CN107750302A - 气门导管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用粉末冶金工艺制造的内燃机气门导管，所述导管包括中部、凸轮侧末段以及管道侧末段，其中中部由第一材料组成，管道侧末段由第二材料组成，且其中所述凸轮侧末段和/或管道侧末段渗透有铜。

Description

气门导管

本发明涉及利用粉末冶金工艺制造的内燃机气门导管，所述导管包括中部(central section)、面向凸轮的末段(end piece)以及面向管道的末段。

内燃机气门导管位于气缸盖内，用于引导摆动阀使其与气门座圈紧密接触，从而能以这种方式关闭气道(gas duct)。

几十年来，气门导管一直利用粉末冶金的方式制造。由于制造工艺中固有的原因所致的孔隙度尤其具有特殊的优点，因为它使孔填充了油，而油增强了气门导管与气门杆之间的润滑效果。由于摆动运动而产生摩擦，这些部件之间的良好润滑是必需的。

基本上，安装在内燃机中的气门导管可以细分为中部、凸轮侧末段和管道侧末段。所有这些部分都暴露于不同的环境条件下，并且必须履行不同的功能。

例如管道侧末段(特别是在排气阀(outlet valve)中)暴露于高温下，因此必须耐高温以及不腐蚀、耐磨损。其还必须具有良好的导热性，用于散热。

中部基本上包括气门导管的中间区，一方面，其用于引导热量离开管道侧末段，并将热量传向气缸盖(其得以冷却)。另一方面，它还必须保证导管和气门杆之间的润滑。而且，还必须确保中部的良好可操作性，以便在发动机制造商完成所需的加工工艺之后，确保气缸盖中气门对准所需的高尺寸精确度。

尽管由于较低的环境温度，磨损机制如磨损和粘附的影响会不如在管道侧末段的情况下那样严重，但是从气缸盖突出的凸轮侧末段也应当是耐磨损的。理想的是，确保油气不会从凸轮侧的气缸盖中漏出。

由单一材料制成的气门导管不能满足三个不同部分的所有功能要求。例如，高孔隙度的材料有利于油的吸收。另一方面，由于其孔致使特别容易腐蚀。孔隙度也可能弱化机械性能。这样的材料可能适用于中央部分，但较不适合于管道侧。油可能继续漏出孔。另一个实例是只能困难地机械加工的特别耐磨损材料，对于管道侧材料而言，确实这样。

解决此问题的方案描述于出版物GB 780 073 A中，其提出避免氧化和腐蚀利用冶金工艺制造的气门导管。这应通过提供利用涂覆气门导管或其部分而施加的耐腐蚀金属覆盖物(cover)来实现。

出版物DE 103 43 680 A1公开了一种旨在通过用铜渗透凸轮侧端部来增加气门导管对油气的紧密度的解决方案。

上述出版物只为气门导管三个部分必须满足的各种要求提供了部分解决方案。而且，上面提到的所有措施都涉及气门导管的非固有特性。实际上，为了带来所需的效果，需要在气门导管上提供或布置耐腐蚀覆盖物或铜套管的额外工作步骤。

因此，本发明的目的是提供由粉末冶金工艺制造的气门导管，所述气门导管由不同材料制成的部分组成，以便同时满足各个部分的所有不同特殊要求。

这个目的是通过上文首先描述的粉末冶金制造的气门导管类型来实现的，其中基体(basic body)由第一材料制成，管道侧上的末段由第二材料制成，同时凸轮侧和/或管道侧上的末段渗透有铜。只要烧结的材料已经含有铜，就可以添加渗透的铜。优选地，两个末段都被铜额外渗透。一方面，这具有增加这个关键区域的导热性的优点；另一方面，这些区域的高含铜量改善滑动性。除纯铜以外，用于渗透的铜主要定义为含铜量超过90％w/w的铜合金。

方便的是，第二材料比第一材料硬。在这种情况下，第二材料的硬度优选超过70HRB，而第一材料的硬度可以低至少10HRB。

本发明的优点在于，气门导管的各个部分适用于不同的需要，也适用于所用的材料。

相反，中部基本上没有渗透的铜。一方面，这可以通过单独制造气门导管的三个部分(segment)，然后将它们彼此连接来实现，其中在连接工艺之前用铜渗透末段，或者通过为中部进行专门的精加工或处理或材料选择来实现。因此，可以通过锰含量来控制通过渗透进一步吸收的铜。铜通过孔的毛细作用吸收。如果平均孔径增加，则会导致毛细作用降低，并降低对铜的吸收能力。可通过以下方式来影响所述区域中的铜摄入，例如通过调节表面的润湿性，例如通过第一材料和/或第二材料的各自组成，或通过在化学处理或氧化的辅助下控制烧结工艺过程中的氧化或还原行为，或者通过应用氧化物形成剂。这些措施的可选组合是可能的。

凸轮侧末段可以由第一材料、第二材料或第三材料制成。使用第一材料或第二材料特别有利于制造工艺。特别是可以简化和缩短压制操作(press operation)。优选地，凸轮侧末段也由第二材料组成。

上文所述的材料例如是具有不同情况下所需性能的烧结钢等级。

例如，第一材料由以下组成：

-78-95％w/w的Fe，

-3-20％w/w的Cu，

-0.8-2％w/w的Mn，

-0.4-0.6％w/w的S，以及

-0.8-2％w/w的C。

所述组成是指烧结材料，不包括可能已经添加的渗透铜。

可以存在的其他元素/合金成分的总量可以高达4％w/w。

第一材料的具体组成实例如下：

-84％w/w的Fe，

-12％w/w的Cu，

-1.5％w/w的Mn，

-0.5％w/w的S，

-0.9％w/w的C，

-其他元素/合金成分，补足到100％w/w，

其中第一材料的含铜量不包括渗透的铜。

通过烧结加入的含铜量确保了一定的导热性。这样，中部能够将在管道侧和气门处产生的高温转移到凸轮侧。在压制操作之前，将铜以铜粉末或铜合金粉末的形式添加到混合物中。金属硫化物形式的硫(S)，例如硫化锰(MnS)以及塑料用作固体润滑剂，并且在发动机油的量不足以用于润滑的情况下增强气门导管和气门杆摩擦系统的紧急操作特性。第一材料的组成保证了良好的机械加工性。

例如，第二材料由以下组成：

-80-86％w/w的Fe，

-1.0-10％w/w的Cr，

-5-16％w/w的Cu，

-0.6-0.8％w/w的Mn，

-0.4-0.6％w/w的S，以及

-0.5-2.0％w/w的C，且

-如果必要的话，合计高达3.5％w/w的其他元素/合金成分。

所述组成是指烧结材料，不包括渗透的铜。

第二材料的具体组成实例如下：

-84％w/w的Fe，

-1.2％w/w的Cr，

-12％w/w的Cu，

-0.7％w/w的Mn，

-0.5％w/w的S，

-0.6％w/w的C，以及

-其他元素/合金成分，补足到100％w/w，

同时，第二材料的含铜量不包括渗透的铜。

与第一种材料相比的差异是铬含量，该铬含量由于碳化铬的形成而导致更高耐磨性并导致固溶体固化。而且，第二材料能够长时间承受高温以及高磨损。由于暴露在较高的温度下，通常管道侧末段比凸轮侧末段容易受到更严重的磨损。因此，第二种材料具有优异的耐磨性。

作为内燃机阀门导向组件的磨损机制，经常遇到粘附和磨损。这些发生在气门导管和气门杆之间，并且在管道侧比在凸轮侧更明显。在排气气门导管系统中经历磨损的主要问题。这些问题导致气门导管与气门杆之间的间隙宽度增加。颗粒因此可能进入滑动区域并导致气门杆卡住。这导致发动机故障。因此，第二材料的含铜量还有助于提高诸如硬度和强度之类的机械性能。铜的渗透进一步提高了热性能和机械性能。

第一材料和第二材料的硬度可以不同，其中中部的第一材料的硬度比管道侧末段的第二材料的硬度低，这保证了良好的机械加工性，而管道侧末段的较硬材料极大地提高了耐磨性和耐高温性。

利用粉末冶金工艺制造的气门导管中部的典型热导率范围为21-48W/(mK)。相反，末段优选具有40-80W/(mK)的增加的导热率。

与其他气门导管系统(例如铸造设计的气门导管系统)相比，粉末冶金制造的气门导管提供的优点在于，它们具有能吸收一定量的油的孔。较高的含油量导致改善气门导管的润滑效率。鉴于气门导管与气门杆之间总是发生摩擦，这被认为是显著的益处。

粉末冶金制造的Fe基气门导管的密度通常为约7g/cm³。这导致孔隙度为约10％。由于中部需要高孔隙度，因此第一材料的孔隙度范围应为10-20％，优选15-20％，特别优选17-20％。中部的孔隙度对于吸油能力是重要的，并且对摩擦学特性有影响。

中部的孔径范围优选为10-400μm，优选50-400μm，特别是100-350μm。在这种孔径范围内，孔隙化合物的毛细作用降低，并且不足以在铜渗透期间将大量铜吸收到基体内。同时，孔径和孔体积有利于气门导管吸收油。

有利的是，第二材料的孔隙度为8-15％，优选8-12％。孔径范围例如是10-400μm，优选10-350μm，特别是50-250μm。在这种情况下，铜渗透的毛细作用起着重要作用。

在本发明的实施方案中，可以为粉末冶金制造的气门导管另外提供施加到凸轮侧的铜渗透。这增加了对油气的紧密度，并且另外减少了对环境有害的发动机油的消耗。铜渗透到达从凸轮侧末段的外表面向下最大延伸到壁中心的区域，然而优选进入厚度为1-3毫米的表层带(surface layer zone)的区域。

本发明的气门导管的制造可以分五个步骤进行。在第一步骤中，将由第二材料组成的用于管道侧末段的粉末填充到与冲压机(punch)同轴布置的压模(die)中，并且如果有利的话，通过压制工具预压实，在第二步骤中，将由第一材料组成的用于中部的粉末填充到压模中，并且如果合适的话，通过压制工具预压实，在第三步骤中，将由第二材料或第三材料组成的用于凸轮侧末段的粉末填充到压模中，并且如果有利的话，通过压制工具预压实，在第四步骤中，使用压制工具将整个气门导管在压模中压实，其中压实物(compact)的形状具体由压模的形状和冲压机的形状决定，在第五步中，烧结整个气门导管。然而，气门导管部分的压实顺序也可以颠倒，使得首先压实管道侧末段，然后压实中部，最后压实凸轮侧末段。不言而喻，在中部和凸轮侧末段由相同材料组成的情况下，可省略工作步骤。而且，凸轮侧末段也可以由第三材料制造。可以将各个压实步骤合并成单一步骤，从而可以省略中间压实步骤。

可以向粉末混合物中加入压制添加剂，例如蜡，以改善压实物的内聚力。在随后的烧结过程中，蜡会完全蒸发，并且以这种方式蜡不会再存在于烧结的气门导管中。

与提供由单一材料制造的气门导管的方法相反，本发明方法的优点是，可以通过压制操作很好地调节中部的密度和孔隙度。

在所述方法的具体实施方案中，可以将压实的气门导管和铜体烧结在一起，其中铜体与压实的气门导管的凸轮侧和/或管道侧紧密接触或位于其上，并适当调整其重量以适应待渗透的铜的量。优选，以板、套管或棒的形式提供铜体。作为铜渗透的结果，末段可以达到高达40％w/w的总含铜量。相反，中部的总含铜量保持低于30％w/w，优选低于20％w/w。

气门导管的各个元件或部分也可以单独制造并随后通过摩擦焊接彼此连接。在这种情况下，末段在连接于中部之前可以单独用铜渗透。

附图是以示例的方式示出了本发明提出的气门导管1的实施方案的截面图。气门导管由凸轮侧末段2、中部3以及管道侧末段4组成。气门杆在其中移动的孔(bore)已经给出了附图标记5。在所述实施方案中，中部由第一材料7组成，凸轮侧末段和管道侧末段由第二材料6组成。

本发明还涉及粉末冶金制造的导管在发动机领域和机械工程领域中的用途，所述导管由上述三层结构组成，中间部分由第一材料制成，头部由第二材料组成以及尾部，且头部和/或尾部渗透有铜。

Claims (12)

1.利用粉末冶金工艺制造的内燃机气门导管，所述导管包括中部、面向凸轮的末段以及面向管道的末段，其特征在于所述中部由第一材料组成，所述管道侧末段由第二材料组成，其中所述凸轮侧末段和/或所述管道侧末段渗透有铜。

2.如权利要求1所述的气门导管，其特征在于所述凸轮侧末段由第一材料、第二材料或第三材料组成。

3.如权利要求1和2所述的气门导管，其特征在于所述第一材料由以下组成：78-95％w/w的Fe、3-20％w/w的Cu、0.8-3％w/w的Mn、0.4-0.6％的S、0.8-1％w/w的C，以及高达4％w/w的其他元素，其中不考虑渗透的铜。

4.如权利要求1和2所述的气门导管，其特征在于所述第二材料由以下组成：80-86％w/w的Fe、1.1-1.3％w/w的Cr、12-16％w/w的Cu、0.6-0.8％w/w的Mn、0.4-0.6％w/w的S、0.5-0.7％w/w的C，以及0.9-1.1％w/w的Sn，其中不考虑渗透的铜。

5.如权利要求1-3中任一项所述的气门导管，其特征在于用于所述中部的所述第一材料的热导率为21-48W/(mK)，和/或所述第二材料的热导率为40-80W/(mk)。

6.如前述权利要求中任一项所述的气门导管，其特征在于所述第一材料的孔隙度为10-20％，优选15-20％。

7.如前述权利要求中任一项所述的气门导管，其特征在于所述第一材料具有在孔径范围为10-400μm时的孔隙度15-20％，和/或所述第二材料具有在孔径范围为10-400μm时的孔隙度8-15％。

8.如权利要求7所述的气门导管，其特征在于所述第一材料具有在孔径范围为100-350μm时的孔隙度17-20％。

9.制造前述权利要求中任一项所述的气门导管的方法，其特征在于首先将用于所述气门导管各个部分的粉末填充于与冲压机同轴布置的压模中，随后通过压制工具在所述压模中压实整个气门导管，其中压实物的形状具体由所述压模和所述冲压机的形状决定，且其中在最后的工作步骤中烧结所述整个气门导管。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于为至少一个所述填充步骤实施预压实步骤。

11.制造权利要求1-8中任一项所述的气门导管的方法，其特征在于通过压实和烧结以粉末冶金的方式生产所述气门导管的各个部分，并通过摩擦焊接连接所述气门导管的各个部分，以形成所述气门导管。

12.粉末冶金制造的导管在机械领域和发动机工程领域中的用途，所述导管由三层结构组成，即中间部分、头部以及尾部，其中所述头部和/或尾部渗透有铜。