CN109055816B - 一种发动机粉末冶金气门及其制备方法 - Google Patents

一种发动机粉末冶金气门及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发动机粉末冶金气门及其制备方法。所述发动机粉末冶金气门由以下原料及质量百分比制成：Al:4~6，Fe:2~5，Mo:3~5，Si:0.10~0.15，YH2:0.2~0.5，余量为Ti。粉末冶金气门的制备方法如下：（1）烧结：将Ti、Al、Fe、Mo、Si和YH2粉混合均匀，冷等静压，烧结，制成棒料；（2）热加工：将棒料热加工成Φ6.5mm的棒料；（3）退火：在真空条件下，将上述棒料退火；（4）热镦：在模具中热镦成气门毛坯；（5）热处理：将气门毛坯加热，保温固溶处理，然后保温时效处理；（6）表面处理：在精加工气门表面涂覆硬质涂层。本发明工艺简单，有效地降低了制造成本，制备的气门具有优良的耐磨性和高温性能，显著提升发动机的功率和扭矩。

Description

一种发动机粉末冶金气门及其制备方法
技术领域
本发明属于发动机制造领域，具体地说是涉及一种发动机粉末冶金气门及其制备方法。
背景技术
发动机是机车的核心部件，而气门是发动机的关键运动零部件之一。减轻气门重量对于提高发动机的性能意义重大。研究表明：与钢质气门相比，发动机装配钛基气门可以使弹簧力和惯性力降低45%，摇臂力降低25%，凸轮轴驱动扭矩降低30%，可采用更轻的弹簧等实现二次轻量化，缸盖摩擦降低20~30%，提高耐用性，油耗降低5~8%，功率提高10~20%，排放减少15%，降低噪音和燃爆，提高驾乘舒适性。
尽管具有这些优点，但是由于早期钛气门制造成本较高，并没有在发动机气门中得到广泛应用，仅仅主要用于赛车和一些高端车型。20世纪90年代，日本丰田公司改进了钛气门制造技术，继而在一系列汽车发动机中采用钛气门，成为第一家大规模使用钛气门的车企。随后奔驰、宝马、本田等多家车企也大量使用钛气门。雅马哈则在对气门性能要求更高的250cc 摩托车发动机上也采用了钛气门。受产品升级换代和环保标准提高等因素的驱动，国内车企对钛气门的需求正在日益增加。但上述欧美龙头车企均对钛气门制造技术实施严格保密，而且限制钛气门对外单独销售。我国虽差不多在同期开展了钛气门的研究，却迄今未形成商业化产品。
降低钛气门的成本可以从原料和制备工艺两个方面入手。现有可查的钛气门专利中普遍含有较昂贵的金属元素，如V、Nb、Ta、Zr等，而且含量通常较高。如CN101579740 B采用的钛合金为Ti-6242，其中就含有高达4%的V。CN105803256A 采用的钛合金中则含有2.0~5.0%的Zr和0.5~2.5%的Ta。CN106089349 A中同样含有高达4%的V。采用廉价的Fe、相对廉价的Mo取代V，可以使钛合金的原料成本大幅降低。Si同样价格低廉，而且添加微量的Si就可以提高钛合金的高温性能。而粉末冶金技术作为一种少切削或无切削的制造技术，材料利用率高，被认为是一种可有效降低钛合金成本的重要方法。
除了成本问题，发动机的工作特点要求气门具备耐摩擦、耐高温、耐疲劳和高强韧等特征，气门材料的性能直接影响发动机的性能。由于该项技术的商业价值极高，关于气门材料及其加工工艺方面的相关报道非常少。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的旨在提供一种成本较低、综合性能优良的粉末冶金气门及其制备方法。
本发明的发动机粉末冶金气门的由以下原料及质量百分比制成：Al:4~6，Fe: 2~5，Mo:3~5，Si:0.10~0.15，YH2:0.2~0.5，余量为Ti。
优选的原料由以下原料及质量百分比制成：Al:4，Fe:5，Mo:3，Si:0.15，YH2:0.2，余量为Ti。
制备方法，其包括如下步骤：
（1）烧结：按质量比将Ti、Al、Fe、Mo、Si和YH2粉混合均匀，装入模具中，冷等静压压强180~200MPa，保压5~6min，在真空度≤1×10-2 Pa、1200~1350℃下烧结1~3h，随炉冷却至室温，制成棒料；
（2）热加工：将棒料预热到950~980℃，保温0.5~1h，然后热加工成Φ6.5mm的棒料；
（3）退火：在真空条件下，温度为500~550℃，将上述棒料退火0.5~1h，随炉冷却；
（4）热镦：将棒料的一或两端加热到1000~1100℃，在模具中热镦成气门毛坯；
（5）热处理：将气门毛坯加热到1000~1050℃，保温固溶处理1~2h，水冷至室温，然后在450~550℃，保温时效处理4~8 h，空冷至室温后精加工气门；
（6）表面处理：采用物理气相沉积在精加工气门表面涂覆TiN或CrN硬质涂层，制成发动机粉末冶金气门。
所述热加工工艺可以是热轧、热挤压、热锻或热旋锻中的任意一种，其目的是通过热加工提高棒料的致密度，并获得所需的直径。
使用本发明的原料制备的粉末冶金材料具有优良的机械性能，抗拉强度达到1200~1300MPa，屈服强度达到1100~1200MPa，延伸率为6~8%，洛氏硬度48~50HRC。
图1是本发明粉末冶金材料的扫描电镜图，图中白色圆点即为Y2O3粒子，呈弥散分布。Y2O3作为一种陶瓷相粒子，与金属基体相比具有更高的高温稳定性，同时可以阻碍晶界迁移，因此，可以提高合金的耐高温性能。实际装机试验情况来看，本发明制备的钛气门可以满足排气门的要求。与进气门相比，排气门的工作温度更高，这也表明Y2O3粒子提高了合金的耐高温性能，适用于发动机进气门和排气门。
以Ti粉和低成本的Al、Fe、Mo、Si等元素粉末和少量的YH2为原料，具有较低的原料成本；通过粉末冶金方法制备，具有较低的制备成本，原料利用率高。与常用的钢气门相比较，制备的钛合金密度约为4.5g/cm3，钢气门的密度约为8.0g/cm3，气门重量减轻约40%。由图2和3可知，提升发动机功率及扭矩超过12%，同时，固定工况降低油耗1%，明显降低噪声。
附图说明
图1为本发明粉末冶金材料的扫描电镜图；
图2为本发明气门与钢气门的功率与转速的关系曲线；
图3为本发明气门与钢气门的扭矩与转速的关系曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的制备方法作进一步说明。
实施例1
以氢化脱氢Ti粉、气雾化Al粉、羰基Fe粉、还原Mo粉、Si粉和YH2粉为原料，按质量百分比Al:Fe:Mo:Si:YH2=4:5:3:0.15:0.2称取粉料，在V型混料机上混合均匀，将粉末装入直径30mm的橡胶模具中，经振实后，在冷等静压机中成形，冷等静压压强为180MPa，保压6min，去除包套后，在1350℃真空烧结，真空度3×10-3Pa，烧结1h，随炉冷却至室温，制成棒料；将棒料预热到950℃，保温1h，热加工成直径6.5mm；然后在真空烧结炉内退火，温度550℃，退火0.5h，随炉冷却；将棒料一端感应加热至1000℃，放入模具内热镦成气门毛坯；将气门毛坯加热至1000℃，保温固溶处理2h，水冷至室温，然后将气门毛坯加热至450℃，保温时效处理8h，空冷至室温，精加工制成所需尺寸的气门；采用物理气相沉积在气门表面涂覆5μm厚的TiN涂层，制成发动机用气门。
实施例2
以氢化脱氢Ti粉、气雾化Al粉、羰基Fe粉、还原Mo粉、Si粉和YH2粉为原料，按质量百分比Al:Fe:Mo:Si:YH2=6:2:5:0.1:0.5称取粉末，在V型混料机上混合均匀，将粉末装入直径30mm的橡胶模具中，经振实后，在冷等静压机中进行成形，冷等静压压强为200MPa，保压5min，去除包套后，在1200℃真空烧结，真空度3×10-3Pa，烧结3h，随炉冷却至室温，制成棒料；将棒料预热到980℃，保温0.5h，热加工成直径6.5mm；然后在真空烧结炉内退火，温度500℃，退火1h，随炉冷却；将棒料两端感应加热至1100℃，放入模具内镦粗成气门毛坯；将气门毛坯加热至1050℃，保温固溶处理1h，水冷至室温，然后将气门毛坯加热至550℃，保温时效处理4h，空冷至室温，精加工制成所需尺寸的气门；采用物理气相沉积在气门表面涂覆5μm厚的CrN涂层，制成发动机用气门。

Claims (2)

1.一种发动机粉末冶金气门的制备方法，所述发动机粉末冶金气门的原料及质量百分比为：Al:4～6，Fe:2～5，Mo:3～5，Si:0.10～0.15，YH2:0.2～0.5，余量为Ti，其特征在于步骤如下：
(1)烧结：按质量比将Ti、Al、Fe、Mo、Si和YH2粉混合均匀，装入模具中，冷等静压压强180～200MPa，保压5～6min，在真空度≤1×10-2Pa、1200～1350℃下烧结1～3h，随炉冷却至室温，制成棒料；
(2)热加工：将棒料预热到950～980℃，保温0.5～1h，然后热加工成Φ6.5mm的棒料；
(3)退火：在真空条件下，温度为500～550℃，将上述棒料退火0.5～1h，随炉冷却；
(4)热镦：将棒料的一或两端加热到1000～1100℃，在模具中热镦成气门毛坯；
(5)热处理：将气门毛坯加热到1000～1050℃，保温固溶处理1～2h，水冷至室温，然后在450～550℃，保温时效处理4～8h，空冷至室温后精加工气门；
(6)表面处理：采用物理气相沉积在精加工气门表面涂覆TiN或CrN硬质涂层，制成发动机粉末冶金气门。
2.根据权利要求1所述的发动机粉末冶金气门的制备方法，其特征在于所述热加工是热轧、热挤压、热锻或热旋锻中的任意一种。
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US4738822A (en) * 1986-10-31 1988-04-19 Titanium Metals Corporation Of America (Timet) Titanium alloy for elevated temperature applications
CN101696474B (zh) * 2009-10-19 2011-05-25 中南大学 一种含稀土氧化物强化相钛合金的粉末冶金制备方法
JP4837783B2 (ja) * 2010-01-19 2011-12-14 新日本製鐵株式会社 引張強度が１０００ＭＰａ級以上のα＋β型チタン合金部材のヤング率調整方法
CN104583431B (zh) * 2012-08-15 2017-05-31 新日铁住金株式会社 强度以及韧性优异的资源节约型钛合金构件及其制造方法
JP6696202B2 (ja) * 2016-02-15 2020-05-20 日本製鉄株式会社 α＋β型チタン合金部材およびその製造方法

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