用于內(nèi)燃機的閥的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及閥用于使用在內(nèi)燃機上的閥，至少一個閥部分通過化學(xué)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(shù)】
[0002]內(nèi)燃機是絕大部分機動車輛使用的能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)，基本上包括兩個主要部分:一個或多個發(fā)動機頭和發(fā)動機缸體。燃燒室位于在發(fā)動機頭的基座上(通常，在柴油發(fā)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(fā)動機缸體上。內(nèi)燃機的閥容納在發(fā)動機頭中，并且該設(shè)備的目的是允許或阻止氣體進入或排出發(fā)動機氣缸。
[0003]發(fā)動機將燃燒室中的混合物(燃料和空氣)的燃燒產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為機械能，機械能能夠賦予車輪運動。進氣閥是控制氣態(tài)混合物進入發(fā)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(yīng)力不同，通常，其構(gòu)造結(jié)構(gòu)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(qū)域3構(gòu)成，閥頭10包括閥座區(qū)域2，閥頸區(qū)域3作為桿4的過渡區(qū)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(yīng)力。閥座區(qū)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(yīng)當指出的是，當關(guān)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(qū)域應(yīng)是耐腐蝕的。桿區(qū)域應(yīng)是耐磨損的并具有低摩擦。應(yīng)當注意的是，盡可能少量的潤滑液應(yīng)通過桿和引導(dǎo)件之間的區(qū)域，以防止?jié)櫥瑒┑竭_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(guān)閉的致動器的一部分的恒定壓力。
[0006]總之，閥應(yīng)表現(xiàn)出抵抗三種不同類型的應(yīng)力，即:機械應(yīng)力、熱應(yīng)力和化學(xué)應(yīng)力。關(guān)于機械阻力，閥應(yīng)在閥座區(qū)域和末端區(qū)域表現(xiàn)出耐沖擊性。關(guān)于耐磨性，受影響的主要部分是閥座區(qū)域、桿和閥末端。反過來，耐壓力應(yīng)該是閥頭前方的特征。最后，疲勞強度是必要的，由于牽引應(yīng)力和壓縮應(yīng)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(xué)性變得必要以防止腐蝕，這容易發(fā)生在閥所受到的氣體、水分和工作溫度的腐蝕環(huán)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(shè)置有插件。
[0010]單金屬閥是由單一材料構(gòu)成的，并且應(yīng)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(yōu)選鉻-硅合金，這是由于其優(yōu)良的機械性能。關(guān)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(yīng)用在更多要求的場合，在這種情況下，特定材料應(yīng)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(yīng)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(fā)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(dǎo)致了增加奧托或柴油發(fā)動機的熱應(yīng)力，其中有閥。在一些更近期的應(yīng)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(xiàn)在為止，在現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)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(guān)于抗疲勞性的負性能。另一個例子是鈦閥，用于賽車發(fā)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(yīng)涂覆有氮化鈦(TiN)或氧化鈦(T1)以抵消低耐磨性。
[0015]對于發(fā)動機閥仍有一些額外的方案，這些方案利用了商業(yè)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(shù)情況下的性能。
[0016]在各種現(xiàn)有方案中，文獻US4811701公開了一種用于內(nèi)燃機的進氣閥，其設(shè)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(nèi)燃機。該閥部分地被涂覆以保證耐腐蝕性，還經(jīng)歷閥頭硬化處理。公開的保護膜通過用可固化樹脂實現(xiàn)，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(jié)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(xiàn)實中確實可以沉積TiN膜，但與鈦進行的加壓氮反應(yīng)不是僅發(fā)生在閥表面。因為這是一個擴散過程，所以產(chǎn)生700至880°C的高溫以實現(xiàn)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(yīng)(其累積負載)而造成不一致的膜。因此，作為現(xiàn)有技術(shù)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(jīng)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(guān)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(jīng)受的其他方面。還應(yīng)當指出的是，其現(xiàn)在能在腐蝕環(huán)境下很好地工作(DLC通常具有“針孔”，通過該針孔，腐蝕物質(zhì)可以出去，盡可能遠至襯底)。還應(yīng)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(fā)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(fā)明利用PVD的方案具有缺點。不同于PVD工藝，在本發(fā)明中使用當前的CVD工藝，因為CVD工藝是化學(xué)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(huán)境中的氣體會與零件表面發(fā)生反應(yīng)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(jīng)受的磨損，但是現(xiàn)有技術(shù)的方案不能提供內(nèi)燃機的閥，該閥在所有耐久性要求方面伴隨地管理而呈現(xiàn)優(yōu)良行為。
[0023]圖2至圖7示出了它們影響現(xiàn)有技術(shù)閥的耐久性的幾個例子。因此，影響現(xiàn)有技術(shù)閥的耐久性的現(xiàn)象之一大多數(shù)是源自晶間腐蝕(ITG)。
[0024]這種現(xiàn)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(qū)域。結(jié)果是，鉻作為合金元素的損失(這對于腐蝕是至關(guān)重要的)導(dǎo)致晶粒邊界和相鄰區(qū)域的溶解(參見圖3、圖4、圖6和圖7)。
[0025]這種效應(yīng)的結(jié)果導(dǎo)致了閥的斷裂，如圖5所示，圖5示出了現(xiàn)有技術(shù)的閥，其閥頭區(qū)域的一部分已經(jīng)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(xué)粘附和應(yīng)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(fā)生在現(xiàn)有技術(shù)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(xiàn)象發(fā)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(shù)情況下，腐蝕關(guān)聯(lián)于排氣閥受到的熱氣。這通常與氧化有關(guān)，但是也可發(fā)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(xiàn)有技術(shù)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(xiàn)象。
[0029]攻擊閥的第三種常見現(xiàn)象示于圖10中。在這種情況下，阻止閥旋轉(zhuǎn)的閥故障可能會導(dǎo)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(dǎo)致閥座區(qū)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(yīng)提供的正確密封。在一些情況下，會發(fā)生局部融合，這會加速腐蝕現(xiàn)象，直到閥失效。這會發(fā)生，由于熱氣的恒定通過，使一個局部集中區(qū)域的溫度急劇上升(參見圖10中的箭頭)，并且該閥不能使發(fā)動機正確操作。還應(yīng)當指出的是，當閥具有密封問題時這種現(xiàn)象具有特殊發(fā)生率。
[0031]面對前述問題，迄今沒有人發(fā)明出通過化學(xué)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(fā)明內(nèi)容】

[0032]發(fā)明目的
[0033]本發(fā)明的目的是提供一種用于使用在內(nèi)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(xué)氣相沉積(CVD)處理施加至閥的至少一部分。
[0034]本發(fā)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(chǎn)處理更容易。
[0035]最后，本發(fā)明的另一目的在于提供一種閥，閥及其桿和座面通常呈現(xiàn)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(xù)破裂，抵抗因燃燒加熱的氣體的通過導(dǎo)致的腐蝕以及滲漏的形成。
[0036]本發(fā)明的目的是依靠用于內(nèi)燃機的閥實現(xiàn)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(xué)氣相沉積(CVD)處理施加的。
【附圖說明】
[0037]現(xiàn)在將參考附圖中示出的例子更詳細描述本發(fā)明。
[0038]圖1是閥的示意性側(cè)視圖，具有構(gòu)成閥的部件；
[0039]圖2是示意圖，示出了通過貧化現(xiàn)有技術(shù)閥的邊界晶粒區(qū)域中的鉻產(chǎn)生的晶間腐蝕機理；
[0040]圖3對應(yīng)于的照片示出了現(xiàn)有技術(shù)閥的晶間腐蝕；
[0041]圖4對應(yīng)于的照片示出了現(xiàn)有技術(shù)閥發(fā)生的晶間腐蝕和二次斷裂；