用于內(nèi)燃機(jī)中的排氣閥的排氣閥芯桿的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于內(nèi)燃機(jī)中的排氣閥的排氣閥芯桿，所述排氣閥芯桿具有軸和在所述軸下端處的閥盤，該閥盤的上表面處具有閥座區(qū)。閥座區(qū)具有閥座材料，所述閥座材料至少包括：從34.0％至44.0％的Cr、總計(jì)量在從至少2.8％至6.1％的范圍內(nèi)的Nb和Ta、從0.3％至2.0％的Ti、至多0.2％的Al、至多0.04％的B、至多0.8％的Fe、至多0.04％的C、至多0.4％的Si、以及平衡量的Ni，其中Ti+Nb+0.5×Ta的量在從3.4％至6.6％的范圍內(nèi)，并且其中在Ti的量大于1.5％的情況下，Nb+0.5×Ta的量小于3.0％。
【專利說明】用于內(nèi)燃機(jī)中的排氣閥的排氣閥芯桿
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于內(nèi)燃機(jī)中的排氣閥的排氣閥芯桿(valve spindle:或閥桿)，該排氣閥芯桿具有軸和在軸的下端處的閥盤，該閥盤在其上表面處具有閥座區(qū)，其中閥盤由基體材料形成，閥座區(qū)由不同于基體材料的閥座材料。
【背景技術(shù)】
[0002]EP-A-O 521 821描述了由鈮錳合金(Nimonic) 80A或鈮錳合金81制造的閥，該閥在閥座區(qū)中設(shè)置有由鉻鎳鐵合金(Inconel) 625或鉻鎳鐵合金671形成的層，以賦予所述閥座比鈮錳合金基體更高的抗腐蝕性。公開出版物提到鉻鎳鐵合金671僅需要被焊接，而對(duì)于鉻鎳鐵合金625其提及在焊接之后鉻鎳鐵合金625包含枝狀碳化物結(jié)構(gòu)和因此閥座區(qū)必須被熱加工以使所述結(jié)構(gòu)中的碳化物分布均勻以用于改善抗腐蝕性。鉻鎳鐵合金625被提及具有由高至0.10%的C、高至0.5%的S1、高至5%的Fe、高至0.5%的Mn、21%的的Cr、高至0.4%的T1、高至0.4%的Al、高至1.0%的的Co、9%的Mo，、3.6%的Nb+Ta以及平衡量Ni形成的組分。鉻鎳鐵合金671被提及具有由0.04%至0.05 %的C、47 %至49 %的Cr、0.3%至0.40%的Ti以及平衡量的Ni形成的組分。EP-A-O 521 821描述了具有大約48%的Cr的鉻鎳鐵合金671不會(huì)提供與具有21 %的Cr的鉻鎳鐵合金625 —樣好的抗腐蝕性的發(fā)現(xiàn)。銀猛合金和鉻鎳鐵合金是Special Metals公司的產(chǎn)權(quán)商標(biāo)。
[0003]由倫敦的Institute of Marine Engineers在 1990年出版的書籍“Diesel enginecombustion chamber materials for heavy fuel operation，，收集了從整個(gè)工業(yè)獲得的經(jīng)驗(yàn)且在最后章節(jié)中于第131-143頁給出了結(jié)論。在具有不同于基體材料的閥座材料的閥中，該書籍要求所述閥座材料硬化表面(hardfacing)。在整個(gè)測(cè)試期間突出的硬化表面是Deloro 合金 60:16% 的 Cr、4.5% 的 S1、4.5% 的 Fe、3.5% 的 B、0.5% 的 C 以及平衡量的 Ni ；科爾莫諾伊合金8:26%的Cr、4%的S1、3.3%的B、l.0%的Fe、0.95%的C、以及平衡量的Ni ;以及 Tristelle TS2:35% 的 Cr、12% 的 Co、10% 的 N1、5% 的 S1、2.0% 的 C、以及平衡量的Fe。在第143頁的結(jié)論是鉻化沒有給用于排氣閥的鎳基合金在腐蝕性保護(hù)上提供顯著大的改進(jìn)。清楚地相當(dāng)難為排氣閥中的閥座材料提供具有所需的性能的合金，尤其是在引擎中燃燒的燃料包含釩和硫。
[0004]WO 96/18747描述了具有焊接的硬化表面合金的排氣閥芯桿，該硬化表面合金被在40-51%的Cr、從O至0.1%的C、小于L 0%的S1、從O至5.0%的Mn、小于1.0%的Mo、從0.05至0.5 %的B、從O至1.0 %的Al、從O至1.5 %的T1、從O至0.2 %的Zr、從0.5至
3.0%的Nb、至多5.0%的Co和Fe的總計(jì)含量、至多0.2%的O、至多0.3%的N，以及平衡量的Ni分析。在焊接之后，550HV20的高硬度可以被通過在超過550°C的溫度下熱處理賦予閥座材料。通常假定包括鉻和鎳的耐熱腐蝕的合金在從550°C至850°C的范圍變化的溫度失效處理硬化(age-harden)，結(jié)果是所述合金變得更硬和更脆。制造具有高Cr含量的焊接的硬化表面的嘗試通常被在焊接過程的凝固和冷卻期間發(fā)展出的熱裂紋破壞，然而，WO96/18747描述了合金中至少0.05%的B含量(優(yōu)選地至少0.2%的硼)使得所述熱裂紋被降低或消失。另外，Ti的含量應(yīng)當(dāng)保持低于0.1%和Al的含量應(yīng)當(dāng)保持低于0.1%，用于在焊接時(shí)抑制沉淀(precipitation)硬化。WO 96/18747公開了三種具體的合金，所有合金都具有48 %以上的Cr和0.1 % B，在這些合金中，沉淀硬化機(jī)制如此緩慢地起作用，使得合金在焊接到閥上時(shí)基本上不會(huì)硬化，而是在隨后的熱處理期間硬化。
[0005]在鑄造構(gòu)件的情形中，為了實(shí)現(xiàn)極好的耐熱腐蝕性，尤其是在來自重質(zhì)燃料油燃燒產(chǎn)物的包含硫和釩的環(huán)境中，已知使用由50%的Cr和50%的Ni形成的這類合金、或由具有如下設(shè)計(jì)由48-52%的Cr、l.4-1.7%的Nb、至多0.1 %的C、至多0.16%的T1、至多
0.2%的C+N、至多0.5%的S1、至多1.0%的Fe、至多0.3%的Mg以及平衡量的Ni形成的設(shè)計(jì)組分的IN 657型形成的合金。在鑄造之后，所述合金包括富鎳Y相和富鉻α相，其中上述兩相依賴于合金的精確分析可以構(gòu)成基本枝狀結(jié)構(gòu)。已知這些合金在超過600°C的操作溫度下時(shí)效處理硬化。由于合金在鑄造之后冷卻，所述合金在其平衡狀態(tài)中不會(huì)固化。在隨后合金處于其操作溫度時(shí)，低于代表(under-represented)的相比例的部分的沉淀通過超過代表的相比例的轉(zhuǎn)變而發(fā)生，這導(dǎo)致被表征為在室溫下低于4%的延展性的催化。
[0006]排氣閥芯桿可以在面向燃燒室的下表面上設(shè)置有耐腐蝕性合金。該下表面根本不會(huì)受到機(jī)械作用，例如作用在閥座上的影響，但是耐腐蝕性需要很高。WO 97/47862整體上描述了包括從38 %至75 % Cr、從O %至3.0 %的Nb以及平衡量的Ni的合金，其中耐腐蝕性合金在材料已經(jīng)被加熱至在550°C -850°C的范圍內(nèi)的溫度持續(xù)超過400小時(shí)之后具有在大約20°C下測(cè)量的小于310HV的硬度。所述的具體實(shí)例是包括46% Cr,0.4% Ti,0.05%的C以及平衡量的Ni的合金。
[0007]從市場(chǎng)上已知在不銹鋼閥基體材料上設(shè)置了焊接的硬化表面的鉻鎳鐵合金718，其中硬化表面被軋制(rolled)且被熱處理，以用于提供具有期望機(jī)械性質(zhì)的閥座材料。在鉻鎳鐵合金718中，F(xiàn)e的含量對(duì)于強(qiáng)度增加的粒子的慢沉淀是必須的。這種慢沉淀被認(rèn)為對(duì)于鉻鎳鐵合金718是獨(dú)特的，且給這種合金提供了在尤其是渦輪機(jī)工業(yè)中的超合金中的特殊優(yōu)點(diǎn)。鉻鎳鐵合金718具有由19% Cr,5.2%的Nb、0.9% Ti,52.5%的N1、3% Mo、
0.5%的Al以及平衡量的Fe形成的組分。這種類型的閥具有的優(yōu)點(diǎn)是鉻鎳鐵合金718具有閥座區(qū)所需要的極好的機(jī)械性能，包括強(qiáng)度和延展性。不利地，這種類型的閥在高溫下不具有與鈮錳合金80A的耐腐蝕性相當(dāng)或比其好的耐腐蝕性。鈮錳合金80A是不可焊接的，因此需要使得整個(gè)閥盤沒有鈮錳合金80A，這是因?yàn)槠洳荒鼙辉O(shè)置成在例如不銹鋼的基體材料上的硬化表面。鈮錳合金80A具有由19%的Cr、2.4%的T1、0.2% Fe、1.7%的Al以及平衡量的Ni形成的組分。當(dāng)然優(yōu)點(diǎn)是使用鐵基基體材料，而不是鎳基基體材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于改善排氣閥芯桿，該排氣閥芯桿具有由不同于閥盤的基體材料的閥座材料形成的閥座區(qū)，使得閥座區(qū)獲得了與鈮錳合金80A相當(dāng)或比鈮錳合金80A好的高溫耐腐蝕性結(jié)合的極好的機(jī)械性能。
[0009]鑒于此，本發(fā)明的開始提及的排氣閥芯桿特點(diǎn)在于，所述閥座材料是鎳基合金，所述合金以重量百分比且除去常見的雜質(zhì)以及不可避免的殘留量的去氧成分的方式被描述，所述合金至少包括:從34.0 %至44.0 %的Cr、總計(jì)量在從至少2.8 %至6.1 %的范圍內(nèi)的Nb和Ta、從0.3 %至2.0 %的T1、至多0.2 %的Al、至多0.04 %的B、至多0.8 %的Fe、至多0.04%的C、至多0.4%的S1、以及平衡量的Ni，其中Ti+Nb+0.5XTa的量在從3.4%至
6.6%的范圍內(nèi)，并且其中在Ti的量大于1.5%的情況下，Nb+0.5XTa的量小于3.0%。
[0010]由這種成分形成的鎳基超合金已經(jīng)出乎意料地被證明能夠利用強(qiáng)度增加的熱處理，所述熱處理涉及在體心正方構(gòu)造中的Y " (Ni3Nb)顆粒的慢沉淀，而不管所述合金具有低含量的Fe或缺少Fe的事實(shí)，以及Cr的含量非常高且將通常涉及形成通常觀察到的體心立方型α-Cr相的大且連貫(coherent)的枝狀結(jié)構(gòu)的事實(shí)，在鎳基超合金中Cr含量顯著地高于22%時(shí)，經(jīng)?？吹饺菀浊铱焖俚匦纬梢环N相。
[0011]Nb和Ta被認(rèn)為對(duì)期望的沉淀產(chǎn)生相類似的作用，然而，Ta的原子重量幾乎是Nb的原子重量的兩倍，由于此，Nb的量加上Ta的量的一半(Nb+0.5XTa)以重量百分比表示是關(guān)于本發(fā)明的相關(guān)數(shù)字。由于市場(chǎng)條件以及Nb和Ta的類似作用，可以從所述合金中剔除Ta而替代地使用Nb。
[0012]新的研究已經(jīng)表明B在熱裂紋的增加趨勢(shì)的方向上影響鉻鎳鐵合金718類型中的超合金，在所述合金中的B的含量應(yīng)當(dāng)被保持在0.04%或更少，且優(yōu)選地小于0.01%的B(" INFLUENCE OF B AND ZR ON MICRO STRUCTURE ANDMECHANICAL PROPERTIE S OF ALLOY718" by T.Fedorova et al.,7th International Symposium on Superalloy 718 andDerivatives, TMS(The Minerals, Metals & Materials Society),2010。
[0013]Fe的量被限制成至多0.8%以用于獲得高耐熱腐蝕性。Al可以與所述類型的Y '中的鎳形成硬度增加的金屬化合物，其快速地形成且因此是不被期望的。Al的量因此被限制為至多0.2%，優(yōu)選地，Al的量被限制為至多0.05%。
[0014]Si的量被限制為至多0.4%以用于抑制不被期望量的硬度增加的硅化物的沉淀，且還限制了在所述材料的基本機(jī)構(gòu)中的富鎳Y相的溶液強(qiáng)化影響。
[0015]為了實(shí)現(xiàn)抵抗碳化合物的沉淀的高的安全性，C的含量應(yīng)當(dāng)盡可能地低，但是因?yàn)镃在許多金屬中是常見雜質(zhì)，所以合適的是可能出于經(jīng)濟(jì)原因?qū)含量限制為至多0.04%。
[0016]在體心正方結(jié)構(gòu)中的Y" (Ni3Nb)顆粒的期望沉淀似乎取決于合金中的Nb和Ti以及Cr的含量，但是目前不完全清楚其行為。試驗(yàn)建議總計(jì)量為2.8%的Nb和Ta可能對(duì)于期望的作用足以，至少在與更高量的Ti結(jié)合時(shí)足以。此外，高于6.1 %的Nb和Ta的合計(jì)量似乎導(dǎo)致了太快的沉淀。高于2.0%的Ti的量加速沉淀，且被認(rèn)為涉及除期望的Y"之外的其他類型的沉淀。試驗(yàn)還建議如果Ti的量大于1.5%，那么要求Nb+0.5XTa的量小于
3.0%，或者否則沉淀似乎非?？焖俚匕l(fā)生。進(jìn)一步地，似乎以使得Ti+Nb+0.5XTa的量對(duì)于期望的相當(dāng)慢速的沉淀應(yīng)當(dāng)在3.4%至6.6%的范圍中這樣的方式相互作用。
[0017]與鉻鎳鐵合金718的閥座材料相比，Cr的含量已經(jīng)幾乎翻倍，這涉及在高溫下耐腐蝕性的顯著增加。在發(fā)動(dòng)機(jī)正在運(yùn)行時(shí)，排氣閥被加熱至升高溫度，來自排氣中的化學(xué)物質(zhì)的腐蝕的嚴(yán)重性隨著溫度大大增加。閥座材料的機(jī)械性質(zhì)自然是重要的，這是因?yàn)槿紵龤埩纛w粒將在可移動(dòng)排氣閥芯桿上的封閉閥座表面和安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸部分中的閥外殼上的固定閥座之間被捕獲。機(jī)械性質(zhì)也是重要的，這是因?yàn)殚y座表面以大的力彼此靠近，這是因?yàn)樽畲笕紵龎毫ψ饔迷谂艢忾y芯桿的所有下側(cè)區(qū)域上，且被經(jīng)由閥座區(qū)被傳遞至固定的閥外殼部分，該閥座區(qū)具有遠(yuǎn)小于閥的下側(cè)的面積的面積。
[0018]因此，很自然地，已經(jīng)對(duì)閥座材料的機(jī)械性能進(jìn)行大量關(guān)注。然而，考慮到高溫耐腐蝕性，排氣閥的耐用性也是重要的。在燃燒殘留顆粒實(shí)際上在封閉的閥座表面之間被捕獲時(shí)，其將使所述表面變形。如果所述變形的一部分是塑料，那么存在燃燒氣體的竄氣的風(fēng)險(xiǎn)。這涉及了流過橫跨閥座表面的通道的熱燃燒氣體，因?yàn)槿紵龤怏w是熱的，所以竄氣將導(dǎo)致圍繞通道的閥座材料的顯著加熱，并且增加的溫度將導(dǎo)致增加的腐蝕。高度期望閥座材料能夠承受這種腐蝕。閥座材料中的Cr的含量的顯著增加和Fe的含量的降低-與鉻鎳鐵合金718相比，涉及高溫耐腐蝕性的相當(dāng)大的增加。同時(shí)，閥座材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了非常高的機(jī)械強(qiáng)度，相當(dāng)重要地已經(jīng)通過強(qiáng)化機(jī)制實(shí)現(xiàn)了所述強(qiáng)度，所述強(qiáng)化機(jī)制是最初被略微延遲，但是被在熱處理期間在閥座材料中以其他方式相當(dāng)快速地實(shí)現(xiàn)。
[0019]在一個(gè)實(shí)施例中，在閥座材料的合金中Nb和Ta的合計(jì)量在從3.2%至6.1%的范圍內(nèi)。3.2%的下限確保了可以實(shí)現(xiàn)期望的機(jī)械性能，6.1 %的上限被認(rèn)為在應(yīng)用閥座材料至基體材料時(shí)對(duì)于機(jī)械程序具有多種機(jī)會(huì)的角度來說是有利的。
[0020]在另一個(gè)實(shí)施例中，在閥座材料的合金中的Nb、Ta和Ti合計(jì)量在4.1%至6.6%的范圍中。試驗(yàn)顯示如果未達(dá)到下限值4.1%，那么閥座材料可能不具有最佳的機(jī)械性能，如果超過了上限值6.6%，那么強(qiáng)度增加可能會(huì)太快地發(fā)生。
[0021]在認(rèn)為適于HIP工藝的實(shí)施例中，閥座材料的合金至少包括:從39%至41%的Cr、從 3.2%至 3.8% 的 Nb、從 0.3%至 0.7% 的 T1、至多 0.02% 的 Al、至多 0.005% 的 B、至多0.5%的Co、至多0.2%的Cu、至多0.5%的Fe、至多0.5%的Mn、至多0.5%的Mo、至多0.01%的P、至多0.02%的Zr、至多0.02%的C、至多0.2%的S1、至多0.02%的O、至多0.05%的N以及平衡量的Ni。
[0022]優(yōu)選的，所述合金包括至多0.05%的Al。通常，閥座材料的合金優(yōu)選地包括至多0.02%的Al、至多0.005%的B、至多0.5%的Co、至多0.2%的Cu、至多0.5%的Fe、至多0.5%的Mn、至多0.5%的Mo、至多0.01%的P、至多0.02%的Zr、至多0.02%的C、至多0.2%的S1、至多0.02%的O、至多0.05%的N以及平衡量的Ni。
[0023]關(guān)于最小化使用不容易獲得的材料，優(yōu)選地閥盤的基體材料是不銹鋼。不銹鋼是容易獲得且還容易處置，如果需要的話。
[0024]在排氣閥的實(shí)施例中，在失效處理狀態(tài)下的閥座材料具有下述主要機(jī)械性質(zhì):至少980MPa的屈服強(qiáng)度、至少1200MPa的極限拉伸強(qiáng)度以及在破裂時(shí)至少19%的伸長(zhǎng)率。這些機(jī)械性質(zhì)處于比現(xiàn)有技術(shù)的排氣閥的性質(zhì)相同的水平或比其好的水平。這些機(jī)械性質(zhì)在獲得高溫耐腐蝕性的同時(shí)被獲得。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的排氣閥有利地是十字頭型單流掃氣兩沖程內(nèi)燃機(jī)中的閥。這類發(fā)動(dòng)機(jī)典型地是非常低級(jí)的燃燒燃料(重質(zhì)燃料油)，這類燃料通常涉及燃料中的大量的釩和硫，因此涉及排氣閥上的重的腐蝕負(fù)載。
[0026]在另一方面中，本發(fā)明涉及一種用于制造用于內(nèi)燃機(jī)中的排氣閥的排氣閥芯桿的方法，該排氣閥芯桿具有軸和在所述軸的下端處的閥盤，該閥盤的上表面處具有閥座區(qū)，所述方法包括下述步驟:
[0027]a)提供由基體材料形成的閥盤，所述閥盤在其上表面上形成有環(huán)形凹部，所述凹部在閥盤的上表面的下方向下延伸一距離，其特征在于，
[0028]b)在所述凹部中提供如權(quán)利要求1所述的鎳基合金的閥座材料，所述閥座材料不同于基體材料，
[0029]c)優(yōu)選地通過軋制閥座材料的外表面對(duì)所述閥座材料執(zhí)行冷變形，[0030]d)對(duì)所述閥盤進(jìn)行熱處理，從而使得至少通過在體心正方結(jié)構(gòu)中沉淀Y " (Ni3Nb)顆粒而硬化。
[0031]非常出乎意料地證明了，如權(quán)利要求1所要求的鎳基合金(如果有的話，具有高含量的Cr和非常低含量的Fe和Al)能夠使得Y " (Ni3Nb)顆粒沉淀在體心正方結(jié)構(gòu)中。這類沉淀非常不同于Y ^沉淀、面心立方沉淀以及在鎳基合金結(jié)構(gòu)中的其他類型的沉淀。有時(shí)采用體心正方結(jié)構(gòu)中的Y " (Ni3Nb)顆粒的沉淀，這是因?yàn)镹b在所述合金的晶粒中在面心立方晶格結(jié)構(gòu)中具有低擴(kuò)散速率。在一些情形中，可以使用沉淀所需要的時(shí)間以在使得在閥座材料中還沒有發(fā)生顯著的沉淀的短時(shí)間內(nèi)執(zhí)行步驟b)，閥座材料可以之后通過軋制被冷變形，而不需要任何中間溶液熱處理。
[0032]在一個(gè)實(shí)施例中，與閥座材料相關(guān)的步驟b)涉及HIP工藝(熱等靜壓)。HIP工藝提供了完全沒有孔隙的閥座材料。
[0033]在可替代的實(shí)施例中，與閥座材料相關(guān)的步驟b)涉及激光焊接工藝，其中顆?；辖鸩牧媳还┙o到凹部，且被焊接到連貫的材料塊。
[0034]如果在步驟b)中提供的閥座材料具有太高的沉淀水平，那么在步驟b)和c)之間執(zhí)行溶液熱處理的中間步驟可能是有利的。
[0035]在步驟d)中的熱處理可能花費(fèi)長(zhǎng)的時(shí)間，諸如幾天，但是優(yōu)選地，步驟d)的熱處理具有至多24小時(shí)的持續(xù)時(shí)間，從而允許一天進(jìn)行批次處理，甚至更優(yōu)選地，步驟d)的熱處理具有至多9小時(shí)的持續(xù)時(shí)間，使得一個(gè)閥頭或一組閥頭可以被更加有效地處理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]在下文中，參考高 度示意性附圖更詳細(xì)地舉例說明和描述了本發(fā)明，其中:
[0037]圖1圖示在單流式掃氣內(nèi)燃機(jī)中的氣缸，其中根據(jù)本發(fā)明的排氣閥芯桿安裝在氣缸的頂部處；
[0038]圖2圖示了在關(guān)閉狀態(tài)中的圖1中的排氣閥芯桿；
[0039]圖3-6圖示如何將閥座材料設(shè)置在閥盤上；和
[0040]圖7示出了在1100°C下I小時(shí)的溶液處理后被水淬之后暴露至700°C時(shí)根據(jù)示例3的合金的硬度。
【具體實(shí)施方式】
[0041]在圖1中觀看到排氣閥芯桿I處于打開位置，從而允許經(jīng)由掃氣冷卻器4和水霧捕獲器5將吸入空氣從渦輪增壓器2供給至掃氣接收器3。吸入空氣和掃氣空氣從掃氣接收器流過在氣缸6的下端中的一排掃氣端口且向上以由黑色箭頭顯示的渦旋運(yùn)動(dòng)流過氣缸，且向上朝向氣缸的上部分流動(dòng)，同時(shí)經(jīng)由打開的排氣閥壓出熱燃燒氣體且進(jìn)入到排氣接收器7中。熱燃燒氣體通過排氣閥的閥座的流動(dòng)可以以高氣體速度發(fā)生，尤其是在閥打開和關(guān)閉時(shí)。
[0042]參見圖2,排氣閥芯桿I安裝在排氣閥外殼8中，該排氣閥外殼8固定至在氣缸的頂部處的氣缸蓋9。在排氣閥的關(guān)閉位置，在閥盤11的上側(cè)上的閥座區(qū)10鄰接閥外殼的固定部分12上的對(duì)應(yīng)的閥座，所述固定部分也被稱為底部件。閥座區(qū)10是環(huán)形的且被定位成靠近閥盤的圓形外端部。固定部分12被循環(huán)通過冷卻孔13的水冷卻。排氣閥芯桿具有軸14，所述軸向上從閥盤延伸且橫跨排氣通道并向上繼續(xù)延伸通過排氣閥外殼8中的導(dǎo)向孔且向上延伸到排氣閥致動(dòng)器16中。由氣動(dòng)彈簧形成的活塞17被安裝至軸的外面。在閥芯桿的頂部上的液壓致動(dòng)器活塞18可以啟動(dòng)閥芯桿以向下移動(dòng)，氣動(dòng)彈簧沿相反方向作用，并且在釋放液壓致動(dòng)器中的壓力時(shí)關(guān)閉排氣閥。所示的實(shí)施例是在 申請(qǐng)人:的商標(biāo)的ME型、MC型或ME-GI型中之一的發(fā)動(dòng)機(jī)中的排氣閥。排氣閥芯桿還可以以公知的方式被機(jī)械致動(dòng)，且還可以使用機(jī)械回位彈簧。閥桿的定位在排氣通道中的部分設(shè)置有從閥桿徑向向外延伸的傾斜翅片。這些翅片在排出氣體向外流動(dòng)時(shí)使得排氣閥芯桿沿著圓周方向旋轉(zhuǎn)一些角度。在另一個(gè)實(shí)施例中，閥桿不具有這種翅片。閥盤的下表面在一個(gè)實(shí)施例中設(shè)置有耐熱腐蝕材料層(未示出)。
[0043]排氣閥芯桿可以用于四沖程內(nèi)燃機(jī)，或其可以用于兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，優(yōu)選地用于大型兩沖程內(nèi)燃機(jī)，所述內(nèi)燃機(jī)可以具有在從250_至IlOOmm的范圍內(nèi)的氣缸直徑。在閥用于這種兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，排氣閥盤11的外徑在從IOOmm至600mm的范圍中,這取決于氣缸孔。利用排氣閥芯桿的內(nèi)燃機(jī)可以由MAN Diesel & Turbo制造，諸如MC型、ME型或GI型，或可以由WihIsiU丨制造，諸如RTA-flex中的RTA型,或可以由Mitsubishi制造。
[0044]下文示例性說明如何制造排氣閥。首先提供由基體材料形成的閥盤。閥盤通常被鍛造而成，且在其上表面中具有環(huán)形凹部20，所述凹部在閥盤的上表面下方向下延伸一距離(圖3)。該距離通常在閥盤在環(huán)形閥座的徑向位置處的垂直厚度的15% -50%的范圍內(nèi)。對(duì)于大型排氣閥，所述距離通常在6mm至40mm的范圍中，諸如從6mm至30mm的范圍中?；w材料通常是不銹鋼，諸如具有0.25% C、1.4%的S1、1.3%的Mn、20%的Cr、9 %的N1、3%的W、以及平衡量的Fe的合金。還可以使用其他的不銹鋼，并且在排氣閥的領(lǐng)域中是公知的。還可以使用超合金作為基體材料，例如鈮錳合金80A。閥盤可以與閥桿制成單個(gè)件，但是還可以使得閥盤僅具有閥桿的最下面的部分，且之后在閥盤已經(jīng)被熱處理之后安裝閥桿的主要部分。這種安裝可以例如通過摩擦焊接或焊接來進(jìn)行。
[0045]如圖4所示，閥座材料21之后被設(shè)置在的凹部中。這可以以多個(gè)方式來進(jìn)行。優(yōu)選地，閥座材料由粉末冶金過程提供，諸如HIP或激光焊接或冷噴涂。在由所謂的冷噴涂過程進(jìn)行時(shí)，通過將預(yù)先加熱且被壓縮的惰性氣體引入到噴嘴中而產(chǎn)生熱氣體射流。在尺寸范圍為1-50微米的粉末顆粒被引入到所述流中，由此被加速至超音速速度，從而允許粉末顆粒粘結(jié)且沉積到合適的基板上，例如形成在閥盤中的凹部的基體材料或已經(jīng)沉積的粉末顆粒。與其他熱噴涂過程相比，粉末顆粒在冷噴涂過程中不會(huì)在任何點(diǎn)融化。冷噴涂過程的典型的工藝參數(shù)是:在30-50巴的范圍內(nèi)的氣體壓力；在500-1000°C的范圍內(nèi)的氣體預(yù)熱溫度；在50-150g/min的范圍內(nèi)的粉末流；在600-2000m/Se的范圍內(nèi)的粉末速度。另外還可以應(yīng)用激光輔助冷噴涂過程形式的冷噴涂過程的變形方法。通過在定位粉末之前連續(xù)預(yù)熱基板，所述過程可以被優(yōu)化以能夠也在較低范圍的過程參數(shù)下實(shí)現(xiàn)高沉積質(zhì)量。冷噴涂之后是溶液熱處理，例如在1100°C下持續(xù)I小時(shí)，以通過在閥座材料的結(jié)構(gòu)中的成分的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)完全冶金結(jié)合。
[0046]顆粒材料可以以在本領(lǐng)域中公知的多種不同的方式實(shí)現(xiàn)。顆粒材料可以例如通過將期望成分的熔融合金的液體射流霧化到具有非活性大氣的腔中而被制造而成，由此所述材料被淬火且固化為具有非常精細(xì)的枝狀結(jié)構(gòu)的顆粒。顆粒材料還可以被稱為粉末。
[0047]在通過HIP過程形成閥座材料時(shí)，由諸如鋼、合金鋼或鎳合金的基體材料形成的閥盤被以通常的方式制造成包括用于閥座材料的凹部的期望形狀。之后，顆?；蚍勰┬问降钠谕拈y座材料被填充到凹部中，且通過公知的HIP(HIP是熱等靜壓的簡(jiǎn)稱)過程施加到基體上。具有填充到凹部中的粉末的閥盤之后被布置到模具中且被放置到關(guān)閉的HIP腔中，施加真空以抽取不期望的氣體?？商娲?，具有填充到凹部中的粉末的閥盤被布置在膠囊(capsule)中，所述膠囊隨后被抽真空以抽取不期望的氣體，且之后被密封且放置在HIP腔中。然后，開始HIP過程，其中顆粒材料被加熱至在950-1200°C的范圍中的溫度，通過氬氣施加例如700-1200巴的高壓。在這些條件下，開始的粉末在基本上沒有熔融的情況下被塑化并被統(tǒng)一成相干致密的材料。之后閥盤被移除，且如果期望的話，閥盤可以被暴露至溶液退火，例如在1150°C的溫度下持續(xù)I小時(shí)，之后在鹽浴中淬火至中間溫度(典型地535°C )且之后空冷至室溫，或通過在氣體中淬火至室溫。
[0048]在下一步驟中，閥座材料冷變形。這可以通過鍛造或錘打以傳統(tǒng)方式來實(shí)現(xiàn)，然而對(duì)于大型閥來說，優(yōu)選的是軋制。圖5圖示軋制工具22的外端區(qū)域朝向閥座材料的外表面移動(dòng)。與環(huán)形閥座的整個(gè)區(qū)域相比，軋制工具僅與外表面上的小區(qū)域接觸，進(jìn)行冷變形所需要的力因此遠(yuǎn)小于鍛造所需要的力。另一方面，軋制比鍛造更耗時(shí)。對(duì)于特定的閥的冷變形程度可能會(huì)變化，諸如在4-60%的的范圍內(nèi)。圖6圖示在冷變形之后的閥盤。
[0049]閥座材料還可以通過對(duì)凹部20中放置的粉末進(jìn)行鍛造(例如，被參考的W02011/050815中所描述的鍛造)來提供。
[0050]閥盤之后可以進(jìn)行熱處理，從而使得通過在體心正方結(jié)構(gòu)中的Y" (Ni3Nb)顆粒的沉淀進(jìn)行硬化，之后閥盤被機(jī)加工成期望的尺寸且在其最大直徑處具有期望的倒圓角外邊緣。還可以首先進(jìn)行機(jī)加工，之后進(jìn)行熱處理，從而使得在體心正方的結(jié)構(gòu)中的Y " (Ni3Nb)的顆粒的沉淀。
[0051]現(xiàn)在給出不同合金的示例。
[0052]示例 I
[0053]測(cè)試樣本由根據(jù)本發(fā)明的7種合金和用于比較目的的9種合金形成。主要合金元素Nb、Ta、Ti和Ni使用標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量通過EDX(X射線能量色散譜)確定。合金元素的測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)化值在下述表I中進(jìn)行闡述，其中編號(hào)為9、11、12、13、14、21和22合金基于本發(fā)明。每個(gè)測(cè)試樣本被激光焊接到鋼基板上，測(cè)試樣本被在1100°C下被溶液熱處理持續(xù)I小時(shí)，之后被淬火。之后，一組測(cè)試樣本被在700°C下被熱處理,另一組相同的測(cè)試樣本被在800°C下被熱處理，各個(gè)測(cè)試樣本的硬度被在O小時(shí)、I小時(shí)、3小時(shí)、9小時(shí)和81小時(shí)之后由HVlO測(cè)量。9號(hào)合金顯示出非常緩慢的硬度增加，在700°C下在9小時(shí)之后僅增加了大約70HV10，但是在81小時(shí)之后增加大約230HV10。所述合金因此展現(xiàn)出期望的緩慢沉淀，但是對(duì)于特定的使用來說太慢。6-7和15-20號(hào)合金都顯出在第一小時(shí)內(nèi)的硬度的快速增力口，沉淀硬化機(jī)制因此沒有到期望的Y "類型的充分的程度，但是Y ,或其他類型(傳統(tǒng)類型)占主導(dǎo)。10號(hào)合金僅在81小時(shí)之后獲得大約310HV10的硬度，因此不能夠在閥座材料中實(shí)現(xiàn)期望的機(jī)械強(qiáng)度。
[0054]表I
[0055]
【權(quán)利要求】
1.一種用于內(nèi)燃機(jī)中的排氣閥的排氣閥芯桿，所述排氣閥芯桿具有軸和在所述軸的下端處的閥盤，所述閥盤的上表面處具有閥座區(qū)，其中閥盤由基體材料形成，閥座區(qū)由不同于基體材料的閥座材料形成，其特征在于， 所述閥座材料是鎳基合金，所述合金以重量百分比且除去常見的雜質(zhì)以及不可避免的殘留量的去氧成分的方式被描述，所述合金至少包括:從34.0%至44.0%的Cr、總計(jì)量在至少2.8 %至6.1 %的范圍內(nèi)的Nb和Ta、從0.3 %至2.0 %的T1、至多0.2 %的Al、至多0.04%的B、至多0.8%的Fe、至多0.04%的C、至多0.4%的S1、以及平衡量的Ni，其中Ti+Nb+0.5XTa的量在從3.4%至6.6 %的范圍內(nèi)，并且其中在Ti的量大于1.5%的情況下，Nb+0.5XTa 的量小于 3.0V0o
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的排氣閥芯桿，其特征在于，在所述閥座材料的合金中的Nb和Ta的總計(jì)量在3.2%至6.1 %的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的排氣閥芯桿，其特征在于，在所述閥座材料的合金中的Nb、Ta和Ti的總計(jì)量在4.1 %至6.6%的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的排氣閥芯桿，其特征在于，所述閥座材料的合金至少包括:從39%至41%的Cr、從3.2%至3.8%的Nb、從0.3%至0.7%的T1、至多0.02%的Al、至多0.005%的B、至多0.5%的Co、至多0.2%的Cu、至多0.5%的Fe、至多0.5%的Mn、至多0.5%的Mo、至多0.01%的P、至多0.02% Zr、至多0.02%的C、至多0.2%的S1、至多0.02%的O、至多0.05%的N、以及平衡量的Ni。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的排氣閥芯桿，其特征在于，所述閥座材料的合金包括至多0.05%的 Al。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的排氣閥芯桿，其特征在于，所述閥座材料的合金包括至多0.02%的Al、至多0.005%的B、`至多0.5%的Co、至多0.2%的Cu、至多0.5%的Fe、至多0.5%的Mn、至多0.5%的Mo、至多0.01%的P、至多0.02%的Zr、至多0.02%的C、至多0.2%的S1、至多0.02%的O、至多0.05%的N、以及平衡量的Ni。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的排氣閥芯桿，其特征在于，所述閥盤的基體材料是不銹鋼。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的排氣閥芯桿,其特征在于,在時(shí)效處理狀態(tài)下的閥座材料具有下述主要機(jī)械性質(zhì):至少980MPa的屈服強(qiáng)度、至少1200MPa的極限拉伸強(qiáng)度以及至少19%的伸長(zhǎng)率。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的排氣閥芯桿，其特征在于，所述排氣閥是在十字頭型單流掃氣兩沖程內(nèi)燃機(jī)中的閥。
10.一種用于制造用于內(nèi)燃機(jī)中的排氣閥的排氣閥芯桿的方法，所述排氣閥芯桿具有軸和在所述軸的下端處的閥盤，所述閥盤的上表面處具有閥座區(qū)，所述方法包括下述步驟: a)提供由基體材料形成的閥盤，所述閥盤在其上表面上形成有環(huán)形凹部，所述凹部在閥盤的上表面的下方向下延伸一距離，其特征在于， b)在所述凹部中提供如權(quán)利要求1所述的鎳基合金的閥座材料，所述閥座材料不同于基體材料， c)對(duì)所述閥座材料執(zhí)行冷變形，d)對(duì)所述閥盤進(jìn)行熱處理，從而使得通過在體心正方結(jié)構(gòu)中沉淀Y " (Ni3Nb)顆粒而硬化。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中與閥座材料相關(guān)的步驟b)涉及粉末冶金工藝。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中與閥座材料相關(guān)的步驟b)涉及熱等靜壓工藝。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中與閥座材料相關(guān)的步驟b)涉及激光焊接工藝。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)所述的方法，其中在步驟b)和c)之間執(zhí)行溶液熱處理的中間步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)所述的方法，其中步驟d)的熱處理具有至多9小時(shí)的持續(xù)時(shí)間。
16.根據(jù)權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)所述的方法，其中在步驟c)中，所述閥座材料被通過軋制閥座材料的外表 面而被冷變形。
【文檔編號(hào)】C22C19/05GK103527281SQ201310280961
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年7月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月6日
【發(fā)明者】尤菲·比赫萊特 申請(qǐng)人:曼恩柴油機(jī)渦輪股份公司曼恩柴油機(jī)渦輪德國(guó)分公司