CN105033654B

CN105033654B - 一种内燃机气门挺柱及其制造方法

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Publication number: CN105033654B
Application number: CN201510421520.4A
Authority: CN
Inventors: 李国淇; 肖贤国; 王常青; 何山
Original assignee: YIBIN CHANGDA MACHINERY CO Ltd
Current assignee: YIBIN CHANGDA MACHINERY CO Ltd
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2017-07-28
Anticipated expiration: 2035-07-17
Also published as: CN105033654A

Abstract

本发明公开了一种内燃机气门挺柱及其制造方法，该制造方法使用的原材料为高碳铬轴承钢（GCr15），所述材料经过热处理后得到由均匀分散的板条状马氏体、较少奥氏体与极少未溶碳化物颗粒组成的金相结构，进一步通过端面涂层处理等过程后得到所述内燃机气门挺柱。该内燃机气门挺柱在抗摩擦性、抗咬合性、抗耐磨性方面有明显提升，可替代使用镍铬合金铸铁或模具钢制造的气门挺柱，较大地降低了材料成本，减少了故障率，提高了使用寿命。

Description

一种内燃机气门挺柱及其制造方法

技术领域

本发明涉及机械制造领域，特别涉及气门挺柱的制造领域。

背景技术

气门挺柱是内燃机的关键零部件之一，是凸轮机构中的从动件，主要用于将与其工作面直接接触的凸轮的转动转换为其柱体在竖直方向上的升降，并将凸轮升程中产生地对柱体的推动直接或间接地传递至气门机构，从而实现气门的准时开闭。此外气门挺柱的其它作用还包括降低配气机构的噪声、调整气门间隙等等。

气门挺柱一般安装于气缸体或气缸盖上相应出镗出的导向孔中，根据其工作面的形态或工作面与柱体组成的整个部件的形态来区分，常见的气门挺柱包括菌形挺柱、平面挺柱、筒形挺柱、滚轮挺柱等，因其工作环境与功能的特殊性，这些气门挺柱在内燃机上应用时均需要满足特别的力学性能。如燃烧室的高温会经气门直接或间接传递到气门挺柱上，因此气门挺柱的材料需要耐高温，同时为了适应频繁的温度变化，材料需要有较好的温度疲劳性；气门挺柱需要长期的稳定的进行往复运动，其在与凸轮的接触中除了摩擦作用外还会受到明显的侧向力，这些情况均需要材料具有一定的强度，以免在使用中出现不可控的形变；此外气门挺柱与凸轮间既存在长期的滚动摩擦，也存在长期的滑动摩擦，这种周期性的应力作用，使得挺柱的工作面极易出现疲劳磨损，进一步出现由于疲劳剥落、犁沟切削、磨料磨损等形式导致的工作失效，这种情况要求材料的工作面需要较高的强度与硬度。

传统的气门挺柱多采用镍铬合金铸铁，冷激合金铸铁或模具钢制造，如授权公告号为CN100360699C的中国专利文件《一种合金激冷铸铁气门挺柱》中提出了一种使用冷激合金铸铁的气门挺柱，但使用这种方法制备得到的气门挺柱仍然受到了材料本身性能的限制，不能满足更高的力学性能的要求；另一方面若采用镍铬合金或模具钢，则会极大地提高生产成本，降低性价比。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明希望提出一种机械性能优异，特别是耐磨性、抗咬合性、抗摩擦性、表面硬度优异，生产成本较低的内燃机气门挺柱，本发明同时公开了这种气门挺柱的制造方法。本发明借由以下技术方案实现上述目的：

一种内燃机气门挺柱的制造方法，该方法依次包括工件气门挺柱的粗加工、热处理、表面处理、第一次精密加工、端面涂层、第二次精密加工、清洗防锈的过程，按此过程最终制备得到内燃机的气门挺柱，本方法中作为工件的内燃机气门挺柱使用高碳铬轴承钢（GCr15）材料，材料的成分与含量（wt%）情况如下：

本方法适用于除滚轮挺柱外的其它常见气门挺柱，这些气门挺柱通常包括一个可与凸轮表面直接接触并与之共同形成摩擦副的端面，亦即气门挺柱的工作面，和一个与端面直接相连的中空柱体，该柱体用于固定推杆等构件，从而实现将凸轮的转动转换为推杆的上下运动。

本方法所述的粗加工为将GCr15材料通过机床加工成气门挺柱的形态，并将除气门挺柱的端面、其柱体的外圆之外的其它位置加工至成品所需的尺寸和精度的过程。

在粗加工后将工件进行热处理以特别提高其端面的耐磨性、抗咬合性、抗摩擦性与表面硬度，所述热处理需满足GCr15材料经过该热处理的过程后金相组织为均匀分散的80～85%的板条状马氏体，10%～15%的奥氏体，与少于6%的未溶碳化物颗粒组成，其中所述板条状马氏体的每个晶体单元呈窄而细长的板条，所述板条自奥氏体与马氏体的晶界向马氏体晶内相互平行排列成群，板条束则为惯习面相同的平行板条组成，所述板条的宽度为0.1～0.2微米，长度为5～8微米。

马氏体机械性能的显著特点是具有高硬度和高强度，其它特性主要取决于马氏体的亚结构；从宏观特性来看，片状马氏体具有高强度、高硬度，但韧性很差，材料呈现出硬而脆的特征，在摩擦中材料极易被磨损，导致犁沟切削、磨料磨损等失效效果容易产生；而板条状马氏体的韧性极大地优于片状马氏体，具有较高的韧性和塑性；从微观结构来看，片状马氏体中存在的孪晶亚结构极大地减少了有效滑移系，在进行回火时，其中的碳化物沿孪晶不均匀析出，导致脆性增大，此外，片状马氏体中含碳质量分数较高，晶格畸变大，淬火应力大，结构中存在大量的显微裂纹，这些特点均会加大脆性；而板条马氏体中含碳质量分数低，碳化物分布均匀，可以发生“自回火”，在胞状位错亚结构中位错分布不均匀，存在低密度位错区，为位错提供了活动余地，位错运动能缓和局部应力集中，以上特点都使板条状马氏体具有了优良的韧性与塑性。当希望具有板条状马氏体结构的材料作为内燃机气门挺柱应用时，一方面需要其本身优良的韧性与塑性，另一方面也需要保障或提高其强度与硬度，因此需要对材料的加工工艺进行合理的设计，以使所得的板条状马氏体达到最优的微观尺寸与结构，使材料的韧性/塑性与强度/硬度均达到最优。

经过热处理后的工件再进行表面处理，所述表面处理是将工件放入表面处理机中，采用φ0.3mm的钢丸进行抛丸处理，处理时间为40～60分钟，表面处理是通过钢丸撞击工件表面，以去除工件表面的氧化皮，同时增加工件表面强度。

为了保证所述气门挺柱与其它部件的良好配合，减少磨损，减少凸轮作用于挺柱工作面上的剪切力，工件需要进行两次精密加工，其中第一次精密加工主要是针对作为工作面的工件端面，需将其加工至成品可以良好使用的精度，同时也对柱体的外圆进行半精加工。

在完成第一次精密加工后，工件的端面达到了较高的精度，但仍需进一步地进行涂层处理，即所述的端面涂层，涂层的过程即为在工件的端面上附着一层具有保护作用及提高力学性能的膜。

此后再进行第二次精密加工，至整个工件达到使用要求的精度，得到成品内燃机的气门挺柱。

在金属学上，金相结构的获得是一个复杂的过程，仅仅依靠理论或有限的实验是无法设计出与金相结构相对应的热处理过程，因此本发明进一步提出了一种与上述制造方法相对应的、特别设计的优选热处理方式，即将经过粗加工的工件整体升温至850±10℃，保温40～60分钟后取出迅速进行淬火，淬火后于30分钟内进行冷处理，所述冷处理为将其冷却至-80℃～-60℃，保温40～60分钟，其后再进行回火处理，所述回火处理的温度为165℃～185℃，保温1～2小时。

上述热处理过程不仅提高了挺柱整体的强度与硬度，得到了端面希望获得的金相结构，同时也使得端面与后续经过涂层处理得到的涂膜具有更优良的结合效果。

其进一步的优选实施方式为：所述冷处理中的冷却速率为3～5℃/min。

上述制造方法及其优选的实施方式的另一种优选为：经过热处理后，所述工件的端面，即其工作面的淬硬层深度＞1mm，所述工作面硬度≥64.5HRC。

上述制造方法的另一优选实施方式为：所述的第一次精密加工为将经过表面处理的工件的端面，即其工作面进行完整的精密机加工，同时将工件的外圆进行半精加工，至所述工件的外圆圆柱度≤0.004mm，外圆表面粗糙度≤Ra0.4μm；所述工件的端面与外圆圆跳动≤0.02mm，端面的表面粗糙度≤Ra0.2μm。

所述制造方法的另一优选实施方式为：所述端面涂层的为在所述工件的端面形成CrN与a-C:H复合膜的过程。

其进一步的优选实施方式为：所述端面涂层采用真空气相磁控溅射的方法，于Ar、N₂、C₂H₂氛围下使用Cr、WC作为溅射的靶材，将所述靶材溅射沉积于工件端面，溅射温度维持于180～200℃，溅射时间为10～15小时。

其更进一步的优选实施方式为：所述的端面涂层中Ar、N₂、C₂H₂的体积比为1.5:3:20，所述Cr与WC的质量比为5:3，所述Cr在Ar、N₂、C₂H₂形成的混合气体中的浓度为15～25g/L。

其更进一步的优选实施方式为：所述的端面涂层的涂层厚度为0.003～0.005mm，经过端面涂层处理后工作面的表面硬度≥2000HV，表面粗糙度≤Ra0.1μm，摩擦系数≤0.05，所述涂层与工件基体的结合力为HF1～2级。

本发明进一步提出了一种内燃机气门挺柱，其由上述制造方法及任一优选实施方式制造得到，因此该内燃机气门挺柱满足上述所有优选实施参数和对应的性能。

本发明提出的上述技术方案通过采用高碳铬轴承钢（GCr15）材料经最佳的热处理方案与最佳的涂层处理方案得到了一种综合性能优良的内燃机气门挺柱，按GB/T19055-2003《汽车发动机可靠性试验方法》，本发明制得的其中一种外径为Φ28mm，长度为56mm的筒状气门挺柱经过装机，用于玉柴6J220-46型发动机上，经600小时冷热冲击试验及500小时发动机三超（超转速、超负荷、超爆压）可靠性试验验证，其平均可降低配气系统摩擦损失13～30%，降低摩擦平均有效压力（FMEP）0.051bar以上,降低发动机消耗功率0.5KW以上，在3万公里装机道路试验中，挺柱工作面磨损量仅为0.002～0.003mm，其基体未出现任何明显磨损。以上说明本发明制造的内燃机气门挺柱明显提高了挺柱与凸轮接触面的抗摩擦性、抗咬合性、抗耐磨性，其可替代使用镍铬合金铸铁或模具钢制造的气门挺柱，较大地降低了材料成本，减少了故障率，提高了使用寿命。

具体实施方式

实施例1

选择GCr15材料进行粗加工，至工件成形为气门挺柱，且除端面、柱体的外圆之外的其它位置均加工至成品所需的尺寸和精度，其后将基本成形的气门挺柱整体放入自动化网带炉中，于850℃下加热50分钟，结束后迅速放入油中淬火，淬火后在30分钟内放入冷处理机内，将其冷却至零下80℃，在该温度下保温60分钟后进行回火处理，回火温度165℃，保温时间1.5小时，其后检测到挺柱工作面淬硬层深度为3mm，工作面硬度为65HRC，显微照片显示其金相结构为85%左右的板条状马氏体、10%左右的奥氏体、4%～5%的未溶碳化物颗粒，该板条状马氏体的每个晶体单元呈窄而细长的板条，所述板条自奥氏体与马氏体的晶界向马氏体晶内相互平行排列成群，板条的宽度均在0.1～0.2微米内，长度均在5～8微米内。热处理结束后，使用抛丸机对其进行表面处理，表面处理采用φ0.3mm的钢丸进行抛丸，时间为40分钟，表面处理结束后采用无芯磨床对挺柱外圆进行机加工，至挺柱外圆圆柱度为0.004mm，表面粗糙度为Ra0.4μm，采用端面磨床对挺柱工作面进行机加工，挺柱工作面（即端面）与外圆圆跳动为0.015mm，工作面表面粗糙度为Ra0.2μm时为止，其后进行端面涂层，具体的操作过程为：将挺柱工作面在光饰机上进行抛光处理，其后进行清洗，再使用涂层夹具夹持，每支夹具夹持5000支挺柱进入磁控溅射炉，保证炉内温度为180℃，加入Ar气1.5L、N₂气3L、C₂H₂气体20L，使用500gCr与300gWC作为靶材进行溅射，时间为12h，端面涂层处理结束后得到厚度为0.004mm，表面硬度为2050HV，粗糙度为Ra0.1μm的膜层，其与挺柱基体（即其柱体）的结合力为HF2级，摩擦系数为0.05，此后进行第二次精密加工至挺柱的精度达到使用要求。

实施例2

选择GCr15材料进行粗加工，至工件成形为气门挺柱，且除端面、柱体的外圆之外的其它位置均加工至成品所需的尺寸和精度，其后将基本成形的气门挺柱整体放入自动化网带炉中，于840℃下加热60分钟，结束后迅速放入油中淬火，淬火后在30分钟内放入冷处理机内，将其冷却至零下70℃，冷却速率为5℃/min，在该温度下保温50分钟后进行回火处理，回火温度175℃，保温时间2小时，其后检测到挺柱工作面淬硬层深度为2.7mm，工作面硬度为64.8HRC，显微照片显示其金相结构为80%左右的板条状马氏体、10%左右的奥氏体、5%左右的未溶碳化物颗粒，其中板条状马氏体的每个晶体单元呈窄而细长的板条，该板条自奥氏体与马氏体的晶界向马氏体晶内相互平行排列成群，板条的宽度均在0.1～0.2微米内，长度均在5～8微米内。热处理结束后，使用抛丸机对其进行表面处理，表面处理采用φ0.3mm的钢丸进行抛丸，时间为50分钟，表面处理结束后采用无芯磨床对挺柱外圆进行机加工，至挺柱外圆圆柱度为0.04mm，表面粗糙度为Ra0.4μm，采用端面磨床对挺柱工作面进行机加工，挺柱工作面（即端面）与外圆圆跳动为0.016mm，工作面表面粗糙度为Ra0.15μm时为止，其后进行端面涂层，具体的操作过程为：将挺柱工作面在光饰机上进行抛光处理，其后进行清洗，再使用涂层夹具夹持，每支夹具夹持5000支挺柱进入磁控溅射炉，保证炉内温度为190℃，加入Ar气1.5L、N₂气3L、C₂H₂气体20L，使用500gCr与300gWC作为靶材进行溅射，时间为15h，端面涂层处理结束后得到厚度为0.005mm，表面硬度为2100HV，粗糙度为Ra0.1μm的膜层，其与挺柱基体（即其柱体）的结合力为HF2级，摩擦系数为0.05，此后进行第二次精密加工至挺柱的精度达到使用要求。

实施例3

选择GCr15材料进行粗加工，至工件成形为气门挺柱，且除端面、柱体的外圆之外的其它位置均加工至成品所需的尺寸和精度，其后将基本成形的气门挺柱整体放入自动化网带炉中，于860℃下加热40分钟，结束后迅速放入油中淬火，淬火后在30分钟内放入冷处理机内，将其冷却至零下60℃，冷却速率为3℃/min，在该温度下保温40分钟后进行回火处理，回火温度185℃，保温时间1小时，其后检测到挺柱工作面淬硬层深度为2.5mm，工作面硬度为64.6HRC，显微照片显示其金相结构为80%左右的板条状马氏体、15%左右的奥氏体、5%左右的未溶碳化物颗粒，其中板条状马氏体的每个晶体单元呈窄而细长的板条，所述板条自奥氏体与马氏体的晶界向马氏体晶内相互平行排列成群，板条的宽度均在0.1～0.2微米内，长度均在5～8微米内。热处理结束后，使用抛丸机对其进行表面处理，表面处理采用φ0.3mm的钢丸进行抛丸，时间为60分钟，表面处理结束后采用无芯磨床对挺柱外圆进行机加工，至挺柱外圆圆柱度为0.04mm，表面粗糙度为Ra0.3μm，采用端面磨床对挺柱工作面进行机加工，挺柱工作面（即端面）与外圆圆跳动为0.01mm，工作面表面粗糙度为Ra0.1μm时为止，其后进行端面涂层，具体的操作过程为：将挺柱工作面在光饰机上进行抛光处理，其后进行清洗，再使用涂层夹具夹持，每支夹具夹持5000支挺柱进入磁控溅射炉，保证炉内温度为200℃，加入Ar气1.5L、N₂气3L、C₂H₂气体20L，使用500gCr与300gWC作为靶材进行溅射，时间为10h，端面涂层处理结束后得到厚度为0.003mm，表面硬度为2080HV，粗糙度为Ra0.1μm的膜层，其与挺柱基体（即其柱体）的结合力为HF2级，摩擦系数为0.04，此后进行第二次精密加工至挺柱的精度达到使用要求。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims

1.一种内燃机气门挺柱的制造方法，所述方法依次包括工件气门挺柱的粗加工、热处理、表面处理、第一次精密加工、端面涂层、第二次精密加工、清洗防锈的步骤，其特征在于：所述气门挺柱使用高碳铬轴承钢（GCr15）材料；所述气门挺柱经过所述热处理后其金相组织由均匀分散的80～85%的板条状马氏体，10%～15%的奥氏体，与少于6%的未溶碳化物颗粒组成；所述板条状马氏体的每个晶体单元呈窄而细长的板条，所述板条自奥氏体与马氏体的晶界向马氏体晶内相互平行排列成群，所述板条的宽度为0.1～0.2微米，长度为5～8微米。

2.根据权利要求1所述的内燃机气门挺柱的制造方法，其特征在于：所述热处理的过程为：将经过粗加工的工件整体升温至850±10℃，保温40～60分钟后取出；再迅速进行淬火；淬火后于30分钟内进行冷处理，所述冷处理为将其冷却至-80℃～-60℃，保温40～60分钟；其后再进行回火处理，所述回火处理的温度为165℃～185℃，保温1～2小时。

3.根据权利要求2所述的内燃机气门挺柱的制造方法，其特征在于：所述冷处理中的冷却速率为3～5℃/min。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的内燃机气门挺柱的制造方法，其特征在于：经过所述热处理后，所述工件的端面，即其工作面的淬硬层深度＞1mm，所述工作面硬度≥64.5HRC。

5.根据权利要求1所述的内燃机气门挺柱的制造方法，其特征在于：所述的第一次精密加工为将经过表面处理的工件的端面，即其工作面进行完整的精密机加工，同时将工件的外圆进行半精加工，至所述工件的外圆圆柱度≤0.004mm，外圆表面粗糙度≤Ra0.4μm；所述工件的端面与外圆圆跳动≤0.02mm，端面的表面粗糙度≤Ra0.2μm。

6.根据权利要求1所述的内燃机气门挺柱的制造方法，其特征在于：所述端面涂层为在所述工件的端面形成CrN与a-C:H复合膜的过程。

7.根据权利要求6所述的内燃机气门挺柱的制造方法，其特征在于：所述端面涂层采用真空气相磁控溅射的方法，于Ar、N₂、C₂H₂氛围下使用Cr、WC作为溅射的靶材，将所述靶材溅射沉积于工件端面，溅射温度维持于180～200℃，溅射时间为10～15小时。

8.根据权利要求7所述的内燃机气门挺柱的制造方法，其特征在于：所述的端面涂层中Ar、N₂、C₂H₂的体积比为1.5:3:20，所述Cr与WC的质量比为5:3，所述Cr在Ar、N₂、C₂H₂形成的混合气体中的浓度为15～25g/L。

9.根据权利要求8所述的内燃机气门挺柱的制造方法，其特征在于：所述的端面涂层的涂层厚度为0.003～0.005mm，经过端面涂层处理后工作面的表面硬度≥2000HV，表面粗糙度≤Ra0.1μm，摩擦系数≤0.05，所述涂层与工件基体的结合力为HF1～2级。

10.一种内燃机气门挺柱，其特征在于：根据权利要求1～9中任一项所述的制造方法制造得到。