表面石墨烯强化的新型发动机气门材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及新材料领域，尤其涉及一种发动机用进气门材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 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。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。
[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。
[0005] 发明专利CN101838807A提供了一种发动机进、排气门用激光熔覆涂层材料及其 涂层。该激光熔覆涂层材料由以下质量百分比的化学成分组成：Ni: 15~30%;C:0. 5~ 2. 0%;Si:2. 5 ~4. 0%;Fe:5 ~15%;W:3. 5 ~6. 5%;Cr:12 ~20%;纳米Α1:0· 15 ~ 0. 40%;Υ203:0. 5~2.0%;余量为Co。提高了发动机进、排气门的表面硬度，具有很强的耐 磨性，使得发动机进、排气门能够适于高温。
[0006] 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。
[0007] 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】
[0008] 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材料及其制备方法。
[0009] 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，气门的锥面有非晶合金层，厚度 200-500微米，气门的表面有石墨烯层，厚度50-500纳米。
[0010]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。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。
[0011] 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。
[0012] 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)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2厂11、1〇、八1、1、￥、8等元素，其中2厂11、1〇、41的原子比 为 50 :15 :8 :12。所述非晶合金包含但不限于Zr5QTi15M〇sAl12WsV5B2、Zr5QTi15M〇sAl12W5V5B5、 Zr50Ti15Mo8Al12W7V6B2; (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，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。
[0013] 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。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】
[0014] 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。
[0015] 实施例1 (1) 按照合金成分范围准备配料，c:0. 38% ;Si:0. 09% ;Μ〇:0· 1% ;Μη:0· 56% ;Cr:0. 80% ; W:0. 50% ;Ce: 0.17%;Nb: 0.09% ;Cu: 0.086%。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°C，熔炼2.