CN109483174A - 一种柴油机气阀座的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柴油机气阀座的加工方法，其包括如下步骤：1）锥面堆焊；2）喷涂；3）高温扩散，炉温升至600~700℃时将气阀座放入炉中，投入高温炉中随炉升温至1050~1100℃，保温50~70min，炉冷至650~750℃后出炉空冷至室温；4）调质，将柴油机气阀座加热至1060~1100℃，然后预冷至850~900℃进行淬火处理，淬火介质为硝盐，所述硝盐的温度为350~400℃，淬火15~30min后空冷至100~150℃，再放入温度≥75℃的水槽中清洗，然后进行高温回火，空冷。其能够增加气阀座内孔涂层的结合强度，降低涂层硬度、减小涂层脆性，提高产品合格率。

Description

一种柴油机气阀座的加工方法
技术领域
本发明涉及柴油机气阀座的制造工艺，具体涉及一种柴油机气阀座的加工方法。
背景技术
气阀座是柴油机的重要零件，在工作过程中，它承受较高温度下的冲击、摩擦磨损、热疲劳等复杂工况和燃料废气的冲刷腐蚀作用。为了保证柴油机在使用过程中安全可靠，除了通过热处理使阀座基体具有足够高的强度、塑性和韧性，除了在气阀座内孔锥面堆焊高硬度、耐磨损的高温合金以外，还要想办法使阀座内孔耐燃烧废气腐蚀，才能保证它的使用寿命。近年来，柴油机的发展速度很快，并且负荷明显提高，这对气阀座的质量提出了更高要求。
为了提高气阀座的综合性能，参见图1，在柴油机气阀座基体1的内孔锥面上设置堆焊层2，在基体1的内孔上设置喷涂层3。为了提高喷涂层的结合强度，应当采用热喷涂，气阀座的热喷涂主要有三种方式：第一种是等离子喷涂，第二种是超音速火焰喷涂，第三种是火焰喷涂。为了保证喷涂层的强度要求，现有的柴油机气阀座的加工方法常常采用的是等离子喷涂或超音速火焰喷涂，其工艺流程为：制坯-基体调质-气阀座内孔锥面堆焊-探伤-气阀座内孔喷涂。按照此工艺方法生产气阀座存在如下问题：合金粉末经高温高速焰流加热后，在合金粉末颗粒表面产生熔化，颗粒内部发生软化，并以很高的速度与基体金属碰撞，硬度经常达到460~530HV，喷涂层的结合强度长期只有67~78MPa，大多数产品不满足图纸设计要求。正是由于喷涂层硬度高、脆性大、结合强度低，在机械加工过程中容易出现剥落，因使用传统热喷涂工艺而产生剥落的废品率高达31.7%，更为严重的是用户在使用过程中偶尔也会出现涂层剥落，影响设备正常运行。此外，等离子喷涂或超音速火焰喷涂设备复杂，投资大，生产成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种柴油机气阀座的加工方法，其能够增加气阀座内孔涂层的结合强度，降低涂层硬度、减小涂层脆性，提高产品合格率。
本发明所述的柴油机气阀座的加工方法，其包括如下步骤：
1）锥面堆焊，将柴油机气阀座内孔锥面进行堆焊处理；
2）喷涂，将柴油机气阀座内孔火焰喷涂镍基合金粉末；
3）高温扩散，使用高温炉，炉温升至600~700℃时将气阀座放入炉中，随炉升温至1050~1100℃，保温50~70min，再炉冷至650~750℃后出炉空冷至室温；
4）调质，将柴油机气阀座加热至1060~1100℃，然后预冷至850~900℃进行淬火处理，淬火介质为硝盐，所述硝盐的温度为350~400℃，淬火15~30min后空冷至100~150℃，再放入温度≥75℃的水槽中清洗，然后进行高温回火，回火温度为680~730℃，回火时间为3~5h，回火后空冷。
进一步，柴油机气阀座的制造材料为4Cr10Si2Mo钢，锥面堆焊合金为Stellite 20合金，镍基合金粉末为HMSP1635-00粉末。
进一步，所述Stellite 20合金的组分为：31.5~34.5%Cr、2.3~2.55%C、≤2%Si、＜3%Fe、15~17%W、＜1%Mo和＜3%Ni，余量Co。
进一步，所述HMSP1635-00粉末的组分为：0.25~0.4%C、2.4~3.4%Fe、6~7.5%Cr、3.2~3.9%Si和1.2~1.6%B，余量Ni。
进一步，所述步骤2）的工艺参数为：先将柴油机气阀座预热至80~110℃，然后固定于机械旋转装置上，使用火焰喷涂设备进行喷涂，喷嘴距喷涂面180~220mm，氧气压强为0.35~0.55MPa，乙炔压强为0.06~0.08MPa，送粉速度为34~45g/min，柴油机气阀座转速为200~300r/min。
进一步，所述步骤3）中进行高温扩散处理时，高温炉内持续通入氮气，炉内气压为200~1000Pa。
进一步，所述步骤4）中硝盐的组分按重量百分比计包括55%的硝酸钠和45%的亚硝酸钠。
进一步，所述步骤4）中采用中频感应加热对柴油机气阀座进行加热，中频频率为800~1500Hz。
采用该加工方法得到的柴油机气阀座的锥面堆焊层硬度为52~57HRC，内孔喷涂层硬度为250~300HV，喷涂层的结合强度≥73MPa，喷涂层厚度为0.15~0.3mm，变形量≤0.15mm，金相组织合格，无热处理裂纹，在机械加工和用户使用过程中喷涂层无剥落。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1、本发明通过采用火焰喷涂-高温扩散-调质的热处理工艺，相对于现有的等离子喷涂或超音速喷涂，火焰喷涂的焰流速度较低，使得合金粉末粒子与气阀座基体的碰撞速度小，减弱形变硬化效果，但喷涂层硬度仍然高达390~460HV，而喷涂层的结合强度只有23~35MPa，但是通过在高温下对气阀座喷涂层进行扩散处理，使得基体与涂层之间以及涂层内部颗粒之间相互进行扩散，这将极大地增加喷涂层的结合强度。并且由于涂层粒子被加热到再结晶温度以上，形变硬化消失，塑性增加。
2、本发明对高温扩散处理的工艺参数进行特殊限定，高温扩散温度和保温时间对提高喷涂层结合强度和消除形变硬化影响较大。高温扩散温度越高，保温时间越长，扩散的更加充分，进而喷涂层与基体金属的结合强度越高，消除形变硬化越充分，反之，扩散不充分，结合强度增加和消除形变硬化效果有限。但是高温扩散温度过高、保温时间过长，将对基体、堆焊层和喷涂层的性能产生不利影响，因此，限定高温扩散温度为1050~1100℃，保温时间为50~70min。
3、本发明采用特定的调质处理工艺，即采用中频感应加热-预冷后等温淬火-高温回火，使得气阀座上的基体金属、堆焊层和喷涂层综合性能达到最优，提高了产品合格率，降低了生产制造成本。
附图说明
图1是柴油机气阀座的剖面示意图。
图中，1—基体，2—堆焊层，3—喷涂层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作详细说明。
柴油机气阀座的制造材料为4Cr10Si2Mo钢。
锥面堆焊合金为Stellite 20合金，所述Stellite 20合金的组分为：31.5~34.5%Cr、2.3~2.55%C、≤2%Si、＜3%Fe、15~17%W、＜1%Mo和＜3%Ni，余量Co。
喷涂层镍基合金粉末为HMSP1635-00粉末，所述HMSP1635-00粉末的组分为：0.25~0.4%C、2.4~3.4%Fe、6~7.5%Cr、3.2~3.9%Si和1.2~1.6%B，余量Ni。
现有柴油机气阀座的加工流程为：
制坯-基体调质-锥面堆焊-探伤-内孔等离子喷涂或超音速火焰喷涂。
本发明的加工流程为：
制坯-锥面堆焊-探伤-内孔火焰喷涂-高温扩散-基体调质-探伤。
实施例一，一种柴油机气阀座的加工方法，其包括如下步骤。
1）锥面堆焊，将柴油机气阀座内孔锥面进行堆焊处理，在内孔锥面上得到堆焊层，然后进行探伤。
2）喷涂，将柴油机气阀座内孔火焰喷涂镍基合金粉末，首先采用丙酮或酒精清洗气阀座，去除气阀座基体上的锈蚀或毛刺，然后用0.3Mpa的压缩空气和200μm石英砂喷气阀座内孔，使待喷涂的内孔面粗糙度Ra为3.3μm，再用清洁干净的0.2MPa的压缩空气清理干净气阀座，最后进行喷涂处理，具体工艺参数为：先将柴油机气阀座预热至105℃，然后固定于机械旋转装置上，使用火焰喷涂设备进行喷涂，该火焰喷涂设备型号是QT-E2000-7/H，喷嘴距喷涂面205mm，氧气压强为0.45MPa，乙炔压强为0.08MPa，送粉速度为38g/min，柴油机气阀座转速为265r/min。
3）高温扩散，将喷涂后的气阀座基体装入670℃的高温井式炉中，随炉升温至1080℃，升温过程中炉内气压为600~840Pa，保温60min，保温过程中炉内气压为450~530Pa，再炉冷至736℃后出炉空冷至室温，降温过程中炉内气压为260~330Pa，在高温扩散过程中向高温井式炉中持续通入氮气。
4）调质，首先采用频率为1240~1500Hz的中频感应加热设备将柴油机气阀座加热至1080~1100℃，然后预冷至880℃进行淬火处理，淬火介质为硝盐，所述硝盐的温度为350℃，淬火25min后空冷至145℃，再放入带搅拌装置的温度为83℃的水槽中清洗12分钟，再用带搅拌装置的清水槽清洗5分钟，然后在井式炉中进行高温回火，回火温度为710℃，回火时间为4h，回火后空冷。
对热处理后的气阀座进行性能测定，包括以下测试内容。
使用洛氏硬度计测得气阀座基体硬度为32~34.5HRC，气阀座内孔锥面堆焊层硬度为52~54.5HRC，使用维氏硬度计测得气阀座内孔喷涂层的硬度为269~293HV。
使用金相显微镜测得气阀座基体组织为回火索氏体+颗粒状碳化物，喷涂层厚度为0.19~0.27mm，变形量≤0.11mm。
使用拉力试验机测得喷涂层的结合强度为126MPa，喷涂层结合强度高，并且高温扩散消除了形变硬化效果，提高了喷涂层塑性，并且硬度也能满足使用工况需求，综合性能优良。
使用X射线探伤机和着色探伤检测气阀座无裂纹，机械加工时喷涂层无剥落。
实施例二，一种柴油机气阀座的加工方法，其包括如下步骤。
1）锥面堆焊，将柴油机气阀座内孔锥面进行堆焊处理，在内孔锥面上得到堆焊层，然后进行探伤。
2）喷涂，将柴油机气阀座内孔火焰喷涂镍基合金粉末，首先采用丙酮或酒精清洗气阀座，去除气阀座基体上的锈蚀或毛刺，然后用0.35Mpa的压缩空气和160μm石英砂喷气阀座内孔，使待喷涂的内孔面粗糙度Ra为3.2μm，再用清洁干净的0.14MPa的压缩空气清理干净气阀座，最后进行喷涂处理，具体工艺参数为：先将柴油机气阀座预热至110℃，然后固定于机械旋转装置上，使用火焰喷涂设备进行喷涂，该火焰喷涂设备型号是QT-E2000-7/H，喷嘴距喷涂面180mm，氧气压强为0.45MPa，乙炔压强为0.06MPa，送粉速度为35g/min，柴油机气阀座转速为300r/min。
3）高温扩散，将喷涂后的气阀座基体装入650℃的高温井式炉中，随炉升温至1050℃，升温过程中炉内气压为550~620Pa，保温70min，保温过程中炉内气压为400~520Pa，再炉冷至700℃后出炉空冷至室温，降温过程中炉内气压为320~400Pa，在高温扩散过程中向高温井式炉中持续通入氮气。
4）调质，首先采用频率为800~1150Hz的中频感应加热设备将柴油机气阀座加热至1060~1080℃，然后预冷至850℃进行淬火处理，淬火介质为硝盐，所述硝盐的温度为370℃，淬火15min后空冷至100℃，再放入带搅拌装置的温度为70℃的水槽中清洗10分钟，再用带搅拌装置的清水槽清洗6分钟，然后在井式炉中进行高温回火，回火温度为680℃，回火时间为5h，回火后空冷。
对热处理后的气阀座进行性能测定，包括以下测试内容。
使用洛氏硬度计测得气阀座基体硬度为31.5~33.5HRC，气阀座内孔锥面堆焊层硬度为53~56HRC，使用维氏硬度计测得气阀座内孔喷涂层的硬度为261~292HV。
使用金相显微镜测得气阀座基体组织为回火索氏体+颗粒状碳化物，喷涂层厚度为0.17~0.24mm，变形量≤0.13mm。
使用拉力试验机测得喷涂层的结合强度为104MPa，喷涂层结合强度高，并且高温扩散消除了形变硬化效果，提高了喷涂层塑性，并且硬度也能满足使用工况需求，综合性能优良。
使用X射线探伤机和着色探伤检测气阀座无裂纹，机械加工时喷涂层无剥落。
实施例三，一种柴油机气阀座的加工方法，其包括如下步骤。
1）锥面堆焊，将柴油机气阀座内孔锥面进行堆焊处理，在内孔锥面上得到堆焊层，然后进行探伤。
2）喷涂，将柴油机气阀座内孔火焰喷涂镍基合金粉末，首先采用丙酮或酒精清洗气阀座，去除气阀座基体上的锈蚀或毛刺，然后用0.34Mpa的压缩空气和190μm石英砂喷气阀座内孔，使待喷涂的内孔面粗糙度Ra为3.3μm，再用清洁干净的0.14MPa的压缩空气清理干净气阀座，最后进行喷涂处理，具体工艺参数为：先将柴油机气阀座预热至80℃，然后固定于机械旋转装置上，使用火焰喷涂设备进行喷涂，该火焰喷涂设备型号是QT-E2000-7/H，喷嘴距喷涂面220mm，氧气压强为0.55MPa，乙炔压强为0.08MPa，送粉速度为45g/min，柴油机气阀座转速为200r/min。
3）高温扩散，将喷涂后的气阀座基体装入700℃的高温井式炉中，随炉升温至1100℃，升温过程中炉内气压为730~1000Pa，保温50min，保温过程中炉内气压为400~520Pa，再炉冷至750℃后出炉空冷至室温，降温过程中炉内气压为200~270Pa，在高温扩散过程中向高温井式炉中持续通入氮气。
4）调质，首先采用频率为950~1330Hz的中频感应加热设备将柴油机气阀座加热至1070~1090℃，然后预冷至900℃进行淬火处理，淬火介质为硝盐，所述硝盐的温度为400℃，淬火30min后空冷至150℃，再放入带搅拌装置的温度为90℃的水槽中清洗10分钟，再用带搅拌装置的清水槽清洗7分钟，然后在井式炉中进行高温回火，回火温度为7300℃，回火时间为3h，回火后空冷。
对热处理后的气阀座进行性能测定，包括以下测试内容。
使用洛氏硬度计测得气阀座基体硬度为31.5~34HRC，气阀座内孔锥面堆焊层硬度为53.5~56HRC，使用维氏硬度计测得气阀座内孔喷涂层的硬度为258~286HV。
使用金相显微镜测得气阀座基体组织为回火索氏体+颗粒状碳化物，喷涂层厚度为0.23~0.28mm，变形量≤0.11mm。
使用拉力试验机测得喷涂层的结合强度为113MPa，喷涂层结合强度高，并且高温扩散消除了形变硬化效果，提高了喷涂层塑性，并且硬度也能满足使用工况需求，综合性能优良。
使用X射线探伤机和着色探伤检测气阀座无裂纹，机械加工时喷涂层无剥落。

Claims (8)

1.一种柴油机气阀座的加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）锥面堆焊，将柴油机气阀座内孔锥面进行堆焊处理；
2）喷涂，将柴油机气阀座内孔火焰喷涂镍基合金粉末；
3）高温扩散，使用高温炉，炉温升至600~700℃时将气阀座放入炉中，随炉升温至1050~1100℃，保温50~70min，再炉冷至650~750℃后出炉空冷至室温；
4）调质，将柴油机气阀座加热至1060~1100℃，然后预冷至850~900℃进行淬火处理，淬火介质为硝盐，所述硝盐的温度为350~400℃，淬火15~30min后空冷至100~150℃，再放入温度≥75℃的水槽中清洗，然后进行高温回火，回火温度为680~730℃，回火时间为3~5h，回火后空冷。
2.根据权利要求1所述的柴油机气阀座的加工方法，其特征在于：柴油机气阀座的制造材料为4Cr10Si2Mo钢，锥面堆焊合金为Stellite 20合金，镍基合金粉末为HMSP1635-00粉末。
3.根据权利要求2所述的柴油机气阀座的加工方法，其特征在于：所述Stellite 20合金的组分为：31.5~34.5%Cr、2.3~2.55%C、≤2%Si、＜3%Fe、15~17%W、＜1%Mo和＜3%Ni，余量Co。
4.根据权利要求2所述的柴油机气阀座的加工方法，其特征在于：所述HMSP1635-00粉末的组分为：0.25~0.4%C、2.4~3.4%Fe、6~7.5%Cr、3.2~3.9%Si和1.2~1.6%B，余量Ni。
5.根据权利要求1所述的柴油机气阀座的加工方法，其特征在于：所述步骤2）的工艺参数为：先将柴油机气阀座预热至80~110℃，然后固定于机械旋转装置上，使用火焰喷涂设备进行喷涂，喷嘴距喷涂面180~220mm，氧气压强为0.35~0.55MPa，乙炔压强为0.06~0.08MPa，送粉速度为34~45g/min，柴油机气阀座转速为200~300r/min。
6.根据权利要求1所述的柴油机气阀座的加工方法，其特征在于：所述步骤3）中进行高温扩散处理时，高温炉内持续通入氮气，炉内气压为200~1000Pa。
7.根据权利要求1所述的柴油机气阀座的加工方法，其特征在于：所述步骤4）中硝盐的组分按重量百分比计包括55%的硝酸钠和45%的亚硝酸钠。
8.根据权利要求1所述的柴油机气阀座的加工方法，其特征在于：所述步骤4）中采用中频感应加热对柴油机气阀座进行加热，中频频率为800~1500Hz。
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