表面石墨烯強化的新型發動機氣門材料的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及新材料領域，尤其涉及一種發動機用進氣門材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 目前發動機一般設有多個氣門。常見的是每個汽缸布置有4個氣門，4汽缸的發動 機一共有16個氣門。發動機是機車的核心部件，而氣門又是發動機的關鍵零件之一。氣 門是用來打開或關閉進、排氣道的直接零件，其工作環境惡劣、對材料的性能要求高。氣門 分為進氣門與排氣門，空氣通過進氣門進入發動機氣缸內與燃料混合燃燒，燃燒后產生的 廢氣通過排氣門排出氣缸，從而實現新鮮空氣進入氣缸燃燒產生車輛行駛的動力并排除廢 氣。在這過程之中，燃料燃燒的熱能轉化為機械能。氣門頭部溫度很高，而且還承受氣體 的壓力、氣門彈簧的作用力和傳動組件慣性力，其潤滑、冷卻條件差，要求氣門必須有一定 強度、剛度、耐熱和耐磨性能。進氣門一般采用合金鋼(鉻鋼、鎳鉻鋼)，排氣門采用耐熱合金 (硅鉻鋼)。有時為了省耐熱合金，排氣門頭部用耐熱合金，而桿部用鉻鋼，然后將兩者焊接 起來。
[0003] 發動機的工作特點要求進氣門要具備耐磨擦、耐高溫、耐疲勞、高韌性等特征，氣 門材料的性能直接影響到發動機的性能。由于該項技術的高度商業價值及高度的商業機 密性，關于氣門材料及其加工工藝方面的相關報道極少。目前國內的氣門材料有40Cr、 4Cr9Si2、4Crl0Si2Mo、21-4N和23-8N等少數幾種。然而，我國目前的氣門壽命尚不及國外 先進水平的三分之一。
[0004] 發明專利CN102493853A提出了采用TiAl基金屬間化合物作為氣門材料。這種材 料在耐高溫方面能夠得到很大的提升，然而，其韌性尚達不到工業應用的標準，并且存在價 格昂貴的問題。
[0005] 發明專利CN101838807A提供了一種發動機進、排氣門用激光熔覆涂層材料及其 涂層。該激光熔覆涂層材料由以下質量百分比的化學成分組成：Ni: 15~30%;C:0. 5~ 2. 0%;Si:2. 5 ~4. 0%;Fe:5 ~15%;W:3. 5 ~6. 5%;Cr:12 ~20%;納米Α1:0· 15 ~ 0. 40%;Υ203:0. 5~2.0%;余量為Co。提高了發動機進、排氣門的表面硬度，具有很強的耐 磨性，使得發動機進、排氣門能夠適于高溫。
[0006] 發明專利CN103627956A公開了一種發動機用高耐磨性能進氣門材料及該氣門 的制造方法。采用的合金成分范圍為：：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% ;余料為Fe。該氣門經表面納米化、低溫滲氮、堆焊 鎢鋯合金等工藝加工而成。
[0007] 發明專利CN103627961A公開了一種進氣門，進氣門采用的合金成分重量百分比 為：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% ;余量為純度為99. 8%的Fe。該氣門經表面納米化、低溫滲氮、堆焊 鎢鋯合金等工藝加工而成。該氣門可以在500°C以上的高溫長期服役，但是當發動機的性能 提升，要求氣門在550°C以上的溫度服役時，這個材料便不能勝任了。
【發明內容】
[0008] 發明目的：為解決上述技術問題，本發明提供本一種成本適中、耐高溫性能優異、 使用壽命較長的綜合性能優異的進氣門材料及其制備方法。
[0009] 技術方案：為實現上述技術方案，本發明提供了一種進氣門，所述進氣門的基 體材料成分為：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%。余量為純度大于99. 8%的Fe，所述純度為99. 8%的Fe中的雜質重量百分比含量為：Ni:彡0.013% ;P:彡0.015 ;S:彡0.015%。其特征在于，氣門的錐面有非晶合金層，厚度 200-500微米，氣門的表面有石墨烯層，厚度50-500納米。
[0010]相對于專利CN103627956A使用的材料，本發明降低了Μ〇、Si的含量，增加了 Cu、Nb元素。降低Mo含量能夠降低產品的成本，增加微量Nb元素，在不顯著增加成本 的前提下，能夠有效地提高合金的耐高溫性能與高溫下的強度，增加微量的Cu元素，能夠 大大改善合金的焊接性能。并采用高強、高硬度、高耐磨性能的非晶，大大提高了材料的性 能。
[0011] 此外，本發明采用了石墨烯鍍層，增強了氣門的抗高溫沖擊能力、抗氧化能力、耐 磨性能與表面強度。從而使氣門的長期使用溫度從5 0 0 °C上升到5 5 0 °C以上。
[0012] 上述進氣門的制造方法，包括如下工藝步驟： (1) 按照合金成分范圍準備配料，將合金材料混合均勻； (2) 采用真空感應爐熔煉，溫度控制在1600~1650°C，熔煉2~2.5小時； (3) 分別在1100°C、1050°C、950°C進行三次鍛造，控制變形比大于70%，得到進氣門毛 坯； (4) 在800-850°C下保溫1-1. 5h，淬火，然后加熱到450-500°C，保溫2-2. 5小時，最后 空氣冷卻； (5)熔煉非晶合金：按照該合金的原子比配置原料，進行真空熔煉，澆注冷卻后得到 非晶合金。其中非晶合金含有2廠11、1〇、八1、1、￥、8等元素，其中2廠11、1〇、41的原子比 為 50 :15 :8 :12。所述非晶合金包含但不限于Zr5QTi15M〇sAl12WsV5B2、Zr5QTi15M〇sAl12W5V5B5、 Zr50Ti15Mo8Al12W7V6B2; (6) 采用銑床加工對錐面進行表面光潔度處理； (7) 在錐面焊接非晶合金；厚度控制在200-500微米；具體可以采用釬焊、堆焊、擴散焊 等方式； (8) 進行表面光潔度處理，再采用化學氣相沉積（CVD)法在氣門表面沉積一層石墨烯； 沉積過程利用CH4為碳源、H2為載氣，溫度為900~1000°C。降溫的速度為15°C/s。
[0013] 有益效果：使用本發明的氣門，由于其具有優異的高溫性能(強度、抗氧化性、耐磨 性與疲勞壽命等)，能夠提高發動機的工作溫度，因而提升燃料的燃燒熱量與利用效率。能 夠產生明顯的經濟效益。采用焊接非晶材料，保證了氣門表面具有優異的強度、硬度、摩擦 磨損性能。通過沉積石墨烯層，確保了氣門表面的耐高溫性能與耐磨性能。從而使氣門的 長期使用溫度從5 0 0 °C上升到5 5 0 °C以上。
【具體實施方式】
[0014] 以下各個實施例中所使用的純度為99. 8%的Fe中雜質的重量百分比含量為：Ni:彡 0· 013% ;P:彡 0· 015 ;S:彡 0· 015。
[0015] 實施例1 (1) 按照合金成分范圍準備配料，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%。將合金材料混合均勻； (2) 采用真空感應爐熔煉，溫度控制在1600°C，熔煉2.