CN108588577B - 气门座圈及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种气门座圈及其制备工艺，该制备工艺包括以下步骤：粉末制取，所述粉末包括上层高合金层粉末和下层低合金层粉末；对所述粉末进行压制成型和烧结，制备得到气门座圈；对制备得到的所述气门座圈进行冷处理、热处理、清洗和干燥；采用阴极弧沉积技术和磁控溅射技术相结合的方式对所述气门座圈的基体表面进行沉积处理，形成过渡层和DLC涂层；最后对所述气门座圈进行退火处理。采用上述制备工艺制得的气门座圈具有较高的热稳定性、较高的耐腐蚀性和较低的摩擦系数，有效地提高了气门座圈的抗磨损性能、服役寿命及系统可靠性。

Description

气门座圈及其制备工艺
技术领域
本发明主要涉及一种发动机缸盖配件制备方法，具体而言，涉及一种气门座圈及其制备工艺。
背景技术
本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。
气门座圈，位于气缸盖内部与气门锥面相结合的部位，有相应的锥面，作用是靠其内锥面与气门盘锥面的紧密贴合密封气缸的气门，随着发动机功率、爆压的不断提高，气门和气门座圈之间所承受的高速冲击和工作应力越来越大，对气门座圈造成的冲击磨损也越来越严重，此外，现有技术中的气门座圈也经常存在着粘着磨损和腐蚀磨损的现象，所谓粘着磨损又称咬合磨损，是指滑动摩擦时摩擦副接触面局部发生金属粘着，在随后相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒从零件表面被拉拽下来或零件表面被擦伤的一种磨损形式，所谓腐蚀磨损是指摩擦副对偶表面在相对滑动过程中，表面材料与周围介质发生化学或电化学反应，并伴随机械作用而引起的材料损失现象，腐蚀磨损通常是一种轻微磨损，但在一定条件下也可能转变为严重磨损。此外，无铅燃油的大量应用、气门座圈表面的润滑作用日益减弱也加剧了气门座圈的磨损程度。随着发动机使用时间的延长，气门座圈的磨损现象越来越严重，气门座圈磨损量的增加会导致气门的接触面上移，从而减少气门头的厚度，造成气门在工作时易产生弹性变形，导致气缸漏气、气门起槽或座圈脱落等严重事故，造成了发动机系统的可靠性差、稳定性差等严重问题。此外，由于气门座圈镶嵌在气缸盖内部，并和气门盘锥面配合使用对气缸起到密封的作用和控制新鲜的空气的吸入及废气的排出，因此，其耐磨性较差还将直接影响发动机的油耗、功率。
现有技术中的气门座圈，之所以会经常出现冲击磨损、粘着磨损和腐蚀磨损问题，是与气门座圈所用的材料特别是材料的结构、材料的组分、材料的制备分不开的，例如，中国专利CN20300898U公开了一种气门座圈，气门座圈的中间具有通气孔，通气孔的孔壁表面涂覆耐磨粘结层DLC涂层，该方案得到了一种摩擦磨损系数较小、不易高温烧结和减少积碳的气门座圈，但上述方案是在合金钢或粉末冶金材料的气门座圈表面直接涂覆DLC涂层，DLC涂层和基体之间无过渡层，易导致涂层和基体之间结合力不足、涂层剥落等问题，此外，上述方案在溅射制备DLC涂层薄膜的过程中，DLC涂层内部往往存在内应力较大、易出现裂纹等问题。
由此可见，现有技术中的气门垫圈存在着耐磨性差、耐冲击性能差、硬度不够、表面润滑作用较差、表面摩擦系数较大等等诸多弊端和问题，现有技术中气门座圈所用的材料特别是材料的结构、材料的组分、材料的制备工艺等均存在相应的技术缺陷，进一步加剧了多发的冲击磨损、粘着磨损和腐蚀磨损等问题，因此，当前亟需提供一种耐磨损性能更好、耐冲击性能更好、耐腐蚀性能更好、表面摩擦系数较小的气门座圈及其制备工艺。
发明内容
本发明提供一种气门座圈及其制备工艺，目的是至少解决上述现有技术中存在的问题之一，具体地，该目的是通过以下技术方案实现的：
一种气门座圈制备工艺，所述气门座圈制备工艺包括以下步骤：
S1:称量制备气门座圈所需的上层高合金层粉末和下层低合金层粉末，混合所述上层高合金层粉末以及混合所述下层低合金层粉末；
S2:将所述上层高合金层粉末和所述下层低合金层粉末分别压制成型并进行烧结，制得气门座圈；
S3:对所述气门座圈进行冷处理，随后采用高温回火的方式进行热处理；
S4:对经过热处理后的所述气门座圈的基体表面进行机械抛光并清洗、干燥；
S5:采用阴极弧与磁控溅射相结合的方式对所述基体表面进行沉积处理，获得所述气门座圈的表面涂层；
S6:对包覆有所述表面涂层的所述气门座圈进行退火处理。
进一步地，在步骤S5中，利用阴极弧沉积技术对所述基体表面进行沉积处理，形成与所述基体表面相结合的过渡层，然后利用磁控溅射技术在所述过渡层的表面形成与所述过渡层相结合的DLC涂层。
进一步地，在步骤S5中，所述阴极弧沉积技术采用的靶材为铬靶且所述过渡层为铬过渡层，阴极弧弧靶电流为80A，沉积温度为300℃，沉积气压为1Pa，基底脉冲偏压为120V，沉积时间为45～90min，以氮气作为保护性气氛且流量为130sccm，真空度为3～10Pa；所述磁控溅射技术采用石墨作为阴极靶材，磁控溅射真空室的压强为2×10-3Pa，射靶电流为20A，靶心距为80～100cm，以氮气作为保护性气氛且流量为150sccm。
进一步地，在步骤S1中，所述上层高合金层粉末包括如下重量百分比的组分：C：0.7％～1.1％、Si：0％～0.5％、Mn：1.5％～2.0％、S：0.5％～1.0％、Co：2.0％～4.0％、Cr：2.0％～7.0％、Mo：3.5％～7.5％、V：1.0％～3.0％、Cu：15.0％～20.0％、其余为铁；所述下层低合金层粉末包括如下重量百分比的组分：C：0.7％～1.4％、Cr：0.5％～1.5％、Mo：0.5％～1.5％、Cu：18.0％～25.0％、其余为铁。
进一步地，在步骤S1中，采用吹气法制得粒度不超过325目的Co-Mo-Cr-Si硬质相混合粉末、Co-Cr-V硬质相混合粉末，且所述Co-Mo-Cr-Si硬质相混合粉末、所述Co-Cr-V硬质相混合粉末均匀分布。
进一步地，在步骤S4中，所述热处理采用高温回火的方式，且所述高温回火的温度为550℃～650℃，时间为2～6h；在步骤S7中，所述退火处理为低温退火处理。
本发明还提供了一种根据上述气门座圈制备工艺制备得到的气门座圈，所述气门座圈包括上层座圈和下层座圈，所述上层座圈由所述上层高合金层粉末烧结而成，所述下层座圈由所述下层低合金层粉末烧结而成。
进一步地，所述上层座圈的硬度为46HRC～51HRC。
进一步地，所述气门座圈的表面摩擦系数为0.12～0.15，表面硬度为830HV0.2～880HV0.2。
进一步地，所述气门座圈的密度为7.85g/cm3～8.18g/cm3。
相对于现有技术，本发明提供的气门座圈及制备工艺具有以下显著优点：
1.按照本发明提供的气门座圈制备工艺制备得到的气门座圈含有多种合金元素，其中，Cr、Mo、V元素使得气门座圈在高温下仍具有较高的硬度、较高的热稳定性、较高的耐腐蚀性和较低的摩擦系数，有效提高了气门座圈的服役寿命及发动机可靠性。
2.本发明提供的气门座圈制备工艺及气门座圈，通过采用吹气法制得不超过325目粒度的Co-Mo-Cr-Si硬质相混合粉末、Co-Cr-V硬质相混合粉末，粉末粒度较小，能够在基体中均匀分布，由此能够确保气门座圈均匀地传递载荷压力，切实避免了气门座圈的大块剥落。
3.本发明提供的气门座圈采用不同材料组成的上下两层气门座圈结构，上层座圈和气门盘锥面接触，增加了气门座圈的耐磨性和抗腐蚀磨损的能力，下层座圈含有较高的Cu元素，增强了导热性、降低了接触温度，提高了高温条件下座圈的力学性能。
4.本发明提供的气门座圈制备工艺及气门座圈首次结合采用阴极弧沉积技术和磁控溅射技术，在基体表面沉积形成了过渡层和DLC涂层，进一步提高了DLC涂层的结合力、硬度和耐磨性，此外，形成的DLC涂层有效降低了气门座圈表面的摩擦系数，提高了表面润滑性能，提高了表面的耐腐蚀性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明制备气门垫圈的工艺流程示意图。
图2为本发明制备得到的气门垫圈结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及具体的实施方式，对本申请进行详细的介绍说明。需要指出的是，虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
参见图1，本发明提供了一种气门座圈制备工艺，所述气门座圈制备工艺具体包括以下步骤：
S1:称量制备气门座圈所需的上层高合金层粉末和下层低合金层粉末，混合所述上层高合金层粉末以及混合所述下层低合金层粉末；具体地，所述上层高合金层粉末包括如下重量百分比的组分：C：0.7％～1.1％、Si：0％～0.5％、Mn：1.5％～2.0％、S：0.5％～1.0％、Co：2.0％～4.0％、Cr：2.0％～7.0％、Mo：3.5％～7.5％、V：1.0％～3.0％、Cu：15.0％～20.0％、其余为铁；所述下层低合金层粉末包括如下重量百分比的组分：C：0.7％～1.4％、Cr：0.5％～1.5％、Mo：0.5％～1.5％、Cu：18.0％～25.0％、其余为铁；优选地，在步骤S1中的所述上层高合金层粉末的混粉过程中，采用吹气法制得粒度不超过325目的Co-Mo-Cr-Si硬质相混合粉末、Co-Cr-V硬质相混合粉末，且所述Co-Mo-Cr-Si硬质相混合粉末、所述Co-Cr-V硬质相混合粉末均匀分布；
S2:将所述上层高合金层粉末和所述下层低合金层粉末分别压制成型并进行烧结获得气门座圈；
S3:对制备得到的所述气门座圈进行冷处理，随后对冷处理后的所述气门座圈进行热处理，所述热处理采用高温回火的方式，优选地，所述高温回火的温度为550℃～650℃，时间为2h～6h，由此在所述气门座圈的基体中形成回火索氏体组织，热处理后的气门座圈能够在高温环境下稳定服役，内部显微组织结构不会发生转变，大大改善了高温条件下的组织稳定性、耐磨性；
S4:对所述气门座圈的基体表面进行机械抛光，然后，清洗所述气门座圈的基体表面并进行干燥处理，其中的清洗操作优选为超声波清洗；
S5:采用阴极弧与磁控溅射相结合的方式对所述气门座圈的表面进行沉积处理，获得所述气门座圈的表面涂层，具体地，采用阴极弧沉积技术在所述气门座圈的基体表面沉积形成与所述基体表面相结合的过渡层，然后在所述过渡层的表面采用磁控溅射技术形成与所述过渡层相结合的DLC涂层，优选地，所述阴极弧沉积技术采用的靶材为铬靶，得到的所述过渡层为铬过渡层，阴极弧弧靶电流为80A，沉积温度为300℃，沉积气压为1Pa，基底脉冲偏压为120V，沉积时间为45～90min，以氮气作为保护性气氛且流量为130sccm，真空度为3～10Pa，通过所述阴极弧沉积技术制得铬过渡层；所述磁控溅射技术采用高纯度的石墨作为阴极靶材，磁控溅射真空室的压强为2×10-3Pa，射靶电流为20A，靶心距为80～100cm，同样以氮气作为保护性气氛且流量为150sccm；对所述气门座圈的表面进行所述DLC处理后，在表面形成过渡层和DLC涂层，相对于现有技术中直接在合金钢或粉末冶金材料的气门座圈表面涂覆DLC涂层、DLC涂层和基体之间无过渡层，本发明中的过渡层和DLC涂层结构能够使得DLC涂层和基体之间结合力更强、DLC涂层不易剥落、涂层内应力更小、不易引起内部裂纹等缺陷；
S6：对基体表面包覆有所述过渡层和所述DLC涂层的所述气门座圈进行退火处理，具体地，该步骤中的退火处理为低温退火处理，通过低温退火处理，消除内应力和组织缺陷。
进一步地，参见图2，本发明还提供了一种根据上述气门座圈制备工艺制备得到的气门座圈，所述气门座圈包括由所述上层高合金层粉末制备而成的上层座圈1和由所述下层低合金层粉末制备而成的下层座圈2。
实施例一：
本实施例中，制备气门座圈的材料成分(wt％)如下表1所示：
表1
C Si <u>Mn</u> S Co Cr Mo V Cu Fe
上层 0.7 0.1 1.5 0.5 2.0 2.0 3.5 1.0 18.0 余量
下层 0.9 1.0 1.1 22.0 余量
根据上述材料成分和所述气门座圈制备工艺制备得到所述气门座圈，并对所述气门座圈进行相关的性能测试：经过表面处理后，首先进行密度测试，测试表明所述气门座圈的密度为7.85g/cm3；然后采用洛氏硬度法进行硬度测试，测试表明所述气门座圈的上层座圈1的硬度为46HRC；然后采用维氏硬度法进行硬度测试，测试表明所述气门座圈的表面硬度为830HV0.2；最后采用球磨式摩擦磨损试验机进行摩擦测试，测试表明所述气门座圈的摩擦系数为0.15。
实施例二：
本实施例中，制备气门座圈的材料成分(wt％)如下表2所示：
表2
C Si <u>Mn</u> S Co Cr Mo V Cu Fe
上层 0.9 0.3 1.7 0.7 3.0 5.0 5.0 2.0 18.0 余量
下层 0.9 1.0 1.1 22.0 余量
根据表2中所示的材料成分和所述气门座圈制备工艺制备得到所述气门座圈，并对所述气门座圈进行相关的性能测试：经过表面处理后，首先进行密度测试，测试表明所述气门座圈的密度为8.04g/cm3；然后采用洛氏硬度法进行硬度测试，测试表明所述气门座圈的上层座圈1的硬度为48HRC；然后采用维氏硬度法进行硬度测试，测试表明所述气门座圈的表面硬度为854HV0.2；最后采用球磨式摩擦磨损试验机进行摩擦测试，测试表明所述气门座圈的摩擦系数为0.12。
实施例三：
本实施例中，制备气门座圈的材料成分(wt％)如下表3所示：
表3
C Si Mn S Co Cr Mo V Cu Fe
上层 1.1 0.5 2.0 1.0 4.0 7.0 7.5 3.0 20.0 余量
下层 0.9 1.0 1.1 22.0 余量
根据上述材料成分和所述气门座圈制备工艺制备得到所述气门座圈，并对所述气门座圈进行相关的性能测试：经过表面处理后，首先进行密度测试，测试表明所述气门座圈的密度为8.18g/cm3；然后采用洛氏硬度法进行硬度测试，测试表明所述气门座圈的上层座圈1的硬度为51HRC；然后采用维氏硬度法进行硬度测试，测试表明所述气门座圈的表面硬度为880HV0.2；最后采用球磨式摩擦磨损试验机进行摩擦测试，测试表明所述气门座圈的摩擦系数为0.14。
此外，本发明还采用测试气门和座圈磨损度专用的磨损试验机对上述实施例一、实施例二、实施例三中的材料成分和工艺制备得到的所述气门座圈进行耐磨性测试，同时采用现用的排气门座圈作为对比材料，磨损试验条件：试验温度300℃、凸轮转速1000rpm、时间10h，所述耐磨性测试的测试结果如下表4所示：
表4
气门座圈材料 气门座圈磨损量/mm 气门磨损量/mm 总磨损量/mm
基准材料 0.023 0.007 0.030
实施例一 0.015 0.008 0.023
实施例二 0.012 0.008 0.020
实施例三 0.009 0.012 0.021
由上述表4中的测试结果可知，采用本发明实施例一、实施例二、实施例三中的材料成分制备得到的气门座圈磨损量和气门磨损量的总磨损量明显小于采用基准材料成分制备得到的气门座圈磨损量和气门磨损量的总磨损量(0.030mm)，因此，采用本发明气门座圈制备工艺制备的气门座圈的性能明显优于通过现有基准材料制备的气门座圈的性能，其中采用实施例二中的材料成分制备的气门座圈更优。
本发明还对上述实施例一、实施例二、实施例三制备得到的所述气门座圈进行了抗腐蚀性测试，具体地，采用盐雾试验国家标准所规定的方法进行所述抗腐蚀性测试，测试时调节溶液的pH值为3.0～3.1，试验时间96h，试验完成后观察和测量基准材料、实施例一、实施例二、实施例三中各组气门座圈的表面腐蚀状况，测试结果表明：作为基准材料的现用座圈的表面产生了严重的腐蚀现象，表面生成了大量的腐蚀产物，局部严重腐蚀位置已经开始生成大量的麻点，而本发明提供的上述实施例一、实施例二、实施例三中制备得到的气门座圈表面状况完好、无腐蚀现象、无麻点生成，结果表明采用本发明提供的气门座圈制备工艺制备得到的气门座圈抗腐蚀性较好，能够满足实际抗腐蚀需求。
相对于现有技术，本发明提供的气门座圈制备工艺及气门座圈具有显著的技术效果：第一，本发明提供的气门座圈制备工艺及气门座圈采用阴极弧沉积技术和磁控溅射技术，首先是在基体表面沉积过渡层，然后在过渡层表面通过磁控溅射技术形成DLC涂层，相对于现有技术中直接在合金钢或粉末冶金材料的气门座圈表面涂覆DLC涂层、DLC涂层和基体之间无过渡层，本发明中的过渡层和DLC涂层结构能够使得DLC涂层和基体之间结合力更强、DLC涂层的硬度及耐磨性更高、DLC涂层不易剥落、DLC涂层内应力更小、不易引起内部裂纹等缺陷；此外，表面形成的DLC涂层显著降低了气门座圈表面的摩擦系数，提高了气门座圈表面的润滑性能和耐腐蚀性能。第二，本发明提供的气门垫圈含有多种合金元素，其中，Cr、Mo、V元素使得气门座圈在高温下服役仍具有较高的硬度、较高的热稳定性、较高的耐腐蚀性和较低的摩擦系数，显著地提高了气门座圈的服役寿命及发动机系统可靠性；第三，本发明提供的气门垫圈采用吹气法制得不超过325目粒度的Co-Mo-Cr-Si硬质相混合粉末、Co-Cr-V硬质相混合粉末，因粉末粒度较小，能够在基体中均匀分布、向基体均匀传递载荷压力，避免了气门座圈的大块剥落；第四，本发明提供的气门座圈制备工艺及气门座圈采用上下两层座圈的气门座圈结构，其中，上层座圈和气门盘锥面接触，增加了气门座圈的耐磨性和抗腐蚀磨损的能力，下层座圈含有较高的Cu元素，增强了座圈结构的导热性，降低了气门和座圈之间的接触温度，提高了高温服役条件下气门座圈的力学性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的修改、等同替换或改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种气门座圈制备工艺，其特征在于，所述气门座圈制备工艺包括以下步骤：
S1:称量制备气门座圈所需的上层高合金层粉末和下层低合金层粉末，混合所述上层高合金层粉末以及混合所述下层低合金层粉末，所述上层高合金层粉末包括如下重量百分比的组分：C：0.7％～1.1％、Si：0％～0.5％、Mn：1.5％～2.0％、S：0.5％～1.0％、Co：2.0％～4.0％、Cr：2.0％～7.0％、Mo：3.5％～7.5％、V：1.0％～3.0％、Cu：15.0％～20.0％、其余为铁；所述下层低合金层粉末包括如下重量百分比的组分：C：0.7％～1.4％、Cr：0.5％～1.5％、Mo：0.5％～1.5％、Cu：18.0％～25.0％、其余为铁；
S2:将所述上层高合金层粉末和所述下层低合金层粉末分别压制成型并进行烧结，制得气门座圈；
S3:对所述气门座圈进行冷处理，随后采用高温回火的方式进行热处理；
S4:对经过热处理后的所述气门座圈的基体表面进行机械抛光并清洗、干燥；
S5:利用阴极弧沉积技术对所述基体表面进行沉积处理，形成与所述基体表面相结合的过渡层，然后利用磁控溅射技术在所述过渡层的表面形成与所述过渡层相结合的DLC涂层，获得所述气门座圈的表面涂层；
S6:对包覆有所述表面涂层的所述气门座圈进行退火处理。
2.根据权利要求1所述的气门座圈制备工艺，其特征在于，在步骤S5中，所述阴极弧沉积技术采用的靶材为铬靶且所述过渡层为铬过渡层，阴极弧弧靶电流为80A，沉积温度为300℃，沉积气压为1Pa，基底脉冲偏压为120V，沉积时间为45～90min，以氮气作为保护性气氛且流量为130sccm，真空度为3～10Pa；所述磁控溅射技术采用石墨作为阴极靶材，磁控溅射真空室的压强为2×10-3Pa，射靶电流为20A，靶心距为80～100cm，以氮气作为保护性气氛且流量为150sccm。
3.根据权利要求1或2所述的气门座圈制备工艺，其特征在于，在步骤S3中，所述热处理采用高温回火的方式，且所述高温回火的温度为550℃～650℃，时间为2～6h；在步骤S6中，所述退火处理为低温退火处理。
4.一种根据权利要求1-3中任意一项所述的气门座圈制备工艺制备得到的气门座圈，其特征在于，所述气门座圈包括上层座圈和下层座圈，所述上层座圈由所述上层高合金层粉末烧结而成，所述下层座圈由所述下层低合金层粉末烧结而成。
5.根据权利要求4所述的气门座圈，其特征在于，所述上层座圈的硬度为46HRC～51HRC。
6.根据权利要求4所述的气门座圈，其特征在于，所述气门座圈的表面摩擦系数为0.12～0.15，表面硬度为830HV0.2～880HV0.2。
7.根据权利要求4所述的气门座圈，其特征在于，所述气门座圈的密度为7.85g/cm3～8.18g/cm3。
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