CN105385950A - 一种非晶增强的新型气门材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非晶增强的新型气门材料及其制备方法。该气门采用的合金的重量百分比成分范围为C:0.32～0.40%；Si:0.17～0.37%；Mo:2.5～3.5%；Mn:0.50～0.80%；Cr:0.80～1.10%；W:0.50～1.0%；Ni:≤0.013%；P:≤0.015；S:≤0.015；Cu:≤0.010%；余量为Fe。该进气门材料经熔炼、锻造、焊接非晶合金等工艺加工而成。本发明的气门材料的表面硬度高、耐磨性好、寿命高。

Description

一种非晶增强的新型气门材料
技术领域
本发明涉及新材料领域，尤其涉及一种气门材料及其制备方法。
背景技术
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。
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。在这过程之中，燃料燃烧的热能转化为机械能。汽车内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。发动机是机车的核心部件,而气门又是发动机的关键零件之一。气门是用来打开或关闭进、排气道的直接零件，其工作环境恶劣、对材料的性能要求高。气门头部温度很高，而且还承受气体的压力、气门弹簧的作用力和传动组件惯性力，其润滑、冷却条件差，要求气门必须有一定强度、刚度、耐热和耐磨性能。进气门一般采用合金钢（铬钢、镍铬钢），排气门采用耐热合金（硅铬钢）。
发明专利CN104946995A提出了一种轿车发动机用耐高温排气门，按照排气门主体材料元素组分进行熔炼，后进行铸造，得到坯料，排气门主体材料为：C：0.13-0.27%，Si：3.4-4%，Mo：2-3%，W：1-2%，Mn：0.8-0.95%，P≤0.035%，S≤0.035%，Ti：2-3%，Cr：12-13%，Ni：2.8-3.24%，Co：1-1.2%，V：0.4-0.5%，余量为Fe及不可避免的杂质；通过堆焊处理使得气门锥面达到更高的耐磨性和耐冲击，相应的疲劳性能也得到提高；通过对发动机气门涂覆涂层，提高材料的防腐、耐高温、耐磨性能。
发明专利CN103627956A公开了一种发动机用高耐磨性能进气门材料及该气门的制造方法。采用的合金成分范围为：：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:≤0.013%；P:≤0.015；S:≤0.015；Cu:≤0.010%；余料为Fe。该气门经表面纳米化、低温渗氮、堆焊钨锆合金等工艺加工而成。
发明专利CN103627961A公开了一种进气门，进气门采用的合金成分重量百分比为：C:0.32～0.40%；Si:0.17～0.37%；Mo:2.5～3.5%；Mn:0.50～0.80%；Cr:0.80～1.10%；W:0.50～1.0%；余量为纯度为99.8%的Fe。该气门经表面纳米化、低温渗氮、堆焊钨锆合金等工艺加工而成。该气门可以在500℃以上的高温长期服役，但是当发动机的性能提升，要求气门在550℃以上的温度服役时，这个材料便不能胜任了。
发明内容
发明目的：为解决上述技术问题，本发明提供本一种成本适中、耐高温性能优异、使用寿命较长的综合性能优异的进气门及其制备方法。
技术方案：为实现上述技术方案，本发明提供了一种进气门，所述进气门的基体材料成分为：C:0.30～0.40%；Si:0.05～0.1%；Mo:0.1～0.2%；Mn:0.50～0.80%；Cr:0.80～1.10%；W:0.50～1.0%；Ce:0.1～0.2%;Nb:0.05～0.1%；Cu:0.05～0.1%。余量为纯度大于99.8%的Fe，所述纯度为99.8%的Fe中的杂质重量百分比含量为：Ni:≤0.013%；P:≤0.015；S:≤0.015%。其特征在于，气门的锥面有非晶合金层，厚度200-500微米。
相对于专利CN103627956A使用的材料，本发明降低了Ｍｏ、Ｓｉ的含量，增加了Ｃｕ、Ｎｂ元素。降低Mo含量能够降低产品的成本，增加微量Nb元素，在不显著增加成本的前提下，能够有效地提高合金的耐高温性能与高温下的强度，增加微量的Cu元素，能够大大改善合金的焊接性能。并采用高强、高硬度、高耐磨性能的非晶，大大提高了材料的性能。
上述进气门的制造方法，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２～２.5小时；
（3）分别在1100℃、1050℃、950℃进行三次锻造，控制变形比大于70％，得到进气门毛坯；
（4）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）熔炼非晶合金：按照该合金的原子比配置原料，进行真空熔炼，浇注冷却后得到非晶合金。其中非晶合金含有Zr、Ti、Mo、Al、W、V、B等元素，其中Zr、Ti、Mo、Al的原子比为50：15：8：12。所述非晶合金包含但不限于Zr50Ti15Mo8Al12W8V5B2、Zr50Ti15Mo8Al12W5V5B5、Zr50Ti15Mo8Al12W7V6B2；
（6）采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；
（7）在锥面焊接非晶合金；厚度控制在200-500微米。具体可以采用钎焊、堆焊、扩散焊等方式；
（8）进行表面光洁度处理。
有益效果：使用本发明的气门，由于其具有优异的高温性能（强度、抗氧化性、耐磨性与疲劳寿命等），能够提高发动机的工作温度，因而提升燃料的燃烧热量与利用效率。能够产生明显的经济效益。采用焊接非晶材料，保证了气门表面具有优异的强度、硬度、摩擦磨损性能。
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:≤0.013%；P:≤0.015；S:≤0.015。
实施例1
（1）按照合金成分范围准备配料，C:0.35%；Si:0.05%；Mo:0.14%；Mn:0.75%；Cr:0.87%；W:1.0%；Ce:0.1%;Nb:0.1%；Cu:0.05%。将合金材料混合均匀；
（2）采用真空感应炉熔炼，温度控制在1650℃，熔炼２小时；
（3）分别在1100℃、1050℃、950℃进行三次锻造，控制变形比为72％，得到进气门毛坯；
（4）在800℃下保温1.5h，淬火，然后加热到500℃，保温2小时，最后空气冷却；
（5）熔炼Zr50Ti15Mo8Al12W5V5B5非晶合金：按照该合金的原子比配置原料，进行真空熔炼，浇注冷却后得到非晶合金；
（6）采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；
（7）在锥面焊接非晶合金；
（8）进行表面光洁度处理。
实施例2
（1）按照合金成分范围准备配料，C:0.40%；Si:0.065%；Mo:0.2%；Mn:0.80%；Cr:0.80%；W:0.9%；Ce:0.2%;Nb:0.05%；Cu:0.1%。将合金材料混合均匀；
（2）采用真空感应炉熔炼，温度控制在1620℃，熔炼２小时；
（3）分别在1100℃、1050℃、950℃进行三次锻造，控制变形比为73％，得到进气门毛坯；
（4）在850℃下保温1h，淬火，然后加热到500℃，保温2.5小时，最后空气冷却；
（5）熔炼Zr50Ti15Mo8Al12W7V6B2非晶合金：按照该合金的原子比配置原料，进行真空熔炼，浇注冷却后得到非晶合金；
（6）采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；
（7）在锥面焊接非晶合金；
（8）进行表面光洁度处理。
实施例3
（1）按照合金成分范围准备配料，C:0.38%；Si:0.09%；Mo:0.1%；Mn:0.56%；Cr:0.80%；W:0.50%；Ce:0.17%;Nb:0.09%；Cu:0.086%。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℃，熔炼２.5小时；
（3）分别在1100℃、1050℃、950℃进行三次锻造，控制变形比为71％，得到进气门毛坯；
（4）在800℃下保温1h，淬火，然后加热到480℃，保温2小时，最后空气冷却；
（5）熔炼Zr50Ti15Mo8Al12W5V5B5非晶合金：按照该合金的原子比配置原料，进行真空熔炼，浇注冷却后得到非晶合金
（6）采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；
（7）在锥面焊接非晶合金；
（8）进行表面光洁度处理。
实施例4
（1）按照合金成分范围准备配料，C:0.30%；Si:0.1%；Mo:0.17%；Mn:0.5%；Cr:1.04%；W:0.93%；Ce:0.11%;Nb:0.06%；Cu:0.08%。将合金材料混合均匀；
（2）采用真空感应炉熔炼，温度控制在1650℃，熔炼２.5小时；
（3）分别在1100℃、1050℃、950℃进行三次锻造，控制变形比为70％，得到进气门毛坯；
（4）在820℃下保温1.5h，淬火，然后加热到450℃，保温2小时，最后空气冷却；
（5）熔炼Zr50Ti15Mo8Al12W8V5B2非晶合金：按照该合金的原子比配置原料，进行真空熔炼，浇注冷却后得到非晶合金；
（6）采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；
（7）在锥面焊接非晶合金；
（8）进行表面光洁度处理。
测试以上实施例所得的进气门与对比例（调制处理的40Cr合金材料）的表面硬度、磨损率、疲劳强度、台架试验寿命（数据见表１），可以看到，本发明的硬度大、磨损性能优异，疲劳性能高。
表1材料的表面硬度、磨损率、疲劳强度、台架试验寿命

Claims (3)

1.一种非晶增强的新型气门材料及其制备方法，所述进气门的基体材料成分为：C:0.30～0.40%，Si:0.05～0.1%，Mo:0.1～0.2%，Mn:0.50～0.80%，Cr:0.80～1.10%，W:0.50～1.0%，Ce:0.1～0.2%，Nb:0.05～0.1%，Cu:0.05～0.1%，余量为纯度大于99.8%的Fe；所述纯度为99.8%的Fe中的杂质重量百分比含量为：Ni:≤0.013%，P:≤0.015，S:≤0.015，Cu:≤0.010%；气门的锥面含有非晶合金层，厚度200-500微米；其制备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２～２.5小时；
（3）分别在1100℃、1050℃、950℃进行三次锻造，控制变形比大于70％，得到进气门毛坯；
（4）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）熔炼非晶合金：按照该合金的原子比配置原料，进行真空熔炼，浇注冷却后得到非晶合金；其中非晶合金含有Zr、Ti、Mo、Al、W、V、B等元素，其中Zr、Ti、Mo、Al的原子比为50：15：8：12；
（6）采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；
（7）在锥面焊接非晶合金；
（8）进行表面光洁度处理。
2.根据权利要求1所述的进气门的制备方法，其特征在于，所述非晶合金包含但不限于Zr50Ti15Mo8Al12W8V5B2、Zr50Ti15Mo8Al12W5V5B5、Zr50Ti15Mo8Al12W7V6B2。
3.根据权利要求1所述的进气门的制备方法，其特征在于，步骤（7）中所述的焊接方法包含但不限于钎焊、扩散焊、堆焊。
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