CN101469388A - 用于烧结体的硬质颗粒粉末和烧结体 - Google Patents

用于烧结体的硬质颗粒粉末和烧结体 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于烧结体的硬质颗粒粉末，其含有：2质量％－3.5质量％的Si，6质量％－10质量％的Cr，20质量％－35质量％的Mo，0.01质量％－0.5质量％的REM，余量为Co和不可避免的杂质。本发明还提供了通过如下步骤获得的烧结体，所述步骤为：混合步骤，将上述用于烧结体的硬质颗粒粉末与纯铁粉末和石墨粉末混合，以得到粉末混合物；成型步骤，将所述粉末混合物进行压制，以得到压粉体；以及烧结步骤，将所述压粉体烧结。本发明的硬质颗粒粉末具有使烧结体的耐磨损性提高的作用，而基本上不损害粉末性能和烧结性能。另外，本发明的烧结体具有优异的耐磨损性。

Description

用于烧结体的硬质颗粒粉末和烧结体
技术领域
本发明涉及一种用于烧结体的硬质颗粒粉末和一种烧结体。更具体的说，本发明涉及一种通过向硬质颗粒粉末中加入REM以提高机动车引擎阀座的耐磨损性而基本上不损害粉末性能和烧结性能的技术。
背景技术
众所周知，Tribaloy T-400是具有高耐磨损性的硬质颗粒，该硬质颗粒以形成了硬质相的钴为基质，而该硬质相主要由硅化钼构成。Co-2.5Si-28Mo-8.5Cr合金粉末是一种与Tribaloy T-400相当的材料，其作为硬质颗粒而被大量应用，非常有助于高负荷运转下的机动车引擎中的机动车引擎阀座(以下简称为“阀座”)的耐磨损性。因此，人们提议了很多技术方案。
例如，为了能在基质中分散大量的硬质层而不损害耐磨损性、强度等，专利文献1公开了一种耐磨损的烧结构件的制造工艺，该工艺包括：将原料粉末进行压制，其中该原料粉末中含有构成基质的粉末(铁、SUS316、SUS304、SUS310或SUS430)以及构成硬质层的粉末(Co-28Mo-2.5Si-8Cr)；然后将该压粉体进行烧结，其中，构成基质的粉末中至少有90质量％是最大粒径为46μm的微细粉末，并且构成硬质层的粉末在原料粉末中的比例为40质量％-70质量％。
为了得到具有优异的耐磨损性的铁基烧结合金材料，专利文献2公开了一种阀座用的耐磨损性铁基合金材料的制造工艺，其中，将100重量份的铁基合金粉末与0.2重量份-3.0重量份的固体润滑剂粉末(硫化物或氟化物)和/或0.2重量份-5.0重量份的稳定的氧化物粉末(Y2O3或CeO2(均为稀土元素的氧化物)，或者CaTiO3)混合，其中所述铁基合金粉末由纯铁粉末、铁合金粉末、碳粉末、具有析出的微细碳化物的钢粉末和硬质颗粒粉末(如，Cr-Mo-Co体系或Ni-Cr-Mo-Co体系)组成；并将所得的铁基合金粉末进行压制成型，然后将压粉体进行烧结，以得到烧结体。
专利文献1：JP-A-2007-107034
专利文献2：JP-A-2003-193173
发明内容
但是，随着引擎性能要求更高负荷的趋势，对阀座材料耐磨损性的要求也在提高。因此，存在这样的问题，即，例如专利文献1和2中公开的硬质颗粒不能充分满足对阀座材料耐磨损性的要求。而且，人们认为当试图提高阀座材料的耐磨损性时，颗粒的粉末性能和烧结性能会受到损害。因此需要一种既能够提高阀座材料的耐磨损性而又不损害粉末性能和烧结性能的技术。
基于上述情况完成了本发明。本发明的目的是提供一种用于烧结体的硬质颗粒粉末，其能够使阀座具有更高的耐磨损性，而基本上不损害粉末性能和烧结性能。本发明的另一个目的是提供一种具有优异耐磨损性的烧结体。
为了解决上述问题，本发明人认真研究了利用Co-2.5Si-28Mo-8.5Cr合金粉末来提高阀座耐磨损性的技术。在研究过程中，本发明人发现向硬质颗粒中加入REM可以提高阀座的耐磨损性。并且还发现，向硬质颗粒中加入REM既不会损害粉末性能也不会损害烧结性能。
基于这些发现完成了本发明。即，本发明提供一种用于烧结体的硬质颗粒粉末，其包含：2质量％-3.5质量％的Si、6质量％-10质量％的Cr、20质量％-35质量％的Mo、0.01质量％-0.5质量％的REM，余量为Co和不可避免的杂质。
在这种情况中，本发明的用于烧结体的硬质颗粒粉末中还可以含有0.1质量％或更低的C以及1质量％或更低的Mn。
为了解决这些问题，本发明还提供一种烧结体，其通过如下步骤获得，所述步骤为：混合步骤，将上述本发明的用于烧结体的硬质颗粒粉末与纯铁粉末和石墨粉末混合，以得到粉末混合物；成型步骤，将该粉末混合物进行压制，以获得压粉体；以及烧结步骤，将该压粉体进行烧结。
本发明的硬质颗粒粉末具有使烧结体的耐磨损性得到提高而不损害粉末性能和烧结性能的作用，这是因为该硬质颗粒粉末中含有：2质量％-3.5质量％的Si、6质量％-10质量％的Cr、20质量％-35质量％的Mo、以及0.01质量％-0.5质量％的REM。因此，该粉末特别适合用作阀座用材料。
本发明的烧结体具有优异的耐磨损性，这是因为它是采用本发明的用于烧结体的硬质颗粒粉末作为原材料而制得的。
本发明的用于烧结体的硬质颗粒粉末和烧结体有效地提高了阀座的耐磨损性，而不会损害粉末性能和烧结性能。因此，本发明的硬质颗粒粉末和烧结体在汽车工业和各种相关的工业中有很高的工业使用价值。
附图说明
图1是示意性示出阀座测试用的耐磨测试器的剖面图。
图2是对其磨损量进行测量的磨损测试工件的一部分的示意图。
图3是通过绘制磨损测试工件的磨损量与REM的含量之间的关系而得到的曲线图。
本发明的最佳实施方式
下面将依据附图对本发明的实施方案进行详细描述。
(用于烧结体的硬质颗粒粉末的组成)
本发明的用于烧结体的硬质颗粒粉末除了含有钴(Co)作为基质之外，还含有硅(Si)、铬(Cr)、钼(Mo)和REM作为必要的组成元素。可对粉末中的作为不可避免的杂质的碳(C)和锰(Mn)的含量进行有效地控制。
对这些元素的含量进行限制的原因如下所述。此处，在本说明书中，所有由质量限定的百分比均与由重量限定的百分比相同。
(1)2质量％≤Si≤3.5质量％
加入硅(Si)组分的目的是通过形成硅化物以提高硬度。将硅含量的下限限定为2质量％的原因是：硅含量低于该下限的粉末颗粒的硬度过低，不能起到硬质颗粒的作用。将硅含量的上限限定为3.5质量％的原因是：硅含量高于该上限的粉末颗粒的硬度过高，由于烧结体(阀座)产生裂纹而造成粉末颗粒脱落，从而使烧结体(阀座)的磨损量增加。
(2)6质量％≤铬≤10质量％
加入铬(Cr)组分的目的是保持抗氧化性。将铬含量的下限限定为6质量％的原因是：铬含量低于该下限的粉末颗粒不具有足够的抗氧化性。另一方面，将铬含量的上限限定为10质量％的原因是：铬含量超过该上限的粉末颗粒的烧结性能受到损害。
(3)20质量％≤钼≤35质量％
加入钼(Mo)组分的目的是保持粉末颗粒的硬度。将钼含量的下限限定为20质量％的原因是：钼含量低于该下限的粉末颗粒将导致烧结体不具有足够的耐磨损性。另一方面，将钼含量的上限限定为35质量％的原因是：钼含量高于该上限的粉末颗粒的硬度过高，由于烧结体(阀座)出现裂纹而造成粉末颗粒脱落，因此使烧结体(阀座)的磨损量增加。
(4)0.01质量％≤REM≤0.5质量％
本发明中，术语REM是指至少一种镧系元素。加入REM组分的目的是提高烧结体的耐磨损性而不损害粉末性能和烧结性能。将REM含量的下限限定为0.01质量％的原因是：REM的加入量小于该下限时对提高烧结体的耐磨损性几乎不起作用。另一方面，将REM含量的上限限定为0.5质量％的原因是：REM的加入量超过该上限时也对提高耐磨损性没有作用，而且会引起大量粉末颗粒被氧化，从而导致烧结性能变差。REM含量优选为0.2质量％或者更低。
本发明的用于烧结体的硬质颗粒粉末还可以含有0.1质量％或更低的碳(C)以及1质量％或更低的锰(Mn)。
将碳含量的上限限定为0.1质量％的原因是为了避免由于形成碳化物而引起韧性降低。
将锰含量的上限限定为1质量％的原因是：锰的加入量超过该上限时会引起大量粉末颗粒被氧化，从而导致烧结性能变差。
余量为钴(Co)和不可避免的杂质，这是因为钴是本发明的用于烧结体的硬质颗粒粉末的基质。
总之，本发明的用于烧结体的硬质颗粒粉末更优选为这样一种用于烧结体的硬质颗粒粉末，其含有：2质量％-3.5质量％的Si、6质量％-10质量％的Cr、20质量％-35质量％的Mo、0.01质量％-0.5质量％的REM、0.1质量％或更低的C、1％或更低的Mn，余量为Co和不可避免的杂质。
(烧结体的制造工艺)
可通过如下步骤获得本发明的烧结体：混合步骤，将具有上述组成的用于烧结体的硬质颗粒粉末与纯铁粉末和石墨粉末混合，以得到粉末混合物；成型步骤，将该粉末混合物压制，以得到压粉体；以及烧结步骤，将该压粉体进行烧结。在混合步骤中，优选加入压制用的润滑剂。此外，在烧结前进行脱蜡是有利的。
实施例
下面将对本发明的实施例和对比例进行详细描述。
(硬质颗粒粉末的制备)
对于实施例1至5和对比例1至6，将表1中所列的组成元素按照表中给出的比例进行混合，以得到硬质颗粒粉末。
Figure A200810189217D00081
(粉末性能的检测)
在所制得的硬质颗粒粉末中，对实施例1和对比例1的硬质颗粒粉末的粉末性能(粒径分布、表观密度、流动度和粉末硬度)进行检测。粒径分布的测定依据日本粉末冶金协会标准(Japan PowderMetallurgy Association Standard)JPMA P 02-1992，表观密度的测定依据日本粉末冶金协会标准JPMA P 06-1992，流动度的测定依据日本粉末冶金协会标准JPMA P 07-1992。另外，粉末硬度使用微型硬度计进行测定。
表2 粉末性能
Figure A200810189217D00091
(烧结体的制备)
对于实施例1至5和对比例1至6，在表1所示的耐磨损测试工件的制备条件下，通过以下步骤来制得各烧结体。
首先，将69.2质量％的纯铁粉末(ASC100.29)与30质量％的硬质颗粒粉末和0.8质量％的石墨(CPB)混合。向100重量份的所得混合物中加入0.5重量份的Zn-St(压制用的润滑剂)。将这些组分混合，以得到烧结体用的原料粉末混合物。
随后，在8t/cm2的压制压力下，将实施例1至5和对比例1至6的各原料粉末混合物分别进行压制。从而，(1)对于实施例1至5和对比例1至6，制得直径为35mm、厚度为14mm的盘状压粉体；并且(2)对于实施例1和对比例1，另外还制得外径为28mm、内径为20mm、厚度为4mm的环状压粉体。
最后，将实施例1至5和对比例1至6的盘状和环状压粉体在400℃的空气中脱脂1小时，并随后在温度为1160℃的氨气分解气氛(N2+3H2)中烧结1小时，以得到烧结体。
(烧结性能的检测)
在所制得的压粉体和烧结体中，对实施例1和对比例1的压粉体和烧结体的烧结性能(压制密度、烧结密度、化学组分、烧结体硬度、径向压溃强度、高温硬度、热扩散率、比热容和导热率)进行检测。
压制密度(烧结前压粉体的密度)和烧结密度(烧结后烧结体的密度)是依据日本粉末冶金协会标准JPMA P 09-1992测定的。化学组分由红外光谱确定。径向压溃强度是采用阿姆斯勒(Amsler)检测器对通过烧结而获得的环形烧结体(外径：28mm；内径：20mm；厚度：4mm)进行测量而得到的。高温硬度采用高温硬度计测定。热扩散率、比热容和导热率采用激光闪光法测定。
以上特性的检测的结果见表3。
表3 烧结性能
表3(续)烧结性能
Figure A200810189217D00102
(烧结体的耐磨损性测试)
图1所示的用于检测阀座本身的磨损测试器(以下简称为“磨损测试器”)用来进行烧结体(所制得的盘状烧结体)的耐磨损性测试。首先，将实施例1至5和对比例1至6的盘状烧结体(直径：35mm；厚度：14mm)加工成阀座形状，从而获得磨损测试工件。通过将各磨损测试工件压入到阀座托架(seat holder)，从而将测试工件固定在磨损测试器上。在表4所示测试条件下驱动磨损测试器。通过利用气体火焰加热阀体以间接对磨损测试工件进行持续加热，同时，通过转动曲柄向磨损测试工件施加锤击力，从而使其发生磨损。
表4 耐磨损性的测试条件
 
测试时间 10小时
燃料 LPG
接触次数 每分钟3,000次
磨损测试工件的温度 300℃
阀体的驱动方式 曲柄轴
阀体的旋转速度 10rpm
阀体表面 Fe-21Cr-9Mn-4Ni+Co合金焊接
借助形状测量装置，在耐磨损性测试之前和之后分别对磨损测试工件的形状进行测量，并按照图2(即即图1中箭头A所指部分的放大图)所示测定在与磨损测试工件表面垂直的方向上的差值D，即得到各磨损测试工件的磨损量。在图3中按照磨损测试工件的磨损量与REM含量之间的关系将所得到的结果绘制出来(各绘制点旁所标出的数值为磨损量(μm))。
(讨论：耐磨损性)
首先讨论耐磨损性。如表1和图3所示，实施例1至5中的磨损量小于20μm，而对比例1至6中的磨损量均为20μm或更大。也就是说，实施例1至5中的磨损量小于对比例1至6的磨损量。
首先，将实施例1至5与对比例1进行比较。除了是否含有REM之外，各例子中的烧结体均满足本发明的优选的组分含量范围。因此，可以发现在实施例1至5的组成(不包含REM)中加入REM具有提高烧结体(阀座)的耐磨损性的作用。
其次，讨论在实施例1至5的组成(不包含REM)中加入REM时的REM含量。可以看出，当对比例3和6中REM的含量过高时，未获得使烧结体(阀座)的耐磨损性提高的作用。这些结果表明REM的含量不超过0.6质量％是合适的。因此发现REM的含量优选为0.5质量％或更低，更优选为0.2质量％或更低。
对比例2的磨损量变大的原因可能是：硅含量过高造成硬度过大，进而导致粉末颗粒脱落。
对比例3的磨损量变大的原因考虑为如下原因。REM含量高导致粉末氧化量增大，即烧结性能变差，并且硅含量低导致硬度较小。另外，铬含量低导致粉末颗粒的抗氧化性能不充分。
对比例4的磨损量变大的原因可能是：钼含量过高造成硬度过大，进而导致粉末颗粒脱落。
对比例5的磨损量变大的原因考虑为如下原因。锰含量高导致粉末氧化量增大，即烧结性能受损，并且较高的铬含量也对烧结性能造成不利影响。
(讨论：除了耐磨损性以外的其它性能)
接下来，讨论除了耐磨损性以外的其它性能(粒径分布、粉末性能和烧结性能)。表2中示出了实施例1和对比例1的粒径分布和粉末特性。通过它们之间的对比可以判断出，实施例1的粒径分布和粉末性能与对比例1的粒径分布和粉末性能相当。在这一方面，尽管在-100至+145的范围内以及在-145至+200的范围内实施例1与对比例1的粒径分布是不同的，但这些差异是由在制备粉末时的偏差造成的。这些差异并不损害实施例1的性能。关于粉末硬度，实施例1的硬度值较低。这是由于粉末中硅含量的不同造成的，这并不损害实施例1的性能。
表3中示出了实施例1和对比例1的烧结性能。通过它们之间的对比可以判断出，除了对比例1的径向压溃强度较好之外，实施例1的烧结性能与对比例1的烧结性能相当。然而，需要说明的是，所要求的径向压溃强度的值为大约40kgf/mm2，实施例1和对比例1的径向压溃强度均远远高于该值。尽管实施例1的径向压溃强度比对比例1差，但这不影响实施例1的特性。
从这些结果可以发现，通过向由预定组分构成的硬质颗粒粉末中加入REM，可以提高烧结体的耐磨损性而基本上不损害粉末性能和烧结性能。还发现，由此可获得具有优异的耐磨损性的烧结体。
虽然参照本发明的实施方案描述了本发明，但不能认为本发明局限于这些实施方案。尽管本发明尤其适用于阀座，但不能认为本发明的用途局限于阀座，本发明还可应用于阀导向器(valve guide)和其它机械/结构部件中。
本专利申请基于2007年12月26日提交的日本专利申请No.2007-333736，其内容以引用的方式并入本文。

Claims (2)

1.一种用于烧结体的硬质颗粒粉末，其含有：
2质量％-3.5质量％的Si，
6质量％-10质量％的Cr，
20质量％-35质量％的Mo，
0.01质量％-0.5质量％的REM，并且
余量为Co和不可避免的杂质。
2.一种烧结体，其通过如下步骤获得：
混合步骤，将权利要求1所述的用于烧结体的硬质颗粒粉末与纯铁粉末和石墨粉末混合，以得到粉末混合物；
成型步骤，将所述粉末混合物进行压制，以得到压粉体；以及
烧结步骤，将所述压粉体烧结。
CNA2008101892176A 2007-12-26 2008-12-26 用于烧结体的硬质颗粒粉末和烧结体 Pending CN101469388A (zh)

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