一种非晶增强的新型气门材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及新材料领域，尤其涉及一种气门材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 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、4Crl0Si2Mo、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。
[0003] 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。在这过程之中，燃料燃烧的热能转化为机械能。汽车内常见的是每个汽 缸布置有4个气门，4汽缸的发动机一共有16个气门。发动机是机车的核心部件，而气门 又是发动机的关键零件之一。气门是用来打开或关闭进、排气道的直接零件，其工作环境 恶劣、对材料的性能要求高。气门头部温度很高，而且还承受气体的压力、气门弹簧的作用 力和传动组件惯性力，其润滑、冷却条件差，要求气门必须有一定强度、刚度、耐热和耐磨性 能。进气门一般采用合金钢(铬钢、镍铬钢)，排气门采用耐热合金(硅铬钢)。
[0004] 发明专利CN 104946995A提出了一种轿车发动机用耐高温排气门，按照排气门 主体材料元素组分进行熔炼，后进行铸造，得到坯料，排气门主体材料为：C :0. 13-0. 27%， Si :3. 4-4%，Mo :2-3%，W :1-2%，Mn :0· 8-0. 95%，P 彡 0· 035%，S 彡 0· 035%，Ti :2-3%，Cr : 12-13%，Ni :2. 8-3. 24%，Co :1-1. 2%，V :0. 4-0. 5%，余量为Fe及不可避免的杂质；通过堆焊 处理使得气门锥面达到更高的耐磨性和耐冲击，相应的疲劳性能也得到提高；通过对发动 机气门涂覆涂层，提高材料的防腐、耐高温、耐磨性能。
[0005] 发明专利CN103627956A公开了一种发动机用高耐磨性能进气门材料及该气门 的制造方法。采用的合金成分范围为：：c:0. 32~0. 40% ;Si:0. 17~0. 27% ;M〇:0. 5~ 1. 2% ;Μη:0· 50 ~0· 80% ;Nb:0. 2 ~0· 5% ;Cr:0. 80 ~1. 10% ;W:0. 50 ~I. 0% ;Ni:彡 0· 013% ; P:彡0. 015 ;S:彡0. 015 ;Cu:彡0. 010% ;余料为Fe。该气门经表面纳米化、低温渗氮、堆焊 钨锆合金等工艺加工而成。
[0006] 发明专利CN103627961A公开了一种进气门，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% ;Μο:2· 5 ~3. 5% ;Μη:0· 50 ~0· 80% ;Cr:0. 80 ~ 1. 10% ;W:0. 50~1. 0% ;余量为纯度为99. 8%的Fe。该气门经表面纳米化、低温渗氮、堆焊 钨锆合金等工艺加工而成。该气门可以在500°C以上的高温长期服役，但是当发动机的性能 提升，要求气门在550°C以上的温度服役时，这个材料便不能胜任了。
【发明内容】
[0007] 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、耐高温性能优异、 使用寿命较长的综合性能优异的进气门及其制备方法。
[0008] 技术方案：为实现上述技术方案，本发明提供了一种进气门，所述进气门的基 体材料成分为：c:0. 30 ~0· 40% ;Si:0. 05 ~0· 1% ;M〇:0. 1 ~0· 2% ;Μη:0· 50 ~0· 80% ; Cr:0. 80 ~L 10% ;W:0. 50 ~L 0% ;Ce: 0· 1 ~0· 2%; Nb: 0· 05 ~0· 1% ;Cu: 0· 05 ~ 0. 1%。余量为纯度大于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:彡0.013% ;P:彡0.015 ;S:彡0.015%。其特征在于，气门的锥面有非晶合金层，厚度 200-500 微米。
[0009] 相对于专利CN103627956A使用的材料，本发明降低了 M 〇、S i的含量，增加了 C u、N b元素。降低Mo含量能够降低产品的成本，增加微量Nb元素，在不显著增加成本 的前提下，能够有效地提高合金的耐高温性能与高温下的强度，增加微量的Cu元素，能够 大大改善合金的焊接性能。并采用高强、高硬度、高耐磨性能的非晶，大大提高了材料的性 能。
[0010] 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°C，熔炼2~2.5小时； (3) 分别在1100°C、1050°C、950°C进行三次锻造，控制变形比大于70%，得到进气门毛 坯； (4) 在800-850°C下保温1-1. 5 h，淬火，然后加热到450-500°C，保温2-2. 5小时，最后 空气冷却； (5) 熔炼非晶合金：按照该合金的原子比配置原料，进行真空熔炼，浇注冷却后得到非 晶合金。其中非晶合金含有Zr、Ti、Mo、Al、W、V、B等元素，其中Zr、Ti、Mo、Al的原子比 为 50 :15 :8 :12。所述非晶合金包含但不限于 Zr5QTi15M〇sAl12WsV 5B2、Zr5QTi15M〇sAl 12W5V5B5、 Zr50Ti15Mo8Al12W7V 6B2; (6) 采用铣床加工对锥面进行表面光洁度处理； (7) 在锥面焊接非晶合金；厚度控制在200-500微米。具体可以采用钎焊、堆焊、扩散 焊等方式； (8) 进行表面光洁度处理。
[0011] 有益效果：使用本发明的气门，由于其具有优异的高温性能(强度、抗氧化性、耐磨 性与疲劳寿命等)，能够提高发动机的工作温度，因而提升燃料的燃烧热量与利用效率。能 够产生明显的经济效益。采用焊接非晶材料，保证了气门表面具有优异的强度、硬度、摩擦 磨损性能。
【具体实施方式】
[0012] 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. 013% ；P: ^ 0. 015 ；S: ^ 0. 015〇 [0013] 实施例1 (1)按照合金成分范围准备配料，C:0. 35% ;Si:0. 05% ;Μο:(λ 14% ;Μη:(λ 75% ;Cr:0. 87% ; W:1.0%;Ce: 0.1%; Nb: 0.1%;Cu: 0.