气门合金材料及气门的制作方法

本发明涉及合金材料，具体涉及用于制造内燃发动机气门尤其是排气门的合金材料及气门。

背景技术：

由于发动机的升级、性能的提升或者排放要求的提高，因此排气门的工作温度不断上升，在某些工况下(如气门工作温度在750-800℃),传统的气门材料虽然高温强度和蠕变性能可以满足要求，但是其抗氧化性能将很难满足。如果选择高镍合金(如镍基合金)，虽然高温性能和抗氧化性能可以满足更高温度的工况，但其成本过高。因此，亟需开发一种气门合金材料，其至少在成本没有明显增加的情况下还能兼顾上述各种性能要求。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种气门合金材料，其适于制造内燃发动机气门尤其是排气门(或排气阀)。

根据本发明，提供了一种气门合金材料，包括：

c：0.45-0.55(wt)％；si：0-0.45(wt)％；

mn：8.00-10.00(wt)％；p：0-0.050(wt)％；

s：0-0.030(wt)％；cr：25.00-27.00(wt)％；

ni：3.50-5.0(wt)％；n：0.40-0.60(wt)％；

w：0.80-1.50(wt)％；nb：1.80-2.50(wt)％；以及

余量为fe。

根据本发明，上述合金材料还可以包括其它元素例如不可避免的杂质元素或改性元素等。

传统理论认为，由于钢脆性等原因，用作内燃发动机气门材料的铁基合金中金属铬(cr)的含量不可过高；故现有铁基气门合金中金属铬的含量基本控制在20％以下，最高也不超过22％。本发明的发明人在进行相关实验研究时意外发现，根据本发明的这种高铬含量(铬含量提高至25％-27％)的合金材料，其抗氧化性、高温强度和蠕变性能均能满足实际工况要求，并且成本没有实质增加。

本发明的另一个目的是提供一种气门，其至少部分由上述合金材料制成。

根据本发明，提供了一种用于内燃发动机的气门，包括由上述合金材料一体锻造形成的喇叭状头部和圆柱状杆身。

根据本发明的优选实施例，杆身形成有镗孔，用于容纳冷却剂例如金属钠。

根据本发明的进一步优选实施例，头部形成有用于容纳冷却剂的空腔，头部的空腔与杆身的镗孔连通并且其最大直径大于杆身镗孔直径。

根据本发明的不同实施例，杆身的头部相反侧还可以焊接有另一种材料制成的附接杆身。

根据本发明的进一步优选实施例，杆身镗孔为钻孔，头部的空腔借助于杆身镗孔通过电化学加工形成。这种情况下，杆身镗孔在电化学加工过程中可以用作电解液通道以及电极进给通道。

根据本发明的进一步优选实施例，通过以杆身的中心轴线为旋转轴而使电极和气门相对旋转来加工形成头部空腔，该头部空腔围绕杆身的中心轴线是旋转对称的。例如，头部空腔的截面形状可以是圆形、椭圆形等。

根据本发明的优选实施例，在锻造形成头部和杆身之后，将气门加热至1180℃左右固溶处理半小时左右，然后急剧(例如水冷)冷却至常温，再加热至780℃左右时效处理1小时左右，最后空冷至室温。

根据本发明合金材料所制成的气门，即使头部和杆身均设置冷却剂空腔，其包括高温强度在内的各项相关性能也均能得到有效保障，完全能够胜任经常处于极端恶劣工况的发动机排气门。

此外，根据本发明合金材料所制成的气门，还尤其适合使用电化学机加工(ecm)方法对头部进行掏空操作，这应与其导电性能以及电化学溶解性能等相关。另外，ecm加工形成的这种空心气门对本发明的气门材料性能无实质性不利影响例如应力变脆影响等。

附图说明

图1是根据本发明对比例制备的合金棒材的金相图；

图2是根据本发明实施例制备的合金棒材的金相图；

图3和图4分别示出了对比例及实施例两种棒材试样在750℃及800℃下的抗拉强度及屈服强度；

图5示出了对比例及实施例两种棒材试样在850℃下氧化100小时的高温抗氧化性能；

图6-9分别示出了对比例及实施例两种棒材试样在不同温度下的蠕变性能；

图10是由实施例棒材锻造形成的气门(原型)；以及

图11是对锻造后的气门进行ecm加工后的示意图。

具体实施方式

下面借助附图并通过具体实施例对本发明做进一步解释说明。

首先，将按照以下成分和比例的实施例的合金材料采用常规工艺熔炼、浇铸、锻轧、磨光为适于进行后续气门锻造加工的棒材。

实施例棒材及固溶时效处理

c：0.50(wt)％；si：0.14(wt)％；

mn：9.20(wt)％；p：0.024；

s：0.004(wt)％；cr：26.43(wt)％；

ni：3.91(wt)％；n：0.59(wt)％；

w：0.97(wt)％；nb：2.24(wt)％；以及

余量为fe及不可避免的杂质。

接下来，对所得棒材进行固溶时效处理：1180℃左右固溶处理半小时左右，然后水冷至常温；再在780℃左右时效处理1小时左右，最后空冷至室温。

对比例棒材及固溶时效处理

按照上述实施例棒材工艺步骤准备对比例棒材，相比上述实施例，对比例中仅铬含量比例调整为21％，其它均保持不变。

相关性能比对

图1和图2分别示出了对比例棒材和实施例棒材的金相组织图(按jb/t6012.2-2008的规定执行)。结果显示，两种材料经过固溶时效处理后的晶粒度均在6.0-8.0级左右，但图2所示实施例棒材的硬度为340hv30，明显高于图1所示对比例棒材的硬度300hv30。

图3和图4分别示出了两种棒材试样在750℃及800℃下的抗拉强度及屈服强度。结果显示，两个温度下实施例棒材试样的抗拉强度和屈服强度均明显优于对比例棒材试样。亦可参见表1。

表1：不同温度下两种棒材试样的抗拉强度和屈服强度

图5示出了两种棒材试样在850℃下氧化100小时的高温抗氧化性能。结果显示，实施例棒材试样的平均重量减少量显著小于对比例棒材试样。

图6-9分别示出了两种棒材试样在120mpa下及50小时内关于650℃、700℃、750℃及800℃的蠕变性能。结果显示，在650℃和700℃下，实施例棒材试样的相对变形显著小于对比例棒材试样；即使在750℃及800℃下，实施例棒材试样的相对变形仍然小于或优于对比例棒材试样。

气门锻造及固溶时效处理

在未经固溶时效处理之前，先将上述实施例合金棒材一体锻造成具有喇叭状头部10和圆柱状杆身20的气门(原型)。然后，对气门原型进行固溶时效处理：1180℃左右固溶处理半小时左右，然后水冷至常温；再在780℃左右时效处理1小时左右，最后空冷至室温。

接下来，如图10所示，对气门原型进行后续加工处理，在头部10上堆焊耐磨合金层11，以增强其耐磨性能。此后，还可以执行氮化处理、磨削盘锥面及抛光处理等。

气门的杆身20可以一体锻造形成，也可以随后再焊接一段相对低成本的铬钢材料附接杆身。

空心气门的形成

图11示出了本发明的一个空心气门的实施例。如图11所示，在对气门原型进行如上所述的固溶时效处理之后，先在杆身20上形成钻孔22，接下来利用钻孔22作为电解液及电极通道，采用电化学机加工(ecm)方法即可在头部10上方便地形成扩大空腔12。ecm加工时，以杆身20的中心轴线为旋转轴，利用钻孔22作为阴极电极(未示出)进给通道和电解液(亦未示出)通道，气门作为阳极，使气门相对阴极电极旋转来加工形成头部空腔12。头部空腔12围绕杆身的中心轴线是旋转对称的。例如，头部空腔12的截面形状可以是圆形、椭圆形等。之后，可以在添加冷却剂例如金属钠后再焊接另外一段附接杆身来密封钻孔22。

如上所述，利用本发明的气门材料制成的气门，不但硬度、抗拉强度及屈服强度、高温抗氧化性能及蠕变性能优异，适合在恶劣的发动机工况例如排气门工况下工作，并且还尤其适用于ecm加工成空心气门以改善其散热冷却性能，避免发动机爆燃等不良情况出现。