用于內燃機的閥的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及閥用于使用在內燃機上的閥,至少一個閥部分通過化學氣相沉積(CVD)處理接收涂層,這給予了形成的閥以長的耐久性、簡化制造以及耐腐蝕性以及耐破裂性。
【背景技術】
[0002]內燃機是絕大部分機動車輛使用的能量轉換機構,基本上包括兩個主要部分:一個或多個發動機頭和發動機缸體。燃燒室位于在發動機頭的基座上(通常,在柴油發動機的情況下,燃燒室位于活塞頭上),氣缸和曲軸組件位于發動機缸體上。內燃機的閥容納在發動機頭中,并且該設備的目的是允許或阻止氣體進入或排出發動機氣缸。
[0003]發動機將燃燒室中的混合物(燃料和空氣)的燃燒產生的能量轉化為機械能,機械能能夠賦予車輪運動。進氣閥是控制氣態混合物進入發動機氣缸的閥,而溢流閥是在爆炸后允許氣體離開的閥。
[0004]因閥所受到的應力不同,通常,其構造結構是非常相似的。因此,如圖1中可以看出的,閥I由盤形閥頭10和閥頸區域3構成,閥頭10包括閥座區域2,閥頸區域3作為桿4的過渡區域,其中,閥I的末端5位于桿的與閥頭相對的端部。
[0005]每個閥部分受到不同的工作條件,因此以不同方式被施加應力。閥座區域因沖擊和摩擦而受到磨損,其功能在于密封閥頭上存在的座件/插件。應當指出的是,當關閉閥時除了因沖擊而磨損,還會因摩擦而磨損(當閥開啟而接觸插件時的粘合)。而閥頭區域應是耐腐蝕的。桿區域應是耐磨損的并具有低摩擦。應當注意的是,盡可能少量的潤滑液應通過桿和引導件之間的區域,以防止潤滑劑到達燃燒室。最后,閥末端必須是耐磨損的,因為它接收到迫使閥打開和關閉的致動器的一部分的恒定壓力。
[0006]總之,閥應表現出抵抗三種不同類型的應力,即:機械應力、熱應力和化學應力。關于機械阻力,閥應在閥座區域和末端區域表現出耐沖擊性。關于耐磨性,受影響的主要部分是閥座區域、桿和閥末端。反過來,耐壓力應該是閥頭前方的特征。最后,疲勞強度是必要的,由于牽引應力和壓縮應力之間恒定交替。
[0007]需要耐熱性是源自于燃燒溫度、溢出氣體的高溫以及在高低溫度之間交替引起的疲勞。
[0008]耐化學性變得必要以防止腐蝕,這容易發生在閥所受到的氣體、水分和工作溫度的腐蝕環境中。
[0009]因此,為了克服該閥受到的越來越苛刻的工作條件,常見的是閥是單金屬的特種合金的、雙金屬的或設置有插件。
[0010]單金屬閥是由單一材料構成的,并且應用到普通要求的部件上。因此,對于進氣閥,人們通常采用馬氏體鋼,優選鉻-硅合金,這是由于其優良的機械性能。關于溢出閥,人們通常利用鉻-鎳-錳合金鋼,這是因為其良好的耐腐蝕和耐高溫的性能。
[0011]雙金屬閥應用在更多要求的場合,在這種情況下,特定材料應用于每個閥部分。作為示例,桿使用馬氏體鋼以保證高耐磨性。對于閥頭,使用奧氏體鋼或鎳基合金以保證高溫下的耐腐蝕性。自然,這些閥具有較高的成本,這是因為它們的制造過程具有局限性,因此,不適合于許多應用。
[0012]閥末端通常依靠焊接接收奧氏體合金板(在該情況下是單金屬閥)、低合金的硬回火奧氏體鋼(在該情況下是雙金屬閥)。
[0013]目前,需要更高的熱效率和發動機的比功率,顯著地由于限制排放污染物和限制燃料和潤滑油的消耗,這導致了增加奧托或柴油發動機的熱應力,其中有閥。在一些更近期的應用中,這些部件的耐用性的降低得到了很大的考慮,要求進行改善。
[0014]到現在為止,在現有技術的發動機的涂層閥的最常見的解決方案中,可以引用氮化,其顯示了例如關于抗疲勞性的負性能。另一個例子是鈦閥,用于賽車發動機,但具有非常高的成本和低的耐磨損,由于這個原因,其表面應涂覆有氮化鈦(TiN)或氧化鈦(T1)以抵消低耐磨性。
[0015]對于發動機閥仍有一些額外的方案,這些方案利用了商業上已知的合金,如Nimonic或Nireva合金,但這些材料的成本無法補償大多數情況下的性能。
[0016]在各種現有方案中,文獻US4811701公開了一種用于內燃機的進氣閥,其設置有通過熱噴涂施加的氧化鈰涂層以防止在閥上形成的碳沉積。
[0017]文獻US7562647公開了一種具有耐高溫涂層的進氣閥以及具有這種閥的內燃機。該閥部分地被涂覆以保證耐腐蝕性,還經歷閥頭硬化處理。公開的保護膜通過用可固化樹脂實現,包括至少一種金屬或陶瓷材料以及至少一種有機或無機結合劑。
[0018]文獻US5441235公開了一種氮化鈦涂敷閥及其制造方法。該鈦閥基本上是氮化物,但在現實中確實可以沉積TiN膜,但與鈦進行的加壓氮反應不是僅發生在閥表面。因為這是一個擴散過程,所以產生700至880°C的高溫以實現充分的形成氮化物。這個過程是基于陰極和閥(陽極)之間建立的電弧,從而效率喪失,或許因末端效應(其累積負載)而造成不一致的膜。因此,作為現有技術文獻的缺點,準確地說由于高溫存在用于涂層鋼的非適宜方法。
[0019]專利US7225782也公開了一種閥,其經歷通過物理氣相沉積(PVD)施加的氮化鈦處理,目的是促進在閥表面上形成保護氧化膜。該文件還評論了使用由PVD沉積的DLC、氮化鉻或WC/C膜的可能性。關于WC/C涂層,提到了多層碳化鎢與非晶碳層交替形成。然而,PVD方法在均勻沉積方面具有很多困難,這會導致閥的耐磨性的不期望行為。PVD工藝的另一缺點在于,沉積該涂層至零件的所有面(稱為陽極)困難,這是因為PVD工藝要求待涂覆的陽極面應該正面暴露于陰極(即PVD的材料源)。
[0020]通過PVD沉積的多層膜通常具有高的殘余應力,特別是DLC膜。雖然它們具有良好的摩擦性能,但是DLC不耐高溫,更不用說閥所要經受的其他方面。還應當指出的是,其現在能在腐蝕環境下很好地工作(DLC通常具有“針孔”,通過該針孔,腐蝕物質可以出去,盡可能遠至襯底)。還應當指出的是,在通過PVD沉積的WC/C的情況下,有必要從粉末或目標蒸發出鎢,這需要大量的能量,因為需要達到約2500°C。
[0021]因此,相比本發明利用PVD的方案具有缺點。不同于PVD工藝,在本發明中使用當前的CVD工藝,因為CVD工藝是化學沉積,在該沉積中涂層材料以氣體的形式被引入到沉積室中,所以由于環境中的氣體會與零件表面發生反應使得不受保護的所有零件表面將接收涂層。
[0022]即使有許多嘗試來最小化閥經受的磨損,但是現有技術的方案不能提供內燃機的閥,該閥在所有耐久性要求方面伴隨地管理而呈現優良行為。
[0023]圖2至圖7示出了它們影響現有技術閥的耐久性的幾個例子。因此,影響現有技術閥的耐久性的現象之一大多數是源自晶間腐蝕(ITG)。
[0024]這種現象可描述為開始于晶粒的輪廓中的腐蝕。由于暴露于高溫,合金鉻迀移到晶粒的輪廓,即,鉻形成為參與晶粒的邊界區域。結果是,鉻作為合金元素的損失(這對于腐蝕是至關重要的)導致晶粒邊界和相鄰區域的溶解(參見圖3、圖4、圖6和圖7)。
[0025]這種效應的結果導致了閥的斷裂,如圖5所示,圖5示出了現有技術的閥,其閥頭區域的一部分已經損失,這是由于主斷裂(基本上平行于周邊,參見圖6),還示出了二次斷裂(基本上垂直于周邊,參見圖4)。
[0026]圖6和圖7分別詳細示出了在化學粘附和應用500倍之后的晶間腐蝕,以及從圖5的AA和BB截面去除少量晶粒。
[0027]通常發生在現有技術閥上的另一磨損機理稱為熱氣腐蝕(HCG)。圖8和圖9示出了這種現象發生在閥桿中,可以從桿表面去除些材料。
[0028]閥受到的熱氣所造成的腐蝕通常是均勻的腐蝕機理,在大多數情況下,腐蝕關聯于排氣閥受到的熱氣。這通常與氧化有關,但是也可發生熔融鹽攻擊,諸如硫化(由燃料和潤滑流體形成的硫化鹽)。通常,現有技術試圖通過形成極高粘附的非多孔鉻氧化物層來控制腐蝕鋼閥的工藝,其中當層喪失其保護能力時會開始HGC現象。
[0029]攻擊閥的第三種常見現象示于圖10中。在這種情況下,阻止閥旋轉的閥故障可能會導致小開口,該小開口允許燃燒的氣體通過。這些氣體反過來會導致閥座區域的腐蝕,因為它們具有高溫和腐蝕性。
[0030]這種情況會阻止閥應提供的正確密封。在一些情況下,會發生局部融合,這會加速腐蝕現象,直到閥失效。這會發生,由于熱氣的恒定通過,使一個局部集中區域的溫度急劇上升(參見圖10中的箭頭),并且該閥不能使發動機正確操作。還應當指出的是,當閥具有密封問題時這種現象具有特殊發生率。
[0031]面對前述問題,迄今沒有人發明出通過化學氣相沉積(CVD)工藝施加涂層的閥,從而給予閥長的耐久性并且保持可接受的制造成本。
【發明內容】
[0032]發明目的
[0033]本發明的目的是提供一種用于使用在內燃機上的閥,其中,碳化鎢涂層通過溫度范圍450°C至650°C的化學氣相沉積(CVD)處理施加至閥的至少一部分。
[0034]本發明的目的還在于,提供由單個鋼件形成的閥,其接收碳化鎢涂層,使得生產處理更容易。
[0035]最后,本發明的另一目的在于提供一種閥,閥及其桿和座面通常呈現更好的耐磨損性以及耐阻力性,該閥能夠抵抗晶間腐蝕和后續破裂,抵抗因燃燒加熱的氣體的通過導致的腐蝕以及滲漏的形成。
[0036]本發明的目的是依靠用于內燃機的閥實現的,其中,包含納米碳化鎢WC、W2C、W3C、W12C或者它們的混合物的鎢基體金屬涂層施加至閥的至少一部分,該涂層具有的厚度范圍為5 μ m至150 μ m,硬度范圍為500HV至2000HV并且是通過化學氣相沉積(CVD)處理施加的。
【附圖說明】
[0037]現在將參考附圖中示出的例子更詳細描述本發明。
[0038]圖1是閥的示意性側視圖,具有構成閥的部件;
[0039]圖2是示意圖,示出了通過貧化現有技術閥的邊界晶粒區域中的鉻產生的晶間腐蝕機理;
[0040]圖3對應于的照片示出了現有技術閥的晶間腐蝕;
[0041]圖4對應于的照片示出了現有技術閥發生的晶間腐蝕和二次斷裂;