CN105317496A - 用于内燃机的阀和获得阀的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的阀(1)，其中至少一个经受塑性变形工艺的区域(诸如阀(1)的颈部(3)的区域)设置有至少17％的溶解的金属铬。本发明的主题还在于能在阀(1)的结构中提供铬溶解的机制，从而改进能抗腐蚀的元件，同时保持竞争性成本的方法。

Description

用于内燃机的阀和获得阀的方法

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的阀以及获得这种阀的方法，其中至少所述阀的颈部区域上设置有至少17％的溶解的金属铬。

背景技术

内燃机是将来自化学反应的能量转化成机械能量的热力发动机，并且使用它们自身的燃烧气体作为工作流体。它们基本包括两个主要部件：一个或多个气缸盖和发动机体。

内燃机的阀被容纳在气缸盖中，并且是要允许或阻止气体进入发动机气缸或从发动机气缸排出。

内燃机包含进气阀和排气阀，该进气阀控制气体混合物进入发动机气缸，该排气阀允许爆炸后的气体排出。

假定在内燃机的运行期间，在所述发动机组件需要的工作条件下，在阀中，特别是在排气阀中观察到故障模式。具体地，这些故障模式之一是腐蚀，其结果是对内燃机的彻底损坏，导致其性能丧失，发动机停运，需要对其进行维修。

至今，在对现有技术的发动机阀衬里的最常用的方案中已有渗氮，例如这对疲劳强度提供负面特性。另一实例是钛阀，它们用于赛车发动机，但具有非常高的成本和低的抗磨损性，因为它们的表面涂有氮化钛(TiN)或钛氧化物(TiO)以补偿低抗磨损性。

还存在一些其它用于发动机阀的方案，它们利用商业公知的合金，例如尼莫尼克合金或尼内维(Nireva)合金，但这些材料的成本对于为大多数情况所提供的性能是不值的。

尽管存在许多尝试以试图使阀所经受的磨损最小化，现有技术的方案未提供在耐久性的所有情况下同时提供优异性能的内燃机阀。

因此，最影响现有技术的阀的耐久性的现象之一由晶间腐蚀(IGC)引起。

该现象可被描述为起始于晶粒边界的腐蚀。由于暴露于高温下，合金中的铬迁移至晶粒边界，即在晶界区域发生铬析出的形成。由此，抗腐蚀性所必需的合金元素铬的缺失导致晶界和邻接区域的溶解。

现有技术的阀中通常发生的另一磨损机制已知为热气腐蚀。阀所经受的热气腐蚀通常为大多数情况下与排气阀所经受的热气相关的腐蚀的一种机制。其通常与氧化作用有关，但它还可通过熔融盐的攻击来发生，诸如硫化作用(由燃油和润滑流体形成的硫酸盐)。

应注意，受热气腐蚀影响最大的阀是排气阀，因为正是这些阀接收由内燃机中爆炸产生的热量。更具体地，是阀的颈部区域经受由腐蚀产生的更大的磨损，由于阀的几何形状，正是该区域在热气中暴露最多。

然而，应强调，由于相同的制造工艺，阀的该颈部区域经受甚至比其它部件更强的腐蚀，假设这是经受最大塑性变形以及需要后续热处理的阀的部分。因此，至少17％含量的初始溶解在阀结构中的金属铬不再能确保该数值，由此不能提供上文所述的必需的抗腐蚀性。

图11中示出了攻击阀的第三共有现象。在此情况下，阀中阻止其旋转移动的缺陷可导致允许来自燃烧的气体通过的小的通孔。这些气体由于它们具有高温并且是腐蚀性的则在阀座的区域中导致腐蚀。

这种现象防止阀必须设置合适的密封件。在一些情况下，局部熔融会出现，加速了腐蚀现象直至阀失效。因为热气的恒定通过剧烈提高了局部浓缩区域中的温度(见图11中的箭头)，使得阀不能提供正确的发动机操作，因此发生该现象。还应注意，当阀存在密封问题时，该现象特别复杂。

由于所有上述原因，至今尚未开发出用于内燃机的阀，其中暴露于腐蚀性环境下的阀区域的至少一个区域(例如颈部)已设置由至少17％的溶解的金属铬，从而对阀提供高耐久性，简化的制造以及对腐蚀和破裂的抗性。

发明目的

本发明的第一目的是提供一种用于内燃机的阀，所述阀包括表面上设置有厚度为至多300μm的至少17％的溶解的金属铬的颈部区域。

第二目的是详细描述制造用于内燃机的阀的方法，其中通过能溶解铬而熔融的表面处理被施加至阀，诸如激光再熔。

此外，本发明具有以下目的，提供一种阀，该阀总体提供更好的抗磨损性，能抵抗晶间腐蚀和后续的破裂，热气腐蚀和燃烧室泄露的形成。

发明内容

本发明的主题是一种用于内燃机的阀，所述阀的颈部的至少一个区域包括厚度至多为300μm的表面层，该表面层设置有至少17％的溶解的金属铬。

本发明的主题还包括获得用于内燃机的包含铬的铁质阀的方法，所述方法包括以下步骤：步骤i)切割型钢，将阀体与阀尖端摩擦焊接，打浆处理(上移安置)，锻造所述阀的至少一个区域并热处理；所述方法进一步包括以下步骤：步骤ii)对所述阀的至少一个锻造后的区域施加用于使金属铬溶解的表面熔融处理。

最后，本发明的主题是根据所述的方法获得用于内燃机的阀。

附图说明

本发明的用于内燃机的阀可由下述基于以下列出的附图的详细说明更好地理解：

图1：具有所有部件的阀的侧视图。

图2：示出由晶界区域中铬减损引起的晶间腐蚀和晶粒边缘区域中碳化物析出的机制的示意图。

图3：示出由晶界区域中铬减损引起的晶间腐蚀和晶粒边缘区域中碳化物析出的机制的图。

图4：说明现有技术的阀中的晶间腐蚀的图。

图5：说明现有技术的阀中的晶间腐蚀和破裂发生的图。

图6：现有技术的阀的分解图，其中头部区域的部件由于主要破裂(大致平行于周边)和次级破裂(大致垂直于周边)已减损。

图7：说明图6中所示的阀的剖面AA中晶间腐蚀和去除一些晶粒的图。

图8：说明图6中所示的阀的剖面BB中晶间腐蚀和去除一些晶粒的图。

图9：说明热气腐蚀后现有技术的阀的杆区域的图。

图10：说明热气腐蚀和材料的后续去除后现有技术的阀的杆区域的图。

图11：说明在通过燃烧通过热气的腐蚀和后续去除座区域中的材料之后现有技术的阀的头部区域的图。

具体实施方式

图1公开了用于任何内燃机的阀1，例如排气阀或进气阀。该图示出了侧视图，其中可清晰地看出存在包括阀1的各个部件，由包括座区域2和颈部区域3的盘形头部10构成，该颈部区域3用作过渡至杆4的区域，使得阀1的尖端5位于与头部10的杆4的相对端。

图2至图11中可见影响阀的耐久性的一些实施例。因此，如前文指出的，最影响现有技术的阀的耐久性的现象之一由晶间腐蚀(IGC)引起。

图2和图3示出了晶间腐蚀，这可被描述为起始于晶粒边缘6的腐蚀。由于暴露于高温下，合金的铬迁移至晶粒边缘6，即发生在晶粒边缘6的区域中铬析出的形成。

由此，抗腐蚀性所必需的合金元素铬的缺失导致晶界6和邻接区域7的溶解(参见图4、图5、图7和图8)。

这种作用的结果导致如图6中说明的阀的破裂，这公开了由于主要破裂(大致平行于周边，参见图7)以及显示次级破裂(大致垂直于周边，参见图5)引起头部区域的部件减损的阀。

在化学蚀刻和500倍放大之后，分别在图7和图8，以及在图6的剖面AA和BB中去除一些晶粒提供晶间腐蚀的详细图示。

通过施加至阀1的颈部3区域的激光熔融进行的表面熔融处理可使钢不敏感，并且通过形成微细的枝晶结构，改善对晶粒腐蚀的抗性。

对晶间腐蚀的抗性的改善归因于铬碳化物(Cr₂₃C₆)的溶解以及铬减损区域的均一化。因为例如通过激光熔融过程进行的表面熔融处理在短的时间段并且仅在该组件的表面上发生，因而发生突然冷却，产生高回火水平的新固化，足够快速至防止表面的再敏化。

在该表面熔融处理期间还发生压缩应力，这导致对IGSCC(晶间应力腐蚀裂纹)的抗性也得到改善。

通过利用激光熔融的表面熔融处理获得的微细枝晶单元结构导致阀1能抵抗晶间腐蚀，并使得其性能在内燃机的整个服务器得以保持。另一方面，表面结构的该改变没有严重影响阀1的机械性能，诸如疲劳强度。

激光表面再熔融处理可被施加至阀的任何区域，优选地，但不是必须地，被施加在如已讨论的颈部3的区域中，该区域是腐蚀潜在发生的区域。由此，获得用于内燃机的阀，该阀设置有铁质体，具有至少17％的溶解的金属铬，该铁质体至少在阀1的颈部3的区域包括厚度至多为300μm的表面层。

可选地，可利用确保金属铬在阀的表面上敏化以确保上文所述相同的技术效果的任何方法。

如果通过激光再熔融实施使金属铬溶解的方法，实施该方法的区域将产生枝晶结构。

由此，本发明实现了预期并提供了初始明确的机械强度的特性，在选择的钢行为上为不锈钢时，在阀经受的塑料转化工艺之后，特别通过热气使得待制造的阀能提供对腐蚀的必要抗性，使得阀1的操作部件是热学和化学抗性的。

在第一优选构造中，获得用于内燃机的含铬(17％或更多)的铁质阀1的方法包括以下步骤：

步骤i)切割型钢，将阀体与阀尖端摩擦焊接，打浆处理(上移安置)，锻造阀的至少一个区域并热处理；

方法10的特征在于，其进一步包括以下步骤：

步骤ii)对阀的至少一个锻造后的区域施加用于使金属铬溶解的表面熔融处理。

应进一步注意，源自本发明的阀将从表面接收至多300μm的处理。在可选构造中，处理的厚度将至多为200μm。在另一构造中，处理的厚度将至多为100μm。应注意，由此将在至多300μm厚，优选至多200μm厚，优选至多100μm厚的表面中发现含量为17％或更高的溶解的金属铬。

因此，本发明的焦点将一直为在阀1的以下区域溶解金属铬，这些区域已经经历塑性变形，使得这些区域含有至少17％的铬，用于提供必要的抗腐蚀性。自然，本发明的阀将具有比能实现相等结果的现有技术方案低的单位成本。

这基于以下事实，本发明的阀基于更便宜的原材料和简单、快速且经济的方法，同时其以降低的成本改善了阀的性能。

尽管已经说明了优选实施方式的一个实例，应理解本发明的范围包括其他可能变体，目的在于改善对磨损和腐蚀的抗性和减小摩擦力的特性，本发明的目的仅由所附权利要求的内容限定，包括其可能的等价体。

Claims (10)

1.一种用于内燃机的阀，所述阀设置有包括铬的铁质主体，其特征在于，所述阀(1)的颈部(3)的至少一个区域包括厚度至多为300μm的表面层，该表面层设置有至少17％的溶解的金属铬。

2.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述颈部(3)的区域设置有枝晶结构。

3.根据权利要求1所述的阀，其特征在于，所述阀(1)可为进气阀或排气阀。

4.获得用于内燃机的包含铬的铁质阀(1)的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤i)切割型钢，将阀体与阀尖端摩擦焊接，打浆处理(上移安置)，锻造所述阀(1)的至少一个区域并热处理；

所述方法(10)的特征在于，进一步包括以下步骤：

步骤ii)对所述阀(1)的至少一个锻造后的区域施加用于使金属铬溶解的表面熔融处理。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述表面熔融处理通过激光再溶解进行。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，激光表面再熔融处理达到至多500℃的温度和约100Hs的硬度。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述表面熔融处理以至多300μm厚，优选至多200μm厚，优选至多100μm厚发生。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，至少一个锻造区域是所述阀(1)的颈部(3)区域。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，至少一个锻造区域包含至少17％的铬。

10.用于内燃机的阀，其特征在于，所述阀根据权利要求4所述的方法获得。