一種內(nèi)燃機(jī)氣門挺柱及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)械制造領(lǐng)域，特別涉及氣門挺柱的制造領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣門挺柱是內(nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，是凸輪機(jī)構(gòu)中的從動件，主要用于將與其 工作面直接接觸的凸輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為其柱體在豎直方向上的升降，并將凸輪升程中產(chǎn)生地 對柱體的推動直接或間接地傳遞至氣門機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)氣門的準(zhǔn)時開閉。此外氣門挺柱的 其它作用還包括降低配氣機(jī)構(gòu)的噪聲、調(diào)整氣門間隙等等。
[0003] 氣門挺柱一般安裝于氣缸體或氣缸蓋上相應(yīng)出鏜出的導(dǎo)向孔中，根據(jù)其工作面的 形態(tài)或工作面與柱體組成的整個部件的形態(tài)來區(qū)分，常見的氣門挺柱包括菌形挺柱、平面 挺柱、筒形挺柱、滾輪挺柱等，因其工作環(huán)境與功能的特殊性，這些氣門挺柱在內(nèi)燃機(jī)上應(yīng) 用時均需要滿足特別的力學(xué)性能。如燃燒室的高溫會經(jīng)氣門直接或間接傳遞到氣門挺柱 上，因此氣門挺柱的材料需要耐高溫，同時為了適應(yīng)頻繁的溫度變化，材料需要有較好的溫 度疲勞性；氣門挺柱需要長期的穩(wěn)定的進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，其在與凸輪的接觸中除了摩擦作用 外還會受到明顯的側(cè)向力，這些情況均需要材料具有一定的強(qiáng)度，以免在使用中出現(xiàn)不可 控的形變；此外氣門挺柱與凸輪間既存在長期的滾動摩擦，也存在長期的滑動摩擦，這種周 期性的應(yīng)力作用，使得挺柱的工作面極易出現(xiàn)疲勞磨損，進(jìn)一步出現(xiàn)由于疲勞剝落、犁溝切 肖IJ、磨料磨損等形式導(dǎo)致的工作失效，這種情況要求材料的工作面需要較高的強(qiáng)度與硬度。
[0004] 傳統(tǒng)的氣門挺柱多采用鎳鉻合金鑄鐵，冷激合金鑄鐵或模具鋼制造，如授權(quán)公告 號為CN100360699C的中國專利文件《一種合金激冷鑄鐵氣門挺柱》中提出了一種使用冷激 合金鑄鐵的氣門挺柱，但使用這種方法制備得到的氣門挺柱仍然受到了材料本身性能的限 制，不能滿足更高的力學(xué)性能的要求；另一方面若采用鎳鉻合金或模具鋼，則會極大地提高 生產(chǎn)成本，降低性價比。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明希望提出一種機(jī)械性能優(yōu)異，特別是耐磨性、抗 咬合性、抗摩擦性、表面硬度優(yōu)異，生產(chǎn)成本較低的內(nèi)燃機(jī)氣門挺柱，本發(fā)明同時公開了這 種氣門挺柱的制造方法。本發(fā)明借由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述目的： 一種內(nèi)燃機(jī)氣門挺柱的制造方法，該方法依次包括工件氣門挺柱的粗加工、熱處理、表 面處理、第一次精密加工、端面涂層、第二次精密加工、清洗防銹的過程，按此過程最終制備 得到內(nèi)燃機(jī)的氣門挺柱，本方法中作為工件的內(nèi)燃機(jī)氣門挺柱使用高碳鉻軸承鋼（GCr 15) 材料，材料的成分與含量(wt%)情況如下：
本方法適用于除滾輪挺柱外的其它常見氣門挺柱，這些氣門挺柱通常包括一個可與凸 輪表面直接接觸并與之共同形成摩擦副的端面，亦即氣門挺柱的工作面，和一個與端面直 接相連的中空柱體，該柱體用于固定推桿等構(gòu)件，從而實(shí)現(xiàn)將凸輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為推桿的上 下運(yùn)動。
[0006] 本方法所述的粗加工為將GCrl5材料通過機(jī)床加工成氣門挺柱的形態(tài)，并將除氣 門挺柱的端面、其柱體的外圓之外的其它位置加工至成品所需的尺寸和精度的過程。
[0007] 在粗加工后將工件進(jìn)行熱處理以特別提高其端面的耐磨性、抗咬合性、抗摩擦性 與表面硬度，所述熱處理需滿足GCrl5材料經(jīng)過該熱處理的過程后金相組織為均勻分散的 80~85%的板條狀馬氏體，10%~15%的奧氏體，與少于6%的未溶碳化物顆粒組成，其中所 述板條狀馬氏體的每個晶體單元呈窄而細(xì)長的板條，所述板條自奧氏體與馬氏體的晶界向 馬氏體晶內(nèi)相互平行排列成群，板條束則為慣習(xí)面相同的平行板條組成，所述板條的寬度 為0. 1~0. 2微米，長度為5~8微米。
[0008] 馬氏體機(jī)械性能的顯著特點(diǎn)是具有高硬度和高強(qiáng)度，其它特性主要取決于馬氏體 的亞結(jié)構(gòu)；從宏觀特性來看，片狀馬氏體具有高強(qiáng)度、高硬度，但韌性很差，材料呈現(xiàn)出硬而 脆的特征，在摩擦中材料極易被磨損，導(dǎo)致犁溝切削、磨料磨損等失效效果容易產(chǎn)生；而板 條狀馬氏體的韌性極大地優(yōu)于片狀馬氏體，具有較高的韌性和塑性；從微觀結(jié)構(gòu)來看，片狀 馬氏體中存在的孿晶亞結(jié)構(gòu)極大地減少了有效滑移系，在進(jìn)行回火時，其中的碳化物沿孿 晶不均勻析出，導(dǎo)致脆性增大，此外，片狀馬氏體中含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，晶格畸變大，淬火應(yīng) 力大，結(jié)構(gòu)中存在大量的顯微裂紋，這些特點(diǎn)均會加大脆性；而板條馬氏體中含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù) 低，碳化物分布均勾，可以發(fā)生"自回火"，在胞狀位錯亞結(jié)構(gòu)中位錯分布不均勾，存在低密 度位錯區(qū)，為位錯提供了活動余地，位錯運(yùn)動能緩和局部應(yīng)力集中，以上特點(diǎn)都使板條狀馬 氏體具有了優(yōu)良的韌性與塑性。當(dāng)希望具有板條狀馬氏體結(jié)構(gòu)的材料作為內(nèi)燃機(jī)氣門挺柱 應(yīng)用時，一方面需要其本身優(yōu)良的韌性與塑性，另一方面也需要保障或提高其強(qiáng)度與硬度， 因此需要對材料的加工工藝進(jìn)行合理的設(shè)計，以使所得的板條狀馬氏體達(dá)到最優(yōu)的微觀尺 寸與結(jié)構(gòu)，使材料的韌性/塑性與強(qiáng)度/硬度均達(dá)到最優(yōu)。
[0009] 經(jīng)過熱處理后的工件再進(jìn)行表面處理，所述表面處理是將工件放入表面處理機(jī) 中，采用Φ0. 3mm的鋼丸進(jìn)行拋丸處理，處理時間為40~60分鐘，表面處理是通過鋼丸撞 擊工件表面，以去除工件表面的氧化皮，同時增加工件表面強(qiáng)度。
[0010] 為了保證所述氣門挺柱與其它部件的良好配合，減少磨損，減少凸輪作用于挺柱 工作面上的剪切力，工件需要進(jìn)行兩次精密加工，其中第一次精密加工主要是針對作為工 作面的工件端面，需將其加工至成品可以良好使用的精度，同時也對柱體的外圓進(jìn)行半精 加工。
[0011] 在完成第一次精密加工后，工件的端面達(dá)到了較高的精度，但仍需進(jìn)一步地進(jìn)行 涂層處理，即所述的端面涂層，涂層的過程即為在工件的端面上附著一層具有保護(hù)作用及 提尚力學(xué)性能的月旲。
[0012] 此后再進(jìn)行第二次精密加工，至整個工件達(dá)到使用要求的精度，得到成品內(nèi)燃機(jī) 的氣門挺柱。
[0013] 在金屬學(xué)上，金相結(jié)構(gòu)的獲得是一個復(fù)雜的過程，僅僅依靠理論或有限的實(shí)驗是 無法設(shè)計出與金相結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的熱處理過程，因此本發(fā)明進(jìn)一步提出了一種與上述制造方 法相對應(yīng)的、特別設(shè)計的優(yōu)選熱處理方式，即將經(jīng)過粗加工的工件整體升溫至850± KTC， 保溫40~60分鐘后取出迅速進(jìn)行淬火，淬火后于30分鐘內(nèi)進(jìn)行冷處理，所述冷處理為將 其冷卻至-80°C~_60°C，保溫40~60分鐘，其后再進(jìn)行回火處理，所述回火處理的溫度為 165°C~185°C，保溫1~2小時。
[0014] 上述熱處理過程不僅提高了挺柱整體的強(qiáng)度與硬度，得到了端面希望獲得的金相 結(jié)構(gòu)，同時也使得端面與后續(xù)經(jīng)過涂層處理得到的涂膜具有更優(yōu)良的結(jié)合效果。
[0015] 其進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施方式為：所述冷處理中的冷卻速率為3~5°C /min。
[0016] 上述制造方法及其優(yōu)選的實(shí)施方式的另一種優(yōu)選為：經(jīng)過熱處理后，所述工件的 端面，即其工作面的淬硬層深度> 1mm，所述工作面硬度多64. 5HRC。
[0017] 上述制造方法的另一優(yōu)選實(shí)施方式為：所述的第一次精密加工為將經(jīng)過表面處理 的工件的端面，即其工作面進(jìn)行完整的精密機(jī)加工，同時將工件的外圓進(jìn)行半精加工，至所 述工件的外圓圓柱度彡〇.〇〇4mm，外圓表面粗糙度彡RaO. 4 μπι;所述工件的端面與外圓圓 跳動< 0. 02mm，端面的表面粗糙度彡RaO. 2 μ m。
[0018] 所述制造方法的另一優(yōu)選實(shí)施方式為：所述端面涂層的為在所述工件的端面形成 CrN與a-C: H復(fù)合膜的過程。
[0019] 其進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施方式為：所述端面涂層采用真空氣相磁控濺射的方法，于 Ar、N2、C2H2氛圍下使用Cr、WC作為濺射的靶材，將所述靶材濺射沉積于工件端面，濺射溫度 維持于180~200°C，濺射時間為10~15小時。
[0020] 其更進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施方式為：所述的端面涂層中Ar、N2、C2H 2的體積比為 1. 5:3:20,所述Cr與WC的質(zhì)量比為5:3,所述Cr在Ar、N2、C2H2形成的混合氣體中的濃度 為 15 ~25g/L。
[0021] 其更進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施方式為：所述的端面涂層的涂層厚度為0. 003~0. 005mm， 經(jīng)過端面涂層處理后工作面的表面硬度多2000HV，表面粗糙度< RaO. Ιμπι，摩擦系數(shù) 彡0. 05,所述涂層與工件基體的結(jié)合力為HFl~2級。
[0022] 本發(fā)明進(jìn)一步提出了一種內(nèi)燃機(jī)氣門挺柱，其由上述制造方法及任一優(yōu)選實(shí)施方 式制造得到，因此該內(nèi)燃機(jī)氣門挺柱滿足上述所有優(yōu)選實(shí)施參數(shù)和對應(yīng)的性能。
[0023] 本發(fā)明提出的上述技術(shù)方案通過采用高碳鉻軸承鋼（GCrl5)材料經(jīng)最佳的熱 處理方案與最佳的涂層處理方案得到了一種綜合性能優(yōu)良的內(nèi)燃機(jī)氣門挺柱，按GB/ T19055-2003《汽車發(fā)動機(jī)可靠性試驗方法》，本發(fā)明制得的其中一種外徑為Φ28πιπι，長度 為56mm的筒狀氣門挺柱經(jīng)過裝機(jī)，用于玉柴6J220-46型發(fā)動機(jī)上，經(jīng)600小時冷熱沖擊試 驗及500小時發(fā)動機(jī)三超(超轉(zhuǎn)速、超負(fù)荷、超爆壓）可靠性試驗驗證，其平均可降低配氣系 統(tǒng)摩擦損失13~30%，降低摩擦平均有效壓力（FMEP) 0. 051bar以上，降低發(fā)動機(jī)消耗功 率0. 5KW以上，在3萬公里裝機(jī)道路試驗中，挺柱工作面磨損量僅為0. 002~0. 003mm，其基 體未出現(xiàn)任何明顯磨損。以上說明本發(fā)明制造的內(nèi)燃機(jī)氣門挺柱明顯提高了挺柱與凸輪接 觸面的抗摩擦性、抗咬合性、抗耐磨性，其可替代使用鎳鉻合金鑄鐵或模具鋼制造的氣門挺 柱，較大地降低了材料成本，減少了故障率，提高了使用壽命。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 實(shí)施例1 選擇GCrl5材料進(jìn)行粗加工，至工件成形為氣門挺柱，且除端面、柱體的外圓之外的其 它位置均加工至成品所需的尺寸和精度，其后將基本成形的