CN112410780B - 一种激光熔覆气门座圈及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光熔覆气门座圈,包括气门座圈本体与激光熔覆层,所述激光熔覆层为在所述气门座圈本体中用于对接气门的密封锥面上通过激光熔覆所形成的致密合金层;所述气门座圈本体包含23‑38%Cu、5‑10%合金元素、余量Fe,所述合金元素至少包含Cr、Mo及Mn;所述气门座圈本体的基体组织为马氏体与珠光体,所述气门座圈本体的硬度为140‑300HV、径向压溃强度在500MPa以上,且在200‑500℃下的热传导率不低于50W/m·K;所述激光熔覆层的厚度不低于0.75mm、且所述激光熔覆层的硬度在400HV以上。本发明的气门座圈采用双层结构,将耐磨性能的元素原料主要用于激光熔覆层中,以此在符合耐磨需求的前提下,减少原材料使用,降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及发动机气门座圈技术领域,具体涉及一种激光熔覆气门座圈及其制造方法。
背景技术
气门座圈是发动机配气机构的核心零部件之一,与气门配合密封燃烧室,要在高温高应力下承受气门对其的频繁撞击,需要具备良好的耐磨性、耐热性,防止过量磨损导致的密封不严;随着涡轮增压、稀薄燃烧、缸内直喷等技术的应用以及天然气、甲醇、乙醇等清洁燃料的应用,气门座圈的环境温度和所受的载荷越来越高、润滑条件越来越差。
现有粉末冶金气门座圈技术为了提高耐磨性、耐高温性,采取方法是添加各种耐高温耐磨损合金元素如Co、Cr、Mo、Ni、W、V等,高比例的合金添加虽然可以明显提高耐高温、耐磨损性能,但是合金比例达到一定程度后也带来了烧结扩散不足、强度低、难以成型压制双层材料、只能采用单层高成本材料从而导致成本难以降低等问题,因此迫切需要开发既满足更高耐磨损要求的气门座圈材料,又要能够突破传统粉末压制成型工艺的局限,制作低成本的高合金含量耐磨层的气门座圈产品。
激光熔覆技术可在基础材料上激光高温融化熔覆层材料,使熔覆层材料与基体材料实现冶金结合,是零件表面强化的一种有效手段,目前尚未有在镶嵌式粉末冶金气门座圈上进行激光熔覆的报道。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种激光熔覆气门座圈,包括气门座圈本体与激光熔覆层,所述激光熔覆层为在所述气门座圈本体中用于对接气门的密封锥面上通过激光熔覆所形成的致密合金层;
所述气门座圈本体包含23-38%Cu、5-10%合金元素、余量Fe,所述合金元素至少包含Cr、Mo及Mn;所述气门座圈本体的基体组织为马氏体与珠光体,所述气门座圈本体的硬度为140-300HV、径向压溃强度在500MPa以上,且在200-500℃下的热传导率不低于50W/m·K;
所述激光熔覆层的厚度不低于0.75mm、且所述激光熔覆层的硬度在400HV以上。
进一步地,所述激光熔覆层所采用的原料粉末为通过气雾化方法制得的颗粒粒度为10-100μm的近球形粉末颗粒。
进一步地,所述近球形粉末颗粒的颗粒粒度为40-60μm。
进一步地,所述激光熔覆层所采用的原料粉末包括下述质量配比的元素:C:0.2-1.4%、Cr:2.0-10.0%、Mo:10.0-22.0%、W:1.0-6.0%、V:0.3-2.0%、Ni:0.5-2.0%、Mn:≤1.2%、Si:0.5-3.0%、Co:15.0-35.0%、Fe:余量。
进一步地,所述原料粉末包括下述质量配比的元素:C:0.8-1.2%、Cr:8-10%、Mo:16-22%、W:2-5%、V:1-2%、Ni:1.5-2.0%、Mn:≤1.2%、Si:1.5-2.5%、Co:25-30%、Fe:余量。
进一步地,所述合金元素还包含元素W和V。
进一步地,所述气门座圈本体在250-350℃下的热传导率为50-60W/m·K;所述激光熔覆层的厚度为0.8-1.5mm、且硬度为400-480HV。
本发明的另一个目的在于一种激光熔覆气门座圈的制造方法,包括以下步骤,
气门座圈本体的制备:按元素质量配比对气门座圈本体的原材料粉末进行称量和混合,在压机上将混合好的粉末进行压制成毛坯,将成型的毛坯在烧结炉中进行高温烧结,制得气门座圈本体毛坯;
激光熔覆层的制备:按元素质量配比对激光熔覆层的原材料粉末进行称量,并通过气雾化方法进行处理,通过高速激光熔覆工艺将通过气雾化工艺处理的原材料粉末激光熔覆于气门座圈本体毛坯的密封锥面上,完成激光熔覆层的制备,得到气门座圈毛坯;
加工:对气门座圈毛坯进行磨削、机加工、浸油后,包装即可完成气门座圈的制备。
进一步地,所述激光熔覆层的制备过程中,所述高速激光熔覆工艺为采用光纤激光器,激光输出功率为1KW-4KW,线速度10-45m/min,效率0.2-1.0m2/h。
有益效果:
本发明中,气门座圈本体起承担支撑作用,元素Cu提高材料的热传导性能,合金元素的含量低于10%,为气门座圈本体提供基本的耐高温性与硬度,以此降低原料的消耗,降低材料成本;激光熔覆层为合金致密层,通过Co、Cr、Mo及Ni的总质量以使激光熔覆层具有高耐磨性和耐高温性;由此通过上述两层结构达到以低成本制成所需的气门座圈产品。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明,以下实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受下述实施例的限制。
本发明提供一种激光熔覆气门座圈,包括气门座圈本体与激光熔覆层,所述激光熔覆层为在所述气门座圈本体中用于对接气门的密封锥面上通过激光熔覆所形成的致密合金层。
其中,所述气门座圈本体包含23-38%Cu、5-10%合金元素、余量Fe,所述合金元素至少包含Cr、Mo及Mn,还包含元素W和V;所述气门座圈本体的基体组织为马氏体与珠光体,所述气门座圈本体的硬度为140-300HV、径向压溃强度在500MPa以上,且在200-500℃下的热传导率不低于50W/m·K;进一步地,所述气门座圈本体在250-350℃下的热传导率为50-60W/m·K。
其中,所述激光熔覆层的厚度不低于0.75mm、且所述激光熔覆层的硬度在400HV以上,优选地,所述激光熔覆层的厚度为0.8-1.5mm、且硬度为400-480HV;所述激光熔覆层所采用的原料粉末为通过气雾化方法制得的颗粒粒度为10-100μm的近球形粉末颗粒,其中,颗粒粒度更佳选择为40-60μm;其中,所述激光熔覆层所采用的原料粉末包括下述质量配比的元素:C:0.2-1.4%、Cr:2.0-10.0%、Mo:10.0-22.0%、W:1.0-6.0%、V:0.3-2.0%、Ni:0.5-2.0%、Mn:≤1.2%、Si:0.5-3.0%、Co:15.0-35.0%、Fe:余量;进一步优选地,所述原料粉末包括下述质量配比的元素:C:0.8-1.2%、Cr:8-10%、Mo:16-22%、W:2-5%、V:1-2%、Ni:1.5-2.0%、Mn:≤1.2%、Si:1.5-2.5%、Co:25-30%、Fe:余量。
本发明的另一个目的在于一种激光熔覆气门座圈的制造方法,包括以下步骤,(1)气门座圈本体的制备:按元素质量配比对气门座圈本体的原材料粉末进行称量和混合,在压机上将混合好的粉末进行压制成毛坯,将成型的毛坯在烧结炉中进行高温烧结,制得气门座圈本体毛坯;(2)激光熔覆层的制备:按元素质量配比对激光熔覆层的原材料粉末进行称量,并通过气雾化方法进行处理,通过高速激光熔覆工艺将通过气雾化工艺处理的原材料粉末激光熔覆于气门座圈本体毛坯的密封锥面上,完成激光熔覆层的制备,得到气门座圈毛坯;(3)加工:对气门座圈毛坯进行磨削、机加工、浸油后,包装即可完成气门座圈的制备。
其中,在所述激光熔覆层的制备过程中,所述高速激光熔覆工艺为采用光纤激光器,激光输出功率为1KW-4KW,线速度10-45m/min,效率0.2-1.0m2/h。
根据上述所介绍内容,提供以下实施例与对比例对本申请进行说明:
表1
备注:(1)在表1中,合金元素包含Cr、Mo、Mn、W和V元素,各元素配比相加不超过10%即可,为使气门座圈本体的硬度与耐高温性基本达到要求、且减少各原料成本,合金元素中各元素配比以均不超过2.5%为优选;如实施例2中可按下述方式配比:Mn1.2%、Cr0.8%、Mo1.0%、W0.8%、V1.7%;实施例6可按下述方式配比:Mn1.5%、Cr1.0%、Mo1.6%、W1.5%、V2.4%;(2)所述气门座圈本体中还包含元素C,元素C的含量不超过2%;亦可包含S、Ni、Si等元素。
对表1提供的实施例的性能进行检测。
(1)气门座圈本体:
热传导率(测试方法:激光闪射法)
(2)激光熔覆层:
耐磨性实验(实验条件:温度300℃,转数2500rpm,试验时间10小时,气门座圈磨耗试验机)。
本以基准材料V581作为对比,以对本发明进行说明:基准材料V581的热传导率为43W/mK;基准材料磨损量为0.140mm、气门磨损量为0.040mm,总磨损量为0.18mm。
表2
从表2的数据可知,实施例1-6的气门座圈本体的热传导率与基准材料优于基准材料,说明气门座圈本体满足热传导率的要求;激光熔覆层的磨损量远低于基准材料,说明激光熔覆层的耐磨性高于基准材料,满足耐磨性的要求;由此可知,形成的双层结构满足目前所需的高要求性能、且减少了金属原料的使用,降低了使用成本。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种激光熔覆气门座圈,其特征在于,包括气门座圈本体与激光熔覆层,所述激光熔覆层为在所述气门座圈本体中用于对接气门的密封锥面上通过激光熔覆所形成的致密合金层;
所述气门座圈本体包含23-38%Cu、5-10%合金元素、余量Fe,所述合金元素至少包含Cr、Mo及Mn;所述气门座圈本体的基体组织为马氏体与珠光体,所述气门座圈本体的硬度为140-300HV、径向压溃强度在500MPa以上,且在200-500℃下的热传导率不低于50W/m·K;
所述激光熔覆层的厚度不低于0.75mm、且所述激光熔覆层的硬度在400HV以上,所述激光熔覆层所采用的原料粉末包括下述质量配比的元素:C:0.2-1.4%、Cr:2.0-10.0%、Mo:10.0-22.0%、W:1.0-6.0%、V:0.3-2.0%、Ni:0.5-2.0%、Mn:≤1.2%、Si:0.5-3.0%、Co:15.0-35.0%、Fe:余量。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆气门座圈,其特征在于,所述激光熔覆层所采用的原料粉末为通过气雾化方法制得的颗粒粒度为10-100μm的近球形粉末颗粒。
3.根据权利要求2所述的激光熔覆气门座圈,其特征在于,所述近球形粉末颗粒的颗粒粒度为40-60μm。
4.根据权利要求1所述的激光熔覆气门座圈,其特征在于,所述原料粉末包括下述质量配比的元素:C:0.8-1.2%、Cr:8-10%、Mo:16-22%、W:2-5%、V:1-2%、Ni:1.5-2.0%、Mn:≤1.2%、Si:1.5-2.5%、Co:25-30%、Fe:余量。
5.根据权利要求1所述的激光熔覆气门座圈本体,其特征在于,所述合金元素还包含元素W和V。
6.根据权利要求1所述的激光熔覆气门座圈,其特征在于,所述气门座圈本体在250-350℃下的热传导率为50-60W/m·K;所述激光熔覆层的厚度为0.8-1.5mm、且硬度为400-480HV。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述的激光熔覆气门座圈的制造方法,其特征在于,包括以下步骤,
气门座圈本体的制备:按元素质量配比对气门座圈本体的原材料粉末进行称量和混合,在压机上将混合好的粉末进行压制成毛坯,将成型的毛坯在烧结炉中进行高温烧结,制得气门座圈本体毛坯;
激光熔覆层的制备:按元素质量配比对激光熔覆层的原材料粉末进行称量,并通过气雾化方法进行处理,通过高速激光熔覆工艺将通过气雾化工艺处理的原材料粉末激光熔覆于气门座圈本体毛坯的密封锥面上,完成激光熔覆层的制备,得到气门座圈毛坯;
加工:对气门座圈毛坯进行磨削、机加工、浸油后,包装即可完成气门座圈的制备。
8.根据权利要求7所述的激光熔覆气门座圈的制造方法,其特征在于,所述激光熔覆层的制备过程中,所述高速激光熔覆工艺为采用光纤激光器,激光输出功率为1KW-4KW,线速度10-45m/min,效率0.2-1.0m2/h。
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