利用粉末冶金工艺制造钛基汽车发动机气门的方法

专利名称：利用粉末冶金工艺制造钛基汽车发动机气门的方法
技术领域：
本发明大体上涉及利用粉末冶金工艺来制造汽车发动机气门，更 具体地涉及进气门和排气门，其中各气门至少部分由 一种或多种这样 的工艺制成。
背景技术：
提高燃料效率是汽车设计的重要目标。实现该目标的一种方法是 使用轻质材料和部件。传统上，诸如发动机进气门和排气门之类的快 速运动部件和往复运动部件由耐火材料，例如钢、超合金等制成。这 样的材料虽然足够坚固而能忍受内部燃烧过程的苛刻情况，但是往往 较重。该附加重量对于与气门配合的其他部件(例如弹簧、摇臂、轴 承等)具有附加影响，这些部件因此必须能够承受由气门施加的额外 作用力。
钛的引进使得设计者能较少地依赖耐火材料，其以钢、超合金和 相关耐火材料的一小部分重量满足大多数结构和温度要求。可利用精 确添加诸如铝、钒等合金成分来设置钛的结构特性。例如，排气门杆 的高温疲劳强度必须要高，但是也不能太高而妨碍冷加工性能和相关 制造。同样，进气门头部中所用的这种添加剂会提高强度和硬度，其 中必须权衡耐磨性与部件脆性之间的折中。
尽管具有这些优点，但是钛并没有在发动机气门应用中得到广泛 使用。钛的一个显著缺陷是其制造起来太昂贵，考虑到气门内不同位 置(例如气门杆头、气门杆和气门头)的不同环境条件和要求更是如
此。例如，气门头在相当长的时期经受高温环境(达1400华氏度)， 这可导致明显的蠕变载荷。同样，气门杆温度稍低(达1200华氏度), 但受到相当大的凸轮轴和气门弹簧作用力，在这种情况下压缩、拉伸、 冲击和疲劳强度特性变得很重要。这些担忧与气门杆的远杆头区域尤 为相关。
传统上，发动机气门通过在锻造(特别是顶锻)之后进行热处理 和机加工而制成，其中由钛合金锭制成钛合金棒材，接着成型，然后热旋锻，从而形成气门形状。这些方法劳动强度大，并且浪费材料。
也已经使用了铸造技术；然而，机械特性次于锻造，并且也不很适合 在单个铸模内使用异类材料。更先进的铸造技术，例如局部冷却或通
过局部时效控制的微观结构变化，可改善铸造，但是这样会增加成本 并且通常局限于特定(尤其是铁基)材料。在传统粉末冶金技术中， 通过冷等静压成形然后烧结而将金属合金粉末压缩为成型气门形状。 烧结体中的残余微孔导致延展性和疲劳强度降低。
因而，期望研制一种改进的制造高强度钛基部件(例如发动机气 门)的方法。还期望将尤其适合发动机气门具体部件的不同方法用于 制造气门。还期望由这种方法制造的发动机气门长期使用起来足够可 靠。还期望使用残余孔隙形成可能性最小的低成本粉末冶金制造工艺 制造这样的气门的至少部分。

发明内容
通过本发明满足这些期望，其中公开了改进的高强度钛发动机气 门及该气门的制造方法。根据本发明的第一方面，公开了一种制造汽 车发动机气门的方法。该方法包括将气门杆构造成包括第一端和与 所述第一端相对的第二端，使得在将所述气门杆附接至气门头时，所 述第一端相对于该气门头较近而所述第二端相对于该气门头较远，所 述气门杆构造成使得至少所述第 一端主要由钛基粉末材料制成，而所 述第二端终止于杆头，所述杆头主要由具有在所述气门杆的操作温度
下足以在气门杆头处提供必要耐磨性的强度和硬度性能至少其中之一 的铁材料制成。通过这样的构造，利用动》兹压制成形(dynamic magnetic compaction, DMC )在单个步骤中形成双材料气门杆。通过该方法， 可有选择地应用高级材料以充分利用其优异性能的优势，同时保持合 理的制造成本。
任选地，该方法还包括在所述气门杆的所述第一端和所述第二端 之间形成大致径向的锁定槽。在当前上下文中，术语"大致"是指虽 然在理论上期望元件或特征的布置展现确切的一致性或行为，但是可 能在实际实施中会略不同于确切情况。因此，该术语表示定量值、测 量值或其他相关表达可能与所述基准不同但不会引起所述对象基本功 能发生变化的程度。在一个具体形式中，可在所述杆头处形成倒角。在其他选择中，可在所述气门杆上沉积硬化涂层，沉积的具体形式为 气相沉积。涂层的选择可基于各种兼容性和环境考虑。与钛基合金的
使用相结合，考虑发动机气门期望操作的操作状态，氮化铬(CrN)是 一种合适的候选涂层。对于杆头材料来说，钢合金是一种合适选择。 该钢合金可以在气门杆接合至气门头之前或之后硬化的方式包括在 内。在另一选择中，可稍后利用传统方法，例如感应加热，来石更^:纟失 杆头。
根据本发明的另 一 方面，公开了 一种形成汽车发动机气门的方法。 该气门包括接合至杆近端的头，其中杆的远端限定杆头，相对于所述 头和所述杆的其余部分来说，杆头被硬化。与前述方面一样，与当前 制造方法相比一个明显优点在于，由于其接近净成形的形状和高质量 表面光洁度而不需要成形后的热处理和机加工。该方法包括利用DMC 形成气门杆，形成钛基气门头，和将所述杆接合至所述头。
任选地，所述气门头可由多种技术中的一种形成，这些技术包括 一次压制和烧结、两次压制和烧结、锻造和烧结以及DMC和烧结。在 另一选择中，所述烧结在使得由压制材料(例如气门头的压制材料) 带入的氧在百万分之十以下的受控气氛中进行。在又一任选特征中， 至少所述气门杆的大部分由钛基合金制成，而所述远杆头端由与气门 杆的其余部分所用的钛合金不同的材料制成。在一种形式中，所述不 同材料可是可硬化的钢合金。该合金可在所述气门杆接合至所述气门 头之前或之后被硬化。所述杆至所述头的接合可在保护气氛下通过摩 擦焊、扩散结合、惯性焊接或激光拼接来实现，以确保适宜的连接强 度。
根据本发明的再一方面，公开了一种用于内燃机的钛基气门。该 气门包括连接至气门杆的气门头，其中如先前方面所述通过DMC制成 所述气门杆。如前所述，所述杆包括第一 (近)端和与该第一端相对 的第二(远)端。此外，所述气门杆构造成使得至少第一端主要由钛
基粉末材料制成。
任选地，所述气门头由与所述气门杆的笫 一端不同的钛基合金制 成。在另一选择中，所述杆头由可硬化的钢合金制成。与先前方面相 同，可在所述气门杆的至少一部分上设置硬化涂层。在另一选择中， 所述气门头可由DMC制成。此外，所述气门头可通过DMC接合至所述气门杆。


结合附图进行阅读可最佳理解本发明的以下详细说明，在附图中
相同结构用相同附图标记表示，其中
图1表示具有进气门和排气门的汽车气缸盖的剖视图2A至图2E表示与根据现有技术的利用锻造和机加工制造钛气 门相关的各步骤；
图3A至图3C表示用于利用DMC工艺制造钛气门杆的步骤；
图4表示根据本发明制造的发动机气门；
图5A表示利用DMC形成气门头；以及
图5B表示利用DMC将气门杆接合至气门头。
具体实施例方式
首先参照图1,示出了汽车发动机顶部的一部分。活塞10在发动 才几缸体中的气缸内往复运动。气缸盖20包括进气口 20A和排气口 20B 以传送进入的空气并消耗燃烧副产物，该燃烧副产物由在活塞10和气 缸中的火花塞(未示出)之间发生的燃烧过程相应产生。凸轮40 (其 由诸如凸轮轴(未示出)的外源驱动)在绕其纵向轴线旋转时，在适 当时刻有选择地克服弹簧50的偏压而推动进气门60和排气门70以强 制打开进气口 20A和排气口 20B。应理解，所示的与进气门60配合的 凸轮40和弹簧50也用在排气门70上，但是为了清楚起见从本图移除 了。
接着参照图2A至图2E，示出了根据现有技术制造发动机气门的 传统方法。对图2A的钛棒IOO进行机加工而形成坯(bloom) 110,如 图2B所示。图2C的锻造步骤形成分开的头60A和杆60B,使得进气 门60的大体形状开始显现，而图2D的粗加工步骤进一步精制该形状。 最终，图2E示出了成品进气门60,其包括头60A、具有杆头60C的 杆60B、接合界面区域60D和倒圆过渡曲面60E。在杆头60C和杆60B 之间形成径向锁定槽60F,其形成气门杆和气门弹簧帽之间的保持特征 部。该特征部可由铁材料或钛材料形成。当利用两次压制方法时，在 第一周期之后所形成的部分的硬度不应太高使得在第二成型周期中不能显著致密。尽管未示出，在图2A至图2E所示的步骤期间可进行一 次或多次热处理。
接下来参照图3A至图3C以及图4，气门60的制造方法包括与气 门杆60B和杆头60C分开地形成气门头60A。具体参照图3B, DMC 利用作用在置于磁场中的粉末前驱体上的磁场压缩力。当在线圏360 上施加电流460时，沿所示的法线方向形成》兹通560。这又形成用于在 前驱体粉末160上施加径向向内的压力760的；兹压力脉冲660。其中， 前驱体粉末160在非常短的时间内(例如，小于一秒)固结成全密度 部件。另外尤其参照图3A和图3C,在DMC过程中，粉末160被置于 适当容器中(称为电枢或套筒260)。粉末160从其在图3A中的初始 尺寸被压紧而形成图3C中所示的直径较小的柱状杆60B。最初，用适 当量的钛合金粉末混合物填充线圏内的柱形腔，之后在顶部填充期望 组分的钢合金粉末。所述磁压力脉沖以相对较低的温度几乎瞬间固结 该合成粉末混合物。此外，该操作可(如有必要)在受控环境中进行 以避免污染固结的材料。对于形成由均匀形状的部件制成的构件来说， 均匀的压力分布是理想的，其中轴对称气门杆(例如气门杆60B)仅为 所述部件的 一 个实施例。
杆60B的制备可包括利用两种不同材料( 一种用于杆60B的大部 分，另一种用于杆头60C)并采用一步DMC工艺。在一个示例形式中， 杆60B可由钛粉末合金制成，杆头60C由硬化钢合金制成。钛粉末可 包括适于最终使用的各种添加剂。在一个实施例中，钛合金可为Ti 6-2-4-2,其包括大约6%的铝(Al), 2。/。的锡(Sn), 4。/o的钒(V)和 2。/。的钼(Mo)。此外，期望的话，粉末混合物中可包括晶粒细化剂(诸 如含硼化合物)。
除了包括为形成外形而使用插入件的DMC工艺以外，应理解可使 用形成气门头60A的其他方法，例如一次或两次压制及烧结、锻造和 烧结或者DMC加烧结。可在受控环境中实施烧结操作，这样由钛基粉 末带入的氧和相关杂质可保持为许可水平(例如10ppm以下)。可采用 溶解和时效处理(例如，时效硬化)以进一步提高机械性能。为了更 进一步提高气门60的性能(例如，磨损性能)，可向气门60的选定部 分施加陶瓷基涂层(例如，CrN)。可通过本领域技术人员公知的方法 (例如物理气相沉积(PVD))沉积这种涂层。在一个具体形式中，可向气门杆60B和气门头60A的表面施加所述涂层。
制备了各个头60A和杆60B (加上杆头60C)之后，可通过多种 方法之一使它们在界面区域60D处接合。第一种方法是在受控气氛中 使用摩擦焊。第二种方法可使用激光焊和覆层(也在受控气氛中)。第 三种方法是利用螺紋接头以干涉方式固定二者，而第四种方法是使用 干涉配合而不用螺紋。同样，在一个实施方式中，气门的这两个部分， 即头60A和杆60B可分别烧结，然后接合，或者在接合之后烧结。
接下来参照图4,更详细地示出了图2E的气门60，尤其是头60B。 在优选形式中，头60B由一种或多种粉末冶金技术制成，例如压制和 烧结、粉末锻造和烧结或者两次压制和烧结。头60B中的详细特征， 例如与面相关的特征、颈部圓弧、头外径倒角、杯状部等，使得头60 难以通过传统的 一 次压制和烧结操作获得足够的机械性能。在这种情 况下，可对一次压制和烧结部分使用两次压制和烧结方法，因为该方 法可提高头60B的整体密度，因而可提高其机械性能。此外，可利用 受控气氛使得在烧结操作期间带入的氧最少。
根据载荷和环境需要，头60A和杆60B可由相同或不同的钛基粉 末制成。同样，可使用不同的粉末冶金技术。气门杆60B由于其轴对 称形状而可通过DMC工艺成形。例如，杆60B可通过DMC工艺制成， 使得杆头60C利用可硬化的钢合金制成。在一种形式中，这可在一个 步骤中实现。气门杆60B优选由钛合金粉末形成，而杆60B的杆头60C 利用可稍后硬化的钢4分末制成。气门头60A和杆60B可由相同的钬基 合金制成或者可由不同的合金制成。与由锻制合金制成的锻造钛气门 相比，利用低成本的钛粉末、粉末冶金技术和接近净形状的优点在于 能降低部件成本。
气门头60A可通过摩擦焊或任何机械互锁方法或通过激光拼接方 法接合至杆60B。同样，这些部分也可通过DMC处理接合。而且，气 门60的这些部分均可通过DMC处理制成。接下来参照图5A和图5B, DMC工艺通常能以不同的方式应用，并且在其与制造气门头60A和气 门杆60B相关时以至少两种不同的特定方式应用。对于前者来i兌，可 利用DMC磁压制由粉末金属来形成部件，而在后者中，利用DMC压 缩变形以产生千涉配合来接合部件。
具体参照图5A,将插入件860放置在牺牲性铜套筒260A内，套筒260A用于限定呈头60A和倒圆过渡曲面60E形状的大致轴对称才莫 具。套筒260A通过施加的磁场(基本上与结合图3A至图3C示出并 描述的磁场类似)变形以形成用于粉末压制的压缩力，这致使"未成 熟的"或未烧结的气门头60A成形，之后可采用传统的烧结、机加工 和相关精整步骤。形成的倒圆过渡曲面60E根据设计规定可能需要或 不需要进一步机加工，并且在另一形式(未示出)中可形成为有角度 的角部而不是过渡曲面。板包括下板960和包括中央芯棒1160的上板 1060。侧壁由图3A至图3C中所示的线圏360组成。将前驱体粉末160 置于板960、 1060、中央芯棒1160和插入件860之间形成的空隙内， 并且以与结合图3A至图3C和图4论述的方式基本类似的方式进行处 理。
具体参照图5B，利用用于磁压制的DMC工艺分别形成头60A和 杆60B之后，可利用第二次DMC操作通过干涉配合接合二者。如所示， 可利用DMC工艺接合两个预先形成的"未成熟"部件(即，气门杆 60B和气门头60A ),其中在界面区域60D周围同心地放置套筒260B。 在压制工艺完成之后可利用法兰1260移除套筒260B。如在套筒260A 和2 60B各自的图中从它们的对比可以看出，二者的起始尺寸和形状不 同。具体地说，套筒260B会较小，并且会还包括上述法兰1260。在其 他方面，两个套筒260A和260B基本类似，它们都起实现DMC工艺 的牺牲性(即，可变形的)电流承载件的作用。
如以上所述，在头60A和杆60B接合之后，可进行附加处理(例 如最小机加工)。而且，可施加保护涂层(例如，CrN)。在另一形式中， 头60A可由传统工艺(例如锻造)制成。这样的操作不会排除利用DMC 工艺将头60A接合至杆60B。在摩擦焊以及激光拼接的情况下，头60A 和杆60B之间的界面可基本上平坦而不具有中央芯棒1160和界面区域 60D这样的特设特征。
尽管为了说明本发明而示出了某些实施方式和细节，但是本领域 技术人员应清楚在不背离所附权利要求限定的本发明范围的情况下可 进行各种更改。
权利要求
1.一种制造汽车发动机气门杆的方法，该方法包括将所述气门杆构造成包括第一端和与所述第一端相对的第二端，使得在将所述气门杆附接至气门头时，所述第一端相对于该气门头较近而所述第二端相对于该气门头较远，所述气门杆构造成使得至少所述第一端主要由钛基粉末材料制成，而所述第二端终止于杆头，所述杆头主要由这样的材料制成，该材料在所述气门杆的操作温度下至少强度和硬度特性之一至少与所述钛基材料的一样大；以及利用动磁压制成形来形成所述气门杆。
2. 根据权利要求1所述的方法，还包括在所述气门杆的所述第一 端和所述第二端之间形成大致径向的锁定槽。
3. 根据权利要求1所述的方法，还包括在所述杆头形成倒角。
4. 根据权利要求1所述的方法，还包括在所述气门杆的至少一部 分上沉积硬化涂层。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中所述在所述气门杆上沉积硬 化涂层包括利用气相沉积。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中所述硬化涂层包括氮化铬。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中在所述气门杆的操作温度下 至少强度和硬度特性之一至少与所述钛基材料的一样大的所述材料包 括钢合金。
8. —种制造汽车发动机气门的方法，该方法包括 利用动磁压制成形来形成气门杆，所述气门杆包括近界面端和远端，所述远端限定杆头； 形成钛基气门头；以及 将所述气门杆接合至所述头。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中所述形成所述气门头从包括 以下方式的组中选择 一次压制和烧结、两次压制和烧结、锻造和烧 结以及动》兹压制成形和烧结。
10. 根据权利要求8所述的方法，其中所述烧结在受控气氛中进 行，以使得由所述气门头带入的氧在百万分之十以下。
11. 根据权利要求8所述的方法，其中至少所述气门杆的大部分包 括钛基合金。
12. 根据权利要求11所述的方法，还包括由与所述至少所述气门 杆的大部分中所用的所述钛合金不同的材料形成所述远杆头端。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述不同材料包括可硬化的钢合金。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中所述可硬化的钢合金在所 述气门杆接合至所述气门头之后硬化。
15. 根据权利要求8所述的方法，其中所述接合包括摩擦焊、扩散 结合、惯性焊接、激光拼接以及动磁压制成形中的至少一种。
16. —种用于内燃机的钛基气门，该气门包括 气门头；以及与所述气门头连接的气门杆，所述气门杆通过动磁压制成形而制 成，并包括第一端和与所述第一端相对的第二端，使得所述第一端相 对于该气门头较近而所述第二端相对于该气门头较远，所述气门杆构 造成使得至少所述第 一端主要由钛基粉末材料制成，而所述第二端终 止于杆头，所述杆头主要由这样的材料制成，该材料在所述气门杆的 操作温度下至少强度和硬度特性之一 至少与所述钛基材料的 一样大。
17. 根据权利要求16所述的气门，其中所述气门头由与所述气门 杆的所述第 一端不同的钛基合金制成。
18. 根据权利要求16所述的气门，其中所述杆头包括可硬化的钢 合金。
19. 根据权利要求16所述的气门，还包括在所述气门杆的至少一 部分上沉积的硬化涂层。
20. 根据权利要求16所述的气门，其中所述气门头通过动磁压制 成形而制成，并且所述杆和所述头之间的连接通过动f兹压制成形实现。
全文摘要
本发明涉及利用粉末冶金工艺制造钛基汽车发动机气门的方法。公开了汽车发动机气门杆、发动机气门以及二者的制造方法。所述气门包括头和接合至该头的杆。可使用轻质耐高温材料，例如钛基材料制成气门的至少大部分。这些材料通过在所述头和所述杆之间有可能不同的制造技术结合，其中至少气门的一部分通过动磁压制成形而制成。而杆的大部分可由钛基粉末材料制成，其杆头可由高强度硬化材料，例如钢合金制成。气门头可通过一次压制和烧结、两次压制和烧结、锻造和机加工、锻造和烧结及动磁压制成形和烧结而制成。
文档编号F01L3/04GK101579740SQ20091014092
公开日2009年11月18日 申请日期2009年5月13日 优先权日2008年5月13日
发明者F·J·罗扎里奥, S·G·瓦卡德 申请人:通用汽车环球科技运作公司