内燃机内排气阀轴形或活塞形可动壁构件制造技术

一种可动壁构件，具有内燃机内排气阀轴（１）或活塞（７）的形式，对朝向燃烧室的壁构件一侧采用耐热腐蚀材料（５、１４），这种材料是用含镍铬合金颗粒状原始材料制成的，这种颗粒状材料是通过热等静压法、基本上不经过熔化原始材料就结合成凝聚性材料的。在将耐腐蚀材料加热到５５０－８５０℃温度范围内保持４００小时以上后，在约２０℃下测得耐腐蚀材料具有低于３１０ＨＶ的硬度。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及内燃机内、特别是二冲程十字头型发动机内排气阀轴形或活塞形可动壁构件，对面向燃烧室的壁构件一侧采用耐热腐蚀材料，这种材料是用含镍铬合金颗粒状原始材料制成的，这种颗粒状材料是通过热等静压工艺(HIP工艺)、基本上不经熔化原始材料就结合成凝聚性材料的。耐热腐蚀材料在本文中是指在操作温度为550-850℃的内燃机燃烧室环境内具有耐腐蚀性的材料。一种复合式排气阀轴可见之于牌号为MAN B & W Diesel的大型二冲程柴油机的实际结构中，其中，阀盘的下表面和轴基的座区通过热等静压法加有一层80A镍铬钛合金(Nimonic 80A合金)的耐热腐蚀材料，这种合金含有18～21％的铬和约75％的镍。除耐腐蚀性外，这种合金具有约400HV20的硬度，使其可用作阀座材料。通常来说，阀座应具有高硬度以免阀门关闭时燃烧过程中的残剩颗粒挤压在座面之间而在密封面上形成压痕。EP-A0521821叙述了在阀座区内采用671铬镍铁合金(Inconel 671合金)作为一种表面硬化的合金。这种合金含有0.04～0.05％的C、47～49％的Cr、0.3～0.4％的Ti和余量的Ni。阀座区位于阀盘上表面而成为连续形的环形镶面。如上所述，座区的要求是所用合金应具有高硬度。该EP公报提到，Inconel 671的耐腐蚀性被认为不如也被推荐为表面硬化材料的Inconel 625。该申请人的国际专利申请WO 96/18747叙述了一种带焊敷表面硬化合金的排气阀轴，其成分为40～51％的Cr、0～0.1％的C、少于1.0％的Si、0～5.0％的Mn、少于1.0％的Mo、0.05～0.5％的B、0～1.0％的Al、0～1.5％的Ti、0～0.2％的Zr、0.5～3.0％的Nb、至多5.0％的Co和Fe的总合含量、至多0.2％的O、至多0.3％的N、余量为Ni。这种阀座材料在焊接后通过温度超过550℃的热处理可取得例如550 HV20的高硬度。一般认为，含铬和镍的耐腐蚀合金在550～850℃范围内会时效硬化，也就是合金会变得更硬更脆。在铸件的情况下，为取得良好的耐腐蚀性，特别是在含有来自重质燃料油燃烧产物的硫和钒的环境中取得良好的耐腐蚀性，已知可用含50％的Cr和50％的Ni这种合金或IN 657这种合金，IN 657含48～52％的Cr、1.4～1.7％的Nb、至多0.1％的C、至多0.16％的Ti、至多0.2％的C和N、至多0.5％的Si、至多1.0％的Fe、至多0.3％的Mg、余量为Ni。铸造后，这种合金具有富镍γ相和富铬α相，根据合金的精确分析此两相都可构成初生树枝状(枝晶)结构。已知这些合金在超过600℃的操作温度下即时效硬化。这是由于合金在冷却时并不在平衡的状态下进行固化。在合金此后的工作温度下由于超稳相比例(over-represented phase proportion)的转变而产生亚稳相比例(under-represented phase proportion)的析出，这就造成了脆性，其特征是延性在室温下低于4％。基于这种相对较低的强度性能，这种合金只是用于低负荷的铸件。由伦敦海洋工程师学会在1990年发布的技术论文“关于现用阀门材料使用经验的评述”综述了柴油机排气阀的可用镶面合金，并详细叙述了柴油机内热腐蚀的问题。该论文特别针对排气阀轴座面所述条件作了论述。在阀轴的下表面和活塞的上表面上，耐热腐蚀材料用以限制腐蚀的侵袭，使阀轴和(或)活塞有利地取得很长的使用寿命。活塞上表面和阀盘下表面的面积很大，因而在改变发动机负荷时例如在起动或停止发动机时承受着很大的热应力。热冲击在这些表面的中部最为严重，这部分地是由于燃烧气体在燃烧室的近中部分具有最高的温度，部分地是由于活塞和阀轴在这些表面的近边部分受到了冷却。阀盘在上表面的座区附近也受到了冷却，此表面在阀关闭时与水冷的固定阀座相接触，对于活塞来说，热量通过活塞环向水冷汽缸衬筒引去，此外，活塞的内表面也受到油冷。较冷的周边材料阻止较热的中部材料的热膨胀，这就造成很大的热应力。众所周知，由所述热效应造成的变化很慢但作用很大的热应力会造成起自阀盘下表面中部的星裂。星裂会作很深的发展，以致穿透耐热腐蚀材料而使下层材料受到腐蚀性侵袭并受到侵蚀，导致排气阀的失效。本专利技术的目的在于提供一种排气阀轴或活塞，使其就耐热腐蚀材料而言具有相当长的使用寿命。因此，本专利技术权利要求1前序部分所述壁构件的特征是按照重量百分比，除通常的杂质和不可避免的除氧成分残余量外，该耐腐蚀材料含有38～75％的Cr和任选的0～0.15％的C、0～1.5％的Si、0～1.0％的Mn、0～0.2％的B、0～5.0％的Fe、0～1.0％的Mg、0～2.5％的Al、0～2.0％的Ti、0～8.0％的Co、0～3.0％的Nb、以及任选的Ta、Zr、Hf、W和Mo成分和余量的Ni、Al和Ti的总合含量至多4.0％、Fe和Co的总合含量至多8.0％、Ni和Co的总合含量至多25％；在将该耐腐蚀材料加热到550～850℃温度范围内保持400小时以上后在约20℃下测得该耐腐蚀材料具有低于310HV的硬度。令人非常惊异地证实了用热等静压法所生产这种成分的材料在内燃机可动壁构件所处操作温度下并不硬化，这样就可使可动壁构件面的燃烧室一侧的耐热腐蚀材料有利地保持其小于310HV20的低硬度和相应的延性。低硬度减少或防止了材料的星裂，因而壁构件的寿命不会由于材料的疲劳损伤而降低。本专利技术还可取得另一优点即使在受到长时间的热效应之后仍保持很好的机械性能。因此，材料保持了与高延性相结合的高抗拉强度，这对一些高铬含量的镍合金来说是相当罕见的。这些性能也使耐腐蚀材料至少可取代部分受通常承载的壁构件材料，以制成比已知壁构件更轻的壁构件，也就是，在要求强度的材料外面将耐腐蚀材料用作覆面层。这样的减重对内燃机是很有利的，因为减重意味着较少用以传动壁构件的能量和较小作用在与壁构件协同操作的发动机构件上的负荷。此外，还产生了节省材料的效果。同时，该高铬含量的材料具有很高的抗热腐蚀性，与具有已知含铬镍材料面层的壁构件相比，材料所受侵蚀分布均匀，其延续时间也会明显地加长。为防止耐热腐蚀材料在阀或轴的使用过程中过度硬化，重要的是使颗粒状原始(起始)材料在制造壁构件时既不熔化也不作过大的机械变形。热等静压法使颗粒状原始材料由于扩散所造成的颗粒间界的分解而结合成一体，并保持颗粒极密实的树枝状结构，其树枝状分枝彼此紧密相邻。在已知的含铬量在40～52％范围内的镍基硬质面层内，原始材料是通过铸连或焊接得以熔化的，并通过此后超过550℃的加热消除这些材料作高硬度时效硬化或弥散硬化的固有倾向。迄今为止，对在本专利技术壁构件中用热等静压法所制材料内硬化机制受到抑制的原因还不能从冶金学上给出令人满意的解答，但令人惊异的是实际证明确实如此。如果材料中铬含量低于38％，就不能取得所需耐热腐蚀性。在壁构件表面上，铬与氧反应而形成Cr2O3表面层，此表面层保护下层使其不受腐蚀性残剩燃烧产物的影响。高于44.5％的铬含量是有利的。如果铬含量超过75％，材料的镍含量就过低了，此外，在热等静压法所用高温下就会产生不应有的局部性纯α相、也就是向无树枝状结构的富铬相的转本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可动壁构件，具有内燃机内、特别是二冲程十字头型发动机内排气阀轴（１）或活塞（７）的形式，对朝向燃烧室的壁构件一侧来用耐热腐蚀材料（５、１４），这种材料是用含镍铬合金颗粒状原始材料制成的，这种颗粒状材料是通过热等静压工艺、基本上不经过熔化原始材料就结合成凝聚性材料的，其特征是：按照重量百分比，除通常的杂质和不可避免的除氧成分的残余量外，该腐蚀材料（５、１４）包含：３８～７５％的Ｃｒ和任选的０～０．１５％的Ｃ、０～１．５％的Ｓｉ、０～１．０％的Ｍｎ、０～０．２％的Ｂ、０～５．０％的Ｆｅ、０～１．０％的Ｍｇ、０～２．５％的Ａｌ、０～２．０％的Ｔｉ、０～８．０％的Ｃｏ、０～３．０％的Ｎｂ以及任选的Ｔａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ和Ｍｏ成分、和余量的Ｎｉ，Ａｌ和Ｔｉ的总合含量至多４．０％，Ｆｅ和Ｃｏ的总合含量至多８．０％，Ｎｉ和Ｃｏ的总合含量至多２５％；在将材料加热到５５０～８５０℃温度范围内保持４００小时以上后在约２０℃下测得该耐腐蚀材料具有低于３１０ＨＶ的硬度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：哈罗安德列亚斯赫格，
申请(专利权)人：曼B与W狄塞尔公司，
类型：发明
国别省市：DK[丹麦]