CN1187516C - 钛合金提升阀 - Google Patents

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Abstract

Ti合金提升阀包括阀体和阀头，并作为吸气或排气阀在汽车的内燃机中使用，通过以很微小的量输入加热炉中并且加热，O2被引入阀中，将氧原子引入到阀的钛中，以形成没有氧化钛的Ti-O填隙固态溶体。使阀变得坚固，增加了硬度和耐磨性。

Description

钛合金提升阀
技术领域
本发明涉及一种钛合金提升阀及其制造方法。
背景技术
为降低惯性质量改进发动机性能，内燃机中的吸气和排气阀由钛合金制成以代替耐热钢，但是Ti易于与其它元素如氧结合并且耐磨性不够。
在钛合金提升阀的表面，如由日本专利第3,022,015号公开的氮化和氧化，如由美国专利第5,466,305号公开的渗碳或者镀镍都被用于增加其耐磨性。
氮化或者氧化的阀具有足够的耐磨性，但硬度太高，以使它容易破坏其他元件。需要改变与阀啮合的阀工作部分的材料，这样增加了成本。
在氧化过程中，工件置于高温，提供在大气压下750-800℃的空气或氧气，造成氧扩散得太快，因此形成一层容易脱离的坚硬而脆的氧化层如TiO2和Ti2O3。
通过在阀表面渗碳以达到足够的耐磨性是困难的。用在阀中镀镍的方法，其耐热性不够并且不适合用于排气阀。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的是提供一种耐磨性显著提高的钛合金提升阀。
本发明的目的是提供一种包括阀体和阀头的Ti合金提升阀，所述阀具有一表面层，它包括在Ti中氧原子的填隙固态溶体的氧扩散层，其特征在于，在氧扩散层中氧原子与总原子数的比率是4到12％。
本发明的另一目的是提供一种耐磨性显著提高的钛合金提升阀的制造方法。
按照本发明的一个构思，所提供的钛合金提升阀包括阀杆和阀头，所述阀具有在钛中包括氧填隙的固态溶体的氧扩散层的表面层。
按照本发明的另一个构思，提供一种制造钛合金提升阀的方法，所述方法包括以下步骤：
在炉中输入氧气，保持其密度小于用于在炉中形成氧化钛所需的化学当量，和
在700℃到840℃的温度下加热所述阀1到4小时，使得氧原子进入阀的钛中，形成Ti-O填隙固态溶体以增加了阀的耐磨性，阀表面区域的氧密度较好是1.10×10-7g/cm2，到1.47×10-6g/cm2。
如果氧密度小于1.10×10-7g/cm2，硬度不够，如果氧密度大于1.47×10-6g/cm2，氧与钛结合，形成氧化钛。
如果温度低于700，氧不能充分扩散到钛合金中，并且不能达到所需的硬度。如果温度高于840，提升阀易变形且不适于实际生产使用，在750℃到800℃这个范围是较好的。
如果时间少于1小时，那么不能达到所需的硬度，并且如果多于4小时，处理时间太长，阀的生产率降低。在2到3小时这个范围是较好的。
由本发明生产的提升阀，增加其耐磨性和耐用性。
附图说明
本发明的特点和改进通过下面结合附图详加描述的实施例更多地显示出来。其中：
图1是提升阀的正视图；
图2是图示如何形成氧扩散层的简图；
图3是图示氧扩散后氧充满阀表面的图表；
图4是图示显示如何形成氧和碳扩散层的简图；
图5是图示氧和碳扩散后氧和碳含量与阀表面深度的关系的图表；
图6是图示氧扩散后阀硬度的图表；
图7是图示氧扩散和渗碳后阀硬度的图表；
图8是磨损测试仪如何测试的正视图；
图9是通过磨损测试仪测试工件的测试结果的图表；
图10是弯曲测试仪的主视图。
具体实施方式
图1举例说明钛合金提升阀1，阀体4包括阀杆2和阀头3，并由Ti-6Al-4V的α-β合金制成，它也可以由以下合金制成：α合金，如Ti-5Al-2.5Sn，Ti-6Al-6V-2Sn和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo；近α合金，包括小于10％β相的α-β合金，如Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo和Ti-8Al-1Mo-1V-2Sn；或β合金，如Ti-13V-11Cr-3Al和Ti-15Mo-5Zr-3Al。
进行表面处理使阀体4的耐磨部分如阀端面5，与阀导向部分(未画出)啮合的阀杆2的啮合部分，销槽7和阀杆端面8变硬。
如图2所示，如上所述Ti合金提升阀1置于真空加热炉1中，氧密度，时间和温度由在阀体4表面形成氧扩散层的要求限定。在本发明的实例和比较例中，氧密度的含义是相对于阀所有表面区域的氧的含量。
为避免形成氧化钛，氧密度被设为非常小，其总量小于形成氧化钛所需的化学当量。
加热温度设计为小于995℃，Ti-6Al-4V的β转化点，因此，防止由于形成针状晶体的Ti合金而减小韧性。
例1：
提升阀在氧密度为1.10×10-7g/cm2的环境下，在750℃的温度下，加热4小时，并且在氮气中冷却到室温。这样生产的阀硬度好，变形小。
例2：
提升阀在氧密度为2.83×10-7g/cm2的环境下，在800℃的温度下，加热3小时，并且在氮气中强制冷却到室温。这样生产的阀硬度好，变形小。
例3：
提升阀在氧密度为1.42×10-6g/cm2的环境下，在700℃的温度下，加热2小时，并且在氮气中强制冷却到室温。这样生产的阀硬度好，变形小。
例4：
提升阀在氧密度为1.47×10-6g/cm2的环境下，在800℃的温度下，加热3小时，并且在氮气中强制冷却到室温。这样生产的阀硬度好，变形小。
下面是比较例：
比较例1：
提升阀在氧密度为1.08×10-7g/cm2的环境，700℃的温度下，加热2小时，并且在氮气中强制冷却到室温。这样生产的阀变形小，但硬度不高。
比较例2：
提升阀在氧密度为1.50×10-6g/cm2的环境，800℃的温度下，加热3小时，并且在氮气中强制冷却到室温。其变形小，但氧密度太大，以使氧原子与Ti反应，在阀表面形成氧化膜，如TiO2，因此减小了硬度。
比较例3：
提升阀在氧密度为1.40×10-7g/cm2的环境，850℃的温度下，加热2小时，并且在氮气中强制冷却到室温。由于温度高，阀的变形太大，因此这种阀不适合实际应用。
如图3所示为由场发射俄歇电子光谱仪测量的例1到4中每一深度氧含量的平均值。从提升阀表面向其内部的深度由横坐标轴表示，氧密度由纵坐标轴表示。氧含量的单位“原子的％”代表“氧原子数与预计总原子数的比”。
氧化钛没有被X射线衍射仪检到，这样，氧原子没有与钛结合，而是在钛中仍保持原子状态，从而形成填隙固态溶体。
图6所示为一图表，其中横坐标轴表示深度，单位为μm，纵坐标轴表示硬度，单位为Hv。图中表示本发明例1到4的硬度平均值和一个未处理的阀硬度的图表，它们的硬度由(Shimazu)株式会社，一个日本的株式会社生产的微-威氏硬度仪测定。
如图表所示，在深度为50μm时具有350Hv的硬度，由本发明处理的阀硬度为500到630Hv，显然具有高硬度。
由于深度为50μm的提升阀被用于内燃机中，需要适当的耐磨性和硬度。在图3中，如果在深度大约为50μm处氧含量保持4到12％，可获得足够的耐磨性和硬度。
如果其表面氧含量超出12％，硬度增加，但变得很脆，所以最好设定为上限数值。
下面将描述通过在阀的钛中输入氧和碳原子的阀体的表面处理。
将包括阀杆和阀头的Ti合金阀放入包括小于形成氧化钛的氧化学当量的等离子真空加热炉中，并且在预定时间内输入温度小于Ti合金的β转化点的渗碳气体。因此，氧和碳原子被输入到阀的表面，以形成在Ti合金中氧原子和C的填隙固态溶体，使阀表面变硬。
例5：
Ti-6Al-4V合金经热锻造形成阀体，将其放入等离子加热炉中，如图4所示，图中标号101表示渗碳气体进入的方向。在炉中输入氧气，且阀表面区域的氧密度保持1.83×10-7cm2，在800℃加热阀3小时。
然后，输入丙烷气体，在炉中进行辉光放电，使碳原子渗入Ti合金阀中。这样制成的阀硬度好并且变形小。
图5中所示阀中深度与氧和碳含量的关系，图7中表示硬度和深度的关系。
通过由X射线衍射仪进行X射线衍射，发现在阀体中有TiC，但是没有发现氧化钛。在图5中，氧原子没有与钛结合，在Ti中保持原子状态。碳原子一部分与钛结合形成TiC，但是剩下的以原子状态渗入Ti中。
在图7中，例5中的阀比相同材料制成未经处理的阀硬度高，特别是在深度为15μm处的硬度是530Hv。可实现减小对其他物质的破坏和增加其耐磨性。
比较图6和图7，图7中接近表面的硬度比图5中的硬度低。如果除了氧扩散也进行渗碳，硬度不很高，因此可减小对其他物质的破坏。
本发明对有氧扩散层，在Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金中有氧和碳扩散层的工件进行磨损实验。
下面将说明磨损实验及其实验方法。
图8是纵横磨损实验仪包括一个水平电机11，一个安装在轴11a端部，可纵向移动的夹持要测工件的固定夹具12，和一个放在固定夹具12上的砝码13。
由钢制成的如金属锻造的盘形芯片磨成光滑的外圆周表面，除油，并且同轴地安装在轴11a的端部。然后，一个有光滑下表面的去油的实验部件15安装在固定夹具12的下表面上，其下表面与芯片14的上表面啮合。1kg的砝码13放在固定夹具12的上表面上，电机11以固定的速度驱动芯片14旋转。砝码13每次添加500g，芯片14和部件15移动50m，检测电机的转数和芯片的外径。
当在实验部件15和芯片14之间发生滞塞(seizure)或擦伤或者部件下滑350m时，停止实验。
图9显示上述实验得到的结果。
在图9中，(A)和(B)是表面未经处理的Ti-6Al-4V和Ti-6AL-2Sn-4Zr-2Mo，相应地；(C)和(D)是经过氧化的上述两种合金；(E)和(F)是包括氧扩散层的上述两种合金；及(G)和(H)是有氧和碳扩散层的上述两种合金。
如图9所示，在应用了本发明的(E)到(H)的实验中比未经表面处理的(A)和(B)滞塞距离显著增加。相似地经过氧化的(C)和(D)，即使它们下滑350m，没有滞塞发生，其耐磨性明显提高。上述实验清楚表明提升阀的耐磨性被显著提高。
如图10所示，由本发明，制作具有直径为6mm的实验工件16并进行上述处理。在其中间加上载荷同时支撑两个端部，工件弯曲约1mm。检查其表面层的情况。标号102表示加载荷的方向。
在经过氧化的实验工件中，表面层产生了脱离现象。经过氧扩散的实验工件中，表面层产生了裂纹，及在经过氧扩散和渗碳的实验工件中，没有异常变形产生。
就上述结果而言，当实验工件经过氧化时，由于在其表面形成的氧化物硬且脆使其脱离。当实验工件只有氧扩散层时，由于其表面层的硬度太高使其产生裂纹，当实验工件经过氧扩散和渗碳时，由于稍微减小了表面层的硬度而得到满意的效果。
本发明也可用于Ti-Al金属间的化合物。
上述只是关于本发明实施例，本领域的技术人员在没有脱离权利要求所述范围的条件下可进行各种改进和变化。

Claims (5)

1、一种包括阀体和阀头的钛合金提升阀，所述阀具有一表面层，它包括在Ti中氧原子的填隙固态溶体的氧扩散层，其特征在于，在氧扩散层中氧原子与总原子数的比率是4到12％。
2、如权利要求1所述的钛合金提升阀，其特征在于，所述氧扩散层还包括碳原子。
3、如权利要求1所述的钛合金提升阀，其特征在于，所述氧扩散层的深度是50μm。
4、如权利要求1所述的钛合金提升阀，其特征在于，所述阀由α-βTi合金制成。
5、如权利要求4所述的钛合金提升阀，其特征在于，所述α-βTi合金是Ti-6Al-4V。
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