CN1088148C - 内燃机排气阀 - Google Patents

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Abstract

内燃机排气阀，包括一个带阀盘的可动阀杆，阀盘由镍基合金制成，该镍基合金还构成阀盘上表面的一个环形阀座区，在阀的关闭位置时，该阀座区与静止阀件上的相应阀座区贴合。在制造过程中，阀盘的阀座区经过在低于或者在该合金的再结晶温度附近的温度下，经过热-机械变形工序。阀盘上表面的该阀座区通过热-机械变形工序和可能需要的提高屈服强度的热处理，获得防止出现压痕的特性。该特性是以在约20℃温度时，具有至少1000MPa的屈服强度(Rpo.2)的形式表现的。

Description

内燃机排气阀
本发明涉及一种内燃机，特别是二冲程十字头型发动机排气阀，包括一个带阀盘的可动阀杆，阀盘由镍基合金制成，该镍基合金还构成阀盘上表面的一个环形阀座区，在阀的关闭位置时，该阀座区与静止阀件上的相应阀座区贴合。阀盘的阀座区在制造过程中经受过热-机械变形工序，在该工序材料至少部分经过冷加工。
内燃机排气阀的发展，多年来着眼于延长阀的寿命和可靠性。这一直通过制造下盘表面具有耐热腐蚀的材料和阀座区为硬材料的阀杆完成。
由于排气阀必须紧密关闭才能正常工作，阀座区对排气阀的可靠性至关重要。众所周知，阀座区紧密关闭的性能，由于局部被所谓烧蚀侵蚀，沟槽状漏气槽穿过环形密封面，以至阀关闭时热气可从中流过而降低。在恶劣的环境下，这种故障状况会上升，发展到不到80工作小时，阀便报废。这意味在常规大修时，经常不能发现出现的缺陷。因此，阀座的烧蚀会造成无计划的停机。如果发动机是用作轮船的推进器，在两港口间的单程航行期间就会发生这种故障，导致该航行期间的诸多问题和额外的昂贵停港等时。
着眼于防止阀座的烧蚀，多年来，已开发许多不断增加硬度的阀座材料，借助硬度，提高阀座的耐磨性，减少形成压痕。压痕是烧蚀发展的条件，因为压痕会产生热气流流过的微小泄漏。热气流可将泄漏区周围的材料加热至某一温度，致使含有腐蚀性成分的气体对阀座材料产生腐蚀作用，从而泄漏迅速扩大，热气泄漏流量增加，这又加速腐蚀。除硬度外，阀座材料还向耐高热腐蚀的方向发展，以在发生小的泄漏后延缓腐蚀。
上述类型和由NIMONIC 80A材料制成的排气阀曾在1985年9月出版的第9期第130卷《矿山冶金月刊》上的载文“关于船用柴油发动机镍基合金阀杆的制造”中有过描述。热-机械锻压受到控制，以在阀座区得到高硬度。考虑到排气阀的机械性能，例如抗疲劳等，该文规定，NIMONIC 80A阀具有至少800MPa的屈服强度。
EP-A-0280467描述了用NIMONIC 80A制造的排气阀，其基体是在固溶退火后锻压成所要求的形状。阀座区然后经过冷加工，以产生高硬度。之后，阀可以经过沉淀硬化。
伦敦船舶工程师协会(Institute of Marine Engineers)，1990年出版的《烧重油的柴油发动机燃烧室材料(Diesel engine conbustion chambermaterial for heavy fuel operation)》一书，收集了多篇有关排气阀经验的文章，对如何设计高寿命的阀提出过建议。就阀座而言，多篇文章一致指出，阀座必须具有高硬度，并要用具有高抗热腐蚀的材料制成。该书第7页“阀合金的物理和机械特性及它们在组分的分析评定方面的应用”中，描述了多种优选的排气阀材料，在它的对各种材料的机械特性分析中包括各种材料的屈服强度对照表，可以看出，均低于约820MPa。
人们希望延长排气阀的寿命，特别是减少或者避免阀座区不可预测的和快速的烧蚀发展。申请人曾就各种阀座材料中压痕的形成作过实验，与已有的知识相反，出乎意料地证实，阀座材料的硬度对是否出现压痕并无任何大的影响。本发明的目的是提供阀座材料，能预知导致它们形成压痕的机理，从而可以削弱或者消除出现烧蚀的基本条件。
为此，本发明的排气阀的特征在于，阀盘用可达到至少1000MPa屈服强度的镍基合金制成，阀盘上表面的阀座区，通过热-机械变形工序和可能需要的提高屈服强度的热处理，获得防止出现压痕的特性，该特性是以在约20℃温度时，具有至少1000MPa的屈服强度(Rp0.2)的形式表现的。
压痕是由特殊的燃烧剩余物，例如焦粒形成的，当排气阀打开时，这些颗粒从燃烧室向上流动，通过排气阀，进入排气系统；当排气阀关闭时，这些颗粒可能被夹持在关闭中的阀座密封面之间。
从对运行中的阀杆上的许多压痕的研究，已经观察到，新压痕很少达到上关闭边缘，即固定阀座的上端与运动的锥形阀座产生接触的圆周线处。实际上，压痕在距该关闭边缘0.5mm附近即终止，毋须急于任何解释，颗粒也可能被夹持在这个区域。
现在已经清楚，紧靠该关闭边缘很少有压痕是由于焦粒和其它甚至是非常硬的颗粒，在阀完全关闭前已被粉碎成粉末，由于从燃烧室排出的气体以接近声速的速度流过关闭中的密封面间的间隙，一部分粉末在颗粒被粉碎的同时便已被吹走。高速气流吹走关闭边缘附近的粉末和该边缘外没有压痕，表明几乎所有夹持在密封面间的颗粒都被粉碎。即使非常厚的颗粒，由于粉碎和粉末被吹走，其厚度也已减小，实际上，能够形成压痕的减小的粉末堆积具有的最高厚度为0.5mm，通常的最大厚度为0.3-0.4mm。
特别是，按照现代发动机的发展，其最大压力可达195巴，作用在阀盘下表面的负荷相应地高达400吨。当排气阀关闭而燃烧室中的压力升至最大压力时，围绕着被封闭的粉末堆密封面完全压在一起。无论阀座多硬，这都是不可避免的。
当燃油开始燃烧，汽缸中的压力从而作用在阀盘上的负荷提高，被封闭的粉末堆开始嵌入两密封面之间，同时阀座材料产生弹性变形。在弹性变形过程中，粉末堆和密封面间的表面压力升高，它通常使粉末堆变形成较大的区域。如果粉末堆足够厚，粉末堆接触区的压力达到具有最低屈服强度的阀座材料的屈服强度前，这种弹性变形将继续，之后，阀座材料产生塑性变形，开始形成压痕。由于变形硬化，塑性变形将导致屈服强度的提高。如果围绕粉末堆的局部区域的  两阀座材料达到均匀的屈服强度，粉末堆也使其它阀座材料开始产生塑性变形。
如果需要防止形成压痕，如上所述，不能通过使阀座材料硬化实现，而应使它们具有弹性，这可通过加工具有高屈服强度的阀座区实现。较高的屈服强度产生双重效果，首先，具有较高屈服强度的阀座材料呈现出较高的弹性变形，从而在出现塑性变形前，能吸收较厚粉末；其次，对面向粉末堆的密封表面的表面性能会有显著影响。弹性变形形成的压痕形状平缓，有助于粉末堆分散为较大的直径，这部分减小了粉末堆的厚度，并部分降低了邻近最大接触区的接触区应力。从弹性变形到塑性变形的过渡区，迅速形成较深和更不规则的压痕形状，它将不适当地束缚粉末堆，从而对堆积直径进一步有利扩大起阻碍作用。
实验表明，排气阀中，厚度约0.14mm的粉末堆能被吸收在屈服强度下限为1000MPa的材料制成的两阀座区之间，密封面上没有任何塑性变形。大部分颗粒将被粉碎至0.15mm左右厚。本发明的排气阀能防止绝大部分颗粒形成压痕，因为阀打开时阀座表面几乎弹回其原始位置，同时其余粉碎的粉末被从阀座表面吹走。
考虑阀座区的弹性性能，优选的方案是阀座区材料具有的屈服强度为至少1100Mpa，最好为至少1200MPa。现行阀座材料的杨氏模量(弹性系数)在增大屈服强度的情况下基本没有变化，它给出屈服强度和最大弹性变形间成近似线性的相互关系。由上可见，具有屈服强度2500MPa或更高的阀座材料或许是理想的，因为它能借助弹性变形完全吸收通常最频繁出现的堆积厚度的粉末堆。然而，具有如此高屈服强度的现成的适当材料，目前是没有的。从下面的说明可以理解，目前可获得的某些阀座材料可以被制造成将屈服强度提高到至少1100MPa。所有其它方面都相同，这一10％屈服强度的提高，将导致任何压痕深度至少减少10％。对大多数颗粒类型来说，1200MPa的适当极限对实现堆积厚度的显著减小，因而导致压痕深度减小30％是足够高的，但同时可能获得的材料数量却下降了。这对屈服强度至少为1300MPa的阀座材料也是适用的。
在一种特别优选的实施例中，阀座区材料具有至少1400MPa的屈服强度。该屈服强度几乎是目前使用的阀座材料的屈服强度的两倍，并且按照本发明对压痕形成机理的理解，这种高屈服强度的材料有可能极大地消除阀座区烧蚀问题。在这种阀座材料上所能形成的少量压痕的深度将十分小，以致对加热至可发生热腐蚀的温度的这种材料来说，泄漏气体也难以流过压痕。
在一个实施例中，分别在静止件和阀盘上的两阀座区，在阀座区的运行温度下，分别具有基本相同的屈服强度。两种阀座材料大致一样的屈服强度，使得当粉末堆被压入两表面时，两密封表面以近似相同的方式变形，这减少了每一表面内的最终塑性变形。静止阀座区较阀杆上的阀座区冷，这意味，鉴于许多材料的屈服强度在升高的温度下会下降，阀杆的阀座材料在20℃左右温度下应有较高的屈服强度。如果静止阀座区由耐热腐蚀的材料制成，这个实施例特别有利。
如果静止阀座区由硬化钢或铸铁制成，静止件上的阀座区优选地具有在阀座区的运行温度下，高于阀盘上的阀座区的屈服强度。利用这种设计，任何压痕将形成在阀杆上。这产生了两方面的优点，首先，阀杆上的阀座区通常由耐热腐蚀材料制成，这样任何压痕将比假定压痕位于静止件上更难以发展成为烧蚀；其次，阀杆是旋转的，这样每一次阀的关闭，压痕都将位于静止件密封面上的一个新位置，从而热的影响将分布在整个静止阀座区。
下面说明按照本发明可用作阀盘和阀座材料的各种材料。应指出的是，NIMONIC是INCO Alloys的专有商标。
优选的方案是，阀的整体或者至少整个阀盘是用NIMONIC合金制成的。关于这些材料，公知的是采用NIMONIC 80，NIMONIC 80A或NIMONIC 81，它们在用于大型柴油发动机燃烧室中的腐蚀环境下的耐磨性能和耐腐蚀性能方面，提供过良好的运行经验。此外，可采用的材料是NIMONIC Alloy 105，其基体经过铸造和传统锻造具有约800MPa的屈服强度，经过约15％的冷加工，屈服强度可超过1000MPa。另外，也可采用NIMONIC PK50，经过冷加工和沉淀硬化，它可达到约1100MPa的屈服强度。阀座区采用常规的NIMONIC合金和70％的变形度，有可能达到约1400MPa的屈服强度。还可通过沉淀硬化热处理，进一步提高屈服强度。
制造工艺的选择可能受排气阀尺寸的影响，因为当阀盘大，例如具有130mm至500mm外径范围时，大百分比的冷加工要求强力工具。
本发明还涉及采用在约20℃下屈服强度至少为1000MPa的镍基含铬合金作为在内燃机，特别是二冲程十字头发动机的排气阀中可运动的阀盘上表面上的环形阀座区的限制或者防止出现压痕的材料，气阀关闭时，该阀座区与静止阀件上的相应阀座区贴合。采用这种限制压痕的材料的优点，从上述说明是显而易见的。
下面结合简略的示意图更详细地说明本发明的各种实施例，其中：
图1为按照本发明的排气阀的纵向剖视图；
图2为两阀座区的局部视图，示意绘出了典型的压痕；
图3-6为两阀座区的局部视图，解释颗粒粉碎和介绍压痕形成的各步骤；
图7和8为放大的压痕形成的局部视图；
图9为该排气阀重新打开后的瞬间，两表面的相应视图。
图1示出大型两冲程内燃机的排气阀，总体用1表示，其汽缸直径范围从250至1000mm。该气阀的静止阀件2，也称底件，安装在汽缸盖(未示)上。该排气阀具有一个可动的阀杆3，其下端支撑一个阀盘4，其上端以公知方式与打开该阀的液压驱动器和使阀杆复位至其关闭位置的气动复位弹簧相连。图1示出的阀处于部分打开位置。
如果要求高于基材可达到的耐腐蚀性能，阀盘下表面可以设一层耐热腐蚀的材料5。阀盘上表面的环形阀座区6位于距阀盘外缘一定距离处，并具有一个锥形密封面7。尽管图中的阀座区具有不同于阀盘的表示，但应理解，两零件是用同一合金制成的。大型两冲程十字头型发动机的阀盘所具有的外径范围，按照汽缸孔径，为从120至500mm。
静止阀件也设有一个略微外伸的阀座区8，形成在阀处于关闭位置时紧贴密封面7的一个环状锥形密封面9。由于在加热至运行温度过程中，阀盘形状发生变化，阀座区设计成在阀的运行温度下两密封面保持平行，这意味，在冷阀盘状态下，密封面7与密封面9仅在后者的远离燃烧室的上缘10处发生接触。
图2示出一典型的压痕11，它终止在距密封面7上的关闭外缘，即用垂直虚线表示的上缘10撞击密封面7的圆弧处，约0.5mm的地方。
图3示出一粒硬颗粒12，它在阀即将完全关闭的瞬间，被夹在两密封面7和9之间。在阀继续关闭的某一时刻，颗粒被粉碎成粉末，其大部分被图4中用箭头A表示的以声速流动的气流卷吸，从两阀座间流出。粉碎的颗粒产生的粉末的一部分，由于最靠近两密封面的颗粒被摩擦力阻留，被夹持在两密封面7和9之间，而中间的颗粒则由于粉末中的剪切力而被夹持。这样，便形成尖对尖(对置)的锥形粉末堆。因此，迄今盛行的关于固体颗粒被截留在阀座表面间的假说，是不正确的。而是由于部分粉末被吹走，截留在阀座间的物质量发生减少。
继续关闭运动时，锥形粉末堆体被压扁，在阀座平面上分散成透镜状粉末体或者粉末堆，如图5所示。该透镜状粉末体已被证明，最大厚度为0.5mm，而最大堆积的正常厚度为0.3至0.4mm之间。
图6示出气阀已关闭，但燃烧室内的压力尚未由于燃油燃烧而增大时的状态。此时，气压复位弹簧尚未处于其强大到足以将密封面7完全紧贴在粉末体周围区域的密封面9上的程度。
燃油点火后，燃烧室中的压力上升，作用在下盘面上的向上力剧烈增大，两密封面彼此被进一步压贴在一起，同时，粉末体使两密封面弹性变形。如果粉末体足够厚，并且，材料的屈服强度不是很高，弹性变形将成为塑性变形，产生永久压痕。图7示出静止阀座区具有高屈服强度，而阀盘的阀座区6弹性变形至正好在其屈服极限下的情形。继续压至图8所示的两密封面完全压紧的的位置时，粉末体嵌入密封面，阀座材料产生塑性变形。
当气阀重新打开，如图9所示，颗粒被排出的气流吹走，同时阀座材料弹回至其无载的状态。在一个或两个阀座表面会产生一定程度的塑性变形，因而该密封面会出现永久压痕，其深度较粉末体产生的最大压痕浅。阀座材料的屈服强度越高，压痕越小。
以下说明几种适用材料的分析实例。所有数量均以重量百分比表示，并且不考虑不可避免的杂质。应注意的是，本说明书中的屈服强度指标，系指在约20℃温度下的屈服强度，除非指明了另一温度。合金为含铬的镍基合金(或含镍的铬基合金)，并且具有这样的特性：合金的硬度和其屈服强度间没有适当的相互关系；但相反，在硬度和抗拉强度间或许有一定关系。与这些合金相关，屈服强度系指由0.2(Rp0.2)应变产生的强度。
合金NIMONIC Alloy 105具有的标称组分是15％Cr，20％Co，5％Mo，4.7％Al，至多1％Fe，1.2％Ti和其余为Ni。
合金NIMONIC 80A包括：至多0.1％C，至多1％Si，至多0.2％Cu，至多3％Fe，至多1％Mn，18-21％Cr，1.8-2.7％Ti，1.0-1.8％Al，至多2％Co，至多0.3％Mo，至多0.1％Zr，至多0.008％B，至多0.015％S，和其余为Ni。
合金NIMOMC 80标称上包括：0.04％C，0.47％Si，21％Cr，0.56％Mn，2.45％Ti，0.63％Al和其余为Ni。
合金NIMONIC 81包括：至多0.1％C，29-31％Cr，至多0.5％Si，至多0.2％Cu，至多1％Fe，至多0.5％Mn，1.5-2％Ti，至多2％Co，至多0.3％Mo，0.7-1.5％Al和其余为Ni。
合金NIMONIC PK50标称上包括：0.03％C，19.5％Cr，3％Ti，1.4％Al，至多2％Fe，13-15.5％Co，4.2％Mo和其余为Ni。
合金Rene 220包括：10-25％Cr，5-25％Co，至多10％Mo+W，至多11％Nb，至多4％Ti，至多3％Al，至多0.3％C，2-23％Ta，至多1％Si，至多0.015％S，至多5％Fe，至多3％Mn和其余为Ni。在标称上，Rene 220含有0.02％C，18％Cr，3％Mo，5％Nb，1％Ti，0.5％Al，3％Ta和其余为Ni。这种材料通过变形和沉淀硬化可以达到非常高的屈服强度。在955℃和50％变形度条件下，屈服强度变为近似1320Mpa；在970℃和50％变形度条件下，屈服强度变为近似1400Mpa；在990℃和50％变形度条件下，屈服强度变为近似1465Mpa；以及在970℃和25％变形度条件下，屈服强度变为近似1430MPa。应用的沉淀硬化为，在760℃下保持8小时，然后在730℃下保持24小时，和在690℃下保持24小时。
关于上述标称分析，显然在实践中根据实际生产的合金可与标称分析成分实际出现偏差，仅作为不可避免的杂质也可出现在所有合金中。
技术文献对如何热处理各种合金以产生沉淀硬化有详细说明，而合金的固溶退火和再结晶温度的热处理也是公知的。
为提高屈服强度而进行的热-机械变形，涉及用公知的方法进行的热/冷加工，例如借助阀座区的滚压(轧制)或锻压，或者其它方法，如对其进行敲打或锤击。阀座的密封面进行变形加工后，可以进行磨口(磨配)。
为减小热-机械变形工艺所需要的力，带阀座区的阀体在变形前可进行固溶退火，例如在通常1000和1200℃间温度范围内保持0.1-2小时，根据对材料的分析，然后进行淬火。淬火既可在盐浴炉内急冷至中间温度(典型为500℃)，随后用空气冷却至室温；也可在气体中急冷至室温。这些步骤之后，便可进行热/冷加工。为保持力适当低，变形可优选在升高的900-1000℃左右的温度下，即在低于或者在再结晶温度下限附近进行，该再结晶温度典型地约为950-1050℃。在采用热加工的情况下，从固溶退火冷却至再结晶温度附近可以有利地进行，而毋须先冷却至室温。可能的话，变形可分带中间再加热的若干阶段进行。约20％的冷加工，典型地可达到1200MPa的屈服强度。如果要求特别高的屈服强度，在完成变形和加工之后，阀座区可进行沉淀硬化，这可通过例如在850℃下保持24小时，随后在700℃温度下保持16小时来实现。
经过上述处理的基体可以通过铸造和传统锻压或者替换为粉末冶金压制工艺，例如热等静压(HIP)或冷等静压(CIP)工艺，并结合热挤压或类似的变形工艺完成制造。
阀轴可用不同于阀盘的材料制成，在这种情况下，它可用摩擦焊焊接在阀盘上。

Claims (10)

1.一种内燃机的排气阀，它包括一个带阀盘的可动阀杆，阀盘由镍基合金制成，该镍基合金还构成阀盘上表面的一个环形阀座区，在阀的关闭位置时，该阀座区与静止阀件上的相应阀座区贴合，阀盘的阀座区在制造过程中经受过热-机械变形工序，在该工序材料至少部分经过冷加工，其特征在于，阀盘用可达到至少1000MPa屈服强度的镍基合金制成，阀盘上表面的该阀座区通过热-机械变形工序和可能需要的提高屈服强度的热处理，获得防止出现压痕的特性，该特性是以在20℃温度时，具有至少1000MPa的屈服强度Rp0.2的形式表现的。
2.如权利要求1所述的内燃机的排气阀，其特征在于，所述阀座区的材料具有的屈服强度至少为1100MPa。
3.如权利要求2所述的内燃机的排气阀，其特征在于，所述阀座区的材料具有的屈服强度至少为1200MPa。
4.如权利要求2所述的内燃机的排气阀，其特征在于，所述阀座区的材料具有的屈服强度至少为1300MPa。
5.如权利要求2所述的内燃机的排气阀，其特征在于，所述阀座区的材料具有的屈服强度至少为1400MPa。
6.如权利要求1至5中任一项所述的内燃机的排气阀，其特征在于，分别在所述静止件和阀盘上的阀座区，在阀座区运行温度下，具有相同的屈服强度。
7.如权利要求1至5中任一项所述的内燃机的排气阀，其特征在于，所述静止件上的阀座区具有在阀座区运行温度下高于阀盘阀座区的屈服强度。
8.如权利要求1至5中任一项所述的内燃机的排气阀，其特征在于，所述阀盘的外径范围从130mm至500mm。
9.采用在20℃温度下屈服强度至少为1000MPa的镍基含铬合金作为内燃机的排气阀的可运动的阀盘上表面上的环形阀座区的限制或者防止出现压痕的材料，排气阀关闭时，该阀座区与静止阀件上的相应阀座区贴合。
10.如权利要求9所述的内燃机的排气阀，其特征在于，所述的内燃机是二冲程十字头型发动机。
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