強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)用排氣閥中環(huán)形閥座區(qū)的方法以及排氣閥的制作方法
【專利說(shuō)明】強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)用排氣閥中環(huán)形閥座區(qū)的方法以及排氣閥
[0001] 本發(fā)明涉及一種內(nèi)燃機(jī)用排氣閥，所述排氣閥包括具有第一側(cè)和第二側(cè)的閥盤(pán)、 從閥盤(pán)的第一側(cè)延伸的閥桿、以及位于閥盤(pán)的第一側(cè)的環(huán)形閥座區(qū)，環(huán)形閥座區(qū)是鎳基合 金的或鉻基合金的并且具有閥座表面。
[0002] 在US 6, 295, 731中公開(kāi)了這種排氣閥，其中閥坯件具有比成品閥的盤(pán)直徑小的 閥盤(pán)和在閥座上方的過(guò)量材料。將過(guò)量材料成形為在覆蓋閥座的整個(gè)面積的閥盤(pán)上的等腰 三角形截面的突起物（lobe)。將閥坯件加熱至530至600°C的溫度并且在具有成品閥盤(pán)形 狀的模中鍛造。在鍛造期間，將等腰三角形截面的突起物塑性變形并且增加閥盤(pán)的外徑。因 此過(guò)量材料的鍛造引起在閥盤(pán)外部區(qū)域的所有材料的塑性流動(dòng)。
[0003] EP 0 521 821 Bl公開(kāi)了一種排氣閥，其包括具有設(shè)置有延伸閥桿的第一側(cè)的閥 盤(pán)以及具有閥座表面的環(huán)形閥座區(qū)。環(huán)形閥座區(qū)是鎳基合金的或鉻基合金的。鍛造可以用 于將閥座區(qū)成形為球形。推薦進(jìn)行熱變形，以便在材料內(nèi)分配碳化物形成物，以便獲得改善 的耐腐蝕性。
[0004] 由 Institute of Marine Engineers，London (海洋工程師研宄所，倫敦）在 1990 年公開(kāi)的書(shū)籍"用于重質(zhì)燃料運(yùn)行的柴油機(jī)燃燒室材料"收集了從整個(gè)行業(yè)獲得的經(jīng)驗(yàn)并 且提供了概括性的結(jié)論：排氣閥的閥座區(qū)必須具有高硬度。
[0005] WO 97/47862公開(kāi)了一種排氣閥盤(pán)，該排氣閥盤(pán)具有奧氏體不銹鋼的基體和通過(guò) 焊接或通過(guò)HIP過(guò)程提供的鎳基材料的閥座區(qū)。通過(guò)材料的冷加工，如通過(guò)輥軋或鍛造閥 座區(qū)，可以增加閥座區(qū)的屈服強(qiáng)度。
[0006] 本發(fā)明的一個(gè)目的是改進(jìn)閥座區(qū)的制造。
[0007] 鑒于此，最初提到的根據(jù)本發(fā)明的排氣閥的特征在于環(huán)形閥座區(qū)至少具有位于兩 個(gè)第二環(huán)形部之間的第一環(huán)形部，第一環(huán)形部具有比所述兩個(gè)第二環(huán)形部低的硬度。
[0008] 較低硬度的第一環(huán)形部具有比所述兩個(gè)第二環(huán)形部更高的延展性，并且在閥座區(qū) 中的兩個(gè)第二環(huán)形部之間的第一環(huán)形部的位置允許在第一環(huán)形部中比在第二環(huán)形部中出 現(xiàn)更多的彈性閥座變形。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)行或停止運(yùn)行或明顯改變發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷時(shí)，較硬且 較低延展性的第二環(huán)形部可以因此較少地受由溫度變化導(dǎo)致的負(fù)荷的影響。尤其是對(duì)于船 舶中的主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，在從一個(gè)目的地到另一個(gè)目的地跨越海洋航行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)通常 以幾乎恒定的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷 通常全發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷 典型地運(yùn)行若干天或許多天，并且之 后在船舶接近和進(jìn)入港口時(shí)以低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷運(yùn)行。這種負(fù)荷的變化和所引起的運(yùn)行溫度的 變化影響閥盤(pán)和閥座區(qū)。閥座區(qū)是閥盤(pán)的第一側(cè)的一部分并且因此背對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中的燃 燒室。閥座區(qū)具有錐形外表面，并且歸因于所引起的在閥座區(qū)處的閥盤(pán)的厚度的變化，由閥 盤(pán)的熱變化引起的負(fù)荷是明顯的。因?yàn)閷⒏哂捕群辖鸩牧隙ㄎ辉趦蓚€(gè)第二環(huán)形部中，閥座 區(qū)中的第一環(huán)形部使閥座區(qū)中的高硬度合金材料減少。
[0009] 在現(xiàn)有技術(shù)排氣閥中，對(duì)整個(gè)閥座區(qū)進(jìn)行塑性變形，以便提高閥座合金的硬度或 屈服強(qiáng)度。較低硬度的第一環(huán)形部需要避免塑性變形，或者不以與在第二環(huán)形部中相同的 程度進(jìn)行。因?yàn)樾枰^少的塑性變形，所以促進(jìn)了閥座區(qū)的制造并且所進(jìn)行的塑性變形可 以更精確，因?yàn)榇冃蔚牟牧系捏w積較小。
[0010] 在一個(gè)實(shí)施方案中，在第一環(huán)形部的中間的閥座表面的平均硬度比第二環(huán)形部中 的至少一個(gè)的表面的中間的平均硬度低至少80HV。盡管也以較低的平均硬度差得到益處， 如至少50HV的差，至少80HV的差提供了第一環(huán)形部中適合的延展性。
[0011] 在一個(gè)實(shí)施方案中，兩個(gè)第二環(huán)形部的材料具有冷變形和低于重結(jié)晶溫度的時(shí)效 硬化（age hardening)的晶體學(xué)晶粒組織。時(shí)效硬化不是強(qiáng)制的，但是其所表達(dá)的有利方 式在于當(dāng)閥座區(qū)的合金能夠時(shí)效硬化時(shí)提高了兩個(gè)第二環(huán)形部的硬度。
[0012] 在另一個(gè)實(shí)施方案中，第一環(huán)形部的材料具有不冷變形的晶體學(xué)晶粒組織。在這 個(gè)實(shí)施方案中，對(duì)于閥座區(qū)的給定的合金和幾何形狀來(lái)說(shuō)，第一環(huán)形部的材料的延展性大 約盡可能地高。
[0013] 可以使整個(gè)閥盤(pán)的合金與閥座區(qū)中的合金相同。對(duì)于具有大尺寸的排氣閥來(lái)說(shuō)， 如0.1 Om以上的閥盤(pán)外徑，優(yōu)點(diǎn)可以是使用一種合金的基體并且為該基體提供另一種合金 的閥座區(qū)。在一個(gè)實(shí)施方案中，攜帶環(huán)形閥座區(qū)的閥盤(pán)包括不銹鋼的基體。不銹鋼提供適 合的高強(qiáng)度并且不銹鋼合金是容易獲得的。
[0014] 在一個(gè)實(shí)施方案中，閥盤(pán)在其第二側(cè)包括耐熱腐蝕材料層。閥盤(pán)的第二側(cè)向燃燒 室并且因此在運(yùn)行中經(jīng)歷高溫并且還經(jīng)歷粘附至盤(pán)表面的腐蝕性燃燒殘留物。耐熱腐蝕材 料層可以提尚排氣閥的壽命。
[0015] 在另一個(gè)方面中，本發(fā)明涉及一種強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)用排氣閥中環(huán)形閥座區(qū)的方法，所 述排氣閥包括具有第一側(cè)和第二側(cè)的閥盤(pán)、從閥盤(pán)的第一側(cè)延伸的閥桿、以及位于所述閥 盤(pán)的第一側(cè)的環(huán)形閥座區(qū)。
[0016] 為改進(jìn)閥座區(qū)的制造，根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行至少以下步驟：
[0017] a)提供具有生還坐區(qū)（raw seat area)的閥盤(pán)，所述生還坐區(qū)具有至少兩個(gè)被中 間環(huán)形區(qū)分開(kāi)的環(huán)形突起，
[0018] b)將兩個(gè)環(huán)形突起塑性變形，
[0019] c)將生坯坐區(qū)機(jī)械加工為環(huán)形閥座區(qū)的尺寸，
[0020] d)對(duì)具有環(huán)形閥座區(qū)的閥盤(pán)進(jìn)行至少包括時(shí)效熱處理的熱處理。
[0021] 借助中間環(huán)形區(qū)對(duì)兩個(gè)環(huán)形突起的分離使得可用于環(huán)形突起的面積減小，并且因 此它們具有比上述現(xiàn)有技術(shù)突起物小得多的體積，并且因此步驟b)中的變形需要較小的 力。步驟b)中突起的變形和步驟c)中的機(jī)械加工形成閥座區(qū)中的兩個(gè)第二環(huán)形部，并且 第一環(huán)形部位于中間環(huán)形區(qū)中或者由中間環(huán)形區(qū)形成。
[0022] 兩個(gè)環(huán)形突起的較小的尺寸還降低了對(duì)生坯坐區(qū)中過(guò)量材料的需求，并且可以將 具有生坯坐區(qū)的閥盤(pán)定形為與閥盤(pán)的最終尺寸更接近，并且因此免去了將材料合金化并且 還降低對(duì)步驟c)中機(jī)械加工的需求。
[0023] 可以通過(guò)鍛造進(jìn)行塑性變形，但是優(yōu)選地，步驟b)中的塑性變形包括用圓柱形輥 來(lái)輥軋。圓柱形輥每次僅與環(huán)形突起的一小部分接觸，在利用其在與環(huán)形突起的環(huán)形路徑 接近垂直的方向上延伸的旋轉(zhuǎn)軸輥軋期間將輥排列。不同的優(yōu)點(diǎn)是，同時(shí)通過(guò)輥來(lái)輥軋環(huán) 形突起的全部寬度，并且輥延伸至環(huán)形突起的兩側(cè)，因?yàn)椴荒苤粚⑺苄宰冃蔚牟牧显谝贿?按壓為隆起物（ridge)而是按壓至輥下方的閥座區(qū)的材料中?？梢詫⑸髯鴧^(qū)輥軋為成品 閥座區(qū)的形狀，并且之后進(jìn)行步驟c)中作為研磨的機(jī)械加工。
[0024] 因?yàn)榄h(huán)形突起由中間環(huán)形區(qū)分開(kāi)，一個(gè)環(huán)形突起位于比另一個(gè)環(huán)形突起距桿更遠(yuǎn) 的距離。當(dāng)然可以針對(duì)環(huán)形突起僅使用單個(gè)輥并且在共同的輥軋操作中輥軋兩個(gè)突起，或 者首先輥軋一個(gè)突起然后輥軋另一個(gè)突起。還可以針對(duì)每個(gè)環(huán)形突起使用單獨(dú)的圓柱形 輥，這允許位于較遠(yuǎn)的距離的輥以比另一個(gè)輥稍高的速度旋轉(zhuǎn)。
[0025] 當(dāng)使用兩個(gè)輥時(shí)，單獨(dú)的圓柱形輥優(yōu)選由一個(gè)共同的輥軋工具攜帶，但是使單獨(dú) 的圓柱形輥在輥軋期間以彼此不同的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)。
[0026] 步驟a)中提供的單個(gè)環(huán)形突起可以具有不同的形狀，如具有曲面中心（curved central portion)部的形狀。曲面的頂部可以位于第二環(huán)形部應(yīng)該具有最高硬度的徑向位 置。
[0027] 以下將參照示意性的附圖更詳細(xì)地描述實(shí)施方案的實(shí)例，其中
[0028] 圖1說(shuō)明了通過(guò)內(nèi)燃機(jī)的氣缸的垂直截面，
[0029] 圖2描繪了根據(jù)本發(fā)明的排氣閥，
[0030] 圖3是閥座生坯區(qū)的橫截面圖，
[0031] 圖4說(shuō)明了用于閥座區(qū)的現(xiàn)有技術(shù)輥軋方法，
[0032] 圖5是應(yīng)用圖4的現(xiàn)有技術(shù)輥軋方法之后通過(guò)閥座生坯區(qū)的橫截面圖，
[0033] 圖6說(shuō)明了利用圖4的現(xiàn)有技術(shù)輥軋方法制造的成品閥座區(qū)中的硬度分布，
[0034] 圖7說(shuō)明了通過(guò)排氣閥盤(pán)的外部區(qū)域和固定閥外殼部的截面，
[0035] 圖8說(shuō)明了通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的具有由中間環(huán)形區(qū)分開(kāi)的兩個(gè)環(huán)形突起的生坯坐 區(qū)的第一實(shí)施方案的截面，
[0036] 圖9是用于根據(jù)本發(fā)明的方法的輥軋工具和閥盤(pán)的圖示，
[0037] 圖10說(shuō)明了通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的閥座區(qū)的垂直橫截面，
[0038] 圖11說(shuō)明了用本發(fā)明的方法處理的輥軋的閥座區(qū)中的硬度分布，