专利名称：内燃机气门的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种设有硬质焊敷层表面(hard facing surface)的内燃机气门，该硬质焊敷层表面是用高密度能量束如等离子束和激光束等将一种特定成分的合金焊接到气门头原来的外表面上而形成的。本发明所形成的气门头的硬质焊敷层表面显示了良好的耐磨性，高耐氧化铅(PbO)腐蚀性和高抗氧化性，且造价相对较低。
在现有技术中，是用适于形成耐磨覆层的超耐热合金组合物如钴基合金、镍基合金或铁基合金等通过氧炔焊接工艺或等离子粉末炬焊接工艺或激光粉末焊接工艺制备发动机气门的接触表面，以形成一种耐磨涂覆表面。
通常用于排气门表面的硬质焊敷层合金是钨铬钴合金(Stelli-te alloy)，它们是通常用于承受严重表面磨损和腐蚀的、未经涂敷的奥氏体不锈钢气门上的钴-铬覆面合金，包括STL#6(参见日本工业标准(JIS)；1.2C-1.0Si-30Cr-4W-其余为Co)、STL#32(1.8C-1.0Si-22Ni-26Cr-12W-其余为Co)在内的各种钨铬钴合金具有优良的高温耐磨性、耐氧化铅(PbO)腐蚀性和抗氧化性。但是，钨铬钴合金由于其贵金属如钴、镍、钨等的含量高，因而是昂贵的材料。钨铬钴合金是一种含40～80％钴、0～25％钨、20～35％铬和0.75～2.5％碳的非铁合金。
在通过氧炔焊接法用钴基合金制备气门接触表面的情况下，所形成的覆面层使接触表面产生缺陷的可能性很大。
用激光束代替氧炔将一层坚硬的覆盖层焊接在气门的表面是已知的，参见美国专利No.4,117.302和4,300,474。
业已公布的未经审查的日本专利申请No.61-296979/1986建议，在采用激光束时，在硬质焊敷层合金中在深度为0.1mm之处掺入重量百分比少于1.2％的母体合金。已公布的未经审查的日本专利申请No.62-57770则进一步建议，通过调节等离子气体的供给量来控制母体合金对覆盖层合金的稀释。已公布而未经审查的日本专利申请No.61-276774提出，利用高密度能源例如激光束在气门的表面覆盖加有重量百分比为3.0％至8.0％的钢的成份的超耐热镍合金。
美国专利No.4,122,817披露了一种具有由合金形成的接触表面的发动机气门，这种合金表现出耐磨性，耐氧化铅(PbO)腐蚀性和抗氧化性，它含有1.4～2.0％(重量百分比)的碳、4.0～6.0％(重量百分比)的钼、0.1～1.0％(重量百分比)的硅、8～13％(重量百分比)的镍、20～26％(重量百分比)的铬、0～3.0％(重量百分比)的锰，其余部分是钴。
已公开的未经审查的日本专利申请No.2-243042/1980提出把一种铁基合金组合物用作覆盖在发动机气门表面上的材料，它包含1.0-2.5％(重量百分比)的碳；0.1-1.0％(重量百分比)的硅；3-12％(重量百分比)的锰；15-25％(重量百分比)的镍；20-30％(重量百分比)的铬；5-15％(重量百分比)的钼；0.005-0.05％(重量百分比)的硼；0.01-0.1％(重量百分比)的铝和0.01-0.05％(重量百分比)的氧，其余为铁和杂质。在该合金组合物中，加入价格相对不高的锰将提供理想水平的耐腐蚀性，同时，加入硼将确保高温下的流动性，加入铝将形成合金微观结构的均匀性。
正如将要说明的那样，根据本发明用钴基合金形成的气门覆面层比用钨铬钴合金形成的覆面层性能要好。
与钨铬钴合金相比，本发明实现了在大幅度节约成本的情况下获得高水平的性能，这是一个显著的成绩。
本发明的目的之一是提供用本发明的特种钴基合金组合物形成的气门覆面层，用于通过焊接在包含超耐热合金或者诸如751镍铬铁耐热合金(Inconel 751)等超耐热镍-铬合金的气门头表面上形成硬质焊敷层表面。
本发明的另一个目的是提供一种利用诸如等离子束和激光束等高密度能量束在原来的母体耐热合金的外层表面上焊接一种特种合金组合物在气门头上形成硬质焊敷层表面的方法。
根据本发明形成的硬质焊敷层表面具有比现有技术的钨铬钴合金表面更富有竞争力的性能。
本发明的方法能使所得到的气门头硬质焊敷层表面具有很高的均质性。
本发明的另一个目的是提供一种牢固地附着在气门头原来表面上并且性能没有丝毫劣化的硬质焊敷层表面。
从下面的叙述中可以理解本发明的另外的目的。
下面参照作为本说明书一部分的附图对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是根据本发明制成的气门硬质焊敷层头部表面与其它现有技术合金表面的性能(如氧化引起的重量增加)比较图。
图2是表示本发明制成的硬质焊敷层接触表面由腐蚀引起的重量减少与现有技术覆面合金得到的结果相比较的示意图。
图3是表示本发明制成的硬质焊敷层表面的硬度在测试温度升高时的变化与由现有技术覆面合金得到的结果相比较的示意图。
本发明提供了一种内燃机气门，具有一个体部、一个气门头和一个形成在一个含有镍铬超耐热合金的气门头表面上的接触表面，用以与气门座周期性地气密接合，所述接触表面是用诸如等离子束或激光束等高密度能量束将一种钴基合金焊接在气门头表面的母体合金上而形成的。
母体合金表面与焊上的覆盖表面之间的焊接强度应当通过母体合金成分向被焊接的覆盖表面的适当扩散维持在足够高的水平。但是，被焊接的覆盖层的成分将被母体合金的成分稀释，结果被焊接的覆盖层中的成分将改变，以致有性能降低的可能性。因此，焊接过程中应当对母体合金成分对焊接的覆盖层的稀释进行控制，以保证焊接强度维持在一定水平并不使覆盖层性能降低。
用诸如等离子束或激光束等高密度能量束可以将母体合金成分与所形成的覆盖层的稀释控制在一定的水平。在焊接过程中，稀释度必须控制在10-20％。当稀释度小于10％时，焊接强度不够，所形成的覆盖层中的内部缺陷会引起“无附着作用”的危险。当稀释度超过20％时，覆盖层的性能会大大下降，或受高度稀释的损害。
诸如等离子束或激光束等高密度能量束被用来将一种特种合金材料焊接到气门头的表面上以便形成硬质焊敷层表面，在该硬质焊敷层表面中，等离子束等的高能量使母体合金的成分充分地分散或掺合到被焊接的覆盖层中。这样得到的覆盖层将是均质的，因而能对母体合金表面有足够的附着力。
一种内燃机气门，具有一个体部、一个气门头和一个形成在用于周期性地与气门座气密接合的气门头表面上的接触表面，该接触表面是用一种诸如等离子束或激光束等高能量束以焊接到气门头上的合金覆层的形式形成在所述气门头表面上，其中合金覆层的钴基组合物基本组成为碳2.2-2.6％ 重量百分比硅1.1-1.3％ 重量百分比锰2.6-3.1％ 重量百分比镍≤1.5％重量百分比铬28-31％重量百分比铁10-11％重量百分比钨13.5-15.5％重量百分比其余为钴和不可避免的杂质。
在焊接成型过程中，钴基合金进入气门头表面而产生的稀释度被控制在25-35％(重量百分比)，以便改善接触表面的耐磨性。母体耐热镍-铬合金可以是751镍铬铁耐热合金(Inconel 751)。
本发明的特征在于可以通过使用高密度能量束如等离子束和激光束等形成气门头的硬质焊敷层接触表面，这种生产过程可通过将一种特种合金组合物焊接到气门头原来的表面上而实现，并考虑下述各点。
1、要对被用来焊接到气门头原来的表面上的覆盖层合金组合物的成分及其组成进行选择，以便能对焊接的合金与母体合金的稀释度进行调节。
2、借助于焊接的过程中在焊接的覆盖层与原表面之间的扰动作用，所得到的焊接表面应当是均质的，不使耐热性能降低。
超耐热合金，特别是由镍-铬(Ni-Cr)超耐热合金制成的超耐热合金已被用作内燃机气门头原表面的材料。本发明的合金组合物覆盖在这种镍-铬合金表面(母体合金)上，以形成一个具有高耐腐蚀性的相互掺入的表面涂层。
用于本发明的气门坯料可以由各种普通的合金制成。
同样，合金中或原表面合金组合物的其它主要来源中的成分的组成和比例可以在适当宽的范围内变化。
本发明的特种成分合金被焊接或涂覆在含有镍-铬系列超耐热合金的气门头的原来的外表面上。这种镍-铬系列超耐热合金可以包括镍铬铁合金，最好是751镍铬铁耐热合金(Inconel 751)，另外，蒙乃尔合金(Monel metal alloy)和荷它利合金(Hateroy alloy)也能用作原来的外表面。
751镍铬铁耐热合金(Inconel 751)的组成如下表1金属 C Si Mn Ni Cr Al TiNb，Ta Fe重量百分比0.05 0.2 0.2 71.0 16.0 1.2 2.5 1.0 8.0最重要的是根据本发明配置在特别由751镍铬铁耐热合金(母体合金)制成的气门头上的焊接合金或者被用来在气门头的表面上形成发动机气门的硬质焊敷层接触表面的合金组合物包括下述比例的下述成分
所述合金覆层的钴基组合物，主要包含碳2.2-2.6％ 重量百分比硅1.1-1.3％ 重量百分比锰2.6-3.1％ 重量百分比镍不多于1.5％重量百分比铬28-31％重量百分比铁10-11％重量百分比钨13.5-15.5％重量百分比其余为钴和不可避免的杂质。
本发明限制用于紧靠上述特种耐热合金组合物的外表面形成发动机气门的接触表面的合金中的每一种成分的理由如下加碳是为了确保所形成的接触表面的硬度和耐磨性达到所期望的水平。当碳的含量小于2.2％(重量)时焊接形成的接触面的硬度和耐磨性不能达到所期望的水平。当碳的含量超过2.6％(重量)时，所形成接触表面的硬度过高，韧性降低。因而，碳含量的最佳范围为2.2％-2.6％(重量)。
加硅是为了在焊接时实现脱酸和熔化流动性。在硅含量小于1.1％(重量)时，脱酸效果不足，以致在成形接触表面形成细孔隙那样的缺陷，当硅含量超过1.3％(重量)，熔化流动性不再提高，而且抗氧化铅和硫酸铅(PbO+PbSO4)能力降低。
加镍是为了改善所形成的接触表面的抗氧化铅(PbO)性和抗氧化铅和硫酸铅(PbO+PbSO4)性。当含镍量小于0.1％(重量)时，耐腐蚀性不足。当含镍量超过1.3％(重量)时，镍的高价格使置备的成本提高。
加铬是为了有利于提高耐腐蚀性，特别是耐酸性，当铬的含量小于28％(重量)时，抗酸性不能达到所期望的足够的水平，而当铬的含量超过31％(重量)时，抗热冲击的性能降低，致使在制造气门过程中在焊接程序之后，形成诸如出现裂纹这样缺陷的危险性增加。
加铁是为了有利于提高所形成的接触表面的抗热冲击性。当铁含量小于10.0％(重量)时，抗热冲击性不足。当铁的含量超过11％(重量)时，在高温下的硬度将减小且耐磨性降低。
加钨是为了通过形成非常细小的碳化物颗粒使接触表面的硬度和高温强度建立在理想的水平。当钨的含量小于13.5％(重量)时，高温强度和硬度都不够。当钨的含量超过15.5％(重量)时，接触表面的焊接溶性和工作能力都将降低。
本发明的硬质焊敷层接触表面可以借助于已知的包括等离子束和激光束等的高密度能量束，利用惰性气体保护焊制成。本发明的特种合金组合物将被母体合金即镍-铬超耐热合金稀释，以便改变硬质焊敷层表面的组成但并不降低气门头表面的性能。
这种焊接工艺便于自动化，实现硬质表面发动机气门的高效生产。
被用来焊接在接触表面上的现有技术合金是一种与钨铬钴合金(Stellite alloy)相当的合金组合物，它是一种可以从美国海斯斯特莱特(Hayes Stellite)得到的钴-铬-钨(Co-Cr-W)系合金，具有较高的硬度、耐磨性和耐酸性，并且即使在红热(炽热的)温度下也不降低性能。
钨铬钴合金(Stellite alloy)已经被用于内燃机的耐磨部分。根据本发明用高密度能量束把特种合金组合物焊接在原来的表面上而制成的硬质焊敷层表面的组成与钨铬钴合金类似。所以可以理解，本发明的硬质焊敷层表面合金具有诸如耐磨和抗氧化等富于竞争力的性能。
本领域的普通技术人员将会理解按照本发明所形成的硬质焊敷层接触表面借助于气门坯料台金、焊丝(Weld wire)冶金和焊接条件的相互作用而具有理想的冶金成分比例。
因此，在焊接过程中增加所供给的能量将会通过稀释而增加原气门头中所含成分对焊接金属的冶金学方面的影响。反过来，减少焊接过程中所供给的能量会减少气门头所产生的影响，并且可能不得不对焊丝或焊接金属的其他主要来源的成分作补偿调整，以便形成具有理想组成的接触表面。
按照本发明形成的硬质焊敷层表面可以根据比较实例进一步说明。
比较实例通过使用诸如等离子束和激光束等高密度能量束，本发明的被用于焊接的特种组合物被施加到由镍-铬超耐热合金如751镍铬铁耐热合金制成的原外表面上，以便熔化在一起形成一个具有高耐磨性的外表面。气门头焊接外表面的最后的组成可以估算如下所形成的表面中的成分的含量近似等于(1-稀释度/100)×(特种组合物的含量)+稀释度/100×(原表面合金的含量)用诸如等离子束或激光束等高密度能量束把钨铬钴合金F(Stellite F)(以下称“STL F”)粉末合金焊接到含奥氏体系列(Austenite series)SUH 36的发动机气门外表面上，以便形成一个用15％SUH36稀释钨铬钴合金F(Stellite F)构成的覆盖层表面。
所形成的焊接表面的组成估计如表2所示。
表2给出SUH36的组成(第2列)，SUH36稀释成15％(第三列)，钨铬钴合金F的组成(第四列)，钨铬钴合金F稀释成85％(第五列)以及最后形成的焊接覆盖表面的成分(第6列)。
因此，SUH36(母体合金)和钨铬钴合金F(适用于形成硬质焊敷层接触表面的组合物)的组合显示了足够竞争力的性能，从而鉴于其最终的组成，因而在实线中会被采用。
表2成分表面合金 钴基合金 所形在的组SUHSUH36× Stellite Stellite×合物(*1+*2)0.15*10.85*2C 0.50.075 1.91.615 1.69Si 0.20.030 1.00.850 0.88Mn 9.01.350 0.40.723 2.073Ni 4.00.600 22.0 18.70019.300Cr 21.0 3.150 26.0 22.10025.250W-12.0 10.20010.200Fe (65.3) 9.795 9.795Co -其余 其余按照本发明产生的焊接形成的表面合金的组成如表2第6列所示。所形成的表面合金被分别测试维氏硬度(用5公斤负荷)。它们被曝露在大气中，在1000℃的温度下进行100小时的氧化试验，测量它们因氧化而增加的重量，图1中最左边的直方柱为钨铬钴合金F，图1中中间的直方柱为钨铬钴合金F中掺合了15％SUH36的组合物合金，图1中最右边的直方柱为按照本发明形成的组合物(掺入了30％的751镍铬铁耐热合金)。
对上述三种表面合金进行了抗氧化氢(PbO)性和抗氧化铅和硫酸铅(PbO+PbS04)性的测量。将上述各表面合金的试样分别在920℃的温度下在氧化铅(PbO)中暴露1小时、在900℃的温度下在氧化铅加硫酸铅(PbO+PbSO4)中暴露一小时进行测试，试样的尺寸为直径5mm，长度20mm。测试结果如图2所示。
上述三种表面合金的维氏硬度在室温和800℃的高温下测量。结果如图3所示。图3表明，当测试温度升高时维氏硬度下降。
下面的例子表示按照本发明的气门覆盖面合金的形成，通过它可以进一步说明本发明，但不应将此理解为对本发明的限定。
一个头部直径为23.5mm的气门具有一个由751镍铬铁耐热合金(Inconel 751)形成的头部表面。具有如表3所示的本发明的组成的钴基硬质焊敷层合金通过等离子焊(Plasma-Welding)焊接在751镍铬铁耐热合金(Inconel 751)表面上而形成硬质焊敷层接触表面。根据本发明，母体合金751将被钴基合金所稀释。
根据本发明，气门头部表面的母体合金在所形成的硬质焊敷层表面中被稀释的程度在25-35％重量百分比范围内。
所以，硬质焊敷层表面的最后的组成如表3所示。
所形成的稀释度为25％和35％的表面的最后组成估计示于表3的第6和第8列。本发明的焊接合金的原来的组成示于表3的第5和第7列。所以，可以看到，最后的组成看起来相当于表2中所示的稀释度为15％的钨铬钴合金F(Stellite F)。
表3(重量百分比)成分原表面组成覆盖层合金Inconel 751 稀释25％ 稀释35％组成C0.050.0130.018 2.236Si0.20.0500.070 1.111Mn0.20.0500.070 2.697Ni 71.017.750 24.850 1.550Cr 16.04.0005.600 28.333Al1.20.3000.420Ti2.50.6250.875Nb.Ta 1.00.2500.350Fe8.02.0002.800 10.393W13.600Co
表3(重量百分比)(续)成分制成后覆盖层合金制成后最后的组稀释75％ 组成 稀释65％成范围C 1.6902.5721.6902.2-2.6Si 0.8831.2460.8801.1-1.3Mn 2.0733.0822.0732.6-3.1Ni 18.913 24.850 ≤1.5Cr 25.250 30.231 25.25028.0-31.0Al 0.300 0.420Ti 0.625 0.875Nb.Ta 0.250 0.350Fe 9.79510.762 9.79510.0-11.0W 10.200 15.692 10.20013.5-15.5Co其余 其余从这些测试结果可以清楚地看出，具有按照本发明所形成的最后的硬质焊敷层表面的气门在耐磨性和抗氧化性方面与现有技术的钨铬钴合金F(Stellite F)覆盖层表面完全相当。在焊接期间，被焊在原表面上的合金会被该表面的母体合金所稀释，同时，原表面合金也会被焊接合金所稀释，结果被焊表面和原表面之间的结合力增大，而且两者都能确保稳定。再者，所形成的合金组合物比现有技术的覆盖层表面轻，重量差为10％到20％。因此可以看到高密度能量束焊接工艺能为气门头部提供一个有竞争力的良好的覆盖层表面。
过去，发动机气门的硬质焊敷层接触表面是用等离子电弧粉末焊接法制备的，但是根据本发明，可以用其它的惰性气体保护焊接法如激光粉末焊接法得到同样的焊接结构。
被焊接到气门头表面上的合金在焊接过程中可以变成均质的，以便使该合金与表面合金均匀地掺在一起。本发明所形成的硬质焊敷层表面具有均匀稀释的覆盖层并与气门头表面具有高附着力。
诸如等离子或激光束等高密度能量束可以被用于在惰性气体保护气氛中制备发动机气门的硬质焊敷层接触表面的焊接工艺，以便获得使内燃机的性能富于竞争力的硬质焊敷层表面。
另外，按照本发明还能使所形成的接触表面具有较高的硬度和耐腐蚀性。
权利要求
1.一种内燃机气门，具有一个体部，一个头部和一个形成在含有镍-铬超耐热合金的头部表面上的接触表面，该接触表面用于周期性地与一个气门座气密结合，其特征在于，所述接触表面由一种超耐热钴基合金构成，它利用诸如等离子束或激光束等高密度能量束形成在所述头部表面上。
2.一种内燃机气门，具有一个体部，一个头部和一个形成在用于周期性地与一个气门座气密结合的头部表面上的接触表面，所述接触表面利用一种诸如等离子束或激光束等高密度能量束以焊接到所述气门头部上的合金覆层的形式形成在所述头部表面上，所述接触表面处测量的结果表明，所述合金覆层的钴基组合物主要包含碳2.2-2.6％ 重量百分比硅1.1-1.3％ 重量百分比锰2.6-3.1％ 重量百分比镍≤1.5％重量百分比铬28-31％重量百分比铁10-11％ 重量百分比钨13.5-15.5％ 重量百分比其余为钴和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机气门，其中，焊接成形时稀释到头部表面中的钴基合金被控制在25-35％重量百分比，以便改善接触表面的耐磨性。
4.根据权利要求1至3任一项所述的内燃机气门，其中，所述超耐热镍-铬合金是Inconel 751。
全文摘要
本发明公开了一种内燃机气门，具有一体部，一头部和一形成在周期性地与气门座气密接合的头部表面上的接触表面，该接触表面利用等离子束或激光束等高密度能量束以焊接到气门头上的合金覆层形式形成在所述头部表面上，在所述接触表面处测得的合金覆层的钴基组合物主要包含碳2.2-2.6％(重量百分比，下同)，硅1.1-1.3％，锰2.6-3.1％，镍≤1.5％，铬28-31％，铁10-11％，钨13.5-15.5％，其余是钴和一些不可避免的杂质。
文档编号F01L3/04GK1145447SQ95116918
公开日1997年3月19日 申请日期1995年8月26日 优先权日1995年8月26日
发明者高野雄次 申请人:富士乌兹克斯株式会社