CN100422376C

CN100422376C - 用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料

Info

Publication number: CN100422376C
Application number: CNB2006100739822A
Authority: CN
Inventors: 大重公志; 高桥辉夫
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: CN1837397A

Abstract

一种用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料，其包括一个基质相，其含0.3%-1.5质量%的C和总量为1%-20%的选自Ni、Co、Mo、Cr和V中的至少一种；和分散在基质相中的10%-60质量%的维氏硬度为500-1200 HV0.1的硬颗粒，并且含选自以下的至少一种金属间化合物：一种主要含Fe、Mo和Si的金属间化合物；一种主要含Co、Mo和Si的金属间化合物；一种主要含Ni、Mo和Si的金属间化合物。这种阀门座材料的密度为6.7g/cm³或更大，径向抗压强度为350MPa或更高。

Description

用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料

技术领域

本发明涉及用于内燃机的阀门座材料，尤其涉及铁基烧结合金阀门座材料，它具有改良的强度和抗磨损性以及降低的反向磨损(oppositeaggressibity)，是气体燃料发动机的优选材料。

背景技术

由于燃料和燃烧产物能够保持阀门和阀座衬垫(insert)之间的润滑，因此例如汽油、柴油等液态燃料内燃机在某种程度上抑制了阀座衬垫的磨损。然而，利用气体燃料，例如液化石油气(LPG)和压缩天然气(CNG)的发动机，无论如何，都趋向于使得阀门和阀座衬垫之间形成金属与金属之间的接触，这就增加了阀座衬垫的磨损，因为发动机产生的燃烧产物的量比利用液态燃料的发动机产生的少。因此，这就要求进一步提高用于气体燃料发动机的阀座衬垫的耐磨性。

一种众所周知的用于提高阀座衬垫耐磨性的方法就是，在阀座衬垫的基质中散布大量的硬颗粒，例如Fe-W型硬颗粒、Fe-Mo型硬颗粒、碳化物型硬颗粒。然而，散布的硬颗粒量的增加，增加了不必要的反向磨损和阀座衬垫的磨损。

为了解决这一问题，例如，日本未经审查的专利申请公布No.11-12697提出了一种用于内燃机的阀座衬垫，其含一种基质和26％-50重量％的钴基硬颗粒。该基质中至少含0.5％-1.5重量％的C和总量为0.5％-10.0重量％的Cr和/或V，并且任选的含总量为2.0％-20.0重量％的Ni、Co和Mo中的至少一种，其余为Fe。根据这一公布，通过此公开的技术生产的阀座衬垫优选用于气体燃料发动机，其将阀座衬垫暴露于经常涉及金属与金属接触磨损的严峻使用环境中。

日本专利No.2706561提出了一种用于内燃机的阀座衬垫，它含预定量的C、Si、Cr、Ni、Mo、W、Co和V，其余为Fe，并且具有斑状结构，其包括由分散的金属碳化物颗粒所构成的高速工具钢相，由分散的金属间化合物颗粒所构成的钴合金硬质相，含Co、Ni、Mo和C的铁合金相，以及通过钴合金硬质相扩散到其他相中而形成的中间相。根据这一公布，在此所公开的技术可提供一种阀座衬垫，其具有改良的高温抗磨损性，并且延长了在LPG内燃机中的使用寿命。

日本未经审查的专利申请公布No.2002-285293中提出了一种用于重型发动机的阀门座材料，它含预定量的Co、Mo、Cr、V、Si、C和Ni，其余为Fe，并且具有贝氏体(或贝氏体与索氏体的混合物)，马氏体和奥氏体混合的金属结构，其中分散着由被钴扩散相包围的硅化钼芯构成的硬质相。根据这一公布，在此所公开的技术可提供一种阀门座材料，其具有改良的抗磨损性能并且优选用于重型发动机如CNG发动机。

发明内容

目前，要求进一步提高气体燃料发动机的性能。所以阀门衬垫即将暴露于更加严峻的环境中。因此需要进一步提高阀座衬垫的强度和耐磨性能；不幸的是，由上述众所周知的技术所生产的阀座衬垫不能确保达到所要求的满意的性能。

本发明的一个目标是有利的解决现有技术中的这些问题并且提供一种用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料，其具有足够的强度，并且在像气体燃料发动机这样严峻的使用环境中也可具有卓越的耐磨损性能。

为了达到上述目标，本发明的发明人透彻的研究了影响耐磨损性的多方面因素。作为研究的结果，本发明人发现在基质相中大量具有较低反向磨损的硬颗粒的分散，对于在像气体燃料发动机这样严峻的使用环境中提高强度和抗磨性是很重要的。本发明人还发现，为了在基质相中稳定的分散大量的硬颗粒，使用的材料需要具有6.7g/cm³或更高的密度，并且具有350MPa或更高的径向抗压强度。这防止了硬颗粒从基质相中剥离，从而确保了在严峻的使用环境中延长的寿命期间具有高的强度和卓越的抗磨损性。在这些发现的基础之上经过进一步研究从而完成本发明。

就是说，本发明提供一种用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料。此阀门座材料包括一种铁基烧结合金基质相，它含0.3％-1.5质量％的C和总量为1％-20质量％的Ni、Co、Mo、Cr和V中的至少一种，其余为Fe和偶然杂质；和10％-60质量％的在基质相中分散的硬颗粒，其具有500-1200 HV0.1的维氏硬度，并且含选自以下的至少一种金属间化合物：一种主要含Fe、Mo和Si的金属间化合物，一种主要含Co、Mo和Si的金属间化合物，一种主要含Ni、Mo和Si的金属间化合物。此阀门座材料的密度为6.7g/cm³或更大，径向抗压强度为350MPa或更高。

该基质相可含0.3％-1.5质量％的C；总量为1％-20质量％的Ni、Co和Mo中的至少一种，和任选的Cr与V中的至少一种。

该硬颗粒可以是选自以下的至少一种金属间化合物：一种主要含Fe、Mo和Si的金属间化合物，一种主要含Co、Mo和Si的金属间化合物，一种主要含Ni、Mo和Si的金属间化合物，并且可能含1％-15质量％的Si，20％-60质量％的Mo，10％-70质量％的Cr、Ni、Co和Fe中的至少一种，其余为偶然杂质。

该硬颗粒可以是铁基硬颗粒、钴基硬颗粒、镍基硬颗粒，或它们的任意组合。所述铁基硬颗粒含1％-15质量％的Si，20％-60质量％的Mo，任选的25质量％或更少的Cr和/或10％-40质量％的Co，其余为铁和偶然杂质。所述钴基硬颗粒含1％-15质量％的Si，20％-60质量％的Mo，任选的5％-25质量％的Cr，其余为Co和偶然杂质。所述镍基硬颗粒含1％-15质量％的Si，20％-60质量％的Mo，任选的5％-25质量％的Cr和/或10质量％或更少的Co，其余为Ni和偶然杂质。

该阀门座材料可以进一步包含0.2％-5质量％的固态润滑剂。

该阀门座材料可以通过重复两次压模烧结工艺或通过锻造烧结工艺来生产。

本发明具有明显的工业优势，因为它能够简单、稳定的生产出在像气体燃料发动机这样严峻的使用环境中都具有极好的强度和抗磨损性的阀座衬垫。

具体实施方式

如本发明所述的应用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料包括铁基烧结合金基质相和其中分散的硬颗粒。在以下的描述中，用于描述组成的质量％在下文中简写为％。

本发明的阀门座材料的基质相包含0.3％-1.5％的C，总量为1％-20％的选自Ni、Co、Mo、Cr、V中的至少一种，其余为铁和偶然杂质。

首先，对该基质相组成的原因详细说明如下：

C：0.3％-1.5％

添加C用于加速烧结期间的扩散。这种元素溶解到基质相中以提高其强度。通过含0.3％或更多的C可以得到这种效果。然而，含多于1.5％的C将会在基质中形成渗碳体并导致在烧结过程中产生液相，从而降低基质相的结构稳定性并且造成产品尺寸的巨大变化。所以在本发明中，基质相中的C含量控制在0.3％-1.5％之间。

至少一种选自Ni、Co、Mo、Cr和V的元素：总量为1％-20％。

在本发明中，必须含总量为1％或更多的至少一种选自Ni、Co、Mo、Cr和V的元素；这些元素用于提高基质的抗磨损性。然而，如果这些元素的总含量多于20％，在经济上是不利的，因为这些元素的效应达到饱和并且不能再期望其效应与含量相称。该阀门座材料优选含至少一种选自Ni、Co和Mo的元素，因为这些元素比Cr和V在提高高温强度和韧性方面具有更大的作用。因此，该阀门座材料中含总量为1％-20％的至少一种选自Ni、Co、Mo、Cr和V的元素，优选含总量为1％-20％的至少一种选自Ni、Co和Mo的元素和任选的选自Cr和V的至少一种。

该基质相的余量包括Fe和偶然杂质。

该基质相除了具有上述组成以外，本发明的铁基烧结合金阀门座材料还包括分散在基质相中的10％-60质量％的硬颗粒，其具有500-1200 HV0.1的维氏硬度。

硬颗粒分散在基质相中以增强抗磨损性。如果硬颗粒的硬度低于500HV0.1，就不能确保所要求的抗磨损性。另一方面，如果硬颗粒的硬度高于1200 HV0.1，反向磨损就会提高。因此，硬颗粒的维氏硬度控制在500-1200HV0.1之间。从抗磨损、自润滑以及反向磨损的角度，优选基质相中分散的硬颗粒含选自以下的至少一种金属间化合物：一种主要含Fe、Mo和Si的金属间化合物；一种主要含Co、Mo和Si的金属间化合物；一种主要含Ni、Mo和Si的金属间化合物。该金属间化合物中含为硬颗粒总质量的1％-15％的Si、20％-60％的Mo、和10％-70％的选自Cr、Ni、Co和Fe中的至少一种。

尤其是，本发明中分散在基质相中的硬颗粒优选铁基硬颗粒、钴基硬颗粒、镍基硬颗粒或它们的任意组合。所述铁基硬颗粒含占硬颗粒总质量1％-15％的Si，20％-60％的Mo，任选的25％或更少的Cr，和/或10％-40％的Co，其余为铁和偶然杂质。所述Co基硬颗粒含占硬颗粒总质量1％-15％的Si，20％-60％的Mo，任选的5％-25％的Cr，其余为Co和偶然杂质。所述镍基硬颗粒含占硬颗粒总质量1％-15％的Si，20％-60％的Mo，任选的5％-25％的Cr和/或10％或更少的Co，其余为镍和偶然杂质。

如果分散在基质相中的硬颗粒含量低于阀门座材料总质量的10％，就不能确保所要求的抗磨损性。而如果硬颗粒含量多于60％，因为高的生产成本所以不经济，同时也导致低的可成型性，提高了反向磨损和低的基质附着力。因此在本发明中，硬颗粒含量控制在阀门座材料总质量的10％-60％。

本发明的阀门座材料可以进一步含占阀门座材料总质量0.2％-5％的固态润滑剂，以提高机械加工性。该固态润滑剂可分散到基质相中以保护切削工具。另外，该分散的固态润滑剂形成切割的起点以进一步提高机械性能。所用的固态润滑剂例子包括硫化物例如MnS和MoS₂、氟化物例如CaF₂、和氧化物例如MgSiO₂。如果固态润滑剂的含量低于0.2％，固态润滑剂就不能达到上述效果。而如果固态润滑剂的含量高于5％，就会降低强度。因此，固态润滑剂的含量最好控制在0.2％-5质量％，优选0.5％-3质量％。

另外，本发明的阀门座材料密度为6.7g/cm³或更大，径向抗压强度为350MPa或更高。本文中使用的径向抗压强度根据JIS(日本工业标准)Z 2507测定。

如果阀门座材料密度小于6.7g/cm³，由于阀门座材料在硬颗粒与基质之间缺少结合并表现为抗磨损性降低，从而阀门座材料在像气体燃料发动机这样严峻的使用环境中就不具有所要求的抗磨损性。因此，阀门座材料的密度限定为6.7g/cm³或更大，优选6.8g/cm³或更大。

另外，本发明的阀门座材料的径向抗压强度为350MPa或更高，以提高硬颗粒与基质之间的结合，确保在像气体燃料发动机这样严峻的使用环境中具有所要求的抗磨损性。如果径向抗压强度低于350MPa，阀门座材料就会在硬颗粒与基质之间缺少结合，从而降低抗磨损性能。这种阀门座材料在被加工成阀座衬垫(产品)时，也容易产生例如裂纹和缺口。阀门座材料的径向抗压强度优选为450MPa或更高。

本发明的阀门座材料优选通过重复两次压模烧结工艺或通过锻造烧结工艺来生产，以稳定确保上述的密度和径向抗压强度。

接下来，本发明的一种优选的用于生产阀门座材料的方法描述如下：

通过向纯铁粉中添加石墨粉、至少一种选自镍粉、钼粉和钴粉的粉末，以及任选的铬粉和钒粉中的至少一种来制备原材料粉末作为合金元素粉末，以达到上述的基质相的组成。然后添加具有上述硬度及组成的硬颗粒粉末，以达到上述硬颗粒含量。另外，任选的添加固态润滑剂粉末以达到上述固态润滑剂含量。此外，优选添加一种润滑剂例如硬脂酸锌。将这些粉末混合并搅拌以制备混合粉末。在本发明中，上述基质相组成可以通过如上所述，向纯铁粉中加入预定量的合金元素粉末，和/或向纯铁粉末中加入预定量的含合金元素的低合金钢粉末或铁合金粉末来得到。

然后将混合粉末加入到具有预定尺寸的阀门座形状的模子中。混合粉末优选通过重复两次压模烧结工艺模塑成烧坯(阀门座材料)。就是说，混合粉末可以通过其中混合粉末被压模并初次烧结的初次压模烧结工艺，和通过其中获得的初次烧结的烧坯被再次压模和烧结的再次压模烧结工艺来进行加工。由这些工艺生产出来的烧坯(阀门座材料)具有所要求的密度和径向抗压强度。

压模优选通过例如机械压制和水压制等压制来完成。烧结优选通过在还原性气氛或在真空中，在1100℃-1200℃加热完成。

在本发明中，锻造烧结工艺可以取代重复压模烧结工艺。

低熔点金属，例如Pb、Cu和Zn，可渗透到所得烧坯的孔中，以进一步提高抗磨损性并且降低反向磨损。

所得烧坯(阀门座材料)可任选切割以生产阀座衬垫产品。

实施例

本发明通过以下实施例加以详细描述。

纯铁粉末与合金元素粉末混合以形成如表1所示的基质相组成，与如表2所示的类型及硬度以及如表1所示量的硬颗粒、如表1所示种类及量的固态润滑剂、和作为润滑剂的硬脂酸锌混合，并用V型搅拌器搅拌以制备混合粉末。作为润滑剂的硬脂酸锌的含量为纯铁粉末、合金元素粉末、硬颗粒以及固态润滑剂总重量的1.0％。

在一些实施例中，纯铁粉末和合金元素粉末部分被低合金钢粉末A(Cr：3.0质量％；Mo：0.2质量％；V：0.3质量％；其余：Fe)或低合金钢粉末B(Cr：1.0质量％；Mo：0.3质量％；其余：Fe)所取代。

首先，将混合粉末装入到一个模子中，利用机械压制使其压模，形成具有阀门座形状的，尺寸为直径27mm×直径22mm×7.0mm的压坯。然后将这个压坯初步烧结成为初级烧坯。将所得初级烧坯放入最终尺寸为直径27mm×直径22mm×6.5mm的阀门座形状的模中，利用水压再次压模，并且再次烧结。这样，通过重复两次压模烧结工艺(2P2S)，混合粉末被加工成烧坯。一些阀门座材料是由锻造烧结工艺生产的，其中对压模烧结工艺(1P1S)后形成的烧坯进行锻造烧结(FS)。烧结在1160℃还原性气氛下进行热处理(烧结处理)。

所得烧坯作为阀门座材料用来生产阀座衬垫。阀座衬垫用密度、径向抗压强度和抗磨损性来评价。

密度由阿基米德方法测定。径向抗压强度根据JIS Z 2507测定。抗磨损性由下列测试来评价。

每一个所得的阀座衬垫都放入一个2000cc的内嵌式四缸四冲程的天然气发动机，其24小时都以6000rpm/WOT(最大油门)驱动。所用的与之匹配的阀门是由耐热钢SUH35(JIS)制成，阀门表面覆有Tribaloy^TM。抗磨损性通过测量阀座衬垫和排气侧的阀门磨损深度来衡量。

结果如表3所示。

表1

^*)参考表2

表2

表3

以上结果显示，即使是在严峻的使用环境中，即在气体燃料发动机的排气侧，本发明实施例中无论是阀座衬垫还是与之匹配的阀门都具有较小的磨损深度。因此结果证明本发明实施例中的阀座材料具有较高的抗磨损性和较低的反向磨损。

通过对比，此结果还显示，本发明范围之外的对比例中，阀座衬垫和配套阀门都具有较大的磨损深度。这一结果表明，对比例中的阀门座材料具有低的抗磨损性和高的反向磨损。

Claims

1. 一种用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料，包括：

铁基烧结合金基质相，其含0.3％-1.5质量％的C，总量为1％-20质量％的选自Ni、Co、Mo、Cr和V中的至少一种元素，其余为铁和偶然杂质；和

分散在基质相中的10％-60质量％的硬颗粒，其维氏硬度为500-1200HV0.1，并且含选自以下的至少一种金属间化合物：一种主要含Fe、Mo和Si的金属间化合物；一种主要含Co、Mo和Si的金属间化合物；一种主要含Ni、Mo和Si的金属间化合物，并且含1％-15质量％的Si、20％-60质量％的Mo、和10％-70质量％的选自Cr、Ni、Co和Fe中的至少一种元素，其余为偶然杂质；

阀门座材料的密度为6.7g/cm³或更大，径向抗压强度为350MPa或更高。

2. 如权利要求1所述的用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料，其中所述基质相含：

0.3％-1.5质量％的C；和

总量为1％-20质量％的选自Ni、Co和Mo中的至少一种元素。

3. 如权利要求1所述的用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料，其中所述基质相含：

0.3％-1.5质量％的C；和

总量为1％-20质量％的选自Ni、Co和Mo中的至少一种以及选自Cr和V中的至少一种元素。

4. 如权利要求1到3任何一项所述的用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料，其中硬颗粒包括铁基硬颗粒、钴基硬颗粒和镍基硬颗粒，或它们的任意组合，

铁基硬颗粒中含1％-15质量％的Si、20％-60质量％的Mo，其余为Fe和偶然杂质，

Co基硬颗粒含1％-15质量％的Si、20％-60质量％的Mo，其余为Co和偶然杂质，

镍基硬颗粒含1％-15质量％的Si、20％-60质量％的Mo，其余为Ni和偶然杂质。

5. 如权利要求1到3任何一项所述的用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料，其中硬颗粒包括铁基硬颗粒、钴基硬颗粒和镍基硬颗粒，或它们的任意组合，

铁基硬颗粒中含1％-15质量％的Si、20％-60质量％的Mo、25质量％或更少的Cr、和/或10％-40质量％的Co，其余为Fe和偶然杂质，

Co基硬颗粒含1％-15质量％的Si、20％-60质量％的Mo、5％-25质量％的Cr，其余为Co和偶然杂质，

镍基硬颗粒含1％-15质量％的Si、20％-60质量％的Mo、5％-25质量％的Cr和/或10质量％或更少的Co，其余为Ni和偶然杂质。

6. 如权利要求1至3中的任意一项所述的用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料，还含0.2％-5质量％的固态润滑剂。

7. 如权利要求4所述的用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料，还含0.2％-5质量％的固态润滑剂。

8. 如权利要求5所述的用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料，还含0.2％-5质量％的固态润滑剂。

9. 如权利要求1至3中的任意一项所述的用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料，其通过重复两次压模烧结工艺或通过锻造烧结工艺来生产。

10. 如权利要求4所述的用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料，其通过重复两次压模烧结工艺或通过锻造烧结工艺来生产。

11. 如权利要求5所述的用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料，其通过重复两次压模烧结工艺或通过锻造烧结工艺来生产。

12. 如权利要求6所述的用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料，其通过重复两次压模烧结工艺或通过锻造烧结工艺来生产。

13. 如权利要求7所述的用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料，其通过重复两次压模烧结工艺或通过锻造烧结工艺来生产。

14. 如权利要求8所述的用于内燃机的铁基烧结合金阀门座材料，其通过重复两次压模烧结工艺或通过锻造烧结工艺来生产。