一种高性能发动机进气门及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及新材料领域，尤其涉及一种进气门及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 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。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)。有时 为了省耐热合金，排气门头部用耐热合金，而杆部用铬钢，然后将两者焊接起来。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、更均勾，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。不过，这样 也就要求气门的材料性能越高。
[0003] 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。
[0004] 发明专利CN104895638A提供了一种汽车发动机进气门，采取熔炼铸造，锻造头 部，调质热处理，切削加工，碳氮共渗热处理，锥面磨削加工，锥面堆焊，表面打磨，涂覆涂层 等工艺步骤，并对气门进行碳氮共渗热处理提高进气门的硬度及强度，避免出现腐蚀点。 [0005] 发明专利CN103256085A提出了一种烧重油船用发动机的气门，包括气门基体和 气门盘锥面，气门基体的材料采用23-8N气门钢，气门盘锥面上设置有强化层，强化层采用 镍基合金材料，具体各组分质量百分比为：77-82%的镍、2. 2-3. 4%的铁、9. 5-12. 5%的铬、 0. 1-0. 5%的碳、3. 5-4. 2%的硅、2. 0-2. 5%的硼。以提高其门的寿命。
[0006] 发明专利CN102493853A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。
[0007] 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 ~1. 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。
[0008] 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】
[0009] 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。
[0010] 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% ;Μ〇:0· 1 ~0· 2% ;Μη:0· 50 ~0· 80% ; Cr:0. 80 ~1. 10% ;W:0. 50 ~1. 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，气门的锥面有钼锆合金层，厚度 30-100微米，气门的表面有石墨烯层，厚度50-500纳米。
[0011]相对于专利CN103627956A使用的材料，本发明降低了Μ〇、Si的含量，增加了 Cu、Nb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。由此，可以采用钼锆合金代替钨钼合金，降低了材料成本，而且 降低了焊接工艺的温度与难度，减少了设备投资。
[0012] 此外，本发明采用了石墨烯镀层，增强了气门的抗高温冲击能力、抗氧化能力、耐 磨性能与表面强度。从而使气门的长期使用温度从5 0 0 °C上升到5 5 0 °C以上。
[0013] 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. 5h，淬火，然后加热到450-500°C，保温2-2. 5小时，最后 空气冷却； (5) 去除表面氧化皮，进行光洁处理，再进行表面超声处理，接着在330~360°C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) 在锥面堆焊钼锆合金，其中Mo的含量为30~40%，锆为余量； (8) 进行表面光洁度处理，再采用化学气相沉积（CVD)法在气门表面沉积一层石墨烯。 沉积过程利用CH4为碳源、H2为载气，温度为900~1000°C。降温的速度为15°C/s。
[0014] 其中，步骤（5)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（7)中锥面堆焊钼锆合金的工艺参数为：在450°C下预热，焊接电压为300 V，电流900A;步骤（7)中浇铸后冷却的速度大于500°C/秒。
[0015]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。本发明采用表面纳米化技术，在改善材料强度的同时，也提高了材 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，同时，对材料的韧性、 强度、硬度以及耐蚀性等方面也有好处。另一方面，合金采用堆焊钼锆合金，在保证气门材 料锥面的耐高温性能、硬度与耐磨性的同时，降低了成本。通过沉积石墨烯层，确保了气门 表面的耐高温性能与耐磨性能。从而使气门的长期使用温度从5 0 0 °C上升到5 5 0 °C以 上。
【具体实施方式】
[0016] 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:彡 0· 013% ;P:彡 0· 015 ;S:彡 0· 015。
[0017] 实施例1 (1) 按照合金成分范围准备配料，C:0. 30% ;Si: 0· 1% ;Μο:(λ17% ;Μη:(λ5% ;Cr:L04 % ; W:0.93%;Ce: 0.11%;Nb: 0.06%;Cu: 0.08%。将合金材料混合均匀； (2) 采用真空感应炉熔炼，温度控制在1