具有抗腐蚀耐磨功能的内燃机高合金气门座制造技术

摘要

本发明涉及一种具有抗腐蚀耐磨功能的内燃机高合金气门座制造技术，高合金气门座化学成份以质量百分比计分别为：Cr：6.40，W：11.00，Co：60.00，Mo：20.00，Ni：1.40，V：0.6，Fe：0.6；采用硅溶胶制壳工艺和真空感应电炉熔炼方法，解决了抗腐蚀耐磨合金气门座在铸造过程中极易产生氧化、内部缩松和裂纹、夹渣的缺陷，使发明产品质量稳定可靠，提高了产品的收成率，其关键点包括三部分，一是优化高合金化学成份，并加入微量的钒；二是采用硅溶胶制壳工艺制作高合金气门座；三是采用先进的真空熔炼技术。本发明采用此工艺，提高了产品收成率，其收成率达到了95％以上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有抗腐蚀耐磨功能的内燃机高合金气门座制造技术，属于气门座 圈制造技术领域。

背景技术

高合金是由多种稀有贵重金属组成的新材料，具有良好的耐高温、耐腐蚀、耐磨性， 以前主要应用于航天航空领域。由于发动机向高速、增压、强化方面发展以及需要不断 适应环保日趋严格的要求，因而必须提高发动机的整体性能，这给气门座材料提出了新 的课题。在国外，美国康明斯公司于20世纪90年代初率先研制成功了具有世界先进水 平的高级依通化学合金气门座，应用于汽车、航空、船舶等不同燃料环境的高性能发动 机上，其气门座材料在世界重型发动机行业具有国际领先水平。

在国内，近年来引进的国外发动机中，如重庆康明斯发动机有限公司生产的康明斯 K、N系列发动机、广西玉柴引进的YC6112型柴油发动机、东风康明斯柴油发动机有 限公司引进的康明斯C系列发动机等，都需用高合金气门座。因国内目前尚无专业厂家 生产同类产品与其配套，所以国内上述企业生产高性能发动机所需气门座大多依靠进口 解决。重庆康明斯发动机厂为了彻底解决康明斯发动机部件国产化的难题，曾在全国范 围内寻求合作厂家，希望研制适用于高速增压中冷发动机的高合金气门座。目前国内应 用的气门座材质(如青海大学研制的气门座和山东省乳山县活塞环厂、东海气门座有限 公司研制生产的气门座)，主要为高镍合金(含有C、Cr、Mn、Mo、M、P、S、V)和 铬钼钒稀土系耐热耐磨铸铁材料。许多厂家在研制生产环保型内燃机气门座过程中因其 工艺技术难度极大，而未能成功。现有个别相关研究所在进行该气门座的研制，但未能 真正解决内部缩松和裂纹的缺陷，其收成率只有50％，有时甚至整批报废，因此国内开 展高合金气门座的研究开发尚处于起步阶段。

环保型内燃机高合金气门座，其铸造生产工艺难度极大，在铸造生产过程中，存在 的难题是：1、极易产生氧化及夹渣；2、内部缩松和裂纹；3、主要机械性能难以保证 达到设计要求。上述问题是生产高合金气门座的主要障碍因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有抗腐蚀耐磨功能的内燃机高合金气门座制造技术， 以便生产制造出抗腐蚀、耐磨、耐热的内燃机高合金气门座。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种具有抗腐蚀耐磨功能的内燃机高合金气门座制造技术，高合金气门座化学成份 以质量百分比计分别为：Cr：6.40，W：11.00，Co：60.00，Mo：20.00，Ni：1.40，V： 0.6，Fe：0.6；通过对加入微量钒的高合金化学成份进行优化设计，保证了气门座产品 的机械性能超过国际标准要求；采用硅溶胶制壳工艺和真空感应电炉熔炼方法，解决了 抗腐蚀耐磨合金气门座在铸造过程中极易产生氧化、内部缩松和裂纹、夹渣的缺陷，使 发明产品质量稳定可靠，提高了产品的收成率，其关键点包括三部分，一是优化高合金 化学成份，并加入微量的钒；二是采用硅溶胶制壳工艺制作高合金气门座；三是采用先 进的真空熔炼技术。

进一步地，所述硅溶胶制壳工艺具体步骤如下：

(1)蜡模组合：进入组合工序的蜡模件及蜡模必须是经修饰检验合格的，不应有料 滴、飞边及其它赃物粘附，模件表面不允许有鼓胀、缩陷、缺坑等缺陷；模件在蜡棒上 按四方组合，模件间距≥5㎜，成水平方向，最底一层模件与蜡棒底面保持在一个平面 上或略高于蜡棒；模件组合应牢固，避免虚焊现象；

(2)模组清洗：模组制壳前应将模组浸入清洗液中进行彻底清洗，以去除油污；

(3)制壳：准备好所需原料，检查是否变质；先将硅溶胶倒入搅拌机内加入规定 量的粉料，并用手将粉料团搓碎，搅拌5h后再加入消泡剂；采用以下涂料配比及控制 参数；

项目/层数 面层 二层 三层 背层 粘度 33-37 18-22 12-14 12-14 粉Kg 32-39 15-18 15-18 12-15 胶Kg 11-13 8-12 8-12 8-12 润湿剂ml 24       消泡剂ml 16       砂目 100 30-60 16-32 16-32 干燥时间h 4-6 ≥8 ≥8 ≥12 温度℃ 22-26 22-26 22-26 22-26 湿度％ 40-70 40-70 40-70 40-70

新涂料第一、二层涂料须充分搅拌20h以上，背层涂料应搅拌12h以上，才能使用； 中途对涂料粘度进行调整后充分搅拌2h以上才能使用；新涂料第一、二层涂料须充分 搅拌20h以上，背层涂料应搅拌12h以上，才能使用；中途对涂料粘度进行调整后充分 搅拌2h以上才能使用；对涂料粘度应随时测量；新配涂料搅拌6h左右测量一次粘度， 并进行调整；每班班前应测量涂料粘度，不合格涂料禁止使用；涂料一经配好，必须每 天24h连续搅拌，至该桶涂料用完为止；制壳时，模组上涂料时应以30°倾角慢慢渗入 涂料桶中，避免卷入气泡；模组上涂料后，应竖直滴除模组上多余涂料，然后应不停旋 转模组，保证涂料均匀；每次涂料后应检查模组上有无气泡，当发现气泡时，必须将气 泡去除；撒砂要均匀，厚度适中；每制下一层时，须清除上层浮砂，应检查色泽、粘度 是否合格，禁止使用不合格原料；如砂中灰尘过多，应用筛或风扇去除灰尘；面层用100 目刚玉砂，二层用30～60目上店砂，三层和背层用16～32目上店砂；

(4)脱蜡：脱蜡前应清除浇口杯上的涂料和砂，浇口杯杯杯口应修饰平整；脱蜡 时蒸汽压力0.6～0.75Mpa，时间15～20min；由于硅溶胶湿型壳强度低，在转运时应轻 拿轻放，避免碰损；制好壳的模组在脱蜡釜中应放置端正，浇口杯向下，禁止倾斜，以 免脱蜡时倒下损坏；脱蜡后的型壳应检查有无破损，如有掉圈等现象，若有破损、掉圈， 则用莫来石粉拌硅溶胶进行修补；每班第一次脱蜡前应对脱蜡釜进行预垫；

(5)焙烧：将制好的型壳平放于焙烧炉内焙烧，焙烧温度900～950℃，保温时间 1～2小时；焙烧后的型壳随炉冷却后出炉备用。

进一步地，所述真空熔炼炉操作工艺具体步骤如下：

(1)各种炉料应去除其污物灰尘，经300～400℃烘干后严格按配方单备料，将 备好的炉料一次性装入坩埚内，并将铸型放在真空室内的圆形台上并调整好位置，关闭 真空室上盖和各个真空阀；

(2)打开冷却水，启动机械泵，打开低真空阀，对真空泵抽气；

(3)当真空度达到-0.09MPa，即可送电熔炼，(如在惰性气体保护下熔炼，这时 可用专门阀门引入惰性气体到所需压力；

(4)炉料开始熔化时，气体骤增，应降低熔炼功率以免真空度下降或金属液飞 溅；

(5)如果坩锅内钢液面位置较低，当喷溅时可将坩锅前倾，以便喷溅到坩锅上的 冷凝可以继续熔化除去溶池表面无气泡逸出，表明炉料已溶清，此时，冶炼进入精炼期；

(6)精炼期可以通过加料器加入气门座合金炉料和精炼剂，当真空度达到要求后， 精炼功率在50KW,精炼时间为10分钟时，即可缓缓倾动坩锅，将金属液浇入铸型内；

(7)当铸件凝固5-10分钟后，向真空室放气，打开真空室上盖，取出铸型；

(8)如要继续抽气、开炉，则抽真空系统不必停机，如不开炉了，关闭低真空阀； 机械泵停机后，立即对机械泵放气，禁止机械泵停机后，其放气处仍处于真空状态，以 免造成白油事故；

(9)每次开完炉后，应清除真空炉内脏物，用机械泵将真空室抽成真空，并将真 空室和真空系统隔离开来，关断水阀和电源，方可离人。

产品的金相组织：组织较细，基体为奥氏体，基体中均匀分散的碳化物。金相组织 符合康明斯材料标准570101-00。

该发明的有益效果在于：本发明针对高合金的特性，通过优化其化学成份并加入微 量钒，采用先进的真空熔炼和硅溶胶制壳等技术集成，解决了高合金在铸造过程中极易 氧化、夹渣及内部产生缩松和裂纹的缺陷，产品符合国际先进水平的康明斯标准，收成 率达到了96％。

本发明高合金材料是由多种稀有贵重金属组成。虽然康明斯标准对各种合金元素规 定了一定的范围，但为保证产品的硬度和机械性能，在初试时经过多次多方案试验，筛 选出了影响产品硬度及铸造质量起重要作用的两个元素：碳和铬，测定其最佳用量范围， 在此基础上确定其合金各化学元素成份比例，实现优化配方，使产品达到适宜的硬度和 提高产品的机械性能。

针对提高产品的耐高温性、耐腐蚀性、耐磨损性能，应用加入微量钒的方法。通过 试验，测定加入微量钒的最佳量为0.01-0.02％。在研制过程中分析发现，加入微量钒， 起到细化组织的作用，改善了产品的金相组织结构，提高产品的机械性能。

针对合金极易氧化的特性，首创在气门座制造上采用真空感应电炉熔炼技术。采用 真空感应电炉熔炼技术目前在国内大多应用于航天航空用零部件的加工生产，而应用于 气门座的专业生产尚属首家。采用此热铸造加工方法，能够有效的克服合金产生氧化和 夹渣。在发明的研制过程中，经多次试验摸索，基本掌握了真空感应电炉的熔炼时间和 浇注温度等工艺控制参数。

针对发明产品极易产生裂纹、内部缩松和收成率低的缺陷，首创采用硅溶胶制壳工 艺。与砂型工艺和水玻璃制壳工艺相比，能够克服产生气孔、夹渣等铸造缺陷，与硅酸 乙脂制壳工艺相比，成本低，提高了生产效率，且产品收成率高。在初试过程，特别 是对各层涂料配制中的粘度撒砂层的多次选择，确定了其撒砂层的适宜层数，保证型壳 硬度适中，透气性好。本发明采用此工艺，提高了产品收成率，其收成率达到了90％以 上。其对比性能见表1。

表1、本发明产品与国内外同类产品主要技术指标的比较

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

实施例

本实施例中的具有抗腐蚀耐磨功能的内燃机高合金气门座制造技术，高合金气门座 化学成份以质量百分比计分别为：Cr：6.40，W：11.00，Co：60.00，Mo：20.00，Ni： 1.40，V：0.6，Fe：0.6；其关键点包括三部分，一是优化高合金化学成份，并加入微量 的钒；二是采用硅溶胶制壳工艺制作高合金气门座；三是采用先进的真空熔炼技术。

硅溶胶制壳工艺具体步骤如下：

(1)蜡模组合：进入组合工序的蜡模件及蜡模必须是经修饰检验合格的，不应有料 滴、飞边及其它赃物粘附，模件表面不允许有鼓胀、缩陷、缺坑等缺陷；模件在蜡棒上 按四方组合，模件间距≥5㎜，成水平方向，最底一层模件与蜡棒底面保持在一个平面 上或略高于蜡棒；模件组合应牢固，避免虚焊现象；

(2)模组清洗：模组制壳前应将模组浸入清洗液中进行彻底清洗，以去除油污；

(3)制壳：准备好所需原料，检查是否变质；先将硅溶胶倒入搅拌机内加入规定 量的粉料，并用手将粉料团搓碎，搅拌5h后再加入消泡剂；采用以下涂料配比及控制 参数；

项目/层数 面层 二层 三层 背层 粘度 33-37 18-22 12-14 12-14 粉Kg 32-39 15-18 15-18 12-15 胶Kg 11-13 8-12 8-12 8-12 润湿剂ml 24       消泡剂ml 16       砂目 100 30-60 16-32 16-32

干燥时间h 4-6 ≥8 ≥8 ≥12 温度℃ 22-26 22-26 22-26 22-26 湿度％ 40-70 40-70 40-70 40-70

新涂料第一、二层涂料须充分搅拌20h以上，背层涂料应搅拌12h以上，才能使用； 中途对涂料粘度进行调整后充分搅拌2h以上才能使用；新涂料第一、二层涂料须充分 搅拌20h以上，背层涂料应搅拌12h以上，才能使用；中途对涂料粘度进行调整后充分 搅拌2h以上才能使用；对涂料粘度应随时测量；新配涂料搅拌6h左右测量一次粘度， 并进行调整；每班班前应测量涂料粘度，不合格涂料禁止使用；涂料一经配好，必须每 天24h连续搅拌，至该桶涂料用完为止；制壳时，模组上涂料时应以30°倾角慢慢渗入 涂料桶中，避免卷入气泡；模组上涂料后，应竖直滴除模组上多余涂料，然后应不停旋 转模组，保证涂料均匀；每次涂料后应检查模组上有无气泡，当发现气泡时，必须将气 泡去除；撒砂要均匀，厚度适中；每制下一层时，须清除上层浮砂，应检查色泽、粘度 是否合格，禁止使用不合格原料；如砂中灰尘过多，应用筛或风扇去除灰尘；面层用100 目刚玉砂，二层用30～60目上店砂，三层和背层用16～32目上店砂；

(4)脱蜡：脱蜡前应清除浇口杯上的涂料和砂，浇口杯杯杯口应修饰平整；脱蜡 时蒸汽压力0.6～0.75Mpa，时间15～20min；由于硅溶胶湿型壳强度低，在转运时应轻 拿轻放，避免碰损；制好壳的模组在脱蜡釜中应放置端正，浇口杯向下，禁止倾斜，以 免脱蜡时倒下损坏；脱蜡后的型壳应检查有无破损，如有掉圈等现象，若有破损、掉圈， 则用莫来石粉拌硅溶胶进行修补；每班第一次脱蜡前应对脱蜡釜进行预垫；

(5)焙烧：将制好的型壳平放于焙烧炉内焙烧，焙烧温度900～950℃，保温时间 1～2小时；焙烧后的型壳随炉冷却后出炉备用。

真空熔炼炉操作工艺具体步骤如下：

(1)各种炉料应去除其污物灰尘，经300～400℃烘干后严格按配方单备料，将 备好的炉料一次性装入坩埚内，并将铸型放在真空室内的圆形台上并调整好位置，关闭 真空室上盖和各个真空阀；

(2)打开冷却水，启动机械泵，打开低真空阀，对真空泵抽气；

(3)当真空度达到-0.09MPa，即可送电熔炼，(如在惰性气体保护下熔炼，这时 可用专门阀门引入惰性气体到所需压力；

(4)炉料开始熔化时，气体骤增，应降低熔炼功率以免真空度下降或金属液飞 溅；

(5)如果坩锅内钢液面位置较低，当喷溅时可将坩锅前倾，以便喷溅到坩锅上的 冷凝可以继续熔化除去溶池表面无气泡逸出，表明炉料已溶清，此时，冶炼进入精炼期；

(6)精炼期可以通过加料器加入气门座合金炉料和精炼剂，当真空度达到要求后， 精炼功率在50KW,精炼时间为10分钟时，即可缓缓倾动坩锅，将金属液浇入铸型内；

(7)当铸件凝固5-10分钟后，向真空室放气，打开真空室上盖，取出铸型；

(8)如要继续抽气、开炉，则抽真空系统不必停机，如不开炉了，关闭低真空阀； 机械泵停机后，立即对机械泵放气，禁止机械泵停机后，其放气处仍处于真空状态，以 免造成白油事故；

(9)每次开完炉后，应清除真空炉内脏物，用机械泵将真空室抽成真空，并将真 空室和真空系统隔离开来，关断水阀和电源，方可离人。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来 说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视 为本发明的保护范围。