[发明专利]利用粉末冶金工艺制造钛基汽车发动机气门的方法

说明书

技术领域

本发明大体上涉及利用粉末冶金工艺来制造汽车发动机气门，更 具体地涉及进气门和排气门，其中各气门至少部分由一种或多种这样 的工艺制成。

背景技术

提高燃料效率是汽车设计的重要目标。实现该目标的一种方法是 使用轻质材料和部件。传统上，诸如发动机进气门和排气门之类的快 速运动部件和往复运动部件由耐火材料，例如钢、超合金等制成。这 样的材料虽然足够坚固而能忍受内部燃烧过程的苛刻情况，但是往往 较重。该附加重量对于与气门配合的其他部件(例如弹簧、摇臂、轴 承等)具有附加影响，这些部件因此必须能够承受由气门施加的额外 作用力。

钛的引进使得设计者能较少地依赖耐火材料，其以钢、超合金和 相关耐火材料的一小部分重量满足大多数结构和温度要求。可利用精 确添加诸如铝、钒等合金成分来设置钛的结构特性。例如，排气门杆 的高温疲劳强度必须要高，但是也不能太高而妨碍冷加工性能和相关 制造。同样，进气门头部中所用的这种添加剂会提高强度和硬度，其 中必须权衡耐磨性与部件脆性之间的折中。

尽管具有这些优点，但是钛并没有在发动机气门应用中得到广泛 使用。钛的一个显著缺陷是其制造起来太昂贵，考虑到气门内不同位 置(例如气门杆头、气门杆和气门头)的不同环境条件和要求更是如 此。例如，气门头在相当长的时期经受高温环境(达1400华氏度)， 这可导致明显的蠕变载荷。同样，气门杆温度稍低(达1200华氏度)， 但受到相当大的凸轮轴和气门弹簧作用力，在这种情况下压缩、拉伸、 冲击和疲劳强度特性变得很重要。这些担忧与气门杆的远杆头区域尤 为相关。

传统上，发动机气门通过在锻造(特别是顶锻)之后进行热处理 和机加工而制成，其中由钛合金锭制成钛合金棒材，接着成型，然后 热旋锻，从而形成气门形状。这些方法劳动强度大，并且浪费材料。 也已经使用了铸造技术；然而，机械特性次于锻造，并且也不很适合 在单个铸模内使用异类材料。更先进的铸造技术，例如局部冷却或通 过局部时效控制的微观结构变化，可改善铸造，但是这样会增加成本 并且通常局限于特定(尤其是铁基)材料。在传统粉末冶金技术中， 通过冷等静压成形然后烧结而将金属合金粉末压缩为成型气门形状。 烧结体中的残余微孔导致延展性和疲劳强度降低。

因而，期望研制一种改进的制造高强度钛基部件(例如发动机气 门)的方法。还期望将尤其适合发动机气门具体部件的不同方法用于 制造气门。还期望由这种方法制造的发动机气门长期使用起来足够可 靠。还期望使用残余孔隙形成可能性最小的低成本粉末冶金制造工艺 制造这样的气门的至少部分。

发明内容

通过本发明满足这些期望，其中公开了改进的高强度钛发动机气 门及该气门的制造方法。根据本发明的第一方面，公开了一种制造汽 车发动机气门的方法。该方法包括：将气门杆构造成包括第一端和与 所述第一端相对的第二端，使得在将所述气门杆附接至气门头时，所 述第一端相对于该气门头较近而所述第二端相对于该气门头较远，所 述气门杆构造成使得至少所述第一端主要由钛基粉末材料制成，而所 述第二端终止于杆头，所述杆头主要由具有在所述气门杆的操作温度 下足以在气门杆头处提供必要耐磨性的强度和硬度性能至少其中之一 的铁材料制成。通过这样的构造，利用动磁压制成形(dynamic magnetic compaction，DMC)在单个步骤中形成双材料气门杆。通过该方法， 可有选择地应用高级材料以充分利用其优异性能的优势，同时保持合 理的制造成本。

任选地，该方法还包括在所述气门杆的所述第一端和所述第二端 之间形成大致径向的锁定槽。在当前上下文中，术语“大致”是指虽 然在理论上期望元件或特征的布置展现确切的一致性或行为，但是可 能在实际实施中会略不同于确切情况。因此，该术语表示定量值、测 量值或其他相关表达可能与所述基准不同但不会引起所述对象基本功 能发生变化的程度。在一个具体形式中，可在所述杆头处形成倒角。 在其他选择中，可在所述气门杆上沉积硬化涂层，沉积的具体形式为 气相沉积。涂层的选择可基于各种兼容性和环境考虑。与钛基合金的 使用相结合，考虑发动机气门期望操作的操作状态，氮化铬(CrN)是 一种合适的候选涂层。对于杆头材料来说，钢合金是一种合适选择。 该钢合金可以在气门杆接合至气门头之前或之后硬化的方式包括在 内。在另一选择中，可稍后利用传统方法，例如感应加热，来硬化铁 杆头。