柴油发动机中的用于燃料阀的喷嘴的制作方法

专利名称：柴油发动机中的用于燃料阀的喷嘴的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机的用于燃料阀的喷嘴，特别地，涉及两冲程十字头式发动机，其中用于燃料阀的喷嘴包括具有合金钢的芯部部分，和形成喷嘴的朝向燃烧室的表面的外部表面，该外部表面由为镍基、铬基或钴基的抗热腐蚀合金的微粒起始材料形成，其中所述微粒起始材料粘合到粘着层。
背景技术：
专利文献WO 2004/030850说明了这种已知的用于燃料阀的喷嘴，其中抗腐蚀外部表面通过粉末冶金学处理设置在芯部部分上，其中抗腐蚀合金的微粒材料被设置在芯部部分的模具中并通过HIP处理(热等静压力)与芯部部分成为一体。该模具被排空以便尽 可能多地移除空气或气体。HIP处理在室中执行，该室可以同时被加热并在压カ下被设定。为了以有效方式使用该室，尽可能多地填充喷嘴或其它部分，并且这些目标在室内全部都经历相同的HIP处理。当开始处理时，该室受热和受压到HIP条件，并且这些条件然后被保持需要的周期，通常至少为8到12小吋。在HIP处理过程中，压力作为等静压力(在所有方向上压カ完全均匀)影响微粒材料，并且当微粒材料被压缩在芯部部分上时，微粒材料的体积在各个方向均匀地减小。在外部表面产生的微观结构中，当观察从完成的喷嘴中被取出的磨碎和抛光样品时可以看到微粒保持为具有圆形轮廓的球形。图I和10的附图中拍摄了这种样品。HIP处理是已知的，以提供高质量的微观结构和精细粘附的外部表面，但是HIP处理非常费时，并且高温的长处理时间还产生不适合的冶金处理如从ー个合金到其它合金的部件扩散。

发明内容
本发明g在获得高強度的外部表面并获得具有坚固结构的外部表面中的微观结构，该坚固结构具体为到芯部部分的过渡区附近的坚固结构。通过对根据本发明的这种用于燃料阀的喷嘴的观察，特征在于至少在到芯部部分的过渡区中，外部表面的微粒材料中的微粒通过由锻造外部表面和芯部部分所引起的剪切应变被变形成椭圆或细长形状，并且锻造后的外部表面具有至少98. 0%的密度。通过锻造产生的剪切应变导致粉末微粒相对于其它粉末微粒的位移，使得微粒相对彼此摩擦并穿透存在于微粒表面上的氧化膜层。这种应变具体可以为剪切应变。任何氧化膜层都是薄的，因为微粒材料通常通过无氧气体中雾化而制造，然而在存储过程中，ー些氧化物将不可避免地形成在微粒上。该应变使微粒变形成可以表现为椭圆或细长形状的非球形形状。在锻造过程中，微粒材料被压缩成致密层，而微粒粘合到粘结到相邻层的粘着材料，当微粒材料直接定位在芯部部分上时，该粘着材料是芯部部分。通过锻造产生的剪切应变导致微粒材料至少沿外部表面的材料和芯部部分的材料之间的过渡区的方向上流动。剪切应变和过渡区附近的材料内产生的运动确保在变形过程中在材料之间的产生有效结合并且确保微粒在变形过程中相对彼此以非常有效的方式摩擦而结合，产生的微观结构仅在该微观结构内具有非常少量的内部失效点。因此，在过渡区域结合在一起的材料具有坚固的微观结构并且能够完全省去外部表面和芯部部分之间的几何锁定。锻造被施加作为随后的步骤以组装、排空和加热包含微粒材料和芯部部分的外売。认为重要地是不具有诸如HIP处理的中间步骤，因为这种处理被延长并可以导致材料之间的扩散。可能地是外部表面直接定位在芯部部分上。作为可选地，合金的至少ー个缓冲层定位在芯部部分和外部表面之间。当使用这种缓冲层时，缓冲层的合金由第三合金制成，所述第三合金具有不同于芯部部分的合金钢并且不同于外部表面的抗热腐蚀合金的合成物。合成物中的不同表示缓冲层的合金分析在合金组分或ー个或多个合金组分的量(重量的百分数)方面不同。例如，缓冲层可以是具有不同含碳量的合金钢或具有诸如铬、铁或镍的不同其它组分的量的合金钢。术语合成物因此被表示为合金分析。合金钢的芯部部分和外部表面之间的缓冲层的定位具有合金钢仅与缓冲层的材料直接接触而不与外层的抗腐蚀合金直接接触的效果。缓冲层作用以减少或防止合金组分从外部表面扩散到芯部部分，反之亦然。优选地，缓冲层从以下的组中选择，该组包括钢、奥氏体钢、镍基合金、和由除了不可避免的杂质之外的铁或镍组成的合金。这些合金被认为是与芯部部分的钢和外部表面的合金可以相容的。在一种实施例中，芯部部分的合金钢是奥氏体的不锈钢。不锈钢具有高強度并总的说来被认为是很好执行，特别是在两冲程十字头式发动机中。然而，不锈钢具有相当高的碳含量。缓冲层吸收扩散的碳，使得对于喷嘴的主要部分使用不锈钢的优点没有通过用于完成的喷嘴的抗热腐蚀和长期延展性的要求而被削弱。在优选实施例中，缓冲层具有至少O. 3毫米的厚度，例如至少O. 5毫米，并优选地至少O. 75毫米。这种厚度阻止碳扩散穿过缓冲层，即使当缓冲层由具有碳化物结构性能的合金制成时，其中扩散到该层中的碳可以被转化成碳化物并因此不使该层的碳活性増加。本发明还涉及制造一种用于内燃机的燃料阀的喷嘴的方法，该用于燃料阀的喷嘴包括具有合金钢芯部部分的阀头，和喷嘴的朝向燃烧室的表面形成的外部表面，该外部表面由为镍基、铬基或钴基的抗热腐蚀合金的微粒起始材料制成。根据本发明，所述方法的特征在于当抗热腐蚀合金的微粒材料被保持在芯部部分的外壳中吋，微粒材料被锻造，藉此，微粒材料受到应变，该应变使微粒变形成细长或椭圆形状，所述锻造使微粒材料压缩到至少98. O %的密度，并且使外部表面与芯部部分粘合或与使外部表面与缓冲层和芯部部分粘合。与HIP处理相比，锻造非常快地进行，并且因此在阀部分处于增加的锻造温度吋，合金组分对于从ー个合金扩散到相邻合金仅具有非常短的时间。如上所述，锻造将微粒材料挤压在一起，并且剪切应变使微粒沿平行于过渡区的方向移动并使微粒材料中的微粒相对彼此摩擦并合并。在运动过程中,摩擦和合并任何氧化膜初始表现为微粒分裂,并且来自任一种微粒内部的颗粒的清洁合金材料与来自其它微粒内部的颗粒的清洁合金材料直接接触，并且因此，颗粒可以有效地连接在微观结构水平。在一个实例中，夕卜壳中的微粒材料被设置在沿芯部部分的圆柱形外表面延伸的区、域中具有大致相等厚度的层中。当微粒材料的层在外壳中具有大致相等的厚度，并且随后施加大致相等的锻造条件时，导致外部表面具有大致相等的厚度。根据本发明的另ー个方法的特征在于抗热腐蚀合金的微粒材料在惰性环境中被热喷射以形成预成形部分，该预成形部分和芯部部分受热到锻造温度并被锻造，藉此，微粒材料受到剪切应变，该剪切应变使微粒变形成细长或椭圆形状，所述锻造使微粒材料压缩到至少98. O %的密度，并且使外部表面与芯部部分粘合或与使外部表面与缓冲层和芯部部分粘合。根据这种方法，微粒材料首先形成为具有足够的形状稳定性的预成形部分，以允许微粒材料作为单个主体位于在芯部部分上。甚至能够将微粒材料直接喷射在所述芯部部分上。在微粒材料没有连通孔隙的情况下，能够避免使用外売。当使用外壳时，必须在完成锻造之后停止机械加工。虽然预成形部分中的微粒材料在锻造之前具有不规则的形状，但是锻造造成如与最初提及的方法相关联的描述产生的影响，除非产生变形的微粒具有非常不规则的形状。 无论利用什么方法，优选地是在锻造之前外部表面的材料被抽空到小于1X10_4巴的压强。该抽空使气体从待锻造的微粒材料内的空隙中被移除，并且这有助于材料的压缩。虽然存在于外部表面的材料种的气体为诸如惰性气体的无氧气体，但是更有利地是实际上具有尽可能少的气体。因此，优选地是外部表面的材料被抽空到少于1X10_7巴的压强。保持在所述外壳中的抗热腐蚀合金的微粒材料可以在锻造之前被加热到锻造温度。在根据本发明的一个锻造方法中，保持在所述外壳中的抗热腐蚀合金的微粒材料被引入到流体填充室中，其中锻造通过增加流体中的压强而执行。在根据本发明的另ー锻造方法中，保持在外壳中的抗热腐蚀合金的微粒材料通过減少外壳的外径的工具通过挤压而被锻造。如果使用第三合金的缓冲层，这种第三合金具有不同于芯部部分的合金钢(第一合金)且不同于外部表面的抗热腐蚀合金(第二合金)的合成物。第三合金优选地在外部表面的材料定位在芯部部分的所述表面处之前应用于所述芯部部分的表面。第三合金可以可选地应用于外部表面的材料。然而，芯部部分的表面通常为规则且光滑的表面，第三合金可以在该光滑表面上以非常好的控制方式被施加，具体地为关于材料的量和从材料的涂敷以相等方式被良好控制。为了减少扩散穿过过渡区，优选在少于10分钟的时间内执行锻造，并且具有外部表面的芯部部分在锻造之后被立即冷却。锻造时的喷嘴、和/或机械加工成完成喷嘴之后的喷嘴可以任选地受到诸如回火或退火的最后热处理。热处理可以使合金组分扩散在过渡区并且可以加强材料之间的冶金
彡ロロ。


根据本发明的实施例的实例在以下參照高度示意的附图被更详细地说明，其中图I从喷嘴取出的磨碎和抛光样品的微观结构中的图片，其中通过现有技术的高温等静压HIP处理提供外部表面，
图2图示了根据本发明的以喷嘴形式的用于燃料阀喷嘴的横截面局部图，图3和3b是根据本发明的阀头的锻造的示意图，图4和5是制备用于根据本发明的阀头的锻造的単元的示意性图，图6和7是从喷嘴中取出的磨碎和抛光祥品的微观结构的图片，其中根据本发明提供外部表面，图8和9分别是试验样品的俯视图和侧视图，图10从喷嘴取出的磨碎和抛光样品的微观结构中的图片，其中通过现有技术的 高温等静压HIP处理提供外部表面，和图11a，Ilb是根据本发明的阀头的另ー种锻造的示意图。
具体实施例方式在图I和图10中，样品从HIP压缩微粒材料中取出，并且可以看到切割通过微粒的环形形状。这显示出微粒在压缩过程中保持它们的球形形状。HIP压缩的典型标志是微粒为球形，并且这是在压缩过程中施加等静压カ的結果。该等静压カ使微粒材料以其中微粒没有在处理过程中围绕材料内部移动的方式收缩。这是非常有秩序地处理，其中微粒中的相互位置被保持。为了更清楚地了解现有技术的微观结构，三个圆被添加到图10中的图片，以便画出表现在图片中的三个微粒的轮廓。图2图示了用于两冲程十字头式发动机的燃料阀的喷嘴I的示意性结构，该十字头式发动机在姆ー个汽缸上具有超过ー个的燃料阀，例如在姆ー个汽缸上具有两个或三个燃料阀。在其它原因中，后者的发动机通常对喷嘴的使用期限具有严格要求，因为发动机通常可在重质燃料油上操作，这甚至包括硫。喷嘴突出通过阀壳体2的端部处的中心孔，喷嘴的环形表面3相对由虚线指示的汽缸衬套或气缸盖中的相应邻接表面挤压，使得喷嘴的具有喷嘴孔4的末端突起到燃烧室A中，并可以在燃油阀被打开时注入燃料。燃料阀具有阀滑动器5，该阀滑动器5具有在示出的阀设计中的阀针6和阀座7，该阀针6和阀座7定位在滑动器弓丨导件8的下端中。滑动器引导件向下相对喷嘴I的面向上的表面向下挤压。喷嘴具有中心纵向通道9，喷嘴孔4从通道9导出到喷嘴的外表面。喷嘴由具有抗腐蚀第一合金的外部表面10和具有第二合金的芯部部分12构成。外部表面至少构成喷嘴的喷嘴孔周围的区域中的最远区域，并且可以向上延伸并构成超过喷嘴的从阀壳体2突出的整个部分的喷嘴的外表面。喷嘴上的外部表面10是防止喷嘴的材料烧尽的抗热腐蚀材料层。抗热腐蚀材料由合金的微粒起始材料形成，该合金的微粒起始材料是镍基、铬基或钴基。利用用于燃料阀的喷嘴的内燃机可以为四冲程发动机或两冲程十字头式发动机。两冲程发动机可以是诸如MC或ME类型的MAN柴油机，或可以是由诸如RTA挠曲(flex)的RTA类型的Wartsila制成的，或由Mitsubishi制成的两冲程发动机。对于这种两冲程十字头式发动机，活塞的直径可以在250到1100毫米的范围内，而对于每ー个汽缸，通常具有两个或三个燃料阀。用于燃料阀的喷嘴I还可以被利用在较小的发动机中，例如中速或高速类型的四冲程发动机，并且用于燃料阀的喷嘴尤其可应用在两冲程十字头式发动机中，该两冲程十字头式发动机是大型发动机，其中负载重并且重要的是在不失效的情况下需要连续操作。在一个实施例中，外部表面10直接施加在芯部部分12的表面上。在用于燃料阀的喷嘴的另ー实施例中，从图6和7中拍摄的样品中的一个被截取，缓冲层29定位在芯部部分12和外部表面10之间。缓冲层29可以为除了不可避免的杂质之外应用到芯部部分表面的大致纯镍层。镍层可以以不同的方式被应用到所述表面，例如被提供作为设置在芯部部分上的微粒材料。镍层还可以在缓冲层的顶部上布置外部表面的微粒材料之前在単独的步骤中被设置。在这种单独的步骤中，芯部部分可以设置在电镀槽中，并且通过电镀镍沉淀的镍形成具有厚度的层，该厚度在30到150 μ m的范围内，优选地在30到70 μ m的范围内。电镀层具有为非常致密纯镍层的优点。在另ー实施例中，缓冲层由除了不可避免的杂质之外的铁制成。由纯铁或镍或者几乎纯铁或镍制成的缓冲层的优点在于缓冲层不具有或仅具有非常少量的碳化物形式。当在这种情况下，缓冲层中的碳化物结构被抑制，并且到缓冲层中的碳扩散增加缓冲层中的碳活性，并且因此碳到所述层中的进ー步扩散将被限制。碳在铁和镍中仅具有非常小的溶解性。作为实例，碳在镍中的溶解性在500°C的温度处按重量计算为少于O. 1%，因此即使当少量的碳扩散到缓冲层中吋，缓冲层也将获得100%的碳活性，并因此实际上防止碳到所述层中的进ー步扩散。在另ー个实例中，缓冲层29可以由钢或奥氏体钢制成。缓冲层可以为板状钢。作为更具体的实例，芯部部分12由锻造工具钢(表I中的H13工具钢)形成，外部表面10由合金671制成，而板状钢由从表2的合金中选择的W. -No. I. 4332合金形成。作为另ー实例，缓冲层29可以被提供作为合金UNSS31603的微粒材料并且外部表面10由合金671的微粒材料制成。芯部部分12由锻造钢制成。在这种情况下，缓冲层的微粒材料和外部表面的微粒材料在锻造过程中被粘合到芯部部分4上的粘结材料中。作为可选实施例，缓冲层可以由镍基合金制成。这种类型的合金特别适干与外部表面的合金较好地结合，并且它可以具有明显低于外部表面的铬含量，例如按重量计算的铬含量少于25%，例如具有20到23%的铬的合金IN625，具有从19到23%的铬的耐热镍铬铁合金合金(alloy INC0L0Y)600，或具有10到25%的铬的合金IN718，或具有大约15%的铬的尼莫尼克镍基合金(NM0NIC Alloy)的合金105，或具有10到25%的铬的合金(alloyRene) 220。由于更大量的镍倾向于防止碳的扩散，缓冲层还可以由镍更丰富的合金制成。微粒材料可以以现有技术中已知的多个不同方式制造。例如,颗粒材料可以通过使适当合成物的熔化合金的液体喷射到具有惰性环境的室中而雾化而被制造，藉此，材料被淬火和凝结作为具有非常精细枝晶结构的微粒。微粒材料还可以称作粉末。微粒材料可选地可以通过使喷射到具有惰性环境的室中的适当合成物的熔化合金液体雾化而制造，其中雾化微粒的喷射被引导以便碰撞和沉积在固体部分上。固体部分可以被冷却，并且在这种情况下，微粒被制造成与固体部分分离的预形成部分。微粒可选地可以与固体部分结合，并且用作芯部部分12，使得预形成部分直接结合到芯部部分。用于芯部部分12的适当材料包括工具钢。这种材料的实例在以下的表I中给出。ASTM号是用于合金的美国标准命名。用于芯部部分的其它材料是在表I中提供的具有W.号的不锈钢，该W.号是用于合金的德国标准号码。说明的百分比是按重量计算的百分数。エ具钢(ASTM)是优选的，由于它们的高強度并且具体地由于它们的高耐磨性。对于在用于重、质燃料油中的燃料喷射系统中使用的喷嘴，高耐磨性提供具有长使用寿命的喷嘴。对于在用于气体燃料的燃料系统中使用的喷嘴，对耐磨性的需求比燃料是重质燃料油时更小。表I

权利要求
1.一种用于内燃机的燃料阀的喷嘴，特别用于两冲程十字头式发动机的燃料阀的喷嘴，所述用于燃料阀的喷嘴包括阀头和外部表面，所述阀头具有合金钢的芯部部分，而所述外部表面形成喷嘴的朝向燃烧室的表面，所述外部表面由抗热腐蚀合金的微粒起始材料形成，所述抗热腐蚀合金的微粒起始材料为镍基、铬基或钴基的，其中所述微粒起始材料粘合到粘着层，其特征在于，至少在到所述芯部部分的过渡区处，所述外部表面的微粒材料中的微粒通过锻造所述外部表面和所述芯部部分而产生的剪切应变而变形成椭圆或细长形状，并且锻造后的外部表面具有至少98. O %的密度。
2.根据权利要求I所述的用于燃料阀的喷嘴，其特征在于至少一个合金缓冲层定位在所述芯部部分和所述外部表面之间，该缓冲层的合金是第三合金，所述第三合金具有不同于所述芯部部分的合金钢和不同于所述外部表面的抗热腐蚀合金的合成物。
3.根据权利要求3所述的用于燃料阀的喷嘴，其特征在于，所述缓冲层从以下组中选择，所述组包括钢、奥氏体钢、镍基合金、和由除了不可避免的杂质之外的铁或镍制成的合金。
4.根据权利要求I到3中任一项所述的用于燃料阀的喷嘴，其特征在于所述芯部部分的合金钢是工具钢。
5.根据权利要求2到4中任一项所述的用于燃料阀的喷嘴，其特征在于，所述缓冲层具有至少0.5毫米的厚度。
6.一种制造用于内燃机的燃料阀的喷嘴的方法，所述用于燃料阀的喷嘴包括合金钢的芯部部分和外部表面，所述外部表面形成喷嘴的朝向燃烧室的表面，所述外部表面由抗热腐蚀合金的微粒起始材料形成，所述抗热腐蚀合金的微粒起始材料为镍基、铬基或钴基的，其特征在于，当抗热腐蚀合金的微粒材料被保持在芯部部分的外壳中时，所述微粒材料被锻造，藉此，所述微粒材料受到应变，该应变使所述微粒变形成细长或椭圆形状，所述锻造将所述微粒材料压缩到具有至少98. 0%的密度，并使外部表面与所述芯部部分粘合或与缓冲层和所述芯部部分粘合。
7.根据权利要求6所述的制造用于燃料阀的喷嘴的方法，其特征在于，在锻造之前，所述外部表面的所述材料被排空到少于lxl0_4巴的压强，优选地少于lxl0_7巴的压强。
8.根据权利要求6或7所述的制造用于燃料阀的喷嘴的方法，其特征在于，第三合金在所述外部表面的材料定位在所述芯部部分的所述表面处之前被施加到所述芯部部分的所述表面，其中所述第三合金具有不同于所述芯部部分的合金钢和不同于所述外部表面的所述抗热腐蚀合金的合成物。
9.根据权利要求6到8中任一项所述的制造用于燃料阀的喷嘴的方法，其特征在于，所述锻造在少于I分钟的时间内执行，并且具有所述外部表面的所述芯部部分在锻造之后被立即冷却。
10.根据权利要求6到9中任一项所述的制造用于燃料阀的喷嘴的方法，其特征在于，保持在所述外壳中的抗热腐蚀合金的微粒材料在所述锻造之前被加热到锻造温度。
11.根据权利要求6到10中任一项所述的制造用于燃料阀的喷嘴的方法，其特征在于，保持在所述外壳中的抗热腐蚀合金的微粒材料被引入到流体填充室中，其中锻造通过增加流体中的压强而执行。
12.根据权利要求6到10中任一项所述的制造用于燃料阀的喷嘴的方法，其特征在于，保持在所述外壳中的抗热腐蚀合金的 微粒材料通过减少所述外壳的外径的工具以被挤压的方式而锻造。
全文摘要
本发明公开了一种用于内燃机的、特别用于两冲程十字头式发动机的、用于燃料阀的喷嘴(1)，所述用于燃料阀的喷嘴包括阀头(3)和外部表面(5)，所述阀头(3)具有由合金钢制成的基座部分(4)，而所述外部表面(5)形成所述喷嘴的朝向燃烧室的表面。该外部表面(5)由抗热腐蚀合金的微粒起始材料形成，所述抗热腐蚀合金的微粒起始材料为镍基、铬基或钴基的，其中所述微粒起始材料被粘合到粘着层。至少在到所述芯部部分(4)的过渡区处，外部表面(5)的微粒材料中的微粒通过锻造外部表面和芯部部分而产生的剪切应变而变形成椭圆或细长形状，并且锻造后的外部表面(5)具有至少98.0％的密度。
文档编号B22F3/17GK102667135SQ201080048507
公开日2012年9月12日 申请日期2010年10月29日 优先权日2009年10月30日
发明者哈罗·安德烈亚斯·赫格 申请人:曼恩柴油机涡轮股份公司曼恩柴油机涡轮德国分公司