用于內(nèi)燃機的排氣閥桿及其制造方法
【專利說明】
[0001] 本申請為專利申請案（國際申請日2010年10月29日，申請?zhí)?01080048506.X， 發(fā)明名稱為"用于內(nèi)燃機的排氣閥桿及其制造方法"）的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明設(shè)及一種用于內(nèi)燃機的排氣閥桿，特別地，設(shè)及一種用于兩沖程十字頭式 發(fā)動機的排氣閥桿，其中排氣閥桿包括具有合金鋼的基座部分的閥頭，和形成閥桿的朝向 燃燒室的表面的外部表面，該外部表面由為儀基、銘基或鉆基的抗熱腐蝕合金的微粒起始 材料形成，其中所述微粒起始材料粘合到粘著層。
【背景技術(shù)】
[0003] 美國專利6, 173, 702說明了運種已知的排氣閥桿，其中抗腐蝕外部表面通過粉末 冶金學(xué)處理設(shè)置在基座部分上，其中抗腐蝕合金的微粒材料被設(shè)置在基座部分的模具中并 通過HIP處理（熱等靜壓力）與基座部分粘合。該模具被排空W便盡可能多地移除空氣或 氣體。HIP處理在室中執(zhí)行，該室可W被加熱并在壓力下被設(shè)定。為了W有效方式利用該 室，盡可能多地填充基座部分或其它部分，并且運些目標在室內(nèi)全部都經(jīng)歷相同的HIP處 理。當開始處理時，該室受熱和受壓到HIP條件，并且運些條件然后被保持需要的周期，通 常至少為8到12小時。
[0004] 在HIP處理過程中，壓力作為等靜壓力（在所有方向上壓力完全均勻）影響微粒 材料，并且當微粒材料壓縮在基座部分上時，微粒材料的體積在各個方向均勻地減小。在外 部表面產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)中，當觀察從完成的閥桿中取出的磨碎和拋光樣品時，可W看到微 粒保持為具有圓形輪廓的球形。圖1和10的附圖中拍攝了運種樣品。
[0005] 下閥頭表面具有大面積，并因此例如當改變發(fā)動機載荷時，并尤其當發(fā)動機開始 或停止時，被暴露在相當大的熱應(yīng)力下。加熱沖擊在表面的中屯、處最重，部分因為燃燒氣體 在燃燒室的中間附近具有最高溫度，部分因為閥關(guān)閉時閥頭在外輪緣的其中上表面上的基 座區(qū)域與水冷靜止閥座接觸的附近冷卻。冷外圍材料防止熱中屯、材料的熱膨脹，并因此產(chǎn) 生相當大的熱應(yīng)力。除了由所述熱影響所引起的大熱應(yīng)力，緩慢的變化對外部表面的強度 和質(zhì)量具有非常高的要求。
[0006] HIP處理是已知的，W提供高質(zhì)量的微觀結(jié)構(gòu)和精細粘附的外部表面，但是HIP處 理非常費時，并且高溫的長處理時間還產(chǎn)生不適合的冶金處理：如從一個合金到其它合金 的部件擴散。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明旨在獲得高強度的外部表面并獲得具有堅固結(jié)構(gòu)的外部表面中的微觀結(jié) 構(gòu)，該堅固結(jié)構(gòu)具體為到基座部分的過渡區(qū)附近的堅固結(jié)構(gòu)。
[0008] 通過對根據(jù)本發(fā)明的運種排氣閥桿的觀察，特征在于至少在到基座部分的過渡區(qū) 處，外部表面的微粒材料中的微粒通過由鍛造外部表面和基座部分所引起的剪切應(yīng)變被變 形成楠圓或細長形狀，并且鍛造后的外部表面具有至少98. 0%的密度。
[0009] 通過鍛造產(chǎn)生的剪切應(yīng)變導(dǎo)致粉末微粒相對于其它粉末微粒的位移，使得微粒相 對彼此摩擦并穿透可能存在于微粒表面上的氧化膜層。任何氧化膜層都是薄的，因為微粒 材料通常通過無氧氣體中霧化制造，然而在存儲過程中，一些氧化物將不可避免地形成在 微粒上。剪切應(yīng)變使微粒變形成可W表現(xiàn)為楠圓或細長形狀的非球形形狀。在鍛造過程 中，微粒材料被壓縮成致密層，而微粒合并成粘結(jié)到相鄰層的粘著材料，當微粒材料直接定 位在基座部分上時，該粘著材料是基座部分。至少98. 0 %的密度還可W被表示為最多2% 的疏松度。
[0010] 通過鍛造產(chǎn)生的剪切應(yīng)變導(dǎo)致微粒材料至少在徑向方向上流動，運些徑向方向垂 直于排氣閥桿的軸向方向，并因此運些徑向方向與閥頭的下表面平行且與外部表面的材料 和基座部分的材料之間的大致平面過渡區(qū)平行。剪切應(yīng)變和產(chǎn)生在過渡區(qū)附近的材料內(nèi)的 徑向運動確保在變形過程中在材料之間的產(chǎn)生有效結(jié)合并且確保微粒在變形過程中相對 彼此W非常有效的方式摩擦而結(jié)合，產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)僅在該微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)具有非常少量的內(nèi) 部失效點。因此，在過渡區(qū)域結(jié)合在一起的材料具有堅固的微觀結(jié)構(gòu)并且能夠完全省去外 部表面和基座部分之間的幾何鎖定。
[0011] 在優(yōu)選實施例中，外部表面和基座部分之間的過渡區(qū)沿至少一個直平面在從閥頭 的凸緣區(qū)域內(nèi)部到閥頭的中屯嘔域延伸的區(qū)域中延伸。在凸緣區(qū)域中，外部表面可W具有 增大部，該增大部向上延伸并且沿外圍包圍基座部分，使得外部表面自身具有包括外圍處 的直立壁的平鍋形狀。過渡區(qū)在距離凸緣的一定距離處開始沿直平面朝向閥頭的中間延 伸，并且運種平面延伸部具有W下優(yōu)點：外部表面的厚度或形狀不會突變并因此不論外部 表面中的微粒材料在鍛造過程中如何被處理都不會發(fā)生大的局部改變。在平面過渡區(qū)附近 的微粒材料經(jīng)歷與局部區(qū)域內(nèi)大致相同的處理，并且當一個或多個平面區(qū)域從凸緣區(qū)域內(nèi) 部伸出到中屯、區(qū)域時，該一個或多個平面區(qū)域覆蓋閥頭的大多數(shù)區(qū)域。
[0012] 可能地是：外部表面直接定位在基座部分上。作為可選地，至少一個合金緩沖層定 位在基座部分和外部表面之間。當使用運種緩沖層時，緩沖層的合金由具有不同于基座部 分的合金鋼并且不同于外部表面的抗熱腐蝕合金的合成物的第=合金制成。合成物中的不 同表示緩沖層的合金分析在合金組分或一個或多個合金組分的量（重量的百分數(shù)）方面不 同。例如，緩沖層可W是具有不同含碳量的合金鋼或具有諸如銘、鐵或儀的不同其它組分量 的合金鋼。術(shù)語合成物因此被表示為合金分析。合金鋼的基座部分和外部表面之間的緩沖 層的定位具有合金鋼僅與緩沖層的材料直接接觸而不與外層的抗腐蝕合金直接接觸的效 果。緩沖層作用W減少或防止合金組分從外部表面擴散到基座部分，反之亦然。
[0013] 優(yōu)選地，緩沖層從W下的組中選擇，該組包括鋼、奧氏體鋼、儀基合金、和由除了不 可避免的雜質(zhì)之外的鐵或儀組成的合金。運些合金被認為是與基座部分的鋼和外部表面的 合金可W相容的。
[0014] 在實施例中，基座部分的合金鋼是奧氏體的不誘鋼。多年來，已經(jīng)接受整個閥桿都 由合金儀銘鐵合金（NIMONIC)80A(注冊商標的特殊金屬）制成。然而，如此的特殊合金遠不 及像奧氏體的不誘鋼可容易使用，并且不誘鋼還具有高強度并全部都被認為非常好執(zhí)行， 特別是對設(shè)置的兩沖程十字頭式發(fā)動機來說，可W在面對燃燒室的表面上的不誘鋼的性能 方面改善抗腐蝕性。然而，不誘鋼具有相當高的碳含量。緩沖層吸收擴散的碳，使得對于排 氣閥的主要部分使用不誘鋼的優(yōu)點沒有通過完成的排氣閥的熱抗腐蝕性和長期延展性的 高要求而被削弱。
[0015] 在優(yōu)選實施例中，緩沖層具有至少2毫米的厚度。運種厚度足夠確保即使當緩沖 層由具有碳化物結(jié)構(gòu)性能的合金制成時，碳不能擴散穿過緩沖層，其中擴散到所述層中的 碳可W被轉(zhuǎn)化成碳化物并因此不使所述層的碳活性增加。
[0016] 本發(fā)明還設(shè)及制造用于內(nèi)燃機的排氣閥桿的方法，所述排氣閥桿包括具有合金鋼 基座部分的閥頭，和朝向燃燒室的閥桿表面形成的外部表面，該外部表面由為儀基、銘基或 鉆基的抗熱腐蝕合金的微粒起始材料組成。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明，所述方法的特征在于：當抗熱腐蝕合金的微粒材料被保持在基座部 分處的外殼中時，微粒材料被加熱到鍛造溫度并被鍛造，藉此，微粒材料受到剪切應(yīng)變，該 剪切應(yīng)變使微粒變形成細長或楠圓形狀，所述鍛造使微粒材料壓縮到至少98. 0 %的密度， 并且使外部表面與基座部分粘合或與使外部表面與緩沖層和基座部分粘合。
[0018] 與HIP處理相比，鍛造非常快地發(fā)生，并且因此在閥部分處于增加的鍛造溫度時， 合金成分對于從一個合金擴散到相鄰合金僅具有非常短的時間。如上所述，鍛造將微粒材 料擠壓在一起，并且剪切應(yīng)變使微粒沿平行于過渡區(qū)的方向移動并使微粒材料中的微粒相 對彼此摩擦并合并。在運動過程中，摩擦和合并任何氧化膜初始表現(xiàn)為微粒分裂，并且來自 任一種微粒內(nèi)部的顆粒的清潔合金材料與來自其它微粒內(nèi)部的顆粒的清潔合金材料直接 接觸，并且因此，顆?？蒞有效地連接在微觀結(jié)構(gòu)水平。
[0019] 在一個實例中，外殼中的微粒材料設(shè)置在從閥頭的凸緣區(qū)域內(nèi)部延伸到閥頭的中 央?yún)^(qū)域的區(qū)域中的大致相等厚度層中。當微粒材料的層在外殼中具有大致相等厚度，并且 應(yīng)用大致相等鍛造條件，導(dǎo)致外部表面將具有大致相等的厚度。外部表面和基座部分之間 的過渡區(qū)因此沿閥頭徑向方向上的單獨直平面延伸。
[0020] 在另一實例中，外殼中的微粒材料設(shè)置在從閥頭的凸緣區(qū)域內(nèi)部延伸到閥頭的中 央?yún)^(qū)域的區(qū)域中的朝向閥的縱向中屯、軸線的厚度增加的層中。由于閥頭的下表面通常為平 坦表面，基座部分的下表面可W被制成具有凹入的中央?yún)^(qū)域，該凹入的中央?yún)^(qū)域允許外部 表面具有較大厚度。外部表面和基座部分之間的過渡區(qū)因此可W沿幾個直平面延伸，或過 渡區(qū)可W具有稍微彎曲的形狀。與微粒材料的消耗量相比，外部表面在閥頭下表面