本发明涉及一种阀，特别是一种用于内燃机的排气阀，它包括一个可移动的阀件，该阀件有一个镍基金属合金的阀座断面。 多年来，在内燃机的排气阀中，所选择的阀座断面的金属成份对内燃机工作可靠性和排气阀的寿命，以及必要的维修工作方面起到了很大的作用。
在内燃机中，工作缸中的燃烧产生由硬颗粒组成的焦化残渣，这些残渣通过排气阀被排出去。但有时这些残渣会被卡在闭合的阀座之间，从而可能在阀座表面上产生凹痕。所述的凹痕最初以众所周知的方式可引起局部泄漏，而后就可引起大面积烧坏，阀座表面受到腐蚀损坏。
所希望的阀座材料最好具有足够的硬度以减少或阻碍凹痕地形成。在最近几年，在大多数使用重柴油的柴油机中做过许多尝试，用镍基硬衬面金属合金50来制造该阀座面。该金属合金中最重要的合金元素包含大约12%和铬（Cr）、3.9%的硅（Si）、2.9%的铁、2.25%的硼（B）和0.5%的碳（C）。除所要求的硬度之外，合金50在很强的腐蚀环境下具有高温耐腐蚀性，使用重柴油的柴油机中的排气阀可在这种强腐蚀环境中使用，例如在600～900毫米大气缸的发动机中，除了具有良好的耐腐蚀性能外、对所采用材料的机械强度还有严格的要求。使用结果表明在一定情况下，径向破裂发生在硬面材料合金50上，从而引起阀座的全部烧坏，或使用边损坏的危险加大。为了消除这种危险，可延展的硬面材料钨铬钴合金6可用于这种类型的发动机，如钴基合金，在实际环境中，这种钴基合金的高温耐腐蚀性小于合金50的高温耐腐蚀性，从而缩短了每次检查阀状况的使用间隔时间。
众所周知，在温度升高时，硬面材料的硬度下降。这样，钨铬钴合金6在室温下硬度约为370HB，在温度为500℃时硬度约为298HB，合金50在相应的温度时，硬度分别约为530HB至420HB。
至今为止，大家还清楚，具有高硬度的镍基硬面材料一般延展性很差或不具有可延展性。因此其疲劳强度相当差。
至今为止所知道的镍基合金中，最好通过加入硼、硅和碳组份来获得所需的硬度。特别是在所述合金结构中的金属硼化物，由于它们的尺寸和形状、在焊接过程中或在缩短或延长工作周期之后，使该硬面具有差的延展性，而产生破裂的危险。
在减少合金中的硼含量或完全除去硼的情况下，为了提高合金的硬度，就必须通过大量沉积碳化物的方法来增加碳的含量。从而产生沉积碳化物网，也大大降低了延展性。
所述已有技术的镍基合金中的一个普遍特性是，为了在大约500℃的工作温度时获得高硬度，就必须提供这样的合金，该合金在常温下具有相当的硬度和脆度。
日本专利Jp-A-59-9146（公开）涉及一种镍基合金的阀，在该合金中铝的含量低于4.5%，便于合金的焊接。通过碳化物的沉积、将合金中的钛、钨和钼与含量高于0.55%的碳结合就能提高合金的硬度。所公开的高达2%的硼可以进一步使合金硬度大大增加。但是，在合金的显微硬度方面将发生变化，这是因为非常硬的碳化物和硼化物沉积在较软的基相上及由于上述的碳化物网也能降低其延展性的原因。
美国专利说明书US-A-3795，510涉及一种镍基合金，它含有20%的铬，5.5%的铝、2.5%的钛，7.5%的铁和0.15%的碳。这种阀是通过摩擦焊将预先制作好的镍合金坯件焊在由碳钢组成的工作阀部件上。该合金不能用一般的方法来焊接，并且其硬度大大低于本发明所要达到的硬度。
本发明的目的是提供一种具有硬面材料的阀，该阀可用在任何规格的发动机上，它同时具有500℃以上时的高硬度、良好的耐燃烧物质的高温腐蚀性以及足够的延展性，以使其用在高机械载荷的循环工作阀中。
为此目的，本发明开头提到的阀的特征在于所述镍基合金，用重量百分比来表示并除所有的杂质之外，它含有20～24%的铬、0～8%的钨、4-7%的铝、0.2%～0.55%的碳、0～1.8%的铪、0～1.5%的铌、0～8.0%的钼、0～1.2%的硅和0～15%的铁。其中钨和钼的含量总和不超过10%。
已惊奇地发现这种合金具有所需的特性。以前人们总是认为在多层焊接过程中，具有含铝量高的焊接镍合金在将焊接金属与受热影响的裂层结构结合时具有相当大的热裂趋势。从而在文献中所述的具有3～4%以上的铝的镍铬合金被认为是没有焊接的可能。
根据本发明提出的具有上述铝含量的镍铬合金的可焊性利用了这种合金中的沉积硬化过程，从而金属间的相Ni3Al（γ′）被沉积称作相关硬度，增加了在可延展的镍基（γ）中的相。γ′相在结构中可沉积多达45%，最好在基本的γ结构中至少沉积20%，以便获得具有所需的高强度和高硬度的材料，因此，一般来说在把普通的工作排气阀放入20°～600℃的温度环境内时其强度和硬度不会改变。
合金中的铬含量对满足要求有极大的帮助。该要求是其合金在工作环境中必须具有相当高的耐腐蚀性。在该工作环境中硫磺化合物起了基本作用。铝含量使在阀座上形成一个Al2O3和Cr2O3的组合表面层，从而提高了耐腐蚀性，特别是改善了在750℃和其以上温度的耐腐蚀性。在阀座上发生泄漏从而形成凹痕的情况下，所述的被改善的耐腐蚀性特别能防止阀座很快被损坏，上述泄漏会导致局部表面温度高于阀的正常工作温度。
另外，铬的含量具有溶解增强作用，它有助于提高合金的强度，其溶解增强作用可进一步通过变换加入钼和钨而得到改善。钼和钨的总含量不得超过10%，否则，合金的碳化物结构会产生相反的作用。
通过调整碳的含量能影响合金硬度的最后确定，从而影响碳化物沉积的数量和结构。如果碳的含量低于0.2%，就不能获得所需的硬度。假如碳的含量超过0.55%，就难以获得所需的延展性。被证明的是含有0.3%～0.55%的碳的合金提供了最适用于阀材料的硬度和延展性。
与商业上易于获得的镍、铬、硼和硅硬面合金相反，本发明的合金还可用于制造热等静压力（HIP）混合排气阀，因为该合金的固相线温度接近阀体材料的固相线温度，这是热等静压力工艺的必要条件。
合金的延展性易受碳化物结构的影响，特别是针状，片形的碳化物沉积对延展性起相反的作用。对于现有的合金，已确定产生这种被作“中国试验结果”（“Chinese scri Pt”）型的不利于碳化物结构的趋势随着碳含量的增加而增加，由于这个原因，碳的含量不得超过0.6%。
已经发现，加入1～2%的铪，对碳化物结构有积极的影响，由于增加了铪，碳化物结构由针状，片形碳化物变成更多的圆形碳化物，其圆形碳化物在相同程度上不会降低合金的延展性。然而，出人意料的是，万一碳含量超过5%，通过加入铪，对碳化物仅有一定程度的影响。而在这种情况下，将碳含量调整在0.35～0.50%是容易的。
然而，已惊奇地证明，其合金结构，尤其是慢固化熔体，加入不超过1.5%的铌（Nb）具有高的硬度，这可能是因为铌增加了碳沉淀物的量和/或改变了碳化物的组份。同时已查明，在合金中加入铌，改变后的碳化物以细分金属碳化物的形式出现，该种碳化物对合金的延展性有积极的影响。
当阀座区域被焊接时，可以加入硅（Si）以改善焊接性能，这是由于硅的脱氧作用。硅的含量大约控制在0.8～1.2%。然而，令人惊奇地发现，当铝含量超过5～5.5%时，所述硅含量导致了铝、硅、铬和大概是碳的富共晶的形成。因为令人惊奇的是所述的共晶比合金的残留构造元素的耐腐蚀腐蚀性低，因为希望将所述的共晶相量限制在约5%以下。
具有适合阀座区域的阀部件一般由奥氏体不锈钢合金制成。当阀座区被焊接时，少量合金钢混入到镍基充填物中，因此通过混合地加入，特别是焊接第一层时，铁的量不超过15%。
在γ相中，少于20%的铁含量有一种加强效应，但是，其耐腐蚀性也同时降低了。在铁含量为5%时，存在腐蚀性降低的危险。因此目的在于最后焊接层成阀区表面附近的铁含量不高于10%，最好低于5%。
在邻近阀表面的区域内，其合金应最好至少包括55%的镍，因为低的含镍量会降低沉淀物的硬度，从而降低该合金的硬度。
如上所述，该合金的硬度是通过加入硬沉淀物获得，其沉淀物中的合金的高铝含量使镍基材料本身（Ni-matrix）的硬度增加，其硬度在高温下不变，其基本材料中的碳化沉淀物的硬度也有该特性。为了保存有益的碳化物结构，其合金应含有最少确定量的碳化物形成物，除了规定的铬含量。因此，铪、铌、钨和钼的含量至少为5%是有利的。
现参照图表对本发明的各个实施例进行详细描述，图1至图4为放大了320倍的照片，根据本发明为4种不同合金的研磨和抛光样本的照片。
例1
为了对本发明的合金和公知的阀座合金作一个基本的比较，制出4件几何形状相同的阀杆坯件，呈奥氏体不锈钢阀头的形状，其直径D＝250mm。对其杆件预加热后，通过转换电弧的等离子焊接，将4种不同合金分别焊接到各自的坯件上，焊接参数如下：
焊接粉末的粒级：50～150μm
沉积量：1.7公斤/小时
焊接电流：120A
焊接速度：约为60毫米/小时
其焊接缝为三层，其深度为8mm，宽度为25mm，缝边角为60°。
被制出的合金的近似分析列于表1，其中的钨铬钴合金6和合金50在上面已提及过，标记合金BW1-50也是一种有经济意义的镍合金，而标记合金I-1是本发明的一种合金。
表1
重量百分比组分
C Si B Cr Fe Ni W Mo Al 其它
钨铬钴6 1.14 1.06 - 28.5 0.43 - 4.65 - - 其余Co
合金50 0.46 3.9 2.25 10.78 2.88 其余 - - - -
BW1-50 0.49 6.99 0.92 19.30 3.5 其余 1.75 - - -
I-1 0.51 1.02 - 23.05 0.23 其余 7.1 - 5.63 0.43Y
焊接后将焊缝表面翻转，经毛细管检测检查缺陷。
而后将坯件放在炉中加热至250℃，然后将他们放入一个约40℃的水池中。通过肉眼检查和毛细管检测坯件，在座材料上没发现任何裂缝。
将所有的坯件再次放入炉中加热至350℃，然后将它们先放入约70℃的水池中，之后用肉眼及毛细管检测，在合金50中发现三个放射状的裂隙和一些小裂缝，而其它三件没有缺陷。
对加热到450℃的三件完好的坯件再进行温度阻塞试验，之后放入70℃的水中，在BW1-50合金中发现粗晶格小裂缝形式的裂缝分布，而其它两件的阀座区未受损坏。
然后将这二坯件加热至520℃，并放入约70℃的水中，经肉眼及毛细管检测显示，在钨铬钴合金6中有大量放射状裂隙，I-1合金的阀座区本身有一放射状裂隙。与其它三种合金相反，在I-1合金中的裂隙清楚地显示了呈圆裂隙边状的塑性变形特征。
本发明的镍基合金具有较好的焊接性和延展性，其抗裂性完全与钨铬钴合金6相同，比镍基合金50和BW1-50要好。
在每个阀杆的座区域开设一径向开口，在焊接时在其开口上进行硬度测试（HV20），该测试是在常温下距座面的不同距离进行的，测试结果如表2所示。
表2
合金 钨铬钴合金6 合金50 BW1-50 I-1
焊缝厚度(mm) 8.8 9.5 8.0 8.5
座表面下测 测量 硬度 (HV20)
量点的位置(mm)
0.5 426 473 490 457
1.5 441 473 509 412
2.5 441 473 509 426
3.5 426 490 509 426
4.5 386 473 374 441
5.5 412 374 412 362
6.5 412 374 374 374
7.5 399 386 278 286
8.5 412 271 232 303
9.5 257 271 - 226
10.5 - 232 - -
可以看出，镍基合金的硬度对座材料中的阀杆材料的混合是敏感的，而且座材料外部分的硬度在预期极限范围内，由于熔池固化迅速的原因，因而阻止了合金组分的完全平衡。
例2
为了在升温时测试该合金的硬度，通过一种所谓的热等静压方法（HIP-Process），用粉末状原材料生产出棒状坯件，该种坯件的直径为30mm，长160mm，从中切下8mm厚的片进行硬度测量。该种坯件用表1分析的钨铬钴合金6和镍基合金制出，测得的硬度（HB10/3000/15）列于表3，可以看出，钨铬钴合金6在温度为500℃时高温硬度明显下降（28%），而本发明的合金硬度下降很小（3%）。
表3
温度 钨铬钴合金6 I-1
硬度HB
20℃ 415 406
500℃ 298 393
通过与表2的硬度比较，室温下三片钨铬钴合金6和I-1的硬度测量（HV20）结果如下：
表4
钨铬钴合金6 I-1
a b c a b c
HV(20) 441 441 438 426 426 426
表2中在20℃左右测得合金50座材料的硬度为473HV，而在工作温度时该座材料的硬度降低了约20%，硬度变为378HV，而I-1合金的硬度在工作温度时仅降低约3%，为413HV。
例3
通过人工钨极惰性气体保护电弧焊，在直径为80mm，厚度为20mm的奥氏体不锈钢的阀杆坯件上焊接本发明的各种合金，这些合金的初步分析结果参见表5。
包括在20℃和500℃测出的各种合金的硬度（HB10/3000/15）。
表5
C Si Cr W Nb Mo Al Ni 20℃ 500℃
I-2 0.55 1.14 23.3 6.53 - - 6.04 其余 438 429
I-3 0.5 1.05 23 5.88 0.35 0.9 5.44 其余 435 415
I-4 0.44 0.95 23 5.22 0.7 1.8 4.83 其余 420 388
I-5 0.4 0.86 23 4.57 1.05 2.7 4.22 其余 415 385
可以看出，从室温到500℃，硬度下降的趋势是增加的，从I-2合金的约2%到I-5合金的约7%。
对每种合金进一步制成研磨和抛光样品，图1至4是合金I-2至合金I-5样品的照片。
在图1中，从合金I-2中可见球状深色沉淀物，可能含有Al，Si，Cr，和C共晶钙钛矿，伴有细长的浅色无铝金属碳化物的沉淀物，通过减少碳化物沉淀可以使合金有更高的延展性。
图2中的I-3合金显示出一种清楚的枝状晶格结构，其中材料有一种均匀的晶格取向。在枝状结构中有一些钙钛矿沉淀物和金属碳化物沉淀物。这种合金可能具有较好的延展性及较高的高温硬度。
图3中的合金I-4有一枝晶结构，该结构稍有些不均匀，并且仅仅呈现出极少的钙钛矿沉积。在图4的合金I-5中，一般来讲不会出现钙钛矿沉积。
例4
在镍基合金上做与例2所描述的一样的硬度实验，其实验的分析与表1和表3中的I-1相一致，但在测量其硬度之前，该坯件进行热处理，热处理包括在1150℃高温下进行2小时的溶解处理，接着在750℃的温度下至少进行2小时的沉淀硬化。所测得的硬度（HB10/3000/15）被列在表6中，所测得的硬度（HV20）被列在表7中。
表6
I-1
温度 硬度HB
20℃ 496
500℃ 462
表7
I-1
a b c
HV(20) 502 509 506
虽然高温硬度略有下降（7%），但在500℃时的最后硬度约为460HB，比由现有硬面合金所能获得的硬度要高得多。
如果合金中铬的含量少于20%，其耐腐蚀性在高温时将变得毫无意义。如果铬的含量超过24%，该合金的强度特性将受到不利的影响，另外，使其焊接性能下降。
当铝含量少于4%时，高温硬度似乎太低，铝含量高于7%时，钙钛矿沉积不利于合金的耐腐蚀性和延展性。
该合金既可用于将阀座焊在阀件上，在这种情况下该合金将包括硅，并且易使钇氧化的量要尽可能的少。这种合金也可用于HIP方法制造该阀件。
已证明，镍合金包括20～23%的铬、4-5.5%的铝、0～5%的铁、0.3～0.5%的碳和5～7.5%的钨和/或钼，其合金具有高硬度及好的延展性。若对阀座进行焊接，那么通过加入镍基填充材料可适当地起到作用。这种填充材料包括20～23%的铬，4～5.5%的铝，0.3～0.5%的碳，0.8～1.2%的硅和5～7.5%的钨和/或钼。
含有22.5～23.5%的铬、4.0～5.0%的铝、0.40～0.45%的碳、1.0～1.5%的铪和5.5%～6%钨和/或钼的合金似乎能应用在对抗热裂性有非常高的要求情况下。
如果用HIP方法制造该合金，那在分析时可能包括钇，因此在耐高温方面有积极的作用。
根据情况应看到，其合金的各种成份都用重量百分比来表示。