CN103627961B - 一种进气门的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种进气门及其制备方法。该进气门采用的合金的重量百分比成分范围为C:0.32～0.40%；Si:0.17～0.37%；Mo:2.5～3.5%；Mn:0.50～0.80%；Cr:0.80～1.10%；W:0.50～1.0%；Ni:≤0.030%；P:≤0.015；S:≤0.015；Cu:≤0.010%；余量为Fe。该进气门经表面纳米化、低温渗氮、堆焊钨锆合金等工艺加工而成。本发明的进气门的表面强度大、硬度高、耐磨性好、寿命高。
Description
技术领域
本发明涉及机械制造及金属材料领域，尤其涉及一种进气门及其制备方法。
背景技术
气门是发动机的关键零件之一，它是用来打开或关闭进、排气道的直接零件。气门分为进气门与排气门，空气通过进气门进入发动机气缸内与燃料混合燃烧，燃烧后产生的废气通过排气门排出气缸，从而实现新鲜空气进入气缸燃烧产生车辆行驶的动力并排除废气。目前发动机一般设有多个气门。常见的是每个汽缸布置有4个气门，4汽缸的发动机一共有16个气门。这种多气门结构容易形成紧凑型燃烧室，喷油嘴在中央，这样可以令油气混合气燃烧更迅速、更均匀，各气门的重量和开度适当地减小，使气门开启或闭合的速度更快。
发动机的工作特点要求进气门要具备耐磨擦、耐高温、耐疲劳、高韧性等特征，气门材料的性能直接影响到发动机的性能。由于该项技术的高度商业价值及高度的商业机密性，关于气门材料及其加工工艺方面的相关报道极少。目前国内的气门材料有40Cr、4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo、21-4N和23-8N等少数几种。然而，我国目前的气门寿命尚不及国外先进水平的三分之一。
发明专利102493853A提出了采用TiAl基金属间化合物作为气门材料。这种材料在耐高温方面能够得到很大的提升，然而，其韧性尚达不到工业应用的标准，并且存在价格昂贵的问题。
发明内容
发明目的：为解决上述技术问题，本发明提供本一种成本适中、耐热性能优异、疲劳性能优异的进气门及其制备方法。
技术方案：为实现上述技术方案，本发明提供了一种进气门，该进气门采用的合金成分重量百分比范围为：C：0.32～0.40％；Si：0.17～0.37％；Mo：2.5～3.5％；Mn：0.50～0.80％；Cr：0.80～1.10％；W：0.50～1.0％；余量为纯度为99.8％的Fe。其中，纯度为99.8％的Fe中的杂质重量百分比含量为：Ni：≤0.030％；P：≤0.015；S：≤0.015；Cu：≤0.010％。
上述进气门的制造方法，包括如下工艺步骤：
(1)按照合金成分范围准备配料，将合金材料混合均匀；
(2)采用真空感应炉熔炼，温度控制在1600～1650℃，熔炼1～1.5小时；
(3)采用锻造或轧制方式成型，得到进气门毛坯；
(4)进行调质热处理，再切削加工，表面超声处理，得到表面纳米晶；
(5)在330～360℃进行渗氮处理；
(6)采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；
(7)在锥面堆焊钨锆合金，其中钨的含量为40～60％，锆为余量；
(8)采用铣床加工再次进行表面处理，控制表面光洁度。
其中，步骤(4)中的 调质热处理的步骤为在800-850℃下保温1-1.5h，淬火，然后加热到450-500℃，保温2-2.5小时，最后空气冷却。
步骤(4)中所述的切削加工的加工条件为：冲击工作头为球形，输出端圆弧半径为2mm、转速200r/min冲击头的振幅为5μm。
步骤(4)中所述表面超声处理是在室温下、频率控制在3-3.5万赫兹的条件下进行的。
步骤(5)中锥面堆焊钨锆合金的工艺参数为：在450℃下预热，焊接电压为300V，电流900A。
有益效果：本发明的合金耐热性能优异、疲劳性能优异，寿命高，台架试验表明该合金气门的寿命是目前40Cr的2倍以上，经济效益显著。本发明采用表面纳米化技术，使材料表面和整体的机械和化学性能得到不同程度的改善。表面纳米化在改善材料的摩擦磨损性能、提高材料表面的抗冲击性能、提高材料整体性能的同时不明显降低材料的韧性、改善材料表面的化学性能、提高材料的强度、硬度以及耐蚀性等方面都发挥了重要的作用。表面纳米化及低温渗氮的工艺是一种新型的复合表面强化手段，能够改善材料表面的耐磨性以及耐腐蚀性，同时，该技术能够改善传统渗氮的温度高、周期长等缺陷，在不改变基础材料性能的情况下大大提高了合金的表面强度、硬度与耐磨性。另一方面，合金采用堆焊钨锆合金，大大提高了锥面的耐高温性能、硬度与耐磨性。
具体实施方式
以下各个实施例中所使用的纯度为99.8的Fe中杂质的重量百分比含量为：Ni：≤0.030％；P：≤0.015；S：≤0.015；Cu：≤0.010％。
实施例1
经表面纳米化、低温渗氮、堆焊钨锆合金等工艺加工进气门，具体步骤如下：
(1)配料，合金重量百分比成分为：C：0.32％；Si：0.17％；Mo：2.5％；Mn：0.50％；Cr：0.80％；W：0.50％；余料为纯度为99.8％的Fe，将合金料混合均匀；
(2)采用真空感应炉熔炼，温度1600℃，熔炼1.5小时；
(3)采用锻造成型，得到气门毛坯；
(4)进行调质热处理，即在850℃下保温1h，淬火，然后加热到500℃，保 温2小时，最后空气冷却；再切削加工，加工条件为：冲击工作头为球形，输出端圆弧半径为2mm、转速200r/min；冲击头的振幅为5μm；最后在室温条件下进行表面超声处理，频率控制在3-3.5万赫兹，得到表面纳米晶；
(5)在350℃下进行渗氮处理；
(6)采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；
(7)在锥面堆焊钨锆合金，使用ARC-NMP7-1型在线明弧自动堆焊机进行堆焊钨锆合金，工艺参数为：预热温度为450℃，焊接电压为30伏特、电流900安培，其中钨的含量为40％，锆为余量；
(8)再次用铣床加工进行表面光洁度处理，得到最终的零件尺寸。
实施例2(实施例2-5中，调质热处理的工艺条件，即800-850℃下保温1-1.5h，淬火，然后加热到450-500℃，保温2-2.5小时，因为不确定这些数值范围是否合适，如果合适，请老师在下述实施例中从这些范围内挑选数据进行修改！ok)
经表面纳米化、低温渗氮、堆焊钨锆合金等工艺加工进气门，具体步骤如下：
(1)配料，合金重量百分比成分为：C：0.40％；Si：0.37％；Mo：3.5％；Mn：0.80％；Cr：1.10％；W：1.0％；余料为纯度为99.8％的Fe，将合金料混合均匀。
(2)采用真空感应炉熔炼，温度1650℃，熔炼1小时；
(3)采用锻造成型，得到气门毛坯；
(4)进行调质热处理，即在850℃下保温1.5h，淬火，然后加热到450℃，保温2.5小时，最后空气冷却；再切削加工，加工条件为：冲击工作头为球形，输出端圆弧半径为2mm、转速200r/min；冲击头的振幅为5μm；最后在室温条件下进行表面超声处理，频率控制在3-3.5万赫兹，得到表面纳米晶；
(5)在360℃进行渗氮处理；
(6)采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；
(7)在锥面堆焊钨锆合金，使用ARC-NMP7-1型在线明弧自动堆焊机进行堆焊钨锆合金，工艺参数为：预热温度为450℃，焊接电压为30伏特、电流900安培，其中钨的含量为60％，锆为余量；
(8)再次用铣床加工进行表面光洁度处理，得到最终的零件尺寸。
实施例3
经表面纳米化、低温渗氮、堆焊钨锆合金等工艺加工进气门，具体步骤如下：
(1)配料，合金重量百分比成分为：C：0.34％；Si：0.25％；Mo：2.75％； Mn：0.60％；Cr：1.00％；W：0.80％；余料为纯度为99.8％的Fe，将合金料混合均匀；
(2)采用真空感应炉熔炼，温度1630℃，熔炼1.2小时；
(3)采用锻造成型，得到气门毛坯；
(4)进行调质热处理，即在800℃下保温1.5h，淬火，然后加热到500℃，保温2小时，最后空气冷却；再切削加工，加工条件为：冲击工作头为球形，输出端圆弧半径为2mm、转速200r/min；冲击头的振幅为5μm；最后在室温条件下进行表面超声处理，频率控制在3-3.5万赫兹，得到表面纳米晶；
(5)在330℃进行渗氮处理；
(6)采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；
(7)在锥面堆焊钨锆合金，使用ARC-NMP7-1型在线明弧自动堆焊机进行堆焊钨锆合金，工艺参数为：预热温度为450℃，焊接电压为30伏特、电流900安培，其中钨的含量为45％，锆为余量；
(8)再次用铣床加工进行表面光洁度处理，得到最终的零件尺寸。
实施例4
经表面纳米化、低温渗氮、堆焊钨锆合金等工艺加工进气门，具体步骤如下：
(1)配料，合金重量百分比成分为：C：0.36％；Si：0.27％；Mo：2.95％；Mn：0.67％；Cr：0.87％；W：0.68％；余料为纯度为99.8％的Fe，将合金料混合均匀；
(2)采用真空感应炉熔炼，温度1600℃，熔炼1小时；
(3)采用锻造成型，得到气门毛坯；
(4)进行调质热处理，即在825℃下保温1h，淬火，然后加热到480℃，保温2.5小时，最后空气冷却；再切削加工，加工条件为：冲击工作头为球形，输出端圆弧半径为2mm、转速200r/min；冲击头的振幅为5μm；最后在室温条件下进行表面超声处理，频率控制在3-3.5万赫兹，得到表面纳米晶；
(5)在350℃进行渗氮处理；
(6)采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；
(7)在锥面堆焊钨锆合金，使用ARC-NMP7-1型在线明弧自动堆焊机进行堆焊钨锆合金，工艺参数为：预热温度为450℃，焊接电压为30伏特、电流900安培，其中钨的含量为47.5％，锆为余量；
(8)再次用铣床加工进行表面光洁度处理，得到最终的零件尺寸。
实施例5
经表面纳米化、低温渗氮、堆焊钨锆合金等工艺加工进气门，具体步骤如下：
(1)配料，合金重量百分比成分为：C：0.36％；Si：0.25％；Mo：2.9％；Mn：0.66％；Cr：0.97％；W：0.67％；余料为纯度为99.8％的Fe，将合金料混合均匀；
(2)采用真空感应炉熔炼，温度1640℃，熔炼1.0小时；
(3)采用锻造成型，得到气门毛坯；
(4)进行调质热处理，即在850℃下保温1.5h，淬火，然后加热到500℃，保温2小时，最后空气冷却；再切削加工，加工条件为：冲击工作头为球形，输出端圆弧半径为2mm、转速200r/min；冲击头的振幅为5μm；最后在室温条件下进行表面超声处理，频率控制在3-3.5万赫兹，得到表面纳米晶；
(5)在360℃进行渗氮处理；
(6)采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；
(7)在锥面堆焊钨锆合金，使用ARC-NMP7-1型在线明弧自动堆焊机进行堆焊钨锆合金，工艺参数为：预热温度为450℃，焊接电压为30伏特、电流900安培，其中钨的含量为40％，锆为余量；
(8)再次用铣床加工进行表面光洁度处理，得到最终的零件尺寸。
测试以上实施例所得的进气门与对比例(调制处理的40Cr合金材料)的表面硬度、磨损率、疲劳强度、台架试验寿命(数据见表1)，可以看到，本发明的硬度、磨损性能与疲劳性能优异，寿命长。
表1 材料的表面硬度、磨损率、疲劳强度、台架试验寿命
Claims (5)
1.一种进气门的制备方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：
(1)按照合金成分范围准备配料，将合金材料混合均匀，其中，所述进气门采用的合金成分重量百分比为：C:0.32～0.40％；Si:0.17～0.37％；Mo:2.5～3.5％；Mn:0.50～0.80％；Cr:0.80～1.10％；W:0.50～1.0％；余量为纯度为99.8％的Fe，所述纯度为99.8％的Fe中的杂质重量百分比含量为：Ni:≤0.030％；P:≤0.015；S:≤0.015；Cu:≤0.010％；
(2)采用真空感应炉熔炼，温度控制在1600～1650℃，熔炼1～1.5小时；
(3)采用锻造或轧制方式成型，得到进气门毛坯；
(4)进行调质热处理，再切削加工，表面超声处理，得到表面纳米晶；
(5)在330～360℃进行渗氮处理；
(6)采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理；
(7)在锥面堆焊钨锆合金，其中钨的含量为40～60％，锆为余量；
(8)采用铣床加工再次进行表面处理，控制表面光洁度。
2.根据权利要求1所述的进气门的制备方法，其特征在于，步骤(4)中的调质热处理的步骤为在800-850℃下保温1-1.5h，淬火，然后加热到450-500℃，保温2-2.5小时，最后空气冷却。
3.根据权利要求1所述的进气门的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述的切削加工的加工条件为：冲击工作头为球形，输出端圆弧半径为2mm、转速200r/min；冲击头的振幅为5μm。
4.根据权利要求1所述的进气门的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述表面超声处理是在室温下、频率控制在3-3.5万赫兹的条件下进行的。
5.根据权利要求1所述的进气门的制备方法，其特征在于，步骤(7)中锥面堆焊钨锆合金的工艺参数为：在450℃下预热，焊接电压为300V，电流900A。
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