汽车气缸盖阀座的制作方法

1.本公开涉及一种用于汽车发动机气缸盖中的阀的阀座。


背景技术：

2.内燃汽油或柴油发动机中的阀座是在发动机运行循环的一部分期间进气阀或排气阀关闭时所抵靠的表面。阀座是发动机的关键部件，因为如果阀座在制造期间不正确地定位、定向或形成，则会发生阀泄漏，这将不利地影响发动机压缩比，并进而影响发动机效率、性能(发动机功率和发动机扭矩)、废气排放和发动机寿命。
3.排气阀从燃烧室带走热量，并且排气阀的阀座从排气阀吸走热量并将热量传导至气缸盖中，从而有助于冷却排气阀。
4.阀座必须完成几项任务。当阀关闭时，阀座必须支撑和密封阀，阀座必须冷却阀，并且必须耐磨损且抗退缩。当气缸盖经历其正常运行循环(冷启动、预热、运行和关闭)时，由于气缸盖的膨胀和收缩，阀座受到热应力。当阀打开和关闭时，由于阀的相对运动，阀座经受摩擦应力。最后，当阀打开和关闭时，由于阀撞击阀座，阀座经受冲击应力。凸轮轮廓越突兀，冲击应力越严重，特别是当发动机以高rpm运行时。
5.廉价发动机可以具有简单地切入气缸盖或发动机缸体(取决于发动机的设计)材料中的阀座。这不是最佳的，因为用于发动机缸体或气缸盖的材料，诸如铝，不具有适于承受阀座将承受的各种应力的材料特性。
6.阀座通常通过下述方式形成：首先将大致圆柱形硬化金属合金件压配到每个最终阀位置上方气缸盖中的铸造凹部中，然后在阀座中机械加工出锥形截面表面，该锥形截面表面将与对应阀的相应锥形截面配合。一般地，两个锥形截面表面(一个具有较宽的锥角，一个具有较窄的锥角)在实际配合表面的上方和下方机械加工，以将配合表面形成为适当的宽度(称为使阀座“变窄”)，并使其能够相对于阀的(较宽)配合表面适当地定位，从而在阀关闭时提供良好的密封和热传递，并且在阀打开时通过阀提供良好的气流特性。该方法涉及增加的制造步骤和成本。
7.阀座还通过将材料喷射或包覆到机械加工在气缸盖中的阀座上而形成。喷涂和包覆工艺一般不会在气缸盖与阀座材料之间形成能够承受发动机运行期间由阀座经受的应力的结合。这对于排气阀的阀座尤其是个问题，因为排气阀的阀座比进气阀的阀座暴露于高得多的温度。
8.因此，虽然当前的阀座实现了其预期目的，但还需要一种新型改进阀座和阀座的形成方法，该阀座和方法提供铝气缸盖上的高强度合金包层，其中，高强度合金与铝气缸盖之间的结合适于承受发动机运行期间由阀座经受的各种应力。


技术实现要素：

9.根据本公开的若干方面，一种在铝制发动机部件内形成阀座的方法，包括机械加工和清洁铝制发动机部件内的阀座表面，将铜合金材料层沉积到铝制发动机部件的阀座表
面上，将铜合金/工具钢碳化物材料层沉积到铜合金材料层上，以及将铜合金/工具钢碳化物材料层的外表面机械加工为最终阀座轮廓。
10.根据另一方面，将铜合金材料层沉积到铝制发动机部件的阀座表面上还包括将铜合金材料层激光熔覆到铝制发动机部件的阀座表面上。
11.根据另一方面，激光熔覆到阀座表面上的铜合金材料层的平均厚度小于0.5毫米。
12.根据另一方面，将铜合金/工具钢碳化物材料层沉积到铜合金材料层上还包括将铜合金/工具钢碳化物材料层激光熔覆到铜合金材料层上。
13.根据另一方面，激光熔覆到阀座表面上的铜合金/工具钢碳化物材料层的平均厚度小于0.5毫米。
14.根据另一方面，铜合金材料的化学组成包括约50％-约70％的铜、0-约30％的镍以及0-约0.5％的钛。
15.根据另一方面，铜合金/工具钢碳化物材料的化学组成包括约50％-约70％的铜、0-约30％的镍、0-约30％的铝、0-约10％的铁、0-约8％的锰、0-约10％的硅胶以及0-约10％的工具钢。
16.根据另一方面，铜合金材料层和铜合金/工具钢碳化物材料层的平均组合厚度小于1毫米。
17.根据另一方面，铜合金材料层和铜合金/工具钢碳化物材料层通过送丝激光熔覆工艺进行激光熔覆。
18.根据另一方面，铜合金材料层和铜合金/工具钢碳化物材料层通过送粉激光熔覆工艺进行激光熔覆。
19.根据本公开的若干方面，一种形成于铝制发动机部件内的阀座，包括在铝制发动机部件内机械加工的阀座表面，沉积到铝制发动机部件的阀座表面上的铜合金材料层，以及沉积到铜合金材料层上的铜合金/工具钢碳化物材料层，其中，铜合金/工具钢碳化物材料层具有机械加工为最终阀座轮廓的外表面。
20.根据另一方面，铜合金材料层被激光熔覆到铝制发动机部件的阀座表面上。
21.根据另一方面，铜合金材料层的平均厚度小于0.5毫米。
22.根据另一方面，铜合金/工具钢碳化物材料层被激光熔覆到铜合金材料层上。
23.根据另一方面，铜合金/工具钢碳化物材料层的平均厚度小于0.5毫米。
24.根据另一方面，铜合金材料的化学组成包括约50％-约70％的铜、0-约30％的镍以及0-约0.5％的钛。
25.根据另一方面，铜合金/工具钢碳化物材料的化学组成包括约50％-约70％的铜、0-约30％的镍、0-约30％的铝、0-约10％的铁、0-约8％的锰、0-约10％的硅胶以及0-约10％的工具钢。
26.根据另一方面，铜合金材料层和铜合金/工具钢碳化物材料层的平均组合厚度小于1毫米。
27.根据本公开的若干方面，一种形成于铝制发动机部件内的阀座，包括在铝制发动机部件内机械加工的阀座表面，激光熔覆到铝制发动机部件的阀座表面上的铜合金材料层，铜合金材料层的平均厚度小于0.5毫米，以及激光熔覆到铜合金材料层上的铜合金/工具钢碳化物材料层，铜合金/工具钢碳化物材料层的平均厚度小于0.5毫米，其中，铜合金/
工具钢碳化物材料层具有机械加工为最终阀座轮廓的外表面。
28.根据另一方面，铜合金材料的化学组成包括约50％-约70％的铜、0-约30％的镍以及0-约0.5％的钛，并且铜合金/工具钢碳化物材料的化学组成包括约50％-约70％的铜、0-约30％的镍、0-约30％的铝、0-约10％的铁、0-约8％的锰、0-约10％的硅胶以及0-约10％的工具钢。
29.根据本文提供的描述，其它适用领域将变得显而易见。应当理解的是，描述和具体示例仅旨在说明而非限制本公开的范围。
附图说明
30.本文描述的附图仅用于说明目的，并非旨在以任何方式限制本公开的范围。
31.图1是气缸、部分发动机缸体和具有根据本公开示例性实施例的阀座的部分内燃机气缸盖的侧剖视图；
32.图2是图1的放大部分，如图1中标有“2”的圆形所示；
33.图3是根据示例性实施例的阀座的部分示意性侧剖视图；
34.图4是示出根据示例性实施例的阀座形成方法的流程图；
35.图5a是通过送丝激光熔覆工艺沉积的铜合金材料层透视图；
36.图5b是通过送粉激光熔覆工艺沉积的铜合金材料层透视图；
37.图6a是通过送丝激光熔覆工艺沉积到铜合金材料层上的铜合金/工具钢碳化物材料层透视图；并且
38.图6b是通过送粉激光熔覆工艺沉积到铜合金材料层上的铜合金/工具钢碳化物材料层透视图。
具体实施方式
39.以下描述在本质上仅为示例性的，并非旨在限制本公开、应用或用途。
40.参见图1，内燃机10包括发动机缸体12，发动机缸体12中形成有气缸14。活塞16位于气缸14内，并且在发动机10运行期间在气缸14内上下移动。进气歧管18安装在发动机缸体12上。进气歧管18密封气缸14，并且燃烧室20由活塞16、气缸14和进气歧管18限定。
41.空气和燃料进入和离开燃烧室20的唯一途径是通过阀。进气阀22打开，允许燃料和空气进入燃烧室，如箭头24所示。燃料和空气进入燃烧室20之后，进气阀22关闭，密封燃烧室20。火花塞26点燃燃烧室20内的空气燃料混合物。燃烧后，排气阀28打开，允许废气从燃烧室20排出，如箭头30所示。在发动机10运行期间，弹簧32和凸轮轴34控制进气阀22和排气阀28的开闭。
42.进气阀22和排气阀28分别具有形成在进气歧管18内的相应阀座36。进气歧管18是铝制的。当进气阀22和排气阀28关闭时，阀座36适用于支撑和密封进气阀22和排气阀28。
43.本领域技术人员应当理解的是，图1所示的内燃机是根据本公开的阀座36的示例性实施例。本公开阀座36的新颖方面可应用于将进气阀22和排气阀28结合在燃烧室20中，并且具有形成在铝制发动机部件内的阀座36的任何其它内燃机应用。
44.参见图2，图中示出用于进气阀22的阀座36的放大部分。应当理解的是，排气阀28的阀座36的放大部分与图2所示的进气阀22的放大部分相同。用于进气阀22和排气阀28的
阀座36是相同的。对于每个阀座36，进气歧管18包括在进气歧管18内机械加工的阀座表面38。阀座36包括沉积在铝制进气歧管18的阀座表面38上的铜合金材料40的层，以及沉积在铜合金材料40的层上的铜合金/工具钢碳化物材料42的层。铜合金/工具钢碳化物材料42的层的外表面44被机械加工为最终阀座轮廓，以便为相应的进气阀22或排气阀28提供适当的支撑和密封特性。
45.在一个示例性实施例中，铜合金材料40的层被激光熔覆到阀座表面38上。参见图3，图中示出阀座36的示意图。在一个示例性实施例中，铜合金材料40的层的平均厚度46小于0.5毫米。
46.在一个示例性实施例中，铜合金/工具钢碳化物材料42的层被激光熔覆到铜合金材料40的层上。再次参见图3，铜合金/工具钢碳化物材料42的层的平均厚度48小于0.5毫米。
47.激光熔覆是使用高功率激光束将铜合金材料40的层熔合到阀座表面38上，并将铜合金/工具钢碳化物材料42的层熔合到铜合金材料40的层上的工艺。这形成了无孔无裂纹的涂层，该涂层以有限稀释完美地结合。这使得两种材料都能够保持其原始特性。结果，表面性能得到改善，从而显著延长阀座36的使用寿命。
48.在一个示例性实施例中，铜合金材料40的层的化学组成包括约50％-约70％的铜、0-约30％的镍以及0-约0.5％的钛。应当理解的是，术语“约”表示 /-5％。
49.铜合金/工具钢碳化物材料42的层的化学组成包括约50％-约70％的铜、0-约30％的镍、0-约30％的铝、0-约10％的铁、0-约8％的锰、0-约10％的硅胶以及0-约10％的工具钢。
50.铜合金材料40的层提供铜合金/工具钢碳化物材料42的层与铝制进气歧管18的阀座表面38之间的中间层。铜合金材料40的层形成与铝制进气阀18的牢固结合，并且铜合金/工具钢碳化物材料42的层形成与铜合金材料40的层的牢固结合。这些结合足够牢固，能够承受阀座36在阀22、28打开和关闭期间所经受的应力。铜合金/工具钢碳化物材料42的层提供导热性和耐磨性。铜合金材料40的中间层提供铜合金/工具钢碳化物材料42的层与铝制进气歧管18之间的强熔融结合，而没有当铜合金/工具钢碳化物材料42的层直接形成在铝制进气歧管18上时会形成的脆性铝/铁金属间化合物相。
51.再次参见图3，铜合金材料40的层和铜合金/工具钢碳化物材料42的层的平均组合厚度50小于1毫米。
52.参见图4，图中示出在铝制发动机部件(诸如图1所示的内燃机10的进气歧管18)内形成阀座36的方法100。
53.该方法从框102开始，包括机械加工和清洁铝制发动机部件内的阀座表面38。移至框104，该方法包括将铜合金材料40的层沉积到铝制发动机部件的阀座表面38上。在一个示例性实施例中，该方法包括将铜合金材料40的层激光熔覆到铝制发动机部件的阀座表面38上。在另一示例性实施例中，该方法包括将平均厚度46小于0.5毫米的铜合金材料40的层激光熔覆到铝制发动机部件的阀座表面38上。铜合金材料40的层的化学组成包括约50％-约70％的铜、0-约30％的镍以及0-约0.5％的钛。
54.移至框106，该方法包括将铜合金/工具钢碳化物材料42的层沉积到铜合金材料40的层上。在一个示例性实施例中，该方法包括将铜合金/工具钢碳化物材料42的层激光熔覆
到铜合金材料40的层上。在另一示例性实施例中，该方法包括将平均厚度48小于0.5毫米的铜合金/工具钢碳化物材料42的层激光熔覆到铜合金材料40的层上。铜合金/工具钢碳化物材料42的层的化学组成包括约50％-约70％的铜、0-约30％的镍、0-约30％的铝、0-约10％的铁、0-约8％的锰、0-约10％的硅胶以及0-约10％的工具钢。
55.移至框108，该方法包括将铜合金/工具钢碳化物材料42的层的外表面44机械加工为最终阀座轮廓，其中，铜合金材料40的层和铜合金/工具钢碳化物材料42的层的平均组合厚度50小于1毫米。
56.参见图5a，在一个示例性实施例中，通过送丝激光熔覆工艺将铜合金材料40的层激光熔覆到阀座表面38上。采用外部送丝激光熔覆需要精确地定位激光束52和铜合金材料54的丝。参考点是铜合金材料54的丝的中心轴线与阀座表面38相交的位置。送丝角度56也会显著影响焊接结果，因此，在高焊接速率和高送丝速率下，需要确保极高的精度，进而对送丝系统提出了特殊要求。参见图5b，在另一示例性实施例中，通过送粉激光熔覆工艺将铜合金材料40的层激光熔覆到阀座表面38上，其中，在激光束52与阀座表面38相交的位置处，铜合金粉58被喷射到阀座表面38上。
57.参见图6a，在一个示例性实施例中，通过送丝激光熔覆工艺将铜合金/工具钢碳化物材料42的层激光熔覆到铜合金材料40的层上。参见图6b，在另一示例性实施例中，通过送粉激光熔覆工艺将铜合金/工具钢碳化物材料42的层激光熔覆到铜合金材料40的层上。
58.本公开由激光熔覆在铝制发动机部件上的铜合金/工具钢碳化物材料42的层形成阀座36的方法提供了以下优势：利用铜合金材料40的中间层，在铜合金/工具钢碳化物材料42与铝制发动机部件之间形成强熔合结合，从而避免了当铜合金/工具钢碳化物材料42的层直接激光熔覆在铝制发动机部件上时可能导致脆性铝/铁金属间化合物相的形成。
59.本公开的描述在本质上仅为示例性的，并且不脱离本公开主旨的变型旨在落入本公开的范围内。这些变型不应视为偏离本公开的主旨和范围。

技术特征：
1.一种在铝制发动机部件内形成阀座的方法，包括：机械加工和清洁所述铝制发动机部件内的阀座表面；将铜合金材料层沉积到所述铝制发动机部件的阀座表面上；将铜合金/工具钢碳化物材料层沉积到所述铜合金材料层上；以及将所述铜合金/工具钢碳化物材料层的外表面机械加工为最终阀座轮廓。2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述铜合金材料层沉积到所述铝制发动机部件的阀座表面上还包括：将铜合金材料层激光熔覆到所述铝制发动机部件的阀座表面上。3.根据权利要求2所述的方法，其中，激光熔覆到所述阀座表面上的所述铜合金材料层的厚度小于2毫米。4.根据权利要求2所述的方法，其中，将所述铜合金/工具钢碳化物材料层沉积到所述铜合金材料层上还包括：将铜合金/工具钢碳化物材料层激光熔覆到所述铜合金材料层上。5.根据权利要求4所述的方法，其中，激光熔覆到所述阀座表面上的所述铜合金/工具钢碳化物材料层的平均厚度小于2.0毫米。6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述铜合金材料层的化学组成包括：约50％-约70％的铜；0-约30％的镍；以及0-约0.5％的钛。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述铜合金/工具钢碳化物材料层的化学组成包括：约50％-约70％的铜；0-约30％的镍；0-约30％的铝；0-约10％的铁；0-约8％的锰；0-约10％的硅胶；以及0-约10％的工具钢。8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述铜合金材料层和所述铜合金/工具钢碳化物材料层的平均组合厚度小于2毫米。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述铜合金材料层和所述铜合金/工具钢碳化物材料层通过送丝激光熔覆工艺进行激光熔覆。10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述铜合金材料层和所述铜合金/工具钢碳化物材料层通过送粉激光熔覆工艺进行激光熔覆。

技术总结
一种形成于铝制发动机部件内的阀座，包括在铝制发动机部件内机械加工的阀座表面，激光熔覆到铝制发动机部件的阀座表面上的铜合金材料层，铜合金材料层的厚度小于2.0毫米，以及激光熔覆到铜合金材料层上的铜合金/工具钢碳化物材料层，铜合金/工具钢碳化物材料层的平均厚度小于0.5毫米，其中，铜合金/工具钢碳化物材料层具有机械加工为最终阀座轮廓的外表面。面。面。


技术研发人员：D
受保护的技术使用者：通用汽车环球科技运作有限责任公司
技术研发日：2021.03.30
技术公布日：2022/5/25