CN113107633B - 一种气门及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气门，包括气门头部和气门杆部，所述气门头部和气门杆部连接在一起，所述气门头部的盘锥面上设置有复合涂层，所述复合涂层包括冶金层和功能层，所述冶金层靠近所述盘锥面的基体设置，所述功能层中加入质量百分比的钨3‑5％、钴5‑10％和银0.1‑1％，其它成分为铁。本发明还公开了上述气门的制备方法。本发明的气门盘锥面致密性好，表面孔隙率低，气密性更高。

Description

一种气门及其制备方法

技术领域

本发明涉及发动机零部件技术领域，特别涉及一种气门及其制备方法。

背景技术

气门是负责向发动机内输入空气并排出燃烧后的废气。从发动机结构上，分为进气门和排气门。进气门的作用是将空气吸入发动机内，与燃料混合燃烧，排气门的作用是将燃烧后的废气排出并散热。气门的头部温度很高，而且还承受气体的压力、气门弹簧的作用力和传动组件的惯性力，其润滑、冷却条件差，气门的盘锥面对气门的气密性具有很大的影响。

现有的气门盘锥面表面孔隙率高，耐磨性及气密性较低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种气门及其制备方法，本发明的气门盘锥面致密性好，表面孔隙率低，气密性更高。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种气门，包括气门头部和气门杆部，所述气门头部和气门杆部连接在一起，所述气门头部的盘锥面上设置有复合涂层，所述复合涂层包括冶金层和功能层，所述冶金层靠近所述盘锥面的基体设置，所述功能层中加入质量百分比的钨3-5％、钴5-10％和银0.1-1％，其它成分为铁。

可选地，所述冶金层的成分质量百分比为：氧化钴20-30％、碳化钨15-25％、氧化铈1-5％，其它成分为铁。

可选地，所述冶金层的厚度为50-100μm。

可选地，所述功能层的厚度为100-200μm。

本发明还提供了一种气门的制备方法，包括以下步骤：

A)、对气门整体进行预处理；

B)、利用超音速等离子喷涂系统，对气门的盘锥面喷涂冶金层；

C)所述冶金层喷涂完成后，气门放在烤箱静置2-3小时，温度控制在160-200℃；

D)再次利用超音速等离子喷涂系统，将功能层混合粉向所述盘锥面进行喷涂，形成功能层，所述功能层混合粉的配比为：钨3-5％、钴5-10％、银0.1-1％，其它成分为铁；

E)所述功能层喷涂完成后，静置2-3小时，对所述盘锥面进行加热，温度控制在190-210℃。

可选地，所述预处理具体为：气门整体在液氮内进行冷处理，然后取出气门，对气门的盘锥面进行清洗、烘干。

可选地，步骤B中所述冶金层喷涂5-10遍，每次喷涂间隔10-15min，控制所述盘锥面的温度不大于200℃。

可选地，所述步骤B中的超音速等离子喷涂时，喷枪的功率为30000kW，氩气的流量为15-25L/min，混合好的冶金层粉的送粉量为20-35g/min。

可选地，所述步骤D中的所述功能层喷涂3-5遍，每次喷涂间隔10-15min，控制所述盘锥面的温度不大于200℃。

可选地，所述步骤D中的超音速等离子喷涂时，喷枪的功率为20000kW，氩气的气流量为10-15L/min，混合好的功能层粉的送粉量10-20g/min。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的气门，所述盘锥面上的所述功能层中加入质量百分比的钨3-5％、钴5-10％和银0.1-1％。通过在所述功能层中加入耐高温的钨和钴，提高了所述功能层的耐高温的能力，通过加入银，提高了所述功能层的致密性和固体润滑作用，降低了所述功能层的表面孔隙率，提高了气密性。

本发明在制备气门的所述盘锥面的复合涂层的过程中，通过采用超音速等离子喷涂系统，利用上述配比的冶金层粉在所述盘锥面上喷涂所述冶金层，利用上述配比的功能层粉在所述盘锥面上喷涂所述功能层，使得本发明的气门所述盘锥面的复合涂层具有更高的耐磨性能，降低了表面空隙率，提高了气门的气密性。所述冶金层喷涂完成后，气门放在烤箱加热静置，降低了所述冶金层内部、所述冶金层与所述盘锥面的基体间的应力，提高了盘锥面的完整性。所述功能层喷涂完成后，对所述盘锥面进行加热，降低了所述功能层内部的应力，降低了所述冶金层与功能层间的应力，使得复合涂层3的整体性更好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为气门的结构示意图。

其中：

1、气门杆部，2、气门头部，3、复合涂层。

具体实施方式

本发明公开了一种气门及其制备方法，本发明的气门盘锥面致密性好，表面孔隙率低，气密性更高。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

请参阅图1，本发明提供了一种气门，包括气门头部2和气门杆部1，气门头部2和气门杆部1连接在一起，气门头部2的盘锥面上设置有复合涂层3，复合涂层3包括冶金层和功能层，所述冶金层靠近所述盘锥面的基体设置，所述功能层中加入质量百分比的钨3-5％、钴5-10％、银0.1-1％，其它成分为铁。

其中，复合涂层3的设置位置为现有技术，所述盘锥面靠近所述冶金层的基体上形成扩散层，所述扩散层是所述冶金层材料在等离子体机械、热的作用下，沿着盘锥面材料晶界向里扩散形成。

本发明的气门，所述盘锥面上的所述功能层中加入质量百分比的钨3-5％、钴5-10％和银0.1-1％。通过在所述功能层中加入耐高温的钨和钴，提高了所述功能层的耐高温的能力，通过加入银，提高了所述功能层的致密性和固体润滑作用，降低了所述功能层的表面孔隙率，提高了气密性。

进一步的，所述冶金层的成分质量百分比为：氧化钴20-30％、碳化钨15-25％、氧化铈1-5％，其它成分为铁。所述冶金层中加入氧化钴、碳化钨和稀土元素(氧化铈)，稀土元素固溶到金属氧化物及金属间化合物之间，稀土元素的加入增强物质之间的结合，提高了所述盘锥面的耐磨性。

在一具体实施例中，所述冶金层的厚度为50-100μm。所述功能层的厚度为100-200μm。

本发明还提供了一种气门的制备方法，包括以下步骤：

A)、对气门整体进行预处理；

B)、利用超音速等离子喷涂系统，对气门的盘锥面喷涂冶金层；

C)所述冶金层喷涂完成后，气门放在烤箱静置2-3小时，温度控制在160-200℃；

D)再次利用超音速等离子喷涂系统，将权利要求1中质量配比的功能层混合粉向所述盘锥面进行喷涂，形成功能层；

E)所述功能层喷涂完成后，静置2-3小时，对所述盘锥面进行加热，温度控制在190-210℃。

本发明在制备气门的所述盘锥面的复合涂层3的过程中，通过采用超音速等离子喷涂系统，利用上述配比的冶金层粉在所述盘锥面上喷涂所述冶金层，利用上述配比的功能层粉在所述盘锥面上喷涂所述功能层，使得本发明的气门所述盘锥面的复合涂层3具有更高的耐磨性能，降低了表面空隙率，提高了气门的气密性。所述冶金层喷涂完成后，气门放在烤箱加热静置2-3小时，降低了所述冶金层内部、所述冶金层与所述盘锥面的基体间的应力，提高了盘锥面的完整性。所述功能层喷涂完成后，对所述盘锥面进行加热，降低了所述功能层内部的应力，降低了所述冶金层与功能层间的应力，使得复合涂层3的整体性更好。

在一具体实施例中，步骤A中的所述预处理具体为：气门整体在液氮内进行冷处理，此处的冷处理在-30℃的液氮内进行，然后取出气门，对气门的盘锥面进行清洗、烘干。本实施例中，通过采用液氮对气门进行冷处理，可改善气门的细微化基体组织结构，强化基体组织，增强尺寸稳定性，使硬度、冲击韧性和耐磨性都显著提高，有效地延长气门的使用寿命。

其中，对气门的盘锥面进行清洗，可以选择在丙酮溶液中超声清洗，或者在无水乙醇中超声清洗，也可以采用其他本领域技术人员常用的清洗方法，此处不做限定。通过将气门的盘锥面基体进行表面清洗，保证了气门盘锥面的表面光洁度，提高了复合涂层3的结合力。

为了保证所述冶金层的涂层均匀度，上述的步骤B中所述冶金层喷涂5-10遍，每次喷涂间隔10-15min，控制所述盘锥面的温度不大于200℃。两次喷涂之间间隔一段时间，避免涂层温升过高。

其中，步骤B中的超音速等离子喷涂为本领域技术人员熟知的技术手段，此处不再赘述。所述步骤B中的超音速等离子喷涂时，具体参数如下：喷枪的功率为30000kW，氩气的流量为15-25L/min，混合好的冶金层粉的送份量为20-35g/min。

为了保证所述功能层的涂层均匀度，所述步骤D中的所述功能层喷涂3-5遍，每次喷涂间隔10-15min，控制所述盘锥面的温度不大于200℃。两次喷涂之间间隔一段时间，避免涂层温升过高。

其中，步骤D中的超音速等离子喷涂为本领域技术人员熟知的技术手段，此处不再赘述。所述步骤D中的超音速等离子喷涂时，喷枪的功率为20000kW，氩气的气流量为10-15L/min，混合好的功能层粉的送份量10-20g/min。

上述实施例中，涂层的喷涂方法选用的是超音速等离子喷涂，可以理解的，本领域技术人员也可以选用其他常用的喷涂方法：等离子火焰喷涂、等离子电弧喷涂、超音速火焰喷涂、超音速电弧喷涂、等离子电弧/火焰熔覆或PCVD等。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的气门座圈及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

步骤1：按照合金成分范围准备配料：

所述冶金层配料：氧化钴20％，碳化钨25％，氧化铈1％，其它为铁；

所述功能层配料：W3％，Co10％，Ag 0.1％，其它成分为铁；

上述配料均为质量百分比，将合金材料混合均匀；

步骤2：气门整体在-30℃的液氮冷处理5小时；

步骤3：气门盘锥面乙醇清洗，烘干；

步骤4：利用超音速等离子喷涂系统喷涂，喷枪功率30000kW，氩气(纯度99.999％)气流量控制15L/min，喷涂混合好的冶金层粉，送粉量20g/min，向所述盘锥面喷涂5遍，每次间隔10min，控制盘锥面温度≤200℃；

步骤5：烤箱静置2小时，温度控制在180±20℃；

步骤6：再次利用超音速等离子喷涂系统喷涂，喷枪功率20000kW，氩气(纯度99.999％)气流量控制15L/min，喷涂混合好的功能层粉，送粉量20g/min，向所述盘锥面喷涂5遍，每次间隔10min，控制盘锥面温度≤200℃；

步骤7：静置3小时后，对所述盘锥面进行激光加热，温度控制在200±10℃。

本实施例中的制备方法得到的复合涂层3的摩擦系数为0.203-0.223，表面硬度为53-55HRC。

实施例2

步骤1：按照合金成分范围准备配料：

所述冶金层配料：氧化钴30％、碳化钨15％、氧化铈5％，其它为铁；

所述功能层配料：W5％，Co5％，Ag 1％，其它成分为铁；

上述配料均为质量百分比，将合金材料混合均匀；

步骤2：气门整体在-30℃的液氮冷处理5小时；

步骤3：气门盘锥面乙醇清洗，烘干；

步骤4：利用超音速等离子喷涂系统喷涂，喷枪功率30000kW，氩气(纯度99.999％)气流量控制25L/min，喷涂混合好的冶金层粉，送粉量35g/min，向所述盘锥面喷涂10遍，每次间隔10min，控制盘锥面温度≤200℃；

步骤5：烤箱静置2小时，温度控制在180±20℃；

步骤6：再次利用超音速等离子喷涂系统喷涂，喷枪功率20000kW，氩气(纯度99.999％)气流量控制10L/min，喷涂混合好的功能层粉，送粉量10g/min，向所述盘锥面喷涂3遍，每次间隔10min，控制盘锥面温度≤200℃；

步骤7：静置3小时后，对所述盘锥面进行激光加热，温度控制在200±10℃。

本实施例中的制备方法得到的复合涂层3的摩擦系数为0.189-0.202，表面硬度为45-50HRC。

实施例3

步骤1：按照合金成分范围准备配料：

所述冶金层配料：氧化钴30％、碳化钨15％、氧化铈5％，其它为铁；

所述功能层配料：W5％，Co5％，Ag 1％，其它成分为铁；

上述配料均为质量百分比，将合金材料混合均匀；

步骤2：气门整体在-30℃的液氮冷处理5小时；

步骤3：气门盘锥面乙醇清洗，烘干；

步骤4：利用超音速等离子喷涂系统喷涂，喷枪功率30000kW，氩气(纯度99.999％)气流量控制20L/min，喷涂混合好的冶金层粉，送粉量30g/min，向所述盘锥面喷涂7遍，每次间隔10min，控制盘锥面温度≤200℃；

步骤5：烤箱静置2小时，温度控制在180±20℃；

步骤6：再次利用超音速等离子喷涂系统喷涂，喷枪功率20000kW，氩气(纯度99.999％)气流量控制12L/min，喷涂混合好的功能层粉，送粉量12g/min，向所述盘锥面喷涂3遍，每次间隔10min，控制盘锥面温度≤200℃；

步骤7：静置3小时后，对所述盘锥面进行激光加热，温度控制在200±10℃。

本实施例中的制备方法得到的复合涂层3的摩擦系数为0.210-0.215，表面硬度为50-53HRC。

在本方案的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“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设备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方案的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本方案的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种气门的制备方法，其特征在于，所述气门包括气门头部和气门杆部，所述气门头部和气门杆部连接在一起，所述气门头部的盘锥面上设置有复合涂层，所述复合涂层包括冶金层和功能层，所述冶金层靠近所述盘锥面的基体设置，所述功能层中加入质量百分比的钨3-5%、钴5-10%和银0.1-1%，其它成分为铁；所述冶金层的成分质量百分比为：氧化钴20-30%、碳化钨15-25%、氧化铈1-5%，其它成分为铁；制备方法包括以下步骤：

A)、对气门整体进行预处理；

所述预处理具体为：气门整体在液氮内进行冷处理，然后取出气门，对气门的盘锥面进行清洗、烘干；

B)、利用超音速等离子喷涂系统，对气门的盘锥面喷涂冶金层；

C）所述冶金层喷涂完成后，气门放在烤箱静置2-3小时，温度控制在160-200℃；

D）再次利用超音速等离子喷涂系统，将功能层混合粉向所述盘锥面进行喷涂，形成功能层；

E）所述功能层喷涂完成后，静置2-3小时，对所述盘锥面进行加热，温度控制在190-210℃。

2.根据权利要求1所述的气门的制备方法，其特征在于，步骤B中所述冶金层喷涂5-10遍，每次喷涂间隔10-15min，控制所述盘锥面的温度不大于200℃。

3.根据权利要求1所述的气门的制备方法，其特征在于，所述步骤B中的超音速等离子喷涂时，喷枪的功率为30000kW，氩气的流量为15-25L/min，混合好的冶金层粉的送粉量为20-35g/min。

4.根据权利要求1所述的气门的制备方法，其特征在于，所述步骤D中的所述功能层喷涂3-5遍，每次喷涂间隔10-15min，控制所述盘锥面的温度不大于200℃。

5.根据权利要求1所述的气门的制备方法，其特征在于，所述步骤D中的超音速等离子喷涂时， 喷枪的功率为20000kW，氩气的气流量为10-15L/min，混合好的功能层粉的送粉量10-20g/min。

6.根据权利要求1所述的气门，其特征在于，所述冶金层的厚度为50-100μm。

7.根据权利要求1所述的气门，其特征在于，所述功能层的厚度为100-200μm。

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