專利名稱：鈦合金提升閥及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦合金提升閥及其制造方法。
為降低慣性質(zhì)量改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能，內(nèi)燃機(jī)中的吸氣和排氣閥由鈦合金制成以代替耐熱鋼，但是Ti易于與其它元素如氧結(jié)合并且耐磨性不夠。
在鈦合金提升閥的表面，如由日本專利第3,022,015號(hào)公開的氮化和氧化，如由美國(guó)專利第5,466,305號(hào)公開的滲碳或者鍍鎳都被用于增加其耐磨性。
氮化或者氧化的閥具有足夠的耐磨性，但硬度太高，以使它容易破壞其他元件。需要改變與閥嚙合的閥工作部分的材料，這樣增加了成本。
在氧化過程中，工件置于高溫，提供在大氣壓下750-800℃的空氣或氧氣，造成氧擴(kuò)散得太快，因此形成一層容易脫離的堅(jiān)硬而脆的氧化層如TiO2和Ti2O3。
通過在閥表面滲碳以達(dá)到足夠的耐磨性是困難的。用在閥中鍍鎳的方法，其耐熱性不夠并且不適合用于排氣閥。
針對(duì)上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種耐磨性顯著提高的鈦合金提升閥。
本發(fā)明的另一目的是提供一種耐磨性顯著提高的鈦合金提升閥的制造方法。
按照本發(fā)明的一個(gè)構(gòu)思，所提供的鈦合金提升閥包括閥桿和閥頭，所述閥具有在鈦中包括氧填隙的固態(tài)溶體的氧擴(kuò)散層的表面層。
按照本發(fā)明的另一個(gè)構(gòu)思，提供一種制造鈦合金提升閥的方法，所述方法包括以下步驟在爐中輸入氧氣，保持其密度小于用于在爐中形成氧化鈦所需的化學(xué)當(dāng)量，和在700℃到840℃的溫度下加熱所述閥1到4小時(shí)，使得氧原子進(jìn)入閥的鈦中，形成Ti-O填隙固態(tài)溶體，因此增加了閥的耐磨性。
如果溫度低于700，氧不能充分?jǐn)U散到鈦合金中，并且不能達(dá)到所需的硬度。如果溫度高于840，提升閥易變形且不適于實(shí)際生產(chǎn)使用，在750℃到800℃這個(gè)范圍是較好的。
如果時(shí)間少于1小時(shí)，那么不能達(dá)到所需的硬度，并且如果多于4小時(shí)，處理時(shí)間太長(zhǎng)，閥的生產(chǎn)率降低。在2到3小時(shí)這個(gè)范圍是較好的。
閥表面區(qū)域的氧密度較好是1.10×10-7g/cm2，到1.47×10-6g/cm2，如果它小于1.10×10-7g/cm2，硬度不夠，如果它大于1.47×10-6g/cm2，氧與鈦結(jié)合，形成氧化鈦。
由本發(fā)明生產(chǎn)的提升閥，增加其耐磨性和耐用性。
本發(fā)明的特點(diǎn)和改進(jìn)通過下面結(jié)合附圖詳加描述的實(shí)施例更多地顯示出來(lái)。其中

圖1是提升閥的正視圖；圖2是圖示如何形成氧擴(kuò)散層的簡(jiǎn)圖；圖3是圖示氧擴(kuò)散后氧充滿閥表面的圖表；圖4是圖示顯示如何形成氧和碳擴(kuò)散層的簡(jiǎn)圖；圖5是圖示氧和碳擴(kuò)散后氧和碳含量與閥表面深度的關(guān)系的圖表；圖6是圖示氧擴(kuò)散后閥硬度的圖表；圖7是圖示氧擴(kuò)散和滲碳后閥硬度的圖表；圖8是磨損測(cè)試儀如何測(cè)試的正視圖；圖9是通過磨損測(cè)試儀測(cè)試工件的測(cè)試結(jié)果的圖表；圖10是彎曲測(cè)試儀的主視圖。
圖1舉例說(shuō)明鈦合金提升閥1，閥體4包括閥桿2和閥頭3，并由Ti-6Al-4V的α-β合金制成，它也可以由以下合金制成α合金，如Ti-5Al-2.5Sn，Ti-6Al-6V-2Sn和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo；近α合金，包括小于10％β相的α-β合金，如Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo和Ti-8Al-1Mo-1V-2Sn；或β合金，如Ti-13V-11Cr-3Al和Ti-15Mo-5Zr-3Al。
進(jìn)行表面處理使閥體4的耐磨部分如閥端面5，與閥導(dǎo)向部分(未畫出)嚙合的閥桿2的嚙合部分，銷槽7和閥桿端面8變硬。
如圖2所示，如上所述Ti合金提升閥1置于真空加熱爐1中，氧密度，時(shí)間和溫度由在閥體4表面形成氧擴(kuò)散層的要求限定。在本發(fā)明的實(shí)例和比較例中，氧密度的含義是相對(duì)于閥所有表面區(qū)域的氧的含量。
為避免形成氧化鈦，氧密度被設(shè)為非常小，其總量小于形成氧化鈦所需的化學(xué)當(dāng)量。
加熱溫度設(shè)計(jì)為小于995℃，Ti-6Al-4V的β轉(zhuǎn)化點(diǎn)，因此，防止由于形成針狀晶體的Ti合金而減小韌性。
例1提升閥在氧密度為1.10×10-7g/cm2的環(huán)境下，在750℃的溫度下，加熱4小時(shí)，并且在氮?dú)庵欣鋮s到室溫。這樣生產(chǎn)的閥硬度好，變形小。
例2提升閥在氧密度為2.83×10-7g/cm2的環(huán)境下，在800℃的溫度下，加熱3小時(shí)，并且在氮?dú)庵袕?qiáng)制冷卻到室溫。這樣生產(chǎn)的閥硬度好，變形小。
例3提升閥在氧密度為1.42×10-6g/cm2的環(huán)境下，在700℃的溫度下，加熱2小時(shí)，并且在氮?dú)庵袕?qiáng)制冷卻到室溫。這樣生產(chǎn)的閥硬度好，變形小。
例4提升閥在氧密度為1.47×10-6g/cm2的環(huán)境下，在800℃的溫度下，加熱3小時(shí)，并且在氮?dú)庵袕?qiáng)制冷卻到室溫。這樣生產(chǎn)的閥硬度好，變形小。
下面是比較例比較例1提升閥在氧密度為1.08×10-7g/cm2的環(huán)境，700℃的溫度下，加熱2小時(shí)，并且在氮?dú)庵袕?qiáng)制冷卻到室溫。這樣生產(chǎn)的閥變形小，但硬度不高。
比較例2提升閥在氧密度為1.50×10-6g/cm2的環(huán)境，800℃的溫度下，加熱3小時(shí)，并且在氮?dú)庵袕?qiáng)制冷卻到室溫。其變形小，但氧密度太大，以使O與Ti反應(yīng)，在閥表面形成氧化膜，如TiO2，因此減小了硬度。
比較例3提升閥在氧密度為1.40×10-7g/cm2的環(huán)境，850℃的溫度下，加熱2小時(shí)，并且在氮?dú)庵袕?qiáng)制冷卻到室溫。由于溫度高，閥的變形太大，因此這種閥不適合實(shí)際應(yīng)用。
如圖3所示為由場(chǎng)發(fā)射俄歇電子光譜儀測(cè)量的例1到4中每一深度氧含量的平均值。從提升閥表面向其內(nèi)部的深度由橫坐標(biāo)軸表示，氧密度由縱坐標(biāo)軸表示。氧含量的單位“原子的％”代表“氧原子數(shù)與預(yù)計(jì)總原子數(shù)的比”。
氧化鈦沒有被X射線衍射儀檢到，這樣，氧原子沒有與鈦結(jié)合，而是在鈦中仍保持原子狀態(tài)，從而形成填隙固態(tài)溶體。
圖6所示為一圖表，其中橫坐標(biāo)軸表示深度，單位為μm，縱坐標(biāo)軸表示硬度，單位為Hv。圖中表示本發(fā)明例1到4的硬度平均值和一個(gè)未處理的閥硬度的圖表，它們的硬度由(Shimazu)株式會(huì)社，一個(gè)日本的株式會(huì)社生產(chǎn)的微-威氏硬度儀測(cè)定。
如圖表所示，在深度為50μm時(shí)具有350Hv的硬度，由本發(fā)明處理的閥硬度為500到630Hv，顯然具有高硬度。
由于深度為50μm的提升閥被用于內(nèi)燃機(jī)中，需要適當(dāng)?shù)哪湍バ院陀捕?。在圖3中，如果在深度大約為50μm處氧含量保持4到12％，可獲得足夠的耐磨性和硬度。
如果其表面氧含量超出12％，硬度增加，但變得很脆，所以最好設(shè)定為上限數(shù)值。
下面將描述通過在閥的鈦中輸入氧和碳原子的閥體的表面處理。
將包括閥桿和閥頭的Ti合金閥放入包括小于形成氧化鈦的氧化學(xué)當(dāng)量的等離子真空加熱爐中，并且在預(yù)定時(shí)間內(nèi)輸入溫度小于Ti合金的β轉(zhuǎn)化點(diǎn)的滲碳?xì)怏w。因此，氧和碳原子被輸入到閥的表面，以形成在Ti合金中O和C的填隙固態(tài)溶體，使閥表面變硬。
例5Ti-6Al-4V合金經(jīng)熱鍛造形成閥體，將其放入等離子加熱爐中，如圖4所示，圖中標(biāo)號(hào)101表示滲碳?xì)怏w進(jìn)入的方向。在爐中輸入氧氣，且閥表面區(qū)域的氧密度保持1.83×10-7cm2，在800℃加熱閥3小時(shí)。
然后，輸入丙烷氣體，在爐中進(jìn)行輝光放電，使碳原子滲入Ti合金閥中。這樣制成的閥硬度好并且變形小。
圖5中所示閥中深度與氧和碳含量的關(guān)系，圖7中表示硬度和深度的關(guān)系。
通過由X射線衍射儀進(jìn)行X射線衍射，發(fā)現(xiàn)在閥體中有TiC，但是沒有發(fā)現(xiàn)氧化鈦。在圖5中，氧原子沒有與鈦結(jié)合，在Ti中保持原子狀態(tài)。碳原子一部分與鈦結(jié)合形成TiC，但是剩下的以原子狀態(tài)滲入Ti中。
在圖7中，例5中的閥比相同材料制成未經(jīng)處理的閥硬度高，特別是在深度為15μm處的硬度是530Hv?？蓪?shí)現(xiàn)減小對(duì)其他物質(zhì)的破壞和增加其耐磨性。
比較圖6和圖7，圖7中接近表面的硬度比圖5中的硬度低。如果除了氧擴(kuò)散也進(jìn)行滲碳，硬度不很高，因此可減小對(duì)其他物質(zhì)的破壞。
本發(fā)明對(duì)有氧擴(kuò)散層，在Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金中有氧和碳擴(kuò)散層的工件進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)。
下面將說(shuō)明磨損實(shí)驗(yàn)及其實(shí)驗(yàn)方法。
圖8是縱橫磨損實(shí)驗(yàn)儀包括一個(gè)水平電機(jī)11，一個(gè)安裝在軸11a端部，可縱向移動(dòng)的夾持要測(cè)工件的固定夾具12，和一個(gè)放在固定夾具12上的砝碼13。
由鋼制成的如金屬鍛造的盤形芯片磨成光滑的外圓周表面，除油，并且同軸地安裝在軸11a的端部。然后，一個(gè)有光滑下表面的去油的實(shí)驗(yàn)部件15安裝在固定夾具12的下表面上，其下表面與芯片14的上表面嚙合。1kg的砝碼13放在固定夾具12的上表面上，電機(jī)11以固定的速度驅(qū)動(dòng)芯片14旋轉(zhuǎn)。砝碼13每次添加500g，芯片14和部件15移動(dòng)50m，檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)和芯片的外徑。
當(dāng)在實(shí)驗(yàn)部件15和芯片14之間發(fā)生滯塞(seizure)或擦傷或者部件下滑350m時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)。
圖9顯示上述實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果。
在圖9中，(A)和(B)是表面未經(jīng)處理的Ti-6Al-4V和Ti-6AL-2Sn-4Zr-2Mo，相應(yīng)地；(C)和(D)是經(jīng)過氧化的上述兩種合金；(E)和(F)是包括氧擴(kuò)散層的上述兩種合金；及(G)和(H)是有氧和碳擴(kuò)散層的上述兩種合金。
如圖9所示，在應(yīng)用了本發(fā)明的(E)到(H)的實(shí)驗(yàn)中比未經(jīng)表面處理的(A)和(B)滯塞距離顯著增加。相似地經(jīng)過氧化的(C)和(D)，即使它們下滑350m，沒有滯塞發(fā)生，其耐磨性明顯提高。上述實(shí)驗(yàn)清楚表明提升閥的耐磨性被顯著提高。
如圖10所示，由本發(fā)明，制作具有直徑為6mm的實(shí)驗(yàn)工件16并進(jìn)行上述處理。在其中間加上載荷同時(shí)支撐兩個(gè)端部，工件彎曲約1mm。檢查其表面層的情況。標(biāo)號(hào)102表示加載荷的方向。
在經(jīng)過氧化的實(shí)驗(yàn)工件中，表面層產(chǎn)生了脫離現(xiàn)象。經(jīng)過氧擴(kuò)散的實(shí)驗(yàn)工件中，表面層產(chǎn)生了裂紋，及在經(jīng)過氧擴(kuò)散和滲碳的實(shí)驗(yàn)工件中，沒有異常變形產(chǎn)生。
就上述結(jié)果而言，當(dāng)實(shí)驗(yàn)工件經(jīng)過氧化時(shí)，由于在其表面形成的氧化物硬且脆使其脫離。當(dāng)實(shí)驗(yàn)工件只有氧擴(kuò)散層時(shí)，由于其表面層的硬度太高使其產(chǎn)生裂紋，當(dāng)實(shí)驗(yàn)工件經(jīng)過氧擴(kuò)散和滲碳時(shí)，由于稍微減小了表面層的硬度而得到滿意的效果。
本發(fā)明也可用于Ti-Al金屬間的化合物。
上述只是關(guān)于本發(fā)明實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在沒有脫離權(quán)利要求所述范圍的條件下可進(jìn)行各種改進(jìn)和變化。
權(quán)利要求
1.一種包括閥體和閥頭的Ti合金提升閥，所述閥具有一表面層，它包括在Ti中O的填隙固態(tài)溶體的氧擴(kuò)散層。
2.如權(quán)利要求1所述的Ti合金提升閥，其特征在于，所述氧擴(kuò)散層還包括碳原子。
3.如權(quán)利要求1所述的Ti合金提升閥，其特征在于，所述氧擴(kuò)散層的深度是50μm。
4.如權(quán)利要求1所述的Ti合金提升閥，其特征在于，在氧擴(kuò)散層中氧原子與總原子數(shù)的比率是4到12％。
5.如權(quán)利要求1所述的Ti合金提升閥，其特征在于，所述閥由α-βTi合金制成。
6.如權(quán)利要求5所述的Ti合金提升閥，其特征在于，所述α-βTi合金是Ti-6Al-4V。
7.制造Ti合金提升閥的方法，所述方法包括如下步驟在爐中輸入O2，并在爐中保持氧氣密度小于形成氧化鈦所需的化學(xué)當(dāng)量；在700到840℃的溫度下加熱閥1到4小時(shí)，使在閥的鈦中引入氧原子以形成Ti-O填隙固態(tài)溶體，因此增加閥的耐磨性。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在閥的所有表面區(qū)域的所述氧密度是1.10×10-7g/cm2到1.47×10-6g/cm2。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，加熱在750到800℃的溫度下進(jìn)行。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，加熱進(jìn)行2到3小時(shí)。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述爐是真空加熱爐。
12.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述爐由等離子真空爐組成，其中滲碳?xì)怏w被輸入，以將碳原子引入到閥的鈦中。
13.如權(quán)利要求7所述的Ti合金提升閥，其特征在于，所述閥由α-βTi合金制成。
14.如權(quán)利要求13所述的Ti合金提升閥，其中所述α-βTi合金是Ti-6Al-4V。
全文摘要
Ti合金提升閥包括閥體和閥頭,并作為吸氣或排氣閥在汽車的內(nèi)燃機(jī)中使用,通過以很微小的量輸入加熱爐中并且加熱,O
文檔編號(hào)C23C8/10GK1333418SQ0111123
公開日2002年1月30日 申請(qǐng)日期2001年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月18日
發(fā)明者廣瀨正仁, 淺沼宏昭 申請(qǐng)人:富士烏茲克斯株式會(huì)社