專利名稱：具有硬襯面的閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種閥，特別是一種用于內(nèi)燃機的排氣閥，它包括一個可移動的閥件，該閥件有一個鎳基金屬合金的閥座斷面。
多年來，在內(nèi)燃機的排氣閥中，所選擇的閥座斷面的金屬成份對內(nèi)燃機工作可靠性和排氣閥的壽命，以及必要的維修工作方面起到了很大的作用。
在內(nèi)燃機中，工作缸中的燃燒產(chǎn)生由硬顆粒組成的焦化殘渣，這些殘渣通過排氣閥被排出去。但有時這些殘渣會被卡在閉合的閥座之間，從而可能在閥座表面上產(chǎn)生凹痕。所述的凹痕最初以眾所周知的方式可引起局部泄漏，而后就可引起大面積燒壞，閥座表面受到腐蝕損壞。
所希望的閥座材料最好具有足夠的硬度以減少或阻礙凹痕的形成。在最近幾年，在大多數(shù)使用重柴油的柴油機中做過許多嘗試，用鎳基硬襯面金屬合金50來制造該閥座面。該金屬合金中最重要的合金元素包含大約12%和鉻(Cr)、3.9%的硅(Si)、2.9%的鐵、2.25%的硼(B)和0.5%的碳(C)。除所要求的硬度之外，合金50在很強的腐蝕環(huán)境下具有高溫耐腐蝕性，使用重柴油的柴油機中的排氣閥可在這種強腐蝕環(huán)境中使用，例如在600～900毫米大氣缸的發(fā)動機中，除了具有良好的耐腐蝕性能外、對所采用材料的機械強度還有嚴格的要求。使用結(jié)果表明在一定情況下，徑向破裂發(fā)生在硬面材料合金50上，從而引起閥座的全部燒壞，或使用邊損壞的危險加大。為了消除這種危險，可延展的硬面材料鎢鉻鈷合金6可用于這種類型的發(fā)動機，如鈷基合金，在實際環(huán)境中，這種鈷基合金的高溫耐腐蝕性小于合金50的高溫耐腐蝕性，從而縮短了每次檢查閥狀況的使用間隔時間。
眾所周知，在溫度升高時，硬面材料的硬度下降。這樣，鎢鉻鈷合金6在室溫下硬度約為370HB，在溫度為500℃時硬度約為298HB，合金50在相應(yīng)的溫度時，硬度分別約為530HB至420HB。
至今為止，大家還清楚，具有高硬度的鎳基硬面材料一般延展性很差或不具有可延展性。因此其疲勞強度相當(dāng)差。
至今為止所知道的鎳基合金中，最好通過加入硼、硅和碳組份來獲得所需的硬度。特別是在所述合金結(jié)構(gòu)中的金屬硼化物，由于它們的尺寸和形狀、在焊接過程中或在縮短或延長工作周期之后，使該硬面具有差的延展性，而產(chǎn)生破裂的危險。
在減少合金中的硼含量或完全除去硼的情況下，為了提高合金的硬度，就必須通過大量沉積碳化物的方法來增加碳的含量。從而產(chǎn)生沉積碳化物網(wǎng)，也大大降低了延展性。
所述已有技術(shù)的鎳基合金中的一個普遍特性是，為了在大約500℃的工作溫度時獲得高硬度，就必須提供這樣的合金，該合金在常溫下具有相當(dāng)?shù)挠捕群痛喽取?br> 日本專利Jp-A-59-9146(公開)涉及一種鎳基合金的閥，在該合金中鋁的含量低于4.5%，便于合金的焊接。通過碳化物的沉積、將合金中的鈦、鎢和鉬與含量高于0.55%的碳結(jié)合就能提高合金的硬度。所公開的高達2%的硼可以進一步使合金硬度大大增加。但是，在合金的顯微硬度方面將發(fā)生變化，這是因為非常硬的碳化物和硼化物沉積在較軟的基相上及由于上述的碳化物網(wǎng)也能降低其延展性的原因。
美國專利說明書US-A-3795，510涉及一種鎳基合金，它含有20%的鉻，5.5%的鋁、2.5%的鈦，7.5%的鐵和0.15%的碳。這種閥是通過摩擦焊將預(yù)先制作好的鎳合金坯件焊在由碳鋼組成的工作閥部件上。該合金不能用一般的方法來焊接，并且其硬度大大低于本發(fā)明所要達到的硬度。
本發(fā)明的目的是提供一種具有硬面材料的閥，該閥可用在任何規(guī)格的發(fā)動機上，它同時具有500℃以上時的高硬度、良好的耐燃燒物質(zhì)的高溫腐蝕性以及足夠的延展性，以使其用在高機械載荷的循環(huán)工作閥中。
為此目的，本發(fā)明開頭提到的閥的特征在于所述鎳基合金，用重量百分比來表示并除所有的雜質(zhì)之外，它含有20～24%的鉻、0～8%的鎢、4-7%的鋁、0.2%～0.55%的碳、0～1.8%的鉿、0～1.5%的鈮、0～8.0%的鉬、0～1.2%的硅和0～15%的鐵。其中鎢和鉬的含量總和不超過10%。
已驚奇地發(fā)現(xiàn)這種合金具有所需的特性。以前人們總是認為在多層焊接過程中，具有含鋁量高的焊接鎳合金在將焊接金屬與受熱影響的裂層結(jié)構(gòu)結(jié)合時具有相當(dāng)大的熱裂趨勢。從而在文獻中所述的具有3～4%以上的鋁的鎳鉻合金被認為是沒有焊接的可能。
根據(jù)本發(fā)明提出的具有上述鋁含量的鎳鉻合金的可焊性利用了這種合金中的沉積硬化過程，從而金屬間的相Ni3Al(γ′)被沉積稱作相關(guān)硬度，增加了在可延展的鎳基(γ)中的相。γ′相在結(jié)構(gòu)中可沉積多達45%，最好在基本的γ結(jié)構(gòu)中至少沉積20%，以便獲得具有所需的高強度和高硬度的材料，因此，一般來說在把普通的工作排氣閥放入20°～600℃的溫度環(huán)境內(nèi)時其強度和硬度不會改變。
合金中的鉻含量對滿足要求有極大的幫助。該要求是其合金在工作環(huán)境中必須具有相當(dāng)高的耐腐蝕性。在該工作環(huán)境中硫磺化合物起了基本作用。鋁含量使在閥座上形成一個Al2O3和Cr2O3的組合表面層，從而提高了耐腐蝕性，特別是改善了在750℃和其以上溫度的耐腐蝕性。在閥座上發(fā)生泄漏從而形成凹痕的情況下，所述的被改善的耐腐蝕性特別能防止閥座很快被損壞，上述泄漏會導(dǎo)致局部表面溫度高于閥的正常工作溫度。
另外，鉻的含量具有溶解增強作用，它有助于提高合金的強度，其溶解增強作用可進一步通過變換加入鉬和鎢而得到改善。鉬和鎢的總含量不得超過10%，否則，合金的碳化物結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生相反的作用。
通過調(diào)整碳的含量能影響合金硬度的最后確定，從而影響碳化物沉積的數(shù)量和結(jié)構(gòu)。如果碳的含量低于0.2%，就不能獲得所需的硬度。假如碳的含量超過0.55%，就難以獲得所需的延展性。被證明的是含有0.3%～0.55%的碳的合金提供了最適用于閥材料的硬度和延展性。
與商業(yè)上易于獲得的鎳、鉻、硼和硅硬面合金相反，本發(fā)明的合金還可用于制造熱等靜壓力(HIP)混合排氣閥，因為該合金的固相線溫度接近閥體材料的固相線溫度，這是熱等靜壓力工藝的必要條件。
合金的延展性易受碳化物結(jié)構(gòu)的影響，特別是針狀，片形的碳化物沉積對延展性起相反的作用。對于現(xiàn)有的合金，已確定產(chǎn)生這種被作“中國試驗結(jié)果”(“ChinesescriPt”)型的不利于碳化物結(jié)構(gòu)的趨勢隨著碳含量的增加而增加，由于這個原因，碳的含量不得超過0.6%。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，加入1～2%的鉿，對碳化物結(jié)構(gòu)有積極的影響，由于增加了鉿，碳化物結(jié)構(gòu)由針狀，片形碳化物變成更多的圓形碳化物，其圓形碳化物在相同程度上不會降低合金的延展性。然而，出人意料的是，萬一碳含量超過5%，通過加入鉿，對碳化物僅有一定程度的影響。而在這種情況下，將碳含量調(diào)整在0.35～0.50%是容易的。
然而，已驚奇地證明，其合金結(jié)構(gòu)，尤其是慢固化熔體，加入不超過1.5%的鈮(Nb)具有高的硬度，這可能是因為鈮增加了碳沉淀物的量和/或改變了碳化物的組份。同時已查明，在合金中加入鈮，改變后的碳化物以細分金屬碳化物的形式出現(xiàn)，該種碳化物對合金的延展性有積極的影響。
當(dāng)閥座區(qū)域被焊接時，可以加入硅(Si)以改善焊接性能，這是由于硅的脫氧作用。硅的含量大約控制在0.8～1.2%。然而，令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋁含量超過5～5.5%時，所述硅含量導(dǎo)致了鋁、硅、鉻和大概是碳的富共晶的形成。因為令人驚奇的是所述的共晶比合金的殘留構(gòu)造元素的耐腐蝕腐蝕性低，因為希望將所述的共晶相量限制在約5%以下。
具有適合閥座區(qū)域的閥部件一般由奧氏體不銹鋼合金制成。當(dāng)閥座區(qū)被焊接時，少量合金鋼混入到鎳基充填物中，因此通過混合地加入，特別是焊接第一層時，鐵的量不超過15%。
在γ相中，少于20%的鐵含量有一種加強效應(yīng)，但是，其耐腐蝕性也同時降低了。在鐵含量為5%時，存在腐蝕性降低的危險。因此目的在于最后焊接層成閥區(qū)表面附近的鐵含量不高于10%，最好低于5%。
在鄰近閥表面的區(qū)域內(nèi)，其合金應(yīng)最好至少包括55%的鎳，因為低的含鎳量會降低沉淀物的硬度，從而降低該合金的硬度。
如上所述，該合金的硬度是通過加入硬沉淀物獲得，其沉淀物中的合金的高鋁含量使鎳基材料本身(Ni-matrix)的硬度增加，其硬度在高溫下不變，其基本材料中的碳化沉淀物的硬度也有該特性。為了保存有益的碳化物結(jié)構(gòu)，其合金應(yīng)含有最少確定量的碳化物形成物，除了規(guī)定的鉻含量。因此，鉿、鈮、鎢和鉬的含量至少為5%是有利的。
現(xiàn)參照圖表對本發(fā)明的各個實施例進行詳細描述，

圖1至圖4為放大了320倍的照片，根據(jù)本發(fā)明為4種不同合金的研磨和拋光樣本的照片。
例1為了對本發(fā)明的合金和公知的閥座合金作一個基本的比較，制出4件幾何形狀相同的閥桿坯件，呈奧氏體不銹鋼閥頭的形狀，其直徑D＝250mm。對其桿件預(yù)加熱后，通過轉(zhuǎn)換電弧的等離子焊接，將4種不同合金分別焊接到各自的坯件上，焊接參數(shù)如下焊接粉末的粒級50～150μm沉積量1.7公斤/小時焊接電流120A焊接速度約為60毫米/小時其焊接縫為三層，其深度為8mm，寬度為25mm，縫邊角為60°。
被制出的合金的近似分析列于表1，其中的鎢鉻鈷合金6和合金50在上面已提及過，標記合金B(yǎng)W1-50也是一種有經(jīng)濟意義的鎳合金，而標記合金I-1是本發(fā)明的一種合金。
表1重量百分比組分CSiBCrFeNiWMoAl其它鎢鉻鈷61.141.06-28.50.43-4.65--其余Co合金500.463.92.2510.782.88其余----BW1-500.496.990.9219.303.5其余1.75---I-10.511.02-23.050.23其余7.1-5.630.43Y焊接后將焊縫表面翻轉(zhuǎn)，經(jīng)毛細管檢測檢查缺陷。
而后將坯件放在爐中加熱至250℃，然后將他們放入一個約40℃的水池中。通過肉眼檢查和毛細管檢測坯件，在座材料上沒發(fā)現(xiàn)任何裂縫。
將所有的坯件再次放入爐中加熱至350℃，然后將它們先放入約70℃的水池中，之后用肉眼及毛細管檢測，在合金50中發(fā)現(xiàn)三個放射狀的裂隙和一些小裂縫，而其它三件沒有缺陷。
對加熱到450℃的三件完好的坯件再進行溫度阻塞試驗，之后放入70℃的水中，在BW1-50合金中發(fā)現(xiàn)粗晶格小裂縫形式的裂縫分布，而其它兩件的閥座區(qū)未受損壞。
然后將這二坯件加熱至520℃，并放入約70℃的水中，經(jīng)肉眼及毛細管檢測顯示，在鎢鉻鈷合金6中有大量放射狀裂隙，I-1合金的閥座區(qū)本身有一放射狀裂隙。與其它三種合金相反，在I-1合金中的裂隙清楚地顯示了呈圓裂隙邊狀的塑性變形特征。
本發(fā)明的鎳基合金具有較好的焊接性和延展性，其抗裂性完全與鎢鉻鈷合金6相同，比鎳基合金50和BW1-50要好。
在每個閥桿的座區(qū)域開設(shè)一徑向開口，在焊接時在其開口上進行硬度測試(HV20)，該測試是在常溫下距座面的不同距離進行的，測試結(jié)果如表2所示。
表2合金鎢鉻鈷合金6合金50BW1-50I-1焊縫厚度(mm)8.89.58.08.5座表面下測測量硬度(HV20)量點的位置(mm)0.54264734904571.54414735094122.54414735094263.54264905094264.53864733744415.54123744123626.54123743743747.53993862782868.54122712323039.5257271-22610.5-232--可以看出，鎳基合金的硬度對座材料中的閥桿材料的混合是敏感的，而且座材料外部分的硬度在預(yù)期極限范圍內(nèi)，由于熔池固化迅速的原因，因而阻止了合金組分的完全平衡。
例2為了在升溫時測試該合金的硬度，通過一種所謂的熱等靜壓方法(HIP-Process)，用粉末狀原材料生產(chǎn)出棒狀坯件，該種坯件的直徑為30mm，長160mm，從中切下8mm厚的片進行硬度測量。該種坯件用表1分析的鎢鉻鈷合金6和鎳基合金制出，測得的硬度(HB10/3000/15)列于表3，可以看出，鎢鉻鈷合金6在溫度為500℃時高溫硬度明顯下降(28%)，而本發(fā)明的合金硬度下降很小(3%)。
表3溫度鎢鉻鈷合金6I-1硬度HB20℃415406500℃298393通過與表2的硬度比較，室溫下三片鎢鉻鈷合金6和I-1的硬度測量(HV20)結(jié)果如下表4鎢鉻鈷合金6I-1abcabcHV(20)441441438426426426
表2中在20℃左右測得合金50座材料的硬度為473HV，而在工作溫度時該座材料的硬度降低了約20%，硬度變?yōu)?78HV，而I-1合金的硬度在工作溫度時僅降低約3%，為413HV。
例3通過人工鎢極惰性氣體保護電弧焊，在直徑為80mm，厚度為20mm的奧氏體不銹鋼的閥桿坯件上焊接本發(fā)明的各種合金，這些合金的初步分析結(jié)果參見表5。
包括在20℃和500℃測出的各種合金的硬度(HB10/3000/15)。
表5CSiCrWNbMoAlNi20℃500℃I-20.551.1423.36.53--6.04其余438429I-30.51.05235.880.350.95.44其余435415I-40.440.95235.220.71.84.83其余420388I-50.40.86234.571.052.74.22其余415385可以看出，從室溫到500℃，硬度下降的趨勢是增加的，從I-2合金的約2%到I-5合金的約7%。
對每種合金進一步制成研磨和拋光樣品，圖1至4是合金I-2至合金I-5樣品的照片。
在圖1中，從合金I-2中可見球狀深色沉淀物，可能含有Al，Si，Cr，和C共晶鈣鈦礦，伴有細長的淺色無鋁金屬碳化物的沉淀物，通過減少碳化物沉淀可以使合金有更高的延展性。
圖2中的I-3合金顯示出一種清楚的枝狀晶格結(jié)構(gòu)，其中材料有一種均勻的晶格取向。在枝狀結(jié)構(gòu)中有一些鈣鈦礦沉淀物和金屬碳化物沉淀物。這種合金可能具有較好的延展性及較高的高溫硬度。
圖3中的合金I-4有一枝晶結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)稍有些不均勻，并且僅僅呈現(xiàn)出極少的鈣鈦礦沉積。在圖4的合金I-5中，一般來講不會出現(xiàn)鈣鈦礦沉積。
例4在鎳基合金上做與例2所描述的一樣的硬度實驗，其實驗的分析與表1和表3中的I-1相一致，但在測量其硬度之前，該坯件進行熱處理，熱處理包括在1150℃高溫下進行2小時的溶解處理，接著在750℃的溫度下至少進行2小時的沉淀硬化。所測得的硬度(HB10/3000/15)被列在表6中，所測得的硬度(HV20)被列在表7中。
表6I-1溫度硬度HB20℃496500℃462表7I-1abcHV(20)502509506
雖然高溫硬度略有下降(7%)，但在500℃時的最后硬度約為460HB，比由現(xiàn)有硬面合金所能獲得的硬度要高得多。
如果合金中鉻的含量少于20%，其耐腐蝕性在高溫時將變得毫無意義。如果鉻的含量超過24%，該合金的強度特性將受到不利的影響，另外，使其焊接性能下降。
當(dāng)鋁含量少于4%時，高溫硬度似乎太低，鋁含量高于7%時，鈣鈦礦沉積不利于合金的耐腐蝕性和延展性。
該合金既可用于將閥座焊在閥件上，在這種情況下該合金將包括硅，并且易使釔氧化的量要盡可能的少。這種合金也可用于HIP方法制造該閥件。
已證明，鎳合金包括20～23%的鉻、4-5.5%的鋁、0～5%的鐵、0.3～0.5%的碳和5～7.5%的鎢和/或鉬，其合金具有高硬度及好的延展性。若對閥座進行焊接，那么通過加入鎳基填充材料可適當(dāng)?shù)仄鸬阶饔谩＿@種填充材料包括20～23%的鉻，4～5.5%的鋁，0.3～0.5%的碳，0.8～1.2%的硅和5～7.5%的鎢和/或鉬。
含有22.5～23.5%的鉻、4.0～5.0%的鋁、0.40～0.45%的碳、1.0～1.5%的鉿和5.5%～6%鎢和/或鉬的合金似乎能應(yīng)用在對抗熱裂性有非常高的要求情況下。
如果用HIP方法制造該合金，那在分析時可能包括釔，因此在耐高溫方面有積極的作用。
根據(jù)情況應(yīng)看到，其合金的各種成份都用重量百分比來表示。
權(quán)利要求
1.一種閥，特別是用于內(nèi)燃機的排氣閥，它包括一個帶有一個鎳基金屬合金閥座端面的可移動的閥件，其特征在于鎳基合金，用重量百分比表示，除一般存在的雜質(zhì)外，含有20～24%的鉻，0～8%的鎢、4～7%的鋁、0.2～0.55%的碳、0～2%的鉿、0～1.5%的鈮、0～8.0%的鉬、0～1.2%的硅和0～15%的鐵，其中鎢和鉬的含量之和不得超過10%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閥，其特征在于該合金有20～23%的鉻、4～5.5%的鋁、0～5%的鐵、0.3～0.5%的碳和5～7.5%的鎢和/或鉬。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閥，其特征在于該合金含有22.5～23.5%的鉻、4～5%的鋁、0.40～0.45%的碳和1～1.5%的鉿和5.5～6%的鎢和/或鉬。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一所述的閥，其特征在于該合金有1～2%的鉿和0.35～0.5%的碳。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4任一所述的閥，其特征在于該合金含有0.3～1.5%的鈮，最好為0.5～1.4%的鈮。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的閥，其特征在于該合金含有0.6～4.0%的鉬和鎢。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6任一所述的閥，其特征在于，至少鉿、鈮和鉬中的一種合金含量為0%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～6任一所述的閥，其特征在于該合金含有0.6～1.2%的硅，最好含0.8～1.2%的硅。
9.根據(jù)權(quán)利要求1～6任一所述的閥，其特征在于所述閥座表面附近的合金含有不超過5%的鐵。
10.根據(jù)權(quán)利要求1～9任一所述的閥，其特征在于，鉿、鈮、鎢和鉬總的合金量至少為5%。
11.根據(jù)權(quán)利要求1～10任一所述的閥，其特征在于在閥表面附近的合金至少含有55%的鎳。
12.一種權(quán)利要求1～11任一所述閥的制造方法，其中閥座端面是用焊接方式將其焊在閥件上，其特征在于，在焊接時，加入鎳合金的填合材料，除一般存在的雜質(zhì)之外，其鎳合金含有20-23%的鉻、4-5.5%的鋁、0.3-0.5%的碳、0.8-1.2%的硅、0-2%的鉿、5-7.5%的鎢和/或鉬，其余的鎳。
全文摘要
一種用于內(nèi)燃機排氣閥上的閥座材料的鎳基合金，它含有(用重量百分比表示)20～24％的鉻、0～8％的鎢、4～7％的鋁、0.2～0.55％的碳、0～2％的鉿、0.1～1.5％的鈮、0～8％的鉬、0～1.2％的硅和0～15％的鐵，其中鎢和鉬的總含量不得超過10％。在500℃工作溫度時并處在有很強腐蝕性的硫磺環(huán)境中，其合金具有良好的耐腐蝕性和與合金50相應(yīng)的延展性。
文檔編號F01L3/02GK1075350SQ9210145
公開日1993年8月18日 申請日期1992年2月12日 優(yōu)先權(quán)日1992年2月12日
發(fā)明者H·赫格 申請人:曼·B及W柴油機公司