具有高导热性和多材料横截面的汽缸盖阀座的制作方法

1.本发明涉及用于汽车发动机汽缸盖的阀座。


背景技术：

2.汽车发动机通常包括一个或多个由铝铸造的汽缸盖。与阀(例如位于汽缸盖中进气阀和排气阀)抵靠密封的阀座通过粉末冶金(pm)工艺由铁基金属单独制成，所述铁基金属与铝相比具有更高的耐磨性。通常，在铸造汽缸盖之后，将阀座压合到铝制汽缸盖中的机加工凹穴中。容纳阀座的孔必须精确定位，以使阀座和随后的阀居中放置。
3.阀座和汽缸盖之间的材料差异可能会导致阀座的热变形和磨损，这是因为阀座中的热量由于阀座和铝制盖之间可能存在间隙而无法迅速散发到铝制盖上。这可能会导致阀座泄漏。因为阀座的材料横截面通常较均匀，所以阀座的导热性在整个横截面不会发生变化，因此不会产生不同的传热速率，不同的传热速率将有望把热变形和磨损减到最小。
4.因此，在当前的汽车汽缸盖阀座达到其预期目的的同时，还需要一种新颖且改进的汽缸盖阀座和制造该汽缸盖阀座的方法。


技术实现要素：

5.根据多个方面，一种汽车的汽缸盖阀座，包括一体地接合到接合端的阀座表面。接合端包括延伸穿过接合端的横截面的多种材料。
6.在本公开的另一方面，多种材料包括具有不同导热性的材料。
7.在本公开的另一方面，多种材料包括具有高导热性的第一材料，例如但不限于铜。
8.在本公开的另一方面，第一材料的含铜量较低，限定了含铜量小于约50％。
9.在本公开的另一方面，多种材料包括具有高含铜量的第二材料，限定了含铜量大于或等于90％，并且第一材料过渡成第二材料。
10.在本公开的另一方面，具有高耐磨性的第一材料过渡为高导热性材料。
11.在本公开的另一方面，阀座限定了由金属粉末制成的打印件。
12.在本公开的另一方面，金属粉末包括工具钢、不锈钢、铜镍合金、铬合金、钴合金、钨合金和镍合金中的至少一种。
13.在本公开的另一方面，阀座包括从接合端延伸的多个凸形接合特征件。
14.在本公开的另一方面，多个凸形接合特征件包括从接合端的第一接触表面延伸的多个第一凸形构件，和从接合端的第二接触表面延伸的多个第二凸形构件。
15.在若干方面，一种汽车的汽缸盖阀座，包括：阀座，其具有一体地接合到接合端的阀座表面。接合端包括延伸穿过接合端的横截面的多种材料。多种材料包括具有第一导热性的第一材料，和具有高于第一导热性的第二导热性的第二材料，其中第一材料过渡成第二材料。
16.在本公开的另一方面，第二材料的含铜量大于或等于90％。
17.在本公开的另一方面，第一材料的含铜量低于第二材料的含铜量且小于50％。
18.在本公开的另一方面，阀座包括从接合端延伸的多个凸形接合特征件。
19.在本公开的另一方面，多个凸形接合特征件包括从接合端的第一接触表面延伸的多个第一凸形构件。
20.在本公开的另一方面，阀座限定了由金属粉末制成的打印件，使得第一材料过渡为第二材料。
21.在本公开的另一方面，将第一材料焊接到第二材料上，限定第一材料和第二材料之间的连接部，并且在焊接之后使阀座退火。
22.根据若干方面，一种用于制造汽车的汽缸盖的阀座的方法，包括：将阀座表面一体地接合到接合端以限定阀座；使用至少部分地延伸穿过接合端横截面的至少两种材料形成所述接合端；所述至少两种材料中提供具有第一导热性的第一材料；加入所述至少两种材料中的第二材料，所述第二材料具有比第一材料的导热性高的第二导热性；以及将第一材料向第二材料过渡。
23.在本公开的另一方面，该方法还包括：从至少两种材料中选择含铜量大于或等于90％的第二材料；以及提供至少两种材料中的第一材料，所述第一材料的含铜量低于所述至少两种材料中的第二材料的含铜量且小于50％。
24.在本公开的另一方面，该方法还包括：创建从阀座的接合端延伸的多个凸形接合特征件；以及由至少两种材料中的第二材料形成所述多个凸形接合特征件。
25.根据本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。应当理解，该描述和特定示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
26.本文描述的附图仅用于说明目的，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。
27.图1是根据示例性方面的阀座的侧视图；
28.图2是根据另一方面的由图1修改的侧视图；
29.图3是根据另一方面的阀座的侧视图；
30.图4是根据另一方面的由图3修改的侧视图；以及
31.图5是用于制备本公开的具有多层单一材料或多层多材料阀座的挤出工艺的示意图。
具体实施方式
32.以下描述本质上仅是示例性的，并且不旨在用于限制本公开、应用或用途。
33.参照图1，一种汽缸盖阀座和用于制造汽缸盖阀座10的方法可包括：阀座12，所述阀座12具有一体地接合至接合端16的阀座表面14。根据若干方面，用于阀座12的材料包括但不限于：工具钢、不锈钢、铜-镍合金、高铬或钴合金、钨合金、镍合金等。根据若干方面，接合端16还包括延伸穿过接合端16的横截面的多种导热性不同的材料。多种材料在整个横截面上提供导热性的梯度差，因此多种材料均选自具有高导热性的材料，例如但不限于铜或银。根据若干方面，多种材料可以包括具有低含铜量的第一材料18，例如限定含铜量小于约50％。第一材料18过渡到具有例如高含铜量的第二材料20，所述第二材料20限定了含铜量例如大于或等于90％。
34.第二材料20位于接合端16的汽缸盖接触端22附近。与第一材料18相比，由更高含量的高导热性的第二材料20提供的更高的导热性使得从接合端16的第一材料18到第二材料20导热性梯度地增加。由靠近汽缸盖接触端22的第二材料20提供的较高的导热性改善了直接传递到汽缸盖23中的热传递，当汽缸座12连接到汽缸盖23上时，为清楚起见仅部分示出的汽缸盖23与接合端16的第二材料20直接接触。
35.参照图2并且再次参照图1，汽缸盖阀座和用于制造汽缸盖阀座10的方法可以进一步包括由阀座12改型的阀座24。阀座24包括一体地接合到接合端28的阀座表面26。接合端28包括与接合端16相似的具有不同导热性的多种材料，多种材料包括导热性低于第二材料32的第一材料30。接合端28由接合端16改型，以进一步包括正(positive)接合特征件，以使接合端28与汽缸盖33之间正接合，并进一步提高接合端28和汽缸盖33之间的导热性。
36.多个接合特征件包括从接合端28的第一接触表面36延伸的多个第一凸形构件34，和从接合端28的第二接触表面48延伸的多个第二凸形构件38。根据若干方面，第一凸形构件34和第二凸形构件38限定为燕尾形构件或可具有其他几何形状。限定第一凸形构件34和第二凸形构件38的接合特征件限定了与第二材料32的材料相同的延伸部分，以通过接合特征件直接向汽缸盖33进行最大化的热传递。
37.参照图3并且再次参照图1和图2，汽缸盖阀座和用于制造汽缸盖阀座10的方法可以进一步包括由阀座12改型的阀座42。阀座42包括一体地接合到接合端46的阀座表面44。接合端46包括与接合端16相似的具有不同导热性的多种材料，多种材料包括导热性低于第二材料50的第一材料48。接合端46由接合端16改型，以进一步包括接触表面51，该接触表面51与阀(未显示)接触，阀产生的摩擦热负荷由第一材料48传递给第二材料50。
38.参照图4并且再次参照图1至图3，汽缸盖阀座和用于制造汽缸盖阀座10的方法可以进一步包括由阀座42改型的阀座52。接合端56可以被改型为进一步包括接触表面51。阀座52包括一体地接合到接合端56的阀座表面54。接合端56包括与接合端16相似的具有不同导热性的多种材料，多种材料包括导热性低于第二材料60的第一材料58。接合端56由接合端46改型，以进一步包括正接合特征件，以使接合端56与汽缸盖62正接合(为清楚起见仅部分示出)，并进一步提高接合端56和汽缸盖62之间的导热性。
39.根据若干方面，接合特征件包括从接合端56的第一接触表面66延伸的多个第一凸形构件64，和从接合端56的第二接触表面70延伸的多个第二凸形构件68。根据若干方面，第一凸形构件64和第二凸形构件68限定为蘑菇形构件或可具有其他几何形状。限定第一凸形构件64和第二凸形构件68的接合特征件限定了与第二材料60的材料相同的延伸部分，以通过接合特征件直接向汽缸盖62进行最大化的热传递。
40.本公开的过程可以包括以下步骤或阶段。最初，使用cae工具设计和优化各种阀座的几何尺寸和形状。使用集成计算材料工程(icme)工具计算和优化材料成分变化。将定义本文所述的第一材料和第二材料的阀座的几何形状和多材料成分输入到增材制造(am)机、冷喷涂机、直接能量沉积(ded)装置或配备有人工智能(ai)的连接设备中。
41.使用am机器时，可以使用不同类型的金属合金粉末同时打印阀座或以不同的步骤打印阀座。在每个打印步骤中，都使用相同类型的金属粉末。
42.当使用冷喷涂或ded工艺来制备本公开的阀座时，阀座以受控的方式沉积有不同的材料。
43.在第一材料和第二材料之间也可以使用接合工艺。对于该工艺来说，分别制造限定第一材料的高耐磨性部分和限定第二材料的高导热性阀座背侧件，然后使用诸如摩擦焊接或其他接合法的方法将它们接合在一起。在打印之后，本公开的阀座可以根据需要进行任何热处理。
44.参照图5，类似于ded，可以使用挤压工艺74将多种金属挤压到同一零件中或同一基板上。基板76可以是与原料材料78相同的材料，也可以是不同的材料，只要存在能量即可使用加热系统80进行焊接。可以使用加热喷嘴82将加热的原料78分配到基板76上，该基板76可以在水平方向84或垂直方向86上额外堆积。
45.其他加热元件，例如激光器，也可以用于促进焊接。使用激光工艺可以实现以下目的：将铜打印到阀座的镍部分上，使镍部分成为基板(反之亦然)；或者阀座可以使用来自相同或不同打印喷嘴的两种材料进行印刷。随后，将阀座从基板/底板上拆下。
46.本公开的阀座还可进行退火以促进阀座的不同材料的扩散。在这方面，在少量(作为薄层)镍或镍黄铜沉积后，对整个阀座进行退火。这会在阀座的“高磨损”部分上产生高镍黄铜，然后随着磨损逐渐变成纯铜。本阀座方面也可以在不进行退火处理的情况下起作用，其中耐磨钢或其他材料中被施加了铜，或者如果钢合金的熔化温度接近铜基板的熔化温度，则可以采用相反的方法。冷喷涂的材料也可以在基板上堆积成任意厚度。
47.选择性激光熔化(slm)可以在制造本公开的阀座中用作金属的增材制造方法。也可以使用多种替代材料添加方法，包括允许完整三维材料控制和选择的多仓系统。可以使用退火来使不同的材料扩散。
48.本公开的汽缸盖阀座和用于制造汽缸盖阀座10的方法可包括多种材料。最接近汽缸盖母体材料的材料包括高导热性材料，例如铜或银。阀座可以使用具有各种材料成分的金属粉末来打印。阀座也可以一步或多步打印以产生多种材料结构。在阀座表面附近的区域中使用的粉末材料可以是工具钢、不锈钢、cu-ni合金、各种类型的高铬或钴合金、钨合金、镍合金等。金属冷喷涂或“直接能量沉积”(ded)加上退火可用于生产多材料阀座。阀座也可以接合在铜零件和镍零件之间。
49.本文所述的接合特征件可设置在阀座的背侧或面向汽缸盖的一侧，包括但不限于小金字塔形、蘑菇形或矩形延伸部分，它们被提供来帮助将热量从阀座传递到汽缸盖上。再次参考图3，阀座42的背侧还可包括一个或两个圆周螺纹72。在装配过程中，将匹配螺纹(未示出)加工到汽缸盖(例如，图4中所示的汽缸盖62)中，以允许在装配期间通过螺纹操作将阀座42旋入或拧入汽缸盖62。
50.本公开的汽缸盖阀座可以设置在汽缸盖阀座的两个部分中：1)高电导率部分；和2)耐磨部分。
51.阀座也可以使用以下方式中的任意一种来制造：ded(包括冷喷涂)；材料挤压；粉末床融合；或材料喷射(在打印金属时也称为粘合剂喷射)。
52.汽缸盖阀座也可以通过以下方式制造：通过常规制造方法(包括粉末冶金工艺)制造一个常规制造部分，而另一部分则打印成型，这两个部分可以例如通过接合或焊接而组装在一起。这可以通过以下方式之一来完成：ded，包括冷喷涂；材料挤压；粉末床融合；或材料喷射(在打印金属时也称为粘合剂喷射)。
53.阀座的部分中的其中一个部分也可以通过部分常规制造方法(包括粉末冶金工
艺)制造，而另一部分(高磨损部分或高电导率部分)则直接打印在另一零件上。这可以通过以下方式之一来完成：ded；将金属粉末或固体物料进料送至基板，底板或正在组装的零件的现有零件具有复杂的几何形状；进料通过电子束、激光或等离子弧来加热以焊接到基板上；一次进给一种材料，因此不同的材料将被打印在不同的区域中，而不是混合在一起；或者如果需要或希望进行混合，则进行退火，以通过扩散在这些材料之间产生少量混合。
54.阀座也可以通过粉末床融合制造，其可以包括：利用激光或电子束将一层粉末分配并融合在一起；或者可以将不同的粉末以网格图案逐层使用或分配，以使材料可以在三个维度上变化。
55.阀座也可以通过粘合剂喷射制造，其可以包括：与粉末床融合相似的过程；将金属粉末与环氧树脂或类似的工作粘合剂粘合在一起；在炉中将由粘结粉末制成的零件烧结至坚固且各向同性的金属零件；材料成分在整个零件上只有很小的变化。
56.本公开的阀座还可以通过以下方式采用材料挤压来制造：粘结金属粉末通过加热挤出机进料，该加热挤出机使粘合剂熔化以将材料成形为正确的几何形状(当它固化时)，但是一次只能将一种物料通过一台挤出机进料。
57.本公开的汽缸盖阀座和用于制造汽缸盖阀座10的方法具有多个优点。这些优点包括：阀座由贯穿阀座的横截面的多种材料制成，以最大程度地提高导热性和耐用性。靠近阀座的背侧的材料包括高导热性的元件(包括铜或银)，和高强度的材料，该高强度的材料包括靠近阀座的阀接触表面的钢或镍基合金。阀座可以由一种或多种工艺制造，包括am、冷喷涂、ded或接合。阀座背侧表面可以是很光滑的，适合压入式应用，并且可以包括用于机械组装的一个或两个周向螺纹。阀座背侧表面可包括燕尾形/蘑菇形或矩形延伸设计。
58.本公开的描本质上仅是示例性的，并且不背离本公开的要旨的变型旨在落入本公开的范围内。这样的变型不应被视为背离本公开的精神和范围。