CN112756532A - 一种船用低速柴油机排气阀阀杆的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船用低速柴油机排气阀阀杆的制造方法，包括选取坯料、锻造开坯、第二尺寸圆棒锻造、变截面圆棒的制造、模锻排气阀阀杆毛坯、固溶处理、机加工并检测达到需求尺寸、阀杆检测并贴标，先采用自由锻方式对坯料进行预锻，确保锻坯的变形量并保证锻坯组织均匀致密，通过反复锻打获得均匀晶粒度，避免出现局部混晶；再通过两镦两拔锻造形成阀杆杆身和端部锤形的粗坯，最后将粗坯压入到模具中使阀面成型。方法工艺简单、减少材料，提高了阀杆的稳定性和使用寿命，同时降低生产成本。

Description

一种船用低速柴油机排气阀阀杆的制造方法
技术领域
本发明涉及发动机零部件制造技术，尤其涉及一种船用低速柴油机排气阀阀杆的制造方法。
背景技术
船用低速柴油机排气阀阀杆在燃烧室中起开启和封闭燃烧室的作用，工作期间承受高温高压燃气突变带来的机械应力和腐蚀性气体的高速冲刷以及与导套相对运动产生的磨损等影响。因此，排气阀阀杆材料必须满足足够的高温强度和热硬性，优良的抗高温蠕变性能和耐高温腐蚀性能，较高的耐磨性与抗冲击性，良好的高温抗氧化性与导热性，较小的热膨胀系数等性能要求。阀杆堆面与阀座密封面接触进行开启和关闭燃烧室，与高温高压燃油直接接触，受高温高压燃气的冲刷和烧蚀等作用，因此气阀底面必须具备良好的高温机械性能和均匀细晶组织，晶粒度不应粗于4级。阀杆在锻造成型过程中，气阀底面与杆身过度圆弧位置，由于形变量较小，容易出现晶粒粗大的现象，导致阀杆过早失效。
排气阀阀杆通常选用为镍基合金材料，整体锻造成形后再进行固溶处理，精加工成规定尺寸。采用镍基合金进行制造，具有良好的高温力学性能和耐高温腐蚀性能，但高温变形能力较差，在加热锻造过程中难以获得较大变形，锻后易出现混晶等组织不均匀现象，由于组织不良导致性能不能满足技术要求。
现有技术中利用镍基合金圆棒加热后采用电镦机进行轴向挤压，形成头部杯状结构后再置于压机胎模进行挤压成型，设备投资成本高，工艺复杂，制造难度大。此外，在电镦过程中挤压变形难以控制，加热和变形时间较长，增加制造成本。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种船用低速柴油机排气阀阀杆的制造方法，其能解决解决现有锻造技术中在存在的组织不均匀、工艺复杂、费时费力成本高的问题。
发明目的：本发明的目的在于制造出符合设计要求的阀杆，保证柴油机正常可靠运行，同时降低生产成本，具体方案如下。
技术方案：先采用自由锻方式对坯料进行预锻，确保锻坯的变形量并保证锻坯组织均匀致密，通过反复锻打获得均匀晶粒度，避免出现局部混晶；再通过两镦两拔锻造形成阀杆杆身和端部锤形的粗坯，最后将粗坯压入到模具中使阀面成型。该方法具体包括如下步骤。
S1、选择符合排气阀阀杆基体材质要求的合金锭，这里为Nimonic 80A(简称N80A)镍基合金。
S2、选取Ф510合金锭，采用2000吨(或4000吨)快锻机将合金锭两镦两拔锻至Ф340圆棒，(本文件线尺寸度量单位均为mm，下同)。
S3、采用1300吨径锻机(或≥2000吨快锻机)将Ф340圆棒一火径锻至Ф230圆棒，切平Ф230圆棒自由端端面后，转入锻造变截面圆棒工序。
S4、采用1300吨径锻机(或≥2000吨快锻机)将Ф230圆棒径锻至包括D1尺寸的阀座径棒段、D2尺寸座背变径棒段和D3尺寸的阀杆径棒段的第三尺寸变截面圆棒。
S5、采用开式胎模锻，在2500吨液压机上模锻排气阀阀杆毛坯。
S6、在1020～1040℃温度范围对模锻件毛坯进行固溶处理，然后对固溶处理的排气阀阀杆模锻件毛坯进行超声波探检测。
S7、对排气阀阀杆毛坯表面粗加工后再进行超声波检测。
S8、对排气阀阀杆在700℃进行沉淀硬化热处理，保温16小时后空冷，到这一步该完全热处理的排气阀阀杆毛坯模锻件制备完成。
本发明的有益效果：
1.在柴油机高温高压燃油、腐蚀性废气、与接触部件相对运动的磨损撞击等恶劣工作条件下，采用本发明制造出的排气阀阀杆具有良好的高温力学性能和耐高温腐蚀性能，满足相应的技术规范要求。
2.采用本发明制造排气阀阀杆仅在一台锻压设备中便可完成，设备投资少，可节约设备成和本场地成本。
3.采用精确计算并结合实验数据确定锤形的大小，设计锤形厚度为气阀底面厚度的1.3-1.5倍，可节省材料成本。
4.气阀底面锻压成型速度较快，始锻和终锻温度容易控制，确保粗坯在锻压成型过程中具有足够的形变能力。
附图说明
图1为预锻工序径锻至第一尺寸圆棒的形状尺寸图；
图2为第三尺寸变截面圆棒的形状尺寸图；
图3为胎模形状示意图；
图4为排气阀阀杆粗加工形状尺寸图；
图5为排气阀阀杆的制造工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的船用低速柴油机排气阀阀杆的制造方法流程如图5所示。由图5可知，本发明排气阀阀杆的制造方法首先是对合金锭锻造开坯，采用自由锻方式，将合金锭两镦两拔至φ340圆棒，形状尺寸见图1。进一步，将φ340圆棒径锻至φ230圆棒，参见图2，再将φ230圆棒自由端断面切平后径锻至变截面圆棒。进一步，将变截面圆棒置于胎模进行锻压，获得阀杆锻件的外形尺寸，胎模形状示意图见图3。进一步，将排气阀阀杆毛坯在1020～1040℃温度进行固溶处理，超声检测后作进一步粗加工，粗加工后的形状尺寸见图4，粗加工完成后再进行沉淀硬化处理。
图1-图4中的尺寸为对于具体尺寸，D1：Ф215mm～Ф230mm；D3：Ф105mm～Ф110mm；L1：315mm～335mm；L2：160mm～170mm；L3：≥1370mm。具体的根据实际需要选定。以下实施例中，对于具体尺寸，D1：Ф230mm；D3：Ф110mm。
具体方法流程，参见图5，船用低速柴油机排气阀阀杆的制造方法，方法包括以下步骤。
S1、选取坯料，选择符合对应发动机排气阀阀杆基体材质要求的合金锭。
其中，坯料选取Nimonic 80A的镍基合金锭，直径为φ510mm，以适应船用柴油机阀杆质量要求。在确定坯料时，采用绘图软件定型辅助进行逆计算获得坯料体积，以节省材料。具体实施例中，通过采用计算机3D绘图软件(如Unigraphics NX、SolidWorks、CATIA等)按照1:1的比例建立排气阀阀杆毛坯(图5)的实体模型，精确计算毛坯体积V约24245.47cm3，引入材料密度ρ参数(Nimonic 80A的ρ为8.15g/cm3)得出毛坯质量m为197.60kg。由计算得到的体积V和质量m的数据确定锤形毛坯的大小，设计锤形厚度为气阀底面厚度的1.3～1.5倍，可节省材料成本。
S2、锻造开坯，用快锻机将合金锭两镦两拔多火次开坯锻至第一尺寸圆棒，并对第一尺寸圆棒表面全研磨后进行表面质量检查，合格后进入下一工序。
具体的，采用2000吨或4000吨快锻机预锻压合金锭，确保锻坯的变形量并保证锻坯组织均匀致密，通过反复锻打获得均匀晶粒度，避免出现局部混晶；再将φ510mm的合金锭通过两镦两拔多火次开坯锻至φ340的第一尺寸圆棒。
进一步的，在锻造开坯中，合金锭的最高加热温度和每火锻后钢坯回炉加热温度都控制在1160℃±14℃，合金锭加热的保温时间应≥4小时，钢坯回炉加热的保温时间应≥1.5小时；并将第一尺寸圆棒表面全研磨，进行表面质量检查。
S3、第二尺寸圆棒锻造，采用径锻机或快锻机将第一尺寸圆棒锻造至第二尺寸圆棒，切平第二尺寸圆棒自由端端面后，转入下锻造变截面圆棒工序。
进一步的，在第二尺寸圆棒锻造中，采用1300吨径锻机、2000吨快锻机或4000吨快锻机将φ340mm的第一尺寸圆棒圆棒一火、多道次径锻至φ230mm第二尺寸圆棒，并在1140℃的温度下保温2小时以上，且单道次最大延伸系数控制在1.4。
S4、变截面圆棒的制造，采用径锻机或快锻机将第二尺寸圆棒锻造至包括D1尺寸的阀座径棒段、D2尺寸座背变径棒段和D3尺寸的阀杆径棒段的第三尺寸变截面圆棒。
具体的，将φ230mm第二尺寸圆棒自由端端面切平后，采用1300吨径锻机、2000吨快锻机或4000吨快锻机径锻至变截面圆棒，其中，最高加热温度控制在1020℃±14℃，保温时间≥1小时，出炉后从自由端端面开始，在表面包覆一层绝热棉后再回炉加热0.5小时以上；夹钳把将包覆绝热棉的已加热φ230mm第二尺寸圆棒棒段上径锻出φ110mm×1570mm的圆棒，将φ110mm圆棒自由端端面切平，切取检验试料后，按变截面圆棒形状与尺寸要求，定尺切割下料模锻排气阀阀杆用变截面圆棒坯料；在剩余的φ230mm圆棒上按要求继续生产变截面圆棒，直至获取完整第三尺寸的变截面圆棒。
S5、模锻排气阀阀杆毛坯，采用开式胎模在液压机上模锻排气阀阀杆毛坯。
模锻方式：在模锻排气阀阀杆中，采用开式胎模锻，胎模材质为5CrNiMo热作模具钢，胎模锻用组合模具的上模为平模，下模模腔与排气阀阀杆盘尺寸和形状相匹配，下模模腔中心中间部位加工一个带锥度的轴向圆孔，圆孔最小直径应大于D3尺寸的阀杆径棒段的直径，下模置于多个支撑模模块上面，支撑模模块中心带有等直径轴向圆形模孔，圆形模孔的直径与下模模腔中间部位轴向圆形模孔最小直径相匹配，下模加多个支撑模轴向圆形模孔的长度大于D3尺寸的阀杆径棒段长度。参见图4，模腔与毛坯的间隙为3mm。
模锻工艺：采用2500吨液压机进行模锻，将模具在400～450℃温度范围预热，模具安装后，通过火焰圈点燃燃气继续对上、下模模具加热；将坯料在1020±14℃保温2小时以上；采用可粘贴绝热棉对坯料进行保温。具体措施包括。①坯料到温后，D1直径和过渡区变形部位包覆可粘贴绝热棉，回炉保温≥0.5小时；②坯料加热时，对于模锻变截面锻棒不变形的D2直径圆棒部位，采用绝热棉进行隔热屏蔽，弱化D2直径圆棒部位的升温；③模锻时，通过火焰圈点燃燃气对坯料进行加热，强化控制热加工窗口不大于60℃，使终锻温度控制在不低于950℃。
其中，模压要求为起始压下速度为50mm/min，然后进行保压。
S6、固溶处理，将排气阀阀杆模锻件毛坯置于固溶温度的环境中进行固溶处理，并在高温固溶后油冷或水冷。
具体的，，1020～1040℃温度范围井式炉中对模锻件毛坯进行固溶处理，以防止固溶处理时阀杆毛坯发生弯曲，温度的波动不超过±14℃，并对设备状况和工艺状态进行监控。
S7、机加工并检测达到需求尺寸，先将排气阀阀杆模锻件毛坯进行粗加工至第四尺寸并达到所需光洁度，将阀杆粗加工件沉淀硬化热处理后空冷，再精加工至最终需求尺寸的排气阀阀杆
具体的，粗加工后第四尺寸的排气阀阀杆表面光洁度为Ra3.2，沉淀硬化热处理在室式加热炉中进行，处理温度为700℃，温度波动≤±10℃，保温16小时后空冷，再进行精加工。
S8、阀杆检测，将精加工后的阀杆进行超声波探伤检验和有损检测，并制作对应阀杆的检验报告和合格证。
其中，工艺流程中对完全热处理的排气阀阀杆模锻件毛坯的超声波探伤检验和有损检测包括化学成分、金相组织和力学性能，以及后续出具的工厂报告和合格证书。
采用本发明制造出的排气阀阀杆具有良好的高温力学性能和耐高温腐蚀性能，能够满足在柴油机高温高压燃油、腐蚀性废气、与接触部件相对运动的磨损撞击等恶劣工作条件下的相应的技术要求，保证柴油机安全可靠运行。此外，采用本发明制造排气阀阀杆仅在一台锻压设备中便可完成，设备投资少，采用的锻造工艺是在理论计算和实验数据的相互验证下确定并实施的，可确保材料组织均匀细小，具有较高的强度和刚度。通过始锻和终锻温度容易控制的手段，确保粗坯在锻压成型过程中具有足够的形变能力，以解决镍基合金高温下变形能力差的问题，制造出理想的排气阀阀杆毛坯。
其中，本文中设计的具体尺寸和形状可以根据实际需要的发动机进行调整，可适用于船用柴油机、核电、矿山、汽车等工程机械用发动机领域。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种船用低速柴油机排气阀阀杆的制造方法，其特征在于，方法包括：
S1、选取坯料，选择符合对应发动机排气阀阀杆基体材质要求的合金锭；
S2、锻造开坯，用快锻机将合金锭两镦两拔多火次开坯锻至第一尺寸圆棒，并对第一尺寸圆棒表面全研磨后进行表面质量检查，合格后进入下一工序；
S3、第二尺寸圆棒锻造，采用径锻机或快锻机将第一尺寸圆棒锻造至第二尺寸圆棒，切平第二尺寸圆棒自由端端面后，转入下锻造变截面圆棒工序；
S4、变截面圆棒的制造，采用径锻机或快锻机将第二尺寸圆棒锻造至包括D1尺寸的阀座径棒段、D2尺寸座背变径棒段和D3尺寸的阀杆径棒段的第三尺寸变截面圆棒；
S5、模锻排气阀阀杆毛坯，采用开式胎模在液压机上模锻排气阀阀杆毛坯；
S6、固溶处理，将排气阀阀杆模锻件毛坯置于固溶温度的环境中进行固溶处理，并在高温固溶后油冷或水冷；
S7、机加工并检测达到需求尺寸，先将排气阀阀杆模锻件毛坯进行粗加工至第四尺寸并达到所需光洁度，将阀杆粗加工件沉淀硬化热处理后空冷，再精加工至最终需求尺寸的排气阀阀杆；
S8、阀杆检测，将精加工后的阀杆进行超声波探伤检验和有损检测，并制作对应阀杆的检验报告和合格证。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：在步骤S1中，坯料选取Nimonic 80A的镍基合金锭，直径为φ510mm，以适应船用柴油机阀杆质量要求。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：在步骤S2中，采用2000吨或4000吨快锻机预锻压合金锭，确保锻坯的变形量并保证锻坯组织均匀致密，通过反复锻打获得均匀晶粒度，避免出现局部混晶；再将φ510mm的合金锭通过两镦两拔多火次开坯锻至φ340的第一尺寸圆棒。
4.根据权利要求1或3所述的制造方法，其特征在于：在步骤S2的锻造开坯中，合金锭的最高加热温度和每火锻后钢坯回炉加热温度都控制在1160℃±14℃，合金锭加热的保温时间应≥4小时，钢坯回炉加热的保温时间应≥1.5小时；并将第一尺寸圆棒表面全研磨，进行表面质量检查。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：在步骤S3的第二尺寸圆棒锻造中，采用1300吨径锻机、2000吨快锻机或4000吨快锻机将φ340mm的第一尺寸圆棒圆棒一火、多道次径锻至φ230mm第二尺寸圆棒，并在1140℃的温度下保温2小时以上，且单道次最大延伸系数控制在1.4。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：在步骤S4的变截面圆棒制造中，将φ230mm第二尺寸圆棒自由端端面切平后，采用1300吨径锻机、2000吨快锻机或4000吨快锻机径锻至变截面圆棒，其中，最高加热温度控制在1020℃±14℃，保温时间≥1小时，出炉后从自由端端面开始，在表面包覆一层绝热棉后再回炉加热0.5小时以上；夹钳把将包覆绝热棉的已加热φ230mm第二尺寸圆棒棒段上径锻出φ110mm×1570mm的圆棒，将φ110mm圆棒自由端端面切平，切取检验试料后，按变截面圆棒形状与尺寸要求，定尺切割下料模锻排气阀阀杆用变截面圆棒坯料；在剩余的φ230mm圆棒上按要求继续生产变截面圆棒，直至获取完整第三尺寸的变截面圆棒。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：在步骤S5的模锻排气阀阀杆中，模锻方式具体为，采用开式胎模锻，胎模材质为5CrNiMo热作模具钢，胎模锻用组合模具的上模为平模，下模模腔与排气阀阀杆盘尺寸和形状相匹配，下模模腔中心中间部位加工一个带锥度的轴向圆孔，圆孔最小直径应大于D3尺寸的阀杆径棒段的直径，下模置于多个支撑模模块上面，支撑模模块中心带有等直径轴向圆形模孔，圆形模孔的直径与下模模腔中间部位轴向圆形模孔最小直径相匹配，下模加多个支撑模轴向圆形模孔的长度大于D3尺寸的阀杆径棒段长度。
8.根据权利要求1或7所述的制造方法，其特征在于：在步骤S5的模锻排气阀阀杆中，模锻工艺为，采用2500吨液压机进行模锻，将模具在400～450℃温度范围预热，模具安装后，通过火焰圈点燃燃气继续对上、下模模具加热；将坯料在1020±14℃保温2小时以上；采用可粘贴绝热棉对坯料进行保温。
9.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：步骤S6中，在1020～1040℃温度范围井式炉中对模锻件毛坯进行固溶处理，温度的波动不超过±14℃，并对设备状况和工艺状态进行监控。
10.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：步骤S7中，粗加工后第四尺寸的排气阀阀杆表面光洁度为Ra3.2，沉淀硬化热处理在室式加热炉中进行，处理温度为700℃，温度波动≤±10℃，保温16小时后空冷，再进行精加工。
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