CN104919150B - 发动机气门 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发动机气门，其对于面堆焊材料仰制规定的稀有金属的成分比，且为了应对使用环境的严酷化，对于耐磨损性、耐冲击性、耐高温腐蚀性的全部均可满足规定的特性。发动机气门是在气门基体的伞部设有堆焊焊接形成的圆周状的焊缝***部，具备在该焊缝***部形成有表面固化层的面而构成，由Ni‑Fe‑Cr系合金形成上述焊缝***部的堆焊材料，其含有元素的质量成分为：W：8.0～40.0％、Mo和W的合计为20.0～40.0％的范围、Fe：20.0～50.0％、Cr：12.0～36.0％、B：1.0～2.5％，余部由Ni及不可避免的杂质构成，且上述表面固化层是在形成于上述面的精加工面形成氮化层而成，该氮化层通过气门整体的氮化处理而形成，由此，可以抑制稀有金属的组成成分比，且确保规定的特性。

Description

发动机气门

技术领域

本发明涉及形成了采用堆焊(盛金)的面的发动机气门。

背景技术

在天然气等的干式的燃烧环境中，在发动机气门的面的表面不易形成燃烧残渣，因此，在其与气门座之间产生金属接触，在面上产生激烈的粘着磨损。关于这一点，虽然作为面的表面固化合金将钴基耐磨损性合金、即商标名Tribaloy T400用于磨损环境严酷的天然气等，但材料费昂贵，另外加工性差，因此，成为气门制造上的难点。

为了降低这种在干式的燃烧环境下具有耐久性的发动机气门的成本，提出了各种技术方案，特别是如专利文献1中所示的技术方案，在特定组成的铁基合金的堆焊上通过氮化处理形成表面固化层，由此，以低成本谋求发动机气门的耐久性提高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平7 102916号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，由于近年来对环境意识的提高，工业设备使用环境的严格度增加。随之而来的是要求表面固化合金的更加高性能化及、矿物资源的有效利用和与之相伴的稀有金属的使用抑制导致的便宜的合金。尤其是，在发动机气门所使用的堆焊合金中，具备耐冲击性和耐磨损性、耐高温腐蚀性，并且利用了丰富资源的便宜的合金的开发成为课题。

本发明的目的在于，提供一种发动机气门，其将规定的稀有金属的组成比率抑制为较小，且为了应对使用环境的严酷化，可按规定标准满足耐磨损性、耐冲击性、耐高温腐蚀性的全部。

用于解决课题的技术方案

权利要求1的发明的特征在于，在包括包含轴部和其一端的伞部的发动机气门用的气门基体，在所述伞部设有堆焊焊接形成的圆周状的焊缝***部(肉盛部)，具备在该焊缝***部形成有表面固化层的面的发动机气门中，由Ni-Fe-Cr系合金形成所述焊缝***部的堆焊材料，其含有元素的质量成分为：W：8.0～40.0％、Mo和W的合计为20.0～40.0％的范围、Fe：20.0～50.0％、Cr：12.0～36.0％、B：1.0～2.5％，余部由Ni及不可避免的杂质构成，且所述表面固化层是在形成于所述面的精加工面形成氮化层而成，该氮化层通过气门整体的氮化处理而形成。

权利要求2的发明的特征在于，在权利要求1的发明的构成中，在所述堆焊材料的含有元素的余部的范围混入的元素的质量成分为：以合计计选自Co、Mn、Cu、Si的元素为15.0％以下、Co为15.0％以下、Mn和Cu分别为5.0％以下、Si为2.0％以下、C为0.5％以下。

发明效果

通过权利要求1的发明，在满足规定的4个特性条件的堆焊形成的面的精加工面上，作为表面固化层通过气门整体的氮化处理形成氮化层，因此，发动机气门能够抑制取得困难的规定的稀有金属的组成比率，且不增加特别的处理工序地确保所需要的耐久性。

权利要求2的发明是在权利要求1的发明的效果的基础上，通过将不会给物性带来不利影响的添加元素抑制在规定的上限内，能够抑制本发明合金的耐冲击性及耐磨损性的降低。

附图说明

图1是发动机气门的面周围的剖视图；

图2是发动机气门制造的新旧工序比较图(a)(b)；

图3是铁基堆焊的氮化层的有无导致的面磨损量比较曲线；

图4是钴基堆焊的氮化的有无导致的面磨损量比较曲线；

图5是堆焊材料的高温硬度比较曲线；

图6是发动机气门的示意图；

图7是阀磨损试验方法的概略图。

具体实施方式

下面，基于上述技术思想对具体地构成的实施方式参照附图进行说明。

(构成)

本发明的发动机气门的面周围的剖视图如图1所示，对于第1例(a)的采用铁基合金的堆焊11，使用后述的规定的成分比的铁基耐磨损合金，在面F的精加工后进行气门整体的氮化处理，由此对于堆焊11形成氮化层形成的表面固化层12，同时在其他的气门表面形成氮化层12a。另外，对于第2例(b)的采用钴基合金的堆焊13，使用普通的钴基耐磨损合金，在界面F的精加工后进行气门整体的氮化处理，由此形成伴随分散氮化层的氧化被膜形成的表面固化层14，同时在其他的气门表面形成氮化层14a。

所述发动机气门通过由氮化处理而与该氮化层12a、14a同时形成的堆焊11、13的面F的表面固化层12、14，能够防止其与气门座之间的金属接触，与气门的轴部一起确保面耐磨损性。

(制造工序)

所述发动机气门制造工序的新旧工序比较图如图2所示，在面精加工后进行气门整体的氮化处理(a)。这是将现有工序(b)中的防止进行滑动的轴部的磨损的氮化处理和面精加工进行了调换，通过工序变更而能够不增加处理成本地实施。

气门材料可以是马氏体系、奥氏体系耐热钢、Ni基超合金，在通过锻造而成型的排气气门的界面上焊接铁基堆焊或钴基堆焊，进行至粗加工、精加工，完成气门界面。

接着，对气门整体进行氮化处理。例如，通过盐浴软氮化处理，即，通过采用含有氰酸钠或氰酸钾的混合盐的盐浴，在铁基合金的堆焊表面形成金属间化合物的氮化层，另外，在钴基合金的堆焊表面形成伴随分散氮化层的氧化被膜。此外，气体软氮化、等离子氮化等的例子也适合。

(耐磨损性)

堆焊为规定的铁基合金的情况，对于面磨损量，采用台架试验(リグテスト)的氮化层有无的比较曲线如图3所示，对于270℃～460℃的各温度划分，确认了基于氮化处理形成的氮化层的耐磨损性。因此，对于铁基堆焊，由于确保了加工性，且将稀有金属含量抑制为较小，也没有增加工序，因此不会招致成本增加，能够确保氮化层带来的耐磨损性。此外，所述台架试验的试验条件如下，将“^”作为指数标记。

(1)凸轮(カム)转速：3000rpm、(2)气门旋转：20rpm、(3)接触数：1.6×10^6、(4)试验条数：各温度评价2条

对于堆焊为钴基合金的情况，对于面磨损量进行采用实机的规定时间的测试，氮化有无的比较曲线如图4所示，通过伴随分散氮化层的氧化被膜的防止金属接触的作用，确认了氮化处理的优越性。另外，通过截面的反射电子像确认了分散氮化层与面的表面的铁的分布相对应。

(高温硬度)

对于堆焊材料的氮化处理带来的高温硬度，比较曲线如图5所示，在运转中的面温度在氮化层扩散温度(600℃附近)的温度域，对于堆焊的氮化处理效果而言，以SUH35等耐热钢(圆形表示)为基准，铁基堆焊1A、1B(正方形表示)及钴基合金3A、3B(菱形表示)均可确保充分的高温硬度，因此在温度高的范围，可以预见比没有堆焊的氮化处理更优异的耐磨损性。

铁基堆焊1A、铁基堆焊1B、钴基合金3A、钴基合金3B、耐热钢的成分比如表1所示。

[表1]

(铁基堆焊)

下面，对本发明的发动机气门所应用的铁基堆焊材料详细地进行说明。

通过设定用于具备耐冲击性和耐磨损性、耐高温腐蚀性、进而将稀有金属的含量抑制为较低的表面固化用合金的开发的4个条件，作为可确保面耐久性所需要的特性值的Ni-Fe-Cr系合金，开发基于下述组成比的铁基合金(以下，称为“本发明合金”)。

作为条件的目标值如下。以下，将平方cm表记为“cm²”。

(1)夏氏冲击值→4J/cm²以上、(2)洛氏硬度(C标尺)→42以上、(3)磨损减量→150μm以下、(4)Fe含量→20质量％以上

另外，在此定义的稀有金属设为除了铁、铝、铜、锌、锡、金、银、水银、铅、硅、碳的金属，本发明中符合的金属元素为Ni、Cr、B、Mo、W、Mn、Co。

本发明的Ni-Fe-Cr系合金的特征为，含有Mo：0～20.0质量％、W：8.0～40.0质量％，Mo和W的合计量为20.0～40.0质量％，且含有Fe：20.0～50.0质量％、Cr：12.0～36.0质量％、B：1.0～2.5质量％，余部由Ni及不可避免的杂质构成。在此，所谓不可避免的杂质为非有意识地添加，但在各原料的制造工序等中不可避免地混入的杂质，作为这种杂质，可举出Mg、S、O、N、V、Zr、Sn等。而且，它们的总和通常为0.3质量％以下，不会给本发明的作用带来影响。

另外，本发明合金的特征为，在上述记载的Ni-Fe-Cr系合金中，以合计计含有选自Co、Mn、Cu、Si、C的元素15.0质量％以下，且Co为15.0质量％以下、Mn、Cu分别为5.0质量％以下、Si为2.0质量％以下、C为0.5质量％ 以下。

(组成比的限定)

所述各成分范围基于实施例中的试验成绩如以下来限定。

W及Mo固溶于作为基质(基体)的Ni或Fe固溶体中，赋予耐磨损性·耐冲击性，同时，其一部分与B形成金属间化合物，还有助于耐磨损性的提高，但W和Mo的合计量不足20.0质量％时，金属间化合物的结晶不充分，若超过40.0质量％，则形成较多的金属间化合物，韧性(耐冲击性)大幅降低。因此，Mo和W的合计量规定在20.0～40.0质量％的范围。此外，若W的含量不足8.0质量％，则金属间化合物的结晶变得不充分，因此W的含量优选8.0～40.0质量％的范围，与W相比Mo向基质的固溶极限量小，因此将Mo的含量的上限规定为20.0质量％。此外，Mo为任意成分，因此，Mo的含量也可以为0质量％。

Fe为资源丰富且便宜的元素，有助于产品的低价格化。因此，优选Fe的含量尽可能多，将其下限设定为20.0质量％。另一方面，Fe固溶于Ni固溶体，但若超过50.0质量％，冲击值、硬度、耐高温腐蚀性就会降低，因此Fe的含量规定在20.0～50.0质量％的范围。

Cr固溶于Ni或Fe固溶体，赋予耐磨损性·耐冲击性·耐蚀性·抗氧化性。另外，Cr的一部分与B形成金属间化合物，分散在基体内，因此，还有助于耐磨损性的提高。但是，在含量不足12.0质量％时，得不到充分的耐磨损性·耐蚀性·抗氧化性，若超过36.0质量％，金属组织中就会形成大量金属间化合物，使韧性大大下降，因此Cr的含量规定在12.0～36.0质量％的范围。

B与W、Mo、Cr形成金属间化合物，赋予耐磨损性，同时使熔融金属清洁，改善堆焊时的熔体流动，因此提高PTA、TIG焊缝***(肉盛)或喷镀等的施工作业性。但是，在含量不足1.0质量％时，无法形成足够量的金属间化合物，耐磨损性降低，除此之外，熔融金属的清洁化作用不充分。另外，若超过2.5质量％，则金属间化合物的量多，韧性(耐冲击性)大幅降低。因此，B的含量规定在1.0～2.5质量％的范围。

本发明合金中，作为不会给物性带来不利影响的添加元素，可以含有Co：15.0质量％以下、Mn、Cu分别为5.0质量％以下、Si：2.0质量％以下、C：0.5质量％以下，但为了使其不损坏耐冲击性及耐磨损性，将Co、Mn、Cu、Si、C的合计量的上限值规定为15.0质量％以下。

(效果)

由所述组成比而特定的本发明合金是通过含有Fe 20质量％以上而减少了稀有金属的使用量的合金，具有夏氏冲击值为4J/cm²以上且硬度(HRC)为42以上的特性，另外，在后述的阀-阀座磨损试验中，发动机气门及座的磨损减薄量的合计不足150μm，在发动机气门以外作为具备耐冲击性和耐磨损性的表面固化合金，也可以应用于宽范围的用途。

如上所述，本发明合金作为表面固化合金具有优异的耐磨损性和耐冲击特性，因此，可以谋求以其为堆焊的发动机气门的耐久性的提高。另外，本发明合金含有资源丰富且比较便宜的Fe20质量％以上，因此，可将稀有金属的使用量抑制为较低，能够进行考虑了矿物资源的有效利用或环境的发动机气门的制造。

另外，本发明合金不限定于堆焊用，通过复合添加在采用粉末冶金的烧结零件中形成硬质粒子，也可以有效地利用于形成耐磨损性良好的机械零件。

实施例

(实施方式)

对于本发明合金而言，可以将以基底Ni及作为添加成分的W、Mo、Fe、Cr、B和根据需要添加的Co、Mn、Cu、C、Si各自达到规定的质量％的方式进行了调整·配合的生坯，在熔解炉中的坩埚内进行加热·熔融而制成液状的合金后，通过雾化法、熔融粉碎法制成粉末，或在规定的铸型中进行铸造而形成棒状、板状，作为堆焊材料。

尤其是用雾化法制造的本发明合金，通过调整为适于目的施工方法的粒度，在PTA焊缝***、喷镀等表面改性施工中，用连续铸造法制造的焊缝***焊接棒可以应用于气体焊缝***等表面改性施工。另外，通过在各种材质的发动机气门的界面(フェ一ス面)施工该粉末或者棒材，能够赋予发动机气门耐磨损性。

将如上所述进行了调整·配合的本发明的实施例合金及比较例合金进行熔炼，用以下所示的方法进行夏氏冲击值和洛氏硬度的测定及磨损试验。

(1)夏氏冲击试验

将具有各合金的配合组成的100g的生坯使用电炉在氩气流中加热至约 1600℃使其熔解，铸造成壳体铸型，机械加工成JIS Z2242：2005记载的试验片(无缺口)。然后，使用夏氏冲击试验机遵照JIS Z2242：2005进行冲击试验并测定冲击值。

(2)硬度测定

将用和上述(1)相同的方法进行了熔炼的铸造片机械加工成10×10×20mm的形状，露出平行面，用240号的耐水砂纸对其平行面上部进行湿式抛光，遵照JIS Z2245：2005实施洛氏硬度试验。此外，用C标尺实施硬度测定。

(3)磨损试验

将具有各合金的配合组成的100kg的生坯，使用高频熔解炉在氩气流中加热至约1600℃使其熔解，通过气体雾化法使其粉末化，利用振筛机进行粒度调整至80～350mesh。将该合金粉末如图6所示，在用Fe-Ni-Cr系耐热钢制作的发动机气门1的界面2上进行PTA堆焊(PTA肉盛溶接)，机械加工为规定形状，之后，用图7所示的试验方法，实施阀-阀座磨损试验。

试验条件如以下。

试验例的发动机气门的伞径约32mm、轴径约6mm、全长约110mm，阀座材料使用Co-Mo-Cr系烧结材料，在凸轮转速3000rpm、气门转速20rpm、气门面温度250～400℃、试验时间9小时条件下进行实施，计算试验前后的气门(阀)及气门座(阀座)的磨损减量的合计值。此外，附图标记3为加热燃烧器，以下相同，4为气门、5为座、6为冷却水、7为旋转器(径向旋转)、8为推杆(上下动)。

(评价基准)

○：气门和座的磨损减量的合计不足100μm

△：气门和座的磨损减量的合计为100μm以上、不足150μm

×：气门和座的磨损减量的合计为150μm以上

表2中表示本发明的实施例，表3及表4中表示比较例。

[表2]

[表3]

[表4]

(比较例1)

表3所示的比较例合金(a)～(i)为本发明的组成外的合金。合金(a)是Mo和W的合计低于本发明的组成范围的下限的合金，合金(e)是Fe和Cr低于上述范围的下限的合金、合金(g)为Cr高于上述范围的上限、B低于上述范围的下限的合金，合金(i)为Co和Mn的合计高于上述范围的上限的合金，均不满足硬度和磨损减量的目标值。合金(b)是W和B高于上述范围的上限的合金，合金(c)为Mo和Si高于上述范围的上限的合金，合金(d)为W和Mo的合计高于上述范围的上限的合金，合金(h)为C高于上述范围的上限的合金，冲击值均未满足目标值。合金(f)是Fe高于上述范围的上限的合金，未满足冲击值和硬度的目标值。

(比较例2)

表4所示的比较例合金(A)～(U)是现有Co-Cr-W-C系合金(Stellite(注册商标))、Cr-Mo-Si系合金(Tribaloy(注册商标))、或其他专利文献中所示的合金，但均未满足Fe量、冲击值、硬度、磨损减量的某一目标值。

与此相对，如表2所示，作为本发明合金的实施例1～12，冲击值和硬度、磨损减量均满足目标值，具备作为表面固化合金适度的耐磨损性和充分的韧性。

(4)PTA焊缝***(PTA肉盛)试验

在所述(3)的磨损试验中，调查了制作发动机气门时的、堆焊时形成的熔融池的熔体流动状态，结果确认了实施例合金的熔体流动状态都非常良好，焊缝***作业性优异。

(5)高温硫化腐蚀试验

使用实施例合金及比较例合金(A)、(C)的合金组成，将用和上述(3)相同的方法制作的发动机气门用硫化钠包裹，在850℃保持2小时后，确认堆焊层的表面状态。其结果是，比较例合金(C)被确认有硫化物生成，但实施例合金、比较例合金(A)中，未确认有硫化物的生成，具有优异的高温硫化腐蚀特性。

(6)热冲击试验

使用实施例合金及、比较例合金(A)、(C)的合金组成，将用和上述(3)相同的方法制作的发动机气门，在设定为400℃的电炉中进行1小时热处理后，投入约20℃的水中急冷。接着使热处理温度进一步上升50℃，进行1小时的热处理后，进行水冷。重复以上操作，直至热处理温度达到650℃，调查通过在 650℃的热处理后的水冷中堆焊层是否产生裂纹、剥离，结果确认了比较例合金(C)被确认有裂纹，但实施例合金和比较例合金(A)中未看到裂纹，具备充分的热冲击特性。

符号说明

11 堆焊

12 表面固化层(氮化层)

F 表面

Claims (2)

1.一种发动机气门，其特征在于，其包括包含轴部和其一端的伞部的发动机气门用的气门基体，在所述伞部设有堆焊焊接形成的圆周状的焊缝***部，具备在该焊缝***部形成有表面固化层的面，其中

由Ni-Fe-Cr系合金形成所述焊缝***部的堆焊材料，其含有元素的质量成分为：含有基底Ni，以及W：8.0～40.0％、Mo和W的合计为20.0～40.0％的范围、Fe：20.0～50.0％、Cr：12.0～36.0％、B：1.0～2.5％作为添加成分，并且该Ni-Fe-Cr系合金不包含C，且所述表面固化层是在形成于所述面的精加工面形成氮化层而成，该氮化层通过气门整体的氮化处理而形成。

2.根据权利要求1所述的发动机气门，其特征在于，Ni-Fe-Cr系合金进一步含有：以合计计选自Co、Mn、Cu、Si的元素为15.0％以下、Co为15.0％以下、Mn和Cu分别为5.0％以下、Si为2.0％以下。