CN110625027A - 一种发动机气门的强化方法及发动机气门 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发动机气门的强化方法及发动机气门，一种发动机气门强化方法包括以下步骤：步骤S1、初始发动机气门毛坯经过电热镦成形得到第一发动机气门毛坯；步骤S2、第一发动机气门毛坯的锥面和颈部经过热冲压成形得到第二发动气门毛坯；步骤S3、将第二发动机气门毛坯冷却至室温，然后对冷却后的第二发动机气门毛坯进行固溶处理；步骤S4、第二发动机气门毛坯的锥面和颈部经过剧烈塑性变形处理得到第三发动机气门毛坯；步骤S5、对第三发动机气门毛坯进行时效处理得到发动机气门；本发明通过对发动机气门的锥面和颈部进行了强化，相较于现有锥面堆焊技术或表面氮化处理，本发动机气门可以获得硬度较高、晶粒细化且呈现压应力的表面。

Description

一种发动机气门的强化方法及发动机气门
技术领域
本发明涉及发动机气门领域，尤其涉及一种发动机气门的强化方法及发动机气门。
背景技术
为了满足日益提高的机动车环保要求，发动机逐渐向更高的爆炸压力和燃烧温度发展，其中对受到直接影响的发动机气门的耐磨、耐高温和耐腐蚀性能，以及机械和抗疲劳强度均提出了更高的要求。而发动机气门锥面和发动机气门颈部的工况最为复杂，其受到交变载荷、高温和摩擦磨损等影响，所以有必要进一步提高发动机气门锥面和颈部的综合性能。
为了满足现代柴油机性能的要求，很多发动机气门的头部采用高性能的奥氏体不锈钢或镍基高温合金材料制造。奥氏体不锈钢是常温下具有奥氏体组织的不锈钢，具有稳定的奥氏体组织、无磁性和生物相容性。奥氏体不锈钢具有高韧性、抗腐蚀性和塑性，但其强度较低。同时其组织及性能对温度变化反应小。它的耐蚀性要求含碳量很低(含碳量一般低于0.03％)，才可显著提高耐晶间腐蚀性能；其性能由独特的组织决定，无法通过相变来强化其表面性能。这些奥氏体不锈钢自身的特性导致实际应用时硬度偏低(200～250HV)，表面极软，难以承受摩擦损伤，抗磨损性能较差，制约了在特殊工况下经受剧烈摩擦环境的应用。使用奥氏体或高温合金制造的气门，虽然具有耐高温，耐腐蚀等性能，但是奥氏体材料和高温合金材料经过固溶和时效处理后，其硬度比较低，硬度一般在32HRC以下，很难达到40HRC以上。从而使发动机气门锥面的耐磨性能较差，发动机气门锥面容易出现磨损。
如何提高奥氏体不锈钢表面抗磨损性能的同时能够保留其优良的耐腐蚀属性，从而达到节约资源、扩展应用领域和创造巨大经济效益的目的，这个问题一直是广大研究不锈钢表面强化技术工作者所面临的挑战。
为了提高奥氏体不锈钢发动机气门的锥面硬度，通常的做法是在锥面堆焊一层硬的合金粉(如钴合金粉末)或者对其表面进行化学热处理(如整体氮化)。前者制造成本高，而且存在一些堆焊的问题，如堆焊裂纹、堆焊气孔、堆焊应力等问题；后者主要是通过渗氮、渗碳或者氮碳共渗等化学热处理方法对表面进行强化，保留心部硬度不变，能够极大地提高表面硬度(奥氏体钢渗氮后表面硬度达到800HV、渗碳表面硬度600HV左右)，抗磨损性能也得到极大提升，但是由于奥氏体不锈钢和镍基合金材料的特性决定其化学热处理的硬化深度比较浅，通常表面深度只有十几个微米，其有效的耐磨表面较薄，往往会在使用的过程中磨损掉，从而达不到要求的使用寿命。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种发动机气门的强化方法，其通过对发动机气门的锥面和颈部进行了强化，相较于现有锥面堆焊技术或表面氮化处理，强化后的发动机气门可以获得硬度较高、晶粒细化且呈现压应力的表面。
本发明的目的之二在于提供一种发动机气门，其通过对发动机气门的锥面和颈部进行了强化，相较于现有锥面堆焊技术或表面氮化处理，强化后的发动机气门可以获得硬度较高、晶粒细化且呈现压应力的表面。
为了达到上述目的，本发明的目的之一采用的技术方案如下：
一种发动机气门的强化方法，包括以下步骤：
步骤S1、初始发动机气门毛坯经过电热镦成形得到第一发动机气门毛坯；
步骤S2、第一发动机气门毛坯的锥面和颈部经过热冲压成形得到第二发动气门毛坯，其中，经过热冲压成形得到的第二发动机气门毛坯的锥面为一半径为R1的弧面，第二发动机气门毛坯的颈部为一半径为R2的弧面；
步骤S3、将第二发动机气门毛坯冷却至室温，然后对冷却后的第二发动机气门毛坯进行固溶处理；具体地，固溶处理的温度为1020℃～1200℃，固溶时间为20分钟～90分钟。将第二发动机气门毛坯冷却至室温具体为将第二发动机气门毛坯水冷或空冷至室温，室温为20℃～30℃。
步骤S4、第二发动机气门毛坯的锥面和颈部经过剧烈塑性变形处理得到第三发动机气门毛坯，其中，经过剧烈塑性变形得到的第三发动机气门毛坯的锥面由一半径为R1的弧面变为平面，第三发动机气门毛坯的颈部由一半径为R2的弧面变为一半径为R2’的弧面；
步骤S5、对第三发动机气门毛坯的锥面和颈部进行时效处理得到发动机气门，其中，经过剧烈塑性变形和时效处理得到的发动机气门锥面设置有一锥面剧塑性变形强化层，发动机气门颈部设置有一颈部剧塑性变形强化层，锥面剧塑性变形强化层平行于发动机气门锥面，颈部剧塑性变形强化层平行于发动机气门颈部，锥面剧塑性变形强化层和颈部变形剧塑性强化层的硬度均大于40HRC。
进一步地，所述步骤S3中，固溶处理的温度为1020℃～1200℃，固溶时间为20分钟～90分钟。
进一步地，所述步骤S3中，将第二发动机气门毛坯冷却至室温具体为将第二发动机气门毛坯水冷或空冷至室温，室温为20℃～30℃。
进一步地，所述步骤S2中，第一发动机气门毛坯的锥面和颈部经过一次热冲压成形得到第二发动机气门毛坯具体为将第一发动机气门毛坯放至热冲压模具内，然后采用第一双盘摩擦压力机对第一发动机气门毛坯的锥面和颈部进行热冲压处理得到第二发动机气门毛坯。
进一步地，所述步骤S4中，第二发动机气门毛坯的锥面和颈部经过剧烈塑性变形处理得到第三发动机气门毛坯具体为将第二发动机气门毛坯放至剧烈塑性变形模具内，然后采用第二双盘摩擦压力机对第二发动机气门毛坯的锥面和颈部进行剧烈塑性变形处理得到第三发动机气门毛坯。
进一步地，所述步骤S5中，时效处理的温度为600℃～800℃，时效处理的时间为4小时～16小时。
进一步地，所述初始发动机气门毛坯的材料为高温耐热不锈钢材料或镍基合金材料。
进一步地，所述高镍耐热不锈钢材料为Ni30、N07032和N07031中的一种，所述镍基合金材料为N07751和N07080中的一种。
本发明的目的之二采用以下技术方案实现：
一种发动机气门，包括发动机气门锥面和发动机气门颈部，其特征在于：所述发动机气门锥面经过强化处理后形成有一硬度大于40HRC的锥面剧塑性变形强化层，所述发动机气门颈部通过强化处理后形成有一硬度大于40HRC的颈部剧塑性变形强化层。
相比现有技术，本发明的发动机气门的强化方法有以下有益效果：
1.发动机气门的强化方法通过对发动机气门的锥面和颈部进行了强化，相较于现有锥面堆焊技术或表面氮化处理，强化后的发动机气门可以获得硬度较高、晶粒细化且呈现压应力的表面。
2.发动机气门的强化方法通过一次剧塑性变形可以同时对发动机气门的锥面和颈部进行了强化，无需分别强化，提高了强化效率且节省了工序。
3.发动机气门的表面经过剧烈塑性变形硬化处理后，其晶粒受到变形作用而呈现较为致密的结构，在距离表面一定的深度，可以获得一定的硬度和耐磨性。
4.发动机气门的表面受到剧烈塑性变形硬化处理后，其变形区域内呈现较高的压应力，有助于提高零件抗疲劳的能力，相比堆焊工艺和表面氮化工艺方案拥有更加良好的产品可靠性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明所述的第一圆棒料气门毛坯的结构示意图。
图2为本发明所述的第一圆棒料气门毛坯和热冲压模具的结构示意图。
图3为本发明所述的第二圆棒料气门毛坯的结构示意图。
图4为本发明所述的第二圆棒料气门毛坯和剧烈塑性变形模具的结构示意图。
图5为本发明所述的第三圆棒料气门毛坯的结构示意图。
图6为本发明的发动机气门的结构示意图。
图7为本发明的发动机气门剧烈塑性变形的金相图。
图中：1-第一圆棒料气门毛坯、11-圆棒料蒜头段、12-热冲压模具、2-第二圆棒料气门毛坯、21-剧烈塑性变形模具、3-第三圆棒料气门毛坯、41-镶嵌粉、42-被强化发动机气门、43-硬度压痕、5-发动机气门、51-发动机气门盘部、52-发动机气门杆部、53-发动机气门颈部、54-发动机气门锥面、531-颈部剧塑性变形强化层、541-锥面剧塑性变形强化层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种发动机气门的强化方法，包括以下步骤：
步骤S1、初始发动机气门毛坯经过电热镦成形得到第一发动机气门毛坯；所述初始发动机气门毛坯的材料为高镍耐热不锈钢材料或镍基合金材料。优选地，所述高镍耐热不锈钢材料为Ni30(NCF3015)、N07032(Pyromet31V)和N07031(Pyromet31)中的一种，所述镍基合金材料为N07751(Inconel751)、N07080(Nimonic80-A)中的一种。
步骤S2、第一发动机气门毛坯的锥面和颈部经过热冲压成形得到第二发动气门毛坯，其中，经过热冲压成形得到的第二发动机气门毛坯的锥面为一半径为R1的弧面，第二发动机气门毛坯的颈部为一半径为R2的弧面；优选地，R1＝2.16mm，R2＝24.46mm。具体地，第一发动机气门毛坯的锥面和颈部经过热冲压成形得到第二发动机气门毛坯具体为将第一发动机气门毛坯放至热冲压模具内，然后采用第一双盘摩擦压力机对第一发动机气门毛坯的锥面和颈部进行热冲压处理得到第二发动机气门毛坯。优选地，第一双盘摩擦压力为360T的第一双盘摩擦压力机。
步骤S3、将第二发动机气门毛坯冷却至室温，然后对冷却后的第二发动机气门毛坯进行固溶处理；具体地，固溶处理的温度为1020℃～1200℃，固溶时间为20分钟～90分钟。第二气门毛坯冷却至室温具体为所述第二气门毛坯水冷或空冷至室温，室温为20℃～30℃。
步骤S4、第二发动机气门毛坯的锥面和颈部经过剧烈塑性变形处理得到第三发动机气门毛坯，其中，经过剧烈塑性变形得到的第三发动机气门毛坯的锥面由一半径为R1的弧面变为平面，第三发动机气门毛坯的颈部由一半径为R2的弧面变为一半径为R2’的弧面；优选地，R2’＝15.5mm。
具体地，第二发动机气门毛坯经过剧烈塑性变形处理得到第三发动机气门毛坯具体为将第二发动机气门毛坯放至剧烈塑性变形模具内，然后采用双盘摩擦压力机对第二发动机气门毛坯的锥面和颈部进行剧烈塑性变形处理得到第三发动机气门毛坯。优选地，所述第二双盘摩擦压力采用压力为400T的第二双盘摩擦压力机。优选地，所述剧烈塑性变形模具的锥面角度为30°。
步骤S5、对第三发动机气门毛坯进行时效处理得到发动机气门，其中，经过剧烈塑性变形和时效处理得到的发动机气门锥面设置有一锥面剧塑性变形强化层，发动机气门颈部设置有一颈部剧塑性变形强化层，锥面剧塑性变形强化层平行于发动机气门锥面，颈部剧塑性变形强化层平行于发动机气门颈部，锥面剧塑性变形强化层和颈部剧塑性变形强化层的硬度均大于40HRC。具体地，时效处理的温度为600℃～800℃，时效处理的时间为4小时～16小时。
本实施例通过对发动机气门5的锥面和颈部进行了强化，相较于现有锥面堆焊技术或表面氮化处理，强化后的发动机气门可以获得硬度较高、晶粒细化且呈现压应力的表面。
本实施例的发动机气门5的表面经过剧烈塑性变形硬化处理后，其晶粒受到变形作用而呈现较为致密的结构，在距离表面一定的深度，可以获得一定的硬度和耐磨性。
本实施例的发动机气门5的表面受到剧烈塑性变形硬化处理后，其变形区域内呈现较高的压应力，有助于提高零件抗疲劳的能力，相比堆焊工艺和表面氮化工艺方案拥有更加良好的产品可靠性。
由于初始发动机气门毛坯采用的材料不同，其固溶温度、固溶时间、时效处理的温度以及时效处理的时间都会有所差异，本实施例的初始发动机气门毛坯以N07751(Inconel751)材料制成的圆棒料为例，圆棒料的强化方法包括以下步骤：
步骤S0、切断圆棒料并对圆棒料的两端进行倒角。
步骤S1、倒角后的圆棒料经过电热镦成形处理后得到第一圆棒料气门毛坯1，如图1所示，第一圆棒料气门毛坯1的一端电热镦成蒜头状，第一圆棒料气门毛坯1呈蒜头状的一端称为圆棒料蒜头段11，圆棒料蒜头段11的温度为1140℃～1170℃。
步骤S2、如图2-3所示，将第一圆棒料气门毛坯1放至热冲压模具12内，采用压力为360T的第一双盘摩擦压力机将第一圆棒料气门毛坯1锻压成第二圆棒料气门毛坯2；其中，经过热冲压成形得到的第二圆棒料气门毛坯2的锥面为一半径为R1的弧面，第二发动机气门毛坯的颈部为一半径半径为R2的弧面。
步骤S3、将第二圆棒料气门2毛坯冷却至室温，然后对冷却后的第二圆棒料气门毛坯2进行固溶处理；具体地，固溶处理的温度为1030℃～1050℃，固溶时间为30分钟～60分钟。
步骤S4、如图4-5所示，将第二圆棒料气门毛坯2放至剧烈塑性变形模具21内，然后采用压力为400T的第二双盘摩擦压力机对第二圆棒料气门毛坯2进行剧烈塑性变形处理得到第三圆棒料气门毛坯3。其中，所述剧烈塑性变形模具21的锥面角度为30°。其中，第三圆棒料气门毛坯3的锥面由一半径为R1的弧面变为平面，第三圆棒料气门毛坯3的颈部由一半径为R2的弧面变为一半径为R2’的弧面。
步骤S5、对第三圆棒料气门毛坯3进行时效处理得到发动机气门5；其中，经过剧烈塑性变形和时效处理得到的发动机气门锥面54设置有一锥面剧塑性变形强化层541，发动机气门颈部53设置有一颈部剧塑性变形强化层531，锥面剧塑性变形强化层541平行于发动机气门锥面54，颈部剧塑性变形强化层531平行于发动机气门颈部53，锥面剧塑性变形强化层541和颈部剧塑性变形强化层531的硬度均大于40HRC，发动机气门5的基体的硬度值为28HRC～32HRC。具体地，时效处理的温度为700℃～800℃，时效处理的时间为4小时～6小时。
如图7所示，图7为剧烈塑性变形的金相图，靠近镶嵌粉41的被强化发动机气门42的边沿处被剧烈塑性变形后，呈现沿表面延伸方向的扁平细长组织，而被强化发动机气门42上的黑点为硬度压痕43。
如图6所示，本实施例公开了一种发动机气门，发动机气门5包括发动机气门盘部51、发动机气门杆部52、发动机气门颈部53和发动机气门锥面54，所述发动机气门锥面54经过强化处理后形成有一硬度大于40HRC的锥面剧塑性变形强化层541，所述发动机气门颈部53通过强化处理后形成有一硬度大于40HRC的颈部剧塑性变形强化层531。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种发动机气门的强化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、初始发动机气门毛坯经过电热镦成形得到第一发动机气门毛坯；
步骤S2、第一发动机气门毛坯的锥面和颈部经过热冲压成形得到第二发动气门毛坯，其中，经过热冲压成形得到的第二发动机气门毛坯的锥面为一半径为R1的弧面，第二发动机气门毛坯的颈部为一半径为R2的弧面；
步骤S3、将第二发动机气门毛坯冷却至室温，然后对冷却后的第二发动机气门毛坯进行固溶处理；
步骤S4、第二发动机气门毛坯的锥面和颈部经过剧烈塑性变形处理得到第三发动机气门毛坯，其中，经过剧烈塑性变形得到的第三发动机气门毛坯的锥面由一半径为R1的弧面变为平面，第三发动机气门毛坯的颈部由一半径为R2的弧面变为一半径为R2’的弧面；
步骤S5、对第三发动机气门毛坯的锥面和颈部进行时效处理得到发动机气门，其中，经过剧烈塑性变形和时效处理得到的发动机气门锥面设置有一锥面剧塑性变形强化层，发动机气门颈部设置有一颈部剧塑性变形强化层，锥面剧塑性变形强化层平行于发动机气门锥面，颈部剧塑性变形强化层平行于发动机气门颈部，锥面剧塑性变形强化层和颈部剧塑性变形强化层的硬度均大于40HRC。
2.根据权利要求1所述的一种发动机气门的强化方法，其特征在于：所述步骤S3中，固溶处理的温度为1020℃～1200℃，固溶时间为20分钟～90分钟。
3.根据权利要求1所述的一种发动机气门的强化方法，其特征在于：所述步骤S3中，将第二发动机气门毛坯冷却至室温具体为将第二发动机气门毛坯水冷或空冷至室温，室温为20℃～30℃。
4.根据权利要求1所述的一种发动机气门的强化方法，其特征在于：所述步骤S2中，第一发动机气门毛坯的锥面和颈部经过热冲压成形得到第二发动机气门毛坯具体为将第一发动机气门毛坯放至热冲压模具内，然后采用第一双盘摩擦压力机对第一发动机气门毛坯的锥面和颈部进行热冲压处理得到第二发动机气门毛坯。
5.根据权利要求1所述的一种发动机气门的强化方法，其特征在于：所述步骤S4中，第二发动机气门毛坯的锥面和颈部经过剧烈塑性变形处理得到第三发动机气门毛坯具体为将第二发动机气门毛坯放至剧烈塑性变形模具内，然后采用第二双盘摩擦压力机对第二发动机气门毛坯的锥面和颈部进行剧烈塑性变形处理得到第三发动机气门毛坯。
6.根据权利要求1所述的一种发动机气门的强化方法，其特征在于：所述步骤S5中，时效处理的温度为600℃～800℃，时效处理的时间为4小时～16小时。
7.根据权利要求1所述的一种发动机气门的强化方法，其特征在于：所述初始发动机气门毛坯的材料为高镍耐热不锈钢材料或镍基合金材料。
8.根据权利要求7所述的一种发动机气门的强化方法，其特征在于：所述高镍耐热不锈钢材料为Ni30、N07032和N07031中的一种，所述镍基合金材料为N07751和N07080中的一种。
9.一种发动机气门，其特征在于：由权利要求1-8任一项所述的发动机气门的强化方法制造，包括发动机气门锥面和发动机气门颈部，所述发动机气门锥面经过强化处理后形成有一硬度大于40HRC的锥面剧塑性变形强化层，所述发动机气门颈部通过强化处理后形成有一硬度大于40HRC的颈部剧塑性变形强化层。
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Denomination of invention: A strengthening method of engine valve and engine valve

Effective date of registration: 20220609

Granted publication date: 20210423

Pledgee: Agricultural Bank of China Limited HUAIJI County sub branch

Pledgor: HUAI JI DENG YUE VALVE Co.,Ltd.

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