專利名稱：具有鐵基表面加硬用合金接觸表面的內(nèi)燃機(jī)閥門的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有耐磨性好，防止氧化鉛腐蝕、抗氧化的成分成本低的鐵基表面加硬用合金。
本發(fā)明所述的合金粉末用于構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)閥門的接觸表面，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)性，并可以大量節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)閥門加工的準(zhǔn)備費(fèi)用。
本發(fā)明所述的合金粉末，特別適用于作為覆蓋內(nèi)燃機(jī)排氣閥門和進(jìn)氣閥門接觸表面的表面加硬用合金。
本發(fā)明所述的合金粉末，通常用于高溫和強(qiáng)腐蝕條件需要高性能合金的場(chǎng)合，這種特殊設(shè)施是必需的，例如閥門和相關(guān)的部分如閥門表面和插入部分直接置于內(nèi)燃機(jī)的高溫和腐蝕產(chǎn)物中。通常在循環(huán)的不同階段，這些發(fā)動(dòng)機(jī)零件必須在538℃或更高溫度的腐蝕性氣體中經(jīng)受檢驗(yàn)。
一般用于排氣閥門加工的表面加硬用合金是史特萊鐵合金，其為鈷—鉻表面加工合金，通常用于非覆蓋的奧氏體不銹鋼閥門容易受到嚴(yán)重磨損和腐蝕的其他情況。不同的史特萊合金包括STL(史特萊鐵合金)#6(參照日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1.2c-1.0Si-30Cr-4w-co剩余部分)，STL#32(1.8c-1.0Si-22Ni-26Cr-12w-co；剩余部分)的鈷基合金，具有極好的高溫抗磨損、抗氧化鉛腐蝕，抗氧化性能。然而由于鈷、鎳、鎢成本高，導(dǎo)致史特萊鐵合金價(jià)格昂貴。普通的史特萊鐵合金的非鐵成分為鈷40-80％，鎢0-25％，鉻20-35％，碳0.75-2.5％。
另一方面，一般鐵基合金相對(duì)便宜，但高溫性能不好。
將氧炔焊接處理鐵基合金用來制備發(fā)動(dòng)機(jī)閥門接觸表面，在接觸表面加工時(shí)，準(zhǔn)備的接觸表面必然帶來可能多的鑄造缺陷。
美國(guó)專利第4122817公開了一種由一種合金構(gòu)成的接觸表面的發(fā)動(dòng)機(jī)閥門，該合金具有抗磨損，抗氧化鉛腐蝕，抗氧化性能，并包括(以重量百分比表示)碳1.4-2％，鉬4.0-6.0％，硅0.1-1.0％，鎳8-13％，鉻20-26％，錳0-3.0％，余為鐵。
日本專利申請(qǐng)(未審查)N0.2-243042/1980提供了一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)閥門表面加工涂覆材料的鐵基合金粉末，其包括有(以重量百分比表示)C 1.0-2.5％，Si 0.1-1.0％，Mn 3-12％，Ni 15-25％，Cr20-30％，Mo 5-15％，B 0.005-0.05％，AL 0.01-0.1％，0；0.01-0.05％，其余為鐵和雜質(zhì)。在這種合金粉末中，相對(duì)便宜的附加物錳可提供所企望的抗腐蝕性，附加物硼在高溫下可以保證一定的流動(dòng)性，附加物鋁能保證合金微結(jié)構(gòu)的均勻性。
而且，日本專利申請(qǐng)NO 5-49802/1993(未審查)提供了一種具有一種合金層的發(fā)動(dòng)機(jī)閥門，該合金層包括(重量百分比)；Cr10-60％，C，1-8％，Mo，Ni，W，B，Si和Co的總重量占5-20％，其余為鐵，該合金層涂在奧氏體鋼的表面。
已經(jīng)證明，用本發(fā)明所述的鐵基合金構(gòu)成的閥門表面加工，比用史特萊鐵合金構(gòu)成的表面合金更好。
與史特萊鐵合金相比，特別是和日本未審查專利N02-92494/1991相比較，本發(fā)明的顯著之處在于以極低成本實(shí)現(xiàn)高水平性能。
本發(fā)明的目的在于，提供具有較高競(jìng)爭(zhēng)性但十分便宜的鐵基合金構(gòu)成的閥門表面加工。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供如下的鐵基合金，它具有較高的競(jìng)爭(zhēng)性而無需添加使合金微結(jié)構(gòu)均勻化的硼和鋁。
本發(fā)明的再一個(gè)目的在于，提供一種鐵基粉末合金成分，它只含有相對(duì)便宜的組分。
本發(fā)明的其他目的，可以從以下說明中看出。
以下參照說明書附圖，較詳細(xì)地說明本發(fā)明，其中

圖1為位于閥座上的閥門頭的局部垂直剖面圖。
圖2為借助等離子噴燈焊接工藝采用表面加硬用合金對(duì)閥門頭部加工的局部示意圖。
參照?qǐng)D1，其所示為一閥門10的部分剖面的局部視圖，閥門10包括有頭部12和桿14。頭部12具有一個(gè)與閥座表面氣密封嚙合的傾斜接觸表面16。閥門孔18為閥門嵌入件24的一部分，嵌入件24可以用比發(fā)動(dòng)機(jī)活塞部件或頭部20常用的鑄塊材料具有更好的抗腐蝕、抗磨損和硬度更大的金屬材料制成。閥門孔18通常為環(huán)狀孔，閥門嵌入件24通常為位于其中的環(huán)狀嵌入件。因此，閥門頭部12的接觸表面16應(yīng)有前述閥門嵌入件一樣好的抗腐蝕、抗磨損和硬度性能。
參照?qǐng)D2，閥門頭12可以用一個(gè)沿其圓周具有槽的閥門毛坯加工。該槽為其中的表面加硬用合金16鍍層提供一個(gè)位置。如圖2所示。本發(fā)明所述的粉末合金顆粒8由一個(gè)等離子粉末焊接裝置3供給，與等離子噴燈5一起伴隨有載流等離子氣體和防護(hù)氣體6。然后，合金源顆粒在等離子中相遇并沉積在槽中，這樣構(gòu)成了表面加硬用合金16。如圖2所示，表面硬化部分16形成，其表面在一周期中與閥門密封表面24處于氣密封嚙合嚙合狀態(tài)。因此閥門10具有以表面加硬用合金沉積構(gòu)成的接觸表面16，該合金沉積被焊接到閥門頭部的面部區(qū)域。
結(jié)果，發(fā)明者發(fā)展了一種具有內(nèi)燃機(jī)閥閥體，頭部和位于該頭部適用于周期地與閥門座氣密封嚙合的接觸表面，所述的接觸表面由焊接到該閥門頭部的金屬沉積構(gòu)成，在所述接觸表面測(cè)量的金屬沉積的成分，基本上包括如下所述的成份。
實(shí)際上，本發(fā)明所采用的閥門毛坯可以由各種普通合金構(gòu)成，其典型例子以下將詳細(xì)說明。
同樣，構(gòu)成閥門表面的粉末合金的成分和比例，可以在適當(dāng)寬的范圍內(nèi)變化。
主要的是，沉積在閥門頭部，特別是其中構(gòu)成接觸表面的粉末合金其成分重量比例為碳1.3-2.0％，鉻19-23％，鉬8-11％，鎳17-21％，錳6-13％，硅＜0.5％，氧＜0.06％，其余部分為鐵和難以避免的雜質(zhì)。
用于制備發(fā)動(dòng)機(jī)閥門接觸表面的合金粉末的每種成分受限制的原因?yàn)樘际且环N添加劑，以保證接觸表面的硬度和抗磨損性達(dá)到希望的水平。
當(dāng)碳的重量含量低于1.3％時(shí)，硬度和抗磨損性難以達(dá)到所希望的水平。而且，當(dāng)碳的重量含量超出2.0％時(shí)，接觸表面的硬度增大，而韌性降低。所以碳的重量含量最好為1.65-1.9％。
添加鉻有助于提高抗腐性，尤其是抗酸性能。當(dāng)鉻的重量含量小于19％時(shí)，抗酸性不可能達(dá)到所希望的有效程度。而且，當(dāng)鉻的重量含量超過23％時(shí)，價(jià)格昂貴的鉻會(huì)使接觸表面的制造成本明顯增加。因此，其重量含量小于21％時(shí)最為合適。
添加鉬可以確定表面的硬度和高溫強(qiáng)度，使之達(dá)到所希望的水平。當(dāng)鉬的重量含量小于8％時(shí)，其高溫硬度不足，而且也難以提供希望的抗磨損性能。當(dāng)鉬的重量含量超過11％時(shí)，接觸表面的硬度劇增，韌性減少。其次，特別是當(dāng)鉬的重量含量低于9％時(shí)，抗磨損性能是不夠的。而且當(dāng)鉬的重量含量超過10.5％時(shí)，接觸表面的硬度和韌性將受影響。
添加鎳可以改善抗氧化鉛性能和氧化鉛＋硫酸鉛性能。當(dāng)鎳的含量小于17％時(shí)，抗腐蝕性能不足。當(dāng)鎳的重量含量超過21％時(shí)，由于鎳的成本較高，將增加鐵基粉末合金的制造成本。特別是當(dāng)鎳的重量含量低于19％時(shí)，抗腐蝕性能明顯不足。
添加錳是作為一種替代鎳元素的還原劑，以便改善抗氧化鉛性能。當(dāng)錳的重量含量小于6％時(shí)，抗腐蝕性能不足，而且，當(dāng)錳的重量含量超過13％時(shí)，高溫時(shí)材料的流動(dòng)性將受影響，導(dǎo)致加工表面的故障率增加。特別是當(dāng)錳的重量含量低于11％時(shí)，抗氧化鉛性能明顯不足。
添加硅是作為一種還原劑。當(dāng)硅的重量含量超過0.5％時(shí)，預(yù)加工表面性能下降，其上出現(xiàn)小孔的可能性增加。
當(dāng)氧的重量含量超過0.06％時(shí)，出現(xiàn)小孔的可能性增加，產(chǎn)品的缺陷率也將增大。因此，最好氧的重量含量低于0.02％。
本發(fā)明所述的表面加工粉末合金可以采用已知的焊接方法，包括等離子技術(shù)和激光粉末焊接如惰性氣體保護(hù)焊。
上述過程可以自動(dòng)操作，以便表面硬化發(fā)動(dòng)機(jī)閥門高速率生產(chǎn)。
而且，本發(fā)明所述的粉末合金重量成分的最佳范圍如下碳1.65-1.9％；鉻19-21％；鉬9-10.5％，鎳19-21％，錳11-13％，硅＜0.5％，氧＜0.02％；其余部分為鐵和一些不可避免的雜質(zhì)。
本領(lǐng)域技術(shù)熟練人員知道，具有所希望的治金成分比例的接觸表面，通過相互作用的閥門毛坯臺(tái)金，焊絲臺(tái)金和焊接條件可以實(shí)現(xiàn)。這樣，在焊接期間增加供給能量時(shí)，通常稀釋，增加了冶金性能對(duì)閥門毛坯中的焊接成分的影響。相反，焊接期間供給能量的減小，降低了閥門毛坯對(duì)前述性能的有利影響，并且不得不在焊絲和其他原始焊接金屬中進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，以使接觸表面具有所希望的組成。
本發(fā)明實(shí)用的可以用作制造閥門毛坯的合金包括21-2N；元素 重量百分比C 0.50-0.60Mn 7.0-9.5Si 最多0.25N 0.20-0.40Cr 19.25-21.50Ni 1.50-2.75Fe 其余部分SuH36元素重量百分比C 0.48-0.58Mn 8.0-10.0Si 最多0.35Cr 20.0-22.0Ni 3.25-4.50N 0.35-0.50Fe 其余部分本發(fā)明通過以下閥門表面加工合金的例子作進(jìn)一步說明，但并不局限于此。
閥門毛坯系列用21-2N合金構(gòu)成，其頭部測(cè)量直徑為23.5mm，為一種通過等離子技術(shù)粉末焊接方法提供的鐵基表面加硬用合金，對(duì)每個(gè)樣品，閥座區(qū)域采用下述成分的粉末合金(見表1)焊接參數(shù)用于焊接的鐵基合金顆粒尺寸80-350目表1樣品成分(重量百分比)No.CCr Mo Ni MnSi O AlBFe1 1.3 20 820 12 0.2 0.01 - - 其余部分2 1.6 19 920 11 0.3 0.01 - - 其余部分3 1.8 20 10 20 12 0.2 0.02 - - 其余部分4 2.0 22 10 21 12 0.2 0.02 - - 其余部分5 1.8 20 10 20 12 0.2 0.02 0.02 0.01 其余部分6 2.0 23 817 60.1 0.01 0.09 0.01 其余部分每一閥門的接觸表面重量2.7克循環(huán)速度12秒焊接等離子電流(穩(wěn)定)100安等離子氬氣速率1.31/分供給粉末的氬氣速率1.01/分氬保護(hù)氣體供給速率10.01/分閥門毛坯的預(yù)加工和隨后一般生產(chǎn)之后的硬化閥門表面的后期加工，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人員是公知的。
產(chǎn)品的缺陷百分率是預(yù)加工產(chǎn)生的缺陷和完成產(chǎn)品中所形成的缺陷的總和。
預(yù)加工的接觸表面硬度在5公斤負(fù)載下由維氏(Vickers)硬度儀測(cè)出。
每個(gè)樣品閥門利用含鉛汽油(鉛1.5克/加侖)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為5400轉(zhuǎn)/分情況下經(jīng)過200小時(shí)實(shí)驗(yàn)。
發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)包括速度、載荷、定時(shí)和空氣燃料比在全部實(shí)驗(yàn)中維持不變，盡可能消除其所有變化，以節(jié)省排氣閥門表面加工粉末合金。
200小時(shí)實(shí)驗(yàn)之后，測(cè)量磨損量。如表2所示，認(rèn)為接觸表面的磨損量極小。
每個(gè)樣品在三個(gè)獨(dú)立的腐蝕實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
準(zhǔn)備的樣品是粉末合金，其直徑約為10mm，長(zhǎng)度約為12mm。
第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是氧化損壞實(shí)驗(yàn)。
在大氣壓力下，將樣品置于溫度為1000℃，經(jīng)過100小時(shí)之后，測(cè)量重量減少量。
在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，氧化鉛腐蝕實(shí)驗(yàn)過程包括將稱好的樣品與40克的氧化鉛一起放置在鉛氧坩堝中。然后在空氣中加熱坩堝一小時(shí)到920℃。冷卻后，被處理的樣品重新稱重，并確定出的毫克/厘米2表示的重量損失。
而在第三分試驗(yàn)中，6PbO＋4PbSO4實(shí)驗(yàn)利用6PbO＋4PbSO4坩堝取代PbO坩堝實(shí)驗(yàn)，并且在空氣中加熱坩堝一小時(shí)到900℃，冷卻后的樣品稱重，其重量損失用類似的方法確定。
結(jié)果如表2所示。表2樣品缺陷硬度磨損腐蝕(毫克/厘米2)NO ％ (Hv)微米 氧化 氧化鉛 硫酸鉛1 0.2 400 51.985 912 0.1 410 32.083 933 0.2 420 32.073 804 0.1 430 22.667 765 0.1 420 23.070 906 0.2 420 51.883 85實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有本發(fā)明所述的鐵基表面加硬用合金的閥門，在所述的實(shí)驗(yàn)條件下，其抗磨損和抗氧化性能與上述現(xiàn)有技術(shù)已公開的專利申請(qǐng)中所述的昂貴并看好的史特萊鐵表面加工和添加錳的鐵基合金表面加工完全可以相比。
一般來說，發(fā)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)中看好氧化鉛(PbO)和氧化鉛—硫酸鉛(6PbO＋4PbSO4)的抗磨蝕性的重量損失約90毫克/厘米2/小時(shí)。
如果不附加Al和B元素。本發(fā)明所述的用于發(fā)動(dòng)機(jī)閥門表面加工的粉末合金成分，比日本未審查的專利申請(qǐng)NO 2-92494/1991所公開的合金更有競(jìng)爭(zhēng)性。
錳的重量含量最好為11-13％。
等離子技術(shù)粉末焊接工藝用于發(fā)動(dòng)機(jī)閥門接觸表面的預(yù)制，但其他惰性氣體保護(hù)焊接工藝如激光粉末焊接方法也可以采用，能產(chǎn)生類似的焊接結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明所述的粉末合金用于發(fā)動(dòng)機(jī)閥門接觸表面結(jié)構(gòu)，甚至在添加鉛和硼的情況下都具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)性，結(jié)果節(jié)省預(yù)制費(fèi)用。
本發(fā)明可以提供高硬度，強(qiáng)抗腐蝕性的接觸表面。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機(jī)閥門，包括有閥體、頭部和位于頭部上的與閥座周期地進(jìn)行氣密封嚙合的接觸表面，接觸表面由焊接在該閥門頭部的金屬沉積物構(gòu)成，經(jīng)測(cè)量的沉積在接觸表面上的所述金屬沉積物的基本成分為(重量比)碳1.3-2.0％；鉻19-23％；鉬8-11％鎳17-21％；錳6-13％；硅＜0.5％；氧＜0.06％；其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述閥門，其特征是在接觸表面所測(cè)出的金屬沉積物基本成分最好(重量比)為碳1.65-1.9％鉻19-21％鉬9-10.5％鎳19-21％錳11-13％硅＜0.05％氧＜0.02％其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
全文摘要
一種內(nèi)燃機(jī)閥門，包括有閥體，頭部，和位于頭部上的用于與閥座周期地進(jìn)行氣密封嚙合的接觸表面，該接觸表面由焊接在該閥門頭部上的金屬沉積物構(gòu)成，所述接觸表面所測(cè)出的成分，除鉛和硼可以任意外，其他基本成分為(重量比)碳1.3-2.0％，鉻19-23％，鉬8-11％，鎳17-21％，錳6-13％，硅＜0.5％，氧＜0.06％，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)。
文檔編號(hào)C23C30/00GK1126768SQ9510189
公開日1996年7月17日 申請(qǐng)日期1995年1月14日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月22日
發(fā)明者見目武司, 濱田章宏 申請(qǐng)人:富士烏茲克斯株式會(huì)社