耐磨损、耐腐蚀的特性并且减小摩擦力，本发明的范围仅由附随权利要求的内容限定，包括其可能的等同结构。

Claims (10)

1.一种用于内燃机的阀(1)，其特征在于，包含纳米碳化钨WC、W2C、W3C、W12C或者它们的混合物的金属钨基体涂层(7)施加至所述阀(1)的至少一部分，所述涂层具有的厚度范围为5μm至150μm，硬度在500HV至2000HV之间并且是通过化学气相沉积(CVD)处理施加的。

2.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述涂层施加至所述阀(1)的以下区域：阀头(10)、阀座(2)、阀颈(3)、杆(4)和末端(5)。

3.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述涂层施加至所述阀(1)的所有表面。

4.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述阀是进气阀(1)或者排气阀(1)。

5.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述阀具有可变硬度，使得表面上的硬度根据涂层深度而降低，表面上的硬度的降低高达50％。

6.根据前述权利要求中任一项所述的阀，其特征在于，在施加所述涂层之前，施加起到黏结层作用的纯镍层(8)。

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的阀，其特征在于，通过CVD处理施加所述涂层(7)是在450℃至650℃的温度范围内进行的。

8.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述涂层(7)在受到高达180N的负荷时是耐分层的。

9.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述涂层(7)具有410GPa的杨氏模量。

10.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，其表面的粗度低于Ra0.02。