CN1283759A - 钛合金提升阀及其表面处理 - Google Patents

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Abstract

一种在车辆内燃机中使用的提升阀包括一个含有阀杆和在所述阀杆一端的阀盖的阀体。在阀体与其它阀门工作件接触的部分上形成氧化层。在氧化层上形成覆盖整个表面的渗碳层,来提高阀门的耐磨性和抗疲劳强度。

Description

钛合金提升阀及其表面处理
本发明涉及具有改进的耐磨性和强度的钛合金提升阀及其表面处理。
增加发动机容许转速的最大困难在于会由于阀门工作零件重量增加而使得惯性质量增加。如果阀门工作零件的整体重量增加，那么阀体对于凸轮的跟随性会在高速旋转过程中由于惯性质量而降低，从而降低马达的输出性能。
因此，提升阀可以用低密度的耐热Ti合金来代替传统的耐热钢模制而成，来降低其重量。然而，钛合金具有活性，容易和其它金属粘结到一起。耐磨性和抗疲劳强度也不足够高。对钛合金阀门表面进行表面处理如氮化或镀Ni来提高耐磨性。
氮化阀门具有高强度或硬度以及耐磨性，但是太硬，会损害其它零件。需要替换与阀门接触的其它零件的制造材料，这会增加其制造成本。镀Ni阀门不具备足够高的耐热性，不适合作排放阀门。
考虑到这些缺点，本发明的主要目的是提供一种具有改进的耐磨性和强度而不需要氮化或电镀的钛合金提升阀。
本发明的另一目的是提供一种对本提升阀进行表面处理的方法。
通过下述附图所示的实施例的详细说明，本发明的特征和优点会变得很明显。这些附图包括：
图1是按照本发明的提升阀沿中心垂直截面的正视图；
图2是一个磨损测量仪的正视图；
图3是表示测试结果的曲线图。
图1表示钛合金提升阀。阀体3包括阀杆1和在下端的阀盖2，阀体3由Ti-Al合金模制而成，如α相的Ti-5Al-2.5Sn合金、(α+β)相的Ti-6Al-4V合金或者是由(α+β)相构成的Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金，其中Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金含有少量的或低于10％的β相(在α附近)。
含TiO2且厚度为10～15μm的氧化层4形成于要求高耐磨性和高抗疲劳强度的部分的表面上，如与阀门座接触的阀门面5、在阀门滑道上滑动装配的阀杆1的中间部分6、楔形销装配到其上面的环形槽口7、摇臂或挺杆装配到其上面的的端面8。在氧化层4和阀体3之间的边界层4a具有针状晶体结构。
氧化层4通过加热丙烷和天然气到预定温度而氧化表面层来形成。氧化层4可以通过高频感应加热器形成。
氧化层4形成后，通过在阀体3的整个表面上渗碳，形成含Ti且厚度为3～5μm的渗碳层9。利用高能密度加热器如等离子体、激光和电子能束在低于相变点以下的某温度如800℃加热阀体3表面，再通过气体渗碳来扩散碳原子，从而形成渗碳层9。
高能密度加热器如等离子体只是在短时间内局部加热表面，可防止热量传递到其内部，从而防止阀体3的材料变化因而不会降低其抗疲劳强度。这也有利于减少渗碳时间。
渗碳层9可以形成后，再在其内部形成氧化层4。在这种情况下，通过乙炔气体向材料中气体渗碳，来进行氧化，这样促进氧化步骤。
如上述实施例执行的那样，阀体由α相、(α+β)相、(α+β)相构成且含有少量β相的Ti-Al合金制造，在其表面形成渗碳层9，这样阀体3利用阀体3中的等轴组织结构来强化，来增加其拉伸塑性和抗疲劳强度。仅通过形成渗碳层9可增加抗疲劳强度约20％。
并且，氧化层4形成于阀门表面5与其它阀门工作件接触的部分，在其下面的边界层9a部分形成针状晶体结构，这样显著增加了表面层的耐磨性和韧性，但不降低整个阀体3的抗疲劳强度。
与传统的氮化层相比，氧化层9不那样硬，这样不会增加对其它阀门工作件的危害。
本发明者制作了表面经过处理的样品，并对样品进行了耐磨性测试。下面说明磨损测试仪和如何进行测试。
图2表示Crossbar测试仪，它包括马达10、在马达10的轴10a端部上方上下移动的样品固定夹具11、在固定夹具11上的平衡块12。
在轴10a的端部，同心安装了一个其外周表面经过研磨和去油处理的盘状钢片13。然后，在固定夹具11下表面上，安装一个经过去油处理并具有平整下端面的样品14。样品14的下表面和钢片13的上表面配合。在固定夹具11的上表面上安装一个1kg重的平衡块12，并且马达10以固定速度旋转钢片13。每次添加500g的平衡块，钢片在样品14上滑动50m长度，这个长度由马达的转动和钢片的外径决定。
当在样品14和钢片13之间出现咬合和磨损或滑动距离达到350m时，测试结束。
测试结果表示在图3。样品“A”表示表面没有硬化处理的普通Ti-Al合金；“B”表示表面形成渗碳层的Ti-6Al-4V合金；“C”表示表面形成渗碳层的Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金；“D”表示“B”表面还有氧化层的样品；“E”表示“C”表面还有氧化层的样品。
如图3所示发生咬合的距离，只有渗碳层的样品“B”和“C”比没有硬化处理的样品“A”要好一些，在样品“B”和“C”基础上具有氧化层的样品“D”和“E”就更好了。特别是，样品“E”Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo即使滑动了350m也没出现咬合，具有明显高的耐磨性。
如上所述，在本发明中，氧化层4仅仅在与其它阀门工作件配合的部分形成并形成针状晶体结构，而渗碳层9在阀体3的整个表面上形成来提高整体耐磨性和和抗疲劳强度。这样，在不降低阀体3本身的抗疲劳强度的同时，可以改善表面层的耐磨性和韧性。
考虑到阀体3直接在表面氧化，但是由于表面反射率而难于获得上述氧化层，必须延长处理时间。这样，加热区增加，并且针状晶体结构增加，降低了阀体的抗疲劳强度。
在氧化前，在激光束工艺中使用的碳分散膜可以施加到阀体3表面上。这样即使渗碳层9很薄也能形成。
本发明并不限定在上述实施例。在上述实施例中，氧化层4形成于同其它阀门工作件接触的部分上面，并且下边界层4a形成针状晶体结构。可是也可以形成没有上述针状晶体结构的氧化层4。
在上述实施例中，阀体3可以由α相、(α+β)相、或由(α+β)相构成且含有极少量β相的Ti合金制造，但也可以使用含β相的Ti合金。
在不脱离本发明权利要求范围的前提下，本领域技术人员可以进行各种修正和改变。

Claims (15)

1．一种钛合金提升阀，包括一个含阀杆和在所述阀杆一端的阀盖的阀体；形成于阀体与其它阀门工作件接触的部分上的氧化层；形成于要求高耐磨性和高抗疲劳强度的阀体表面上的所述氧化层上的渗碳层。
2．如权利要求1所述的钛合金提升阀，其特征在于所述的其它阀门工作件包括摇臂、挺杆、凸轮、楔形销、阀门滑道或阀门座。
3．如权利要求1所述的钛合金提升阀，其特征在于所述的渗碳层形成于阀体的整个表面上。
4．如权利要求1所述的钛合金提升阀，其特征在于在所述氧化层下面形成针状晶体结构。
5．如权利要求1所述的钛合金提升阀，其特征在于所述阀体由钛合金制造，该钛合金包含α相、或(α+β)相、或者含有少量β相的(α+β)相。
6．一种处理含阀体的钛合金提升阀表面的方法，所述方法包括：
在氧气氛下对阀体同其它阀门工作件接触的表面加热，来形成氧化层；
在低于相变点的温度下加热要求高耐磨性和高抗疲劳强度的阀体表面，来进行渗碳形成渗碳层。
7．一种处理含阀体的钛合金提升阀表面的方法，所述方法包括：
在低于相变点的温度下加热要求高耐磨性和高抗疲劳强度的阀体表面，来进行渗碳形成渗碳层；
在氧气氛下对阀体同其它阀门工作件接触的表面加热，来形成氧化层。
8．如权利要求6或7所述的方法，其特征在于所述渗碳为气体渗碳。
9．如权利要求6或7所述的方法，其特征在于所述的其它阀门工作件包括摇臂、挺杆、凸轮、楔形销、阀门滑道或阀门座。
10．如权利要求6或7所述的方法，其特征在于所述的渗碳层形成于阀体的整个表面上。
11．如权利要求6或7所述的方法，其特征在于在所述氧化层下面形成针状晶体结构。
12．如权利要求6或7所述的方法，其特征在于所述阀体由钛合金制造，该钛合金包括α相、(α+β)相、或者含有少量β相的(α+β)相。
13．如权利要求6或7所述的方法，其特征在于所述渗碳利用高能密度加热器进行。
14．如权利要求6或7所述的方法，其特征在于所述高能密度加热器包括等离子体、激光或电子能束。
15．如权利要求6或7所述的方法，其特征在于所述氧化层利用含氧的火焰来形成。
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