[发明专利]表面石墨烯强化的新型发动机气门材料

说明书

技术领域

本发明涉及新材料领域，尤其涉及一种发动机用进气门材料及其制备方法。

背景技术

目前发动机一般设有多个气门。常见的是每个汽缸布置有4个气门，4汽缸的发动机一共有16个气门。发动机是机车的核心部件,而气门又是发动机的关键零件之一。气门是用来打开或关闭进、排气道的直接零件，其工作环境恶劣、对材料的性能要求高。气门分为进气门与排气门，空气通过进气门进入发动机气缸内与燃料混合燃烧，燃烧后产生的废气通过排气门排出气缸，从而实现新鲜空气进入气缸燃烧产生车辆行驶的动力并排除废气。在这过程之中，燃料燃烧的热能转化为机械能。气门头部温度很高，而且还承受气体的压力、气门弹簧的作用力和传动组件惯性力，其润滑、冷却条件差，要求气门必须有一定强度、刚度、耐热和耐磨性能。进气门一般采用合金钢（铬钢、镍铬钢），排气门采用耐热合金（硅铬钢）。有时为了省耐热合金，排气门头部用耐热合金，而杆部用铬钢，然后将两者焊接起来。

发动机的工作特点要求进气门要具备耐磨擦、耐高温、耐疲劳、高韧性等特征，气门材料的性能直接影响到发动机的性能。由于该项技术的高度商业价值及高度的商业机密性，关于气门材料及其加工工艺方面的相关报道极少。目前国内的气门材料有40Cr、4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo、21-4N和23-8N等少数几种。然而，我国目前的气门寿命尚不及国外先进水平的三分之一。

发明专利CN102493853A提出了采用TiAl基金属间化合物作为气门材料。这种材料在耐高温方面能够得到很大的提升，然而，其韧性尚达不到工业应用的标准，并且存在价格昂贵的问题。

发明专利CN101838807A提供了一种发动机进、排气门用激光熔覆涂层材料及其涂层。该激光熔覆涂层材料由以下质量百分比的化学成分组成:Ni:15～30%;C:0.5～2.0%;Si:2.5～4.0%;Fe:5～15%;W:3.5～6.5%;Cr:12～20%;纳米Al:0.15～0.40%;Y2O3:0.5～2.0%;余量为Co。提高了发动机进、排气门的表面硬度,具有很强的耐磨性,使得发动机进、排气门能够适于高温。

发明专利CN103627956A公开了一种发动机用高耐磨性能进气门材料及该气门的制造方法。采用的合金成分范围为：：C:0.32～0.40%；Si:0.17～0.27%；Mo:0.5～1.2%；Mn:0.50～0.80%；Nb:0.2～0.5%；Cr:0.80～1.10%；W:0.50～1.0%；Ni:≤0.013%；P:≤0.015；S:≤0.015；Cu:≤0.010%；余料为Fe。该气门经表面纳米化、低温渗氮、堆焊钨锆合金等工艺加工而成。

发明专利CN103627961A公开了一种进气门，进气门采用的合金成分重量百分比为：C:0.32～0.40%；Si:0.17～0.37%；Mo:2.5～3.5%；Mn:0.50～0.80%；Cr:0.80～1.10%；W:0.50～1.0%；余量为纯度为99.8%的Fe。该气门经表面纳米化、低温渗氮、堆焊钨锆合金等工艺加工而成。该气门可以在500℃以上的高温长期服役，但是当发动机的性能提升，要求气门在550℃以上的温度服役时，这个材料便不能胜任了。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，本发明提供本一种成本适中、耐高温性能优异、使用寿命较长的综合性能优异的进气门材料及其制备方法。

技术方案：为实现上述技术方案，本发明提供了一种进气门，所述进气门的基体材料成分为：C:0.30～0.40%；Si:0.05～0.1%；Mo:0.1～0.2%；Mn:0.50～0.80%；Cr:0.80～1.10%；W:0.50～1.0%；Ce:0.1～0.2%;Nb:0.05～0.1%；Cu:0.05～0.1%。余量为纯度大于99.8%的Fe，所述纯度为99.8%的Fe中的杂质重量百分比含量为：Ni:≤0.013%；P:≤0.015；S:≤0.015%。其特征在于，气门的锥面有非晶合金层，厚度200-500微米，气门的表面有石墨烯层，厚度50-500纳米。

相对于专利CN103627956A使用的材料，本发明降低了Ｍｏ、Ｓｉ的含量，增加了Ｃｕ、Ｎｂ元素。降低Mo含量能够降低产品的成本，增加微量Nb元素，在不显著增加成本的前提下，能够有效地提高合金的耐高温性能与高温下的强度，增加微量的Cu元素，能够大大改善合金的焊接性能。并采用高强、高硬度、高耐磨性能的非晶，大大提高了材料的性能。