CN109195734A - 阀座环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高导热阀座环(1)，其包括载体层(2)和功能层(3)，其中所述载体层(2)由包含0.10％w/w至20％w/w的固化组分的固化的铜基质组成并且所述功能层(3)由进一步包含基于铜基质5％w/w至35％w/w的一个或多个硬质相的固化的铜基质组成。

Description

阀座环
本发明涉及一种阀座环，其具有载体层和功能层，其各自展示非常高的导热系数。载体层和功能层各自具有铜基质。本发明具体涉及一种粉末冶金产生的阀座环。
上面提到的阀座环类型从例如日本特开专利申请JP 6145720 A中已知。该申请描述了用于内燃机的，具有Co和Mo组分的、渗入铜的多层阀座环。
原则上，现有技术的阀座环具有的优势在于它们展示了卓越的强度。这尤其是由于提供了两个不同材料层的事实，在该情况下，载体材料具有足够的强度值，同时功能材料具有对于密封功能必要的特性，比如耐磨性。
但是，上面提到的该类型的这种现有技术的阀座环的缺点在于由于它们差的导热系数特性，它们可能无法满足内燃机增加的要求。常规载体材料的导热系数通常小于45W/mK。高的导热系数有助于降低阀温度并且有助于环境友好的操作。
为了提高阀座环的导热系数，已知粉末冶金产生的环渗入铜。铜含量增加了导热系数，但是材料的孔的铜吸收容量是有限的。
从DE 10 2012 013 226 A1已知，阀座环已经明显改善了它们的导热系数。环在载体材料中具有增加的铜含量，其通过将铜合金至载体基质中、通过引入烧结的铜粉末和通过渗入铜而实现。铜含量可占载体基质的达40％w/w。用该材料可实现达80W/mK的导热系数。在功能层中，由于增加的铜含量，可实现约50W/mK的最大导热系数。
用常规的材料和方法，可能无法使得导热系数的进一步增加。尤其，对于载体材料，必须对具有更高导热系数的材料进行改变。
常规阀座环的另一问题涉及热耗散至气缸盖中。这需要优化热流，其一方面取决于气缸盖与阀座环的接触表面，尤其载体材料与气缸盖的接触表面，并且另一方面也取决于材料的结构。高孔隙率以及材料结构的损伤将对于良好热流具有不利影响。
但是，原则上，包括载体基质和功能层的阀座环的两层结构已经证实了其价值。尤其，其确保了热经具有高导热系数的载体基质适当地耗散。但是，对于常规材料，由于它们被用于功能涂层，已经没有了改善的可能性。
这里存在的问题是来自功能层的耗散至气缸盖。功能层本身与气缸盖具有仅仅有限的接触表面，从而热可积聚在该处。由于该原因，必须使得热经载体层耗散至气缸盖，即一方面使用功能层和载体层之间的接触表面和另一方面使用载体层和气缸盖之间的接触表面用于传热。在该背景下，有理由使得材料就它们的导热系数而言，彼此一致。
功能层通常包含硬质相，其明显降低了导热系数。通常，实现了不超过50W/mK的热导热系数。
对于这种阀座环的单个层，铜本身提供为具有高导热系数的材料。但是，纯铜本身由于其延伸性和低强度而不适于该目的。
具有必要的硬度和强度的铜合金包含大量的铍，一种高毒性金属，如果可能，除了特殊应用，比如赛车，则不应使用它。而且，已知氧化铝作为固化/强化添加剂。
本发明的目的是提供上面提到类型的阀座环，其经其材料提供明显更高导热系数特性。同时，该材料应允许高热流。而且，阀座环应满足有关气密性、尺寸精度和强度的一般要求。
通过提供上面提到的类型的通过粉末冶金产生的阀座环而实现了该目的，其中载体层由包含0.10％w/w至20％w/w的固化/强化组分的固化的铜基质组成，并且功能层也由进一步包含5％w/w至35％w/w，优选5％w/w至25％w/w的硬质相的固化的铜基质组成。
基本上，载体层的导热系数超过了用于气缸盖的材料的导热系数，尤其在500℃下大于120W/mK。在500℃下，功能层的导热系数应尽可能的接近气缸盖材料的导热系数，即大于50W/mK，优选地大于70W/mK。但是，并且如本发明所提出的，这也可用其他材料实现。
用于载体层和功能层的固化组分可相同或不同。
本发明提出的阀座环是所谓的双层阀座环，其中形成基座的载体层与功能层重叠。根据本发明，载体层由固化的铜基质组成，所述固化的铜基质具有0.10％w/w至20％w/w，优选地0.25％w/w至15％w/w的一种或多种固化组分。作为固化组分，氧化物和金属间相是非常合适的。
例如，氧化铝、二氧化硅和氧化钇可用作固化氧化物。而且，稀土金属的氧化物和二氧化钛也适合该目的。
优选的固化组分为氧化铝Al2O3、氧化钇Y2O3和氧化钛TiO2，其可以优选地在0.1％w/w和2.5％w/w之间范围的量添加至铜。这种少量的添加已经足够提高铜的高温强度，并且同时，仅仅稍微降低导热系数。金属间相尤其为基于Cu、Cr、Nb、Ni、Zr和Si的那些。在该背景下为Cr2Nb、Cu5Zr、Cr2Zr、Ni2Si、Ni3Si、Ni31Si12和CuZr。这种金属间相在冷却期间，通过从过饱和的精细分散形式的基质沉淀而形成。
优选为铬和铌的金属间相，例如Cr2Nb，其例如可以2％w/w和15％w/w之间范围的量使用。量在0.5％w/w和5％w/w之间的铬和锆提供类似的益处。
另一适当的组分为镍-硅相，比如Ni2Si、Ni3Si或Ni31Si12，例如0.5％w/w至5％w/w的量。
最后，以高达5％w/w的量使用铜-锆相，比如Cu5Zr或CuZr也有益于产生期望的固化。无论如何，也可添加银，其优势在于对于导热系数产生积极贡献。添加的银的量可高达10％w/w。
如上述的固化的铜基质用于功能层，但是该基质另外提供量为5％w/w至35％w/w，优选地5％w/w至25％w/w的硬质相。这种硬质相例如作为合金粉末与铜粉末混合，由此合金粉末可形成金属间相。硬质相的百分数指功能层的固化的铜基质的重量。
硬质相可尤其基于铁、镍或钴。也可使用碳化物、氧化的陶瓷或氮化的陶瓷。必要地，硬质相并入固化的铜基质并且提供必要的耐磨性。
例如，已知的含有钴、碳、钼、钒和钨的基于铁的硬质相可用作硬质相。可选地，可使用含有钼、硅和铬(如果必要镍)的钴硬质相。
下述碳化物材料尤其合适：碳化钨、碳化硅、碳化钛和碳化铬。例如，氧化铝可用作氧化的陶瓷和氮化钛、氮化铬和立方氮化硼作为氮化的陶瓷材料。
功能层可包含常见的固体润滑剂，例如MnS、MoS2、WS2、CaF2或六角形氮化硼，相对于固化的铜基质，通常量的范围在0.1％w/w和5％w/w之间。
使用的材料的概述可见表1(载体材料)和表2(用于功能材料的硬质相)。
用于固化铜基质的优选的材料为Al2O3，通过其即使少量使用可实现期望的固化。
优选的硬质相基于铁、镍或钴，尤其为Tribaloy型，比如T400和T800。
无论如何，本发明提出的阀座环具有两层结构。层之间的分界线可大体上为水平构造，即，两个层彼此依靠并且在接触区中在压力和温度的影响下结合。但是，角度为高达65°，尤其35°至65°的区分层的倾斜构造是优选的，载体层朝着外侧延伸并且因此产生与气缸盖以及与功能层大的接触表面。尤其优选的角度范围在40°和55°之间。
本发明的阀座环的载体层在500℃下的导热系数≥120W/mK并且优选地在500℃下≥220W/mK。可实现在500℃下大于300W/mK的导热系数，其为先前可实现的导热系数的三倍至四倍。
在功能层中，可实现在500℃下大于70W/mK至250W/mK的导热系数，其也远高迄今可实现的值。
为了增加导热系数，根据本发明的阀座环可渗入载体层和功能层中。功能层可此外包含促进功能的其他添加剂，例如润滑剂比如硫化钼或金属添加剂比如钼或铌。这种添加剂可存在的量级相对于功能层的重量高达15％w/w。以粉末形式添加至待烧结的生压坯的钼和铌，表面氧化并且有益于降低摩擦。
铜合金，例如，而且银和银合金可用于渗透。
根据本发明的阀座环尤其通过粉末冶金制造。本发明提出的阀座环可根据涉及在数个步骤中压实和烧结相关粉末的工艺制造，即：
将粉末混合，
将载体层的粉末填充至铸模，
如果必要，则预压实载体层的粉末，
将功能层的粉末填充至铸模，
压实模具中的粉末，
将粉末烧结，和
使烧结的环进行热后处理和/或机械后处理。
单轴冲压可用于粉末的压实，但是冷等静轧制(CIP)例如也可能作为可选方案。
烧结随后也可为热等静轧制(HIP)或替换该步骤。烧结步骤发生的温度为例如≥850℃。
可建议在第一烧结步骤之后使粉末再致密化，并且，如果必要，则重复烧结。
除非另外指出，否则所有的重量标识都是基于各个层的重量。
参考附图更详细地描述本发明。
图1显示了如本发明提出的阀座环1，以横截面表示，下方的载体层2和设置在其上功能层3。两个层之间的分界线基本上是水平的。
图2为贯穿根据本发明的阀座环1的横截面图，在载体层2和功能层3之间存在倾斜的分界线。载体层2因此朝着外边缘扩展并且如此增加了与周围气缸盖的接触表面。这使得改进了可实现的进入冷却的气缸盖的热流。层之间存在过渡区4，其中分界线在载体层2和功能层3之间穿过。
图3中，显示了本发明的范围内的不同材料的不同温度的导热系数值。材料如下：
1.由氧化物强化的铜组成的载体材料；
2.具有20％的硬质相的功能材料；
3.具有30％的硬质相的功能材料；
4.具有40％的硬质相的功能材料。
对于所有的功能材料，载体基质与载体材料中的相同。

Claims (19)

1.一种阀座环(1)，其包括载体层(2)和功能层(3)，
其特征在于，所述载体层(2)由包含0.10％w/w至20％w/w的固化/强化组分的固化的铜基质组成，并且所述功能层(3)由进一步包含基于所述铜基质的5％w/w至35％w/w的一个或多个硬质相的固化的铜基质组成。
2.根据权利要求1所述的阀座环，特征在于所述铜基质的所述固化组分为氧化物，特别是Al2O3或Y2O3。
3.根据权利要求1所述的阀座环，特征在于所述铜基质的所述固化组分为金属间相，特别是包含Cu、Cr、Zr、Nb、Ni和/或Si。
4.根据权利要求1所述的阀座环，特征在于所述固化组分为Al2O3或Cr2Nb。
5.根据前述权利要求中任一项所述的阀座环，特征在于所述功能层的所述硬质相为基于铁、钴、镍、碳化物、氧化物和/或氮化物的硬质相。
6.根据权利要求5所述的阀座环，特征在于所述硬质相为基于铁、镍或钴的硬质相。
7.根据前述权利要求中任一项所述的阀座环，特征在于所述功能层包含0.1％w/w至5％w/w的固体润滑剂。
8.根据权利要求7所述的阀座环，特征在于所述固体润滑剂为MnS、MoS2、WS2、CaF2或六角形BN。
9.根据前述权利要求中任一项所述的阀座环，特征在于载体层(2)和功能层(3)之间的分界线以0°至65°的角度延伸，所述载体层(2)朝着外侧变宽。
10.根据权利要求9所述的阀座环，特征在于所述分界线以35°和65°之间的角度延伸。
11.根据前述权利要求中任一项所述的阀座环，所述载体层(2)在500℃下的导热系数≥120W/mK。
12.根据权利要求11所述的阀座环，特征在于所述载体层(2)在500℃下的导热系数≥220W/mK。
13.根据前述权利要求中任一项所述的阀座环，特征在于所述功能层(3)在500℃下的导热系数≥70W/mK。
14.根据前述权利要求中任一项所述的阀座环，其通过粉末冶金工艺制造。
15.制造根据前述权利要求1至14中任一项所述的阀座环的方法，特征在于下述步骤：
-将粉末混合，
-将所述载体层(2)的粉末填充至铸模，
-如果必要，则预压实所述载体层(2)的粉末，
-将所述功能层(3)的粉末填充至铸模，
-将所述粉末在模具中压实，
-将所述粉末烧结或使所述粉末进行HIP，和
-使烧结的环进行热后处理或机械后处理。
16.根据权利要求16所述的方法，特征在于所述粉末在第一烧结步骤之后，被后压实和/或后烧结。
17.根据权利要求15或16所述的方法，特征在于烧结步骤在≥850℃的温度下进行。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，特征在于压实通过CIP进行。
19.根据权利要求1至14中任一项所述的阀座环，其具有涂层。
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