CN102996196B - 发动机气门座圈及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发动机气门座圈，其包含：作为主要组分的铁(Fe)；约0.6～1.2wt％的碳(C)；约1.0～3.0wt％的镍(Ni)；约8.0～11.0wt％的钴(Co)、约3.0～6.0wt％的铬(Cr)；约4.0～7.0wt％的钼(Mo)；约0.5～2.5wt％的钨(W)；约1.0～3.0wt％的锰(Mn)；约0.2～1.0wt％的钙(Ca)；和其他不可避免的杂质。

Description

发动机气门座圈及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种具有极好耐磨性的发动机气门座圈，具体是一种将与铬(Cr)和钼(Mo)形成合金的铁类粉末用作基体(matrix)的发动机气门座圈，以及制造该发动机气门座圈的方法。
背景技术
图1是示出传统发动机气门座圈的截面图。一般来说，发动机10的气门座圈14是安装在汽缸盖12中，以在气门16打开和关闭时保证进气门或排气门16与汽缸盖12之间的气密性。因此，气门座圈14用于提高燃烧室的热效率。
因为气门座圈14反复地接触气门16，并暴露于连续的高温，其通常比其他零件需要更高的耐磨性、耐冲击性、耐热性等。
用于制造气门座圈14的方法包括浸渗(infiltration)法、硬质颗粒加入法、合金组分控制法等。在过去，含铅汽油(“加铅汽油”)被用作燃料。然而，因为含铅汽油的使用引起环境污染，现在需要使用无铅汽油。因此，气门座圈14必须具有高性能，就像发动机的高性能，也必须产生大功率和采用汽油缸内直喷(GDI)。
在使用例如液化石油气(LPG)、压缩天然气(CNG)等气体燃料的发动机中，气门座圈14趋向于容易磨损。具体来说，这些燃料的使用一般不会在气门16和气门座圈14之间提供相当的润滑，而这种润滑通常来自使用液体燃料(汽油、柴油)时的燃烧产物的生成。因此，没有这种润滑作用，很容易发生气门16和气门座圈14之间的金属接触(K)，引起气门座圈14的磨损。在这种情况下，必须进一步改进气体燃料发动机用气门座圈14的耐磨性。
为改进气门座圈14的耐磨性，已经使用将Fe-Cr或Fe-Mo类硬质颗粒或碳化物类硬质颗粒分散在气门座圈14的基体中的方法。然而，该方法的问题是，当分散在基体中的硬质颗粒的量增加时，硬质颗粒对目标物(即，气门)的对抗性(aggressiveness)增加，因此气门更容易磨损。
应当理解的是，以上的说明仅为帮助理解本发明，并不意味着本发明落在本领域技术人员已知的相关技术的范围内。
发明内容
因此，已经设计出本发明来解决上述与现有技术相关的问题。本发明提供具有高耐磨性的发动机气门座圈。具体地，本发明提供具有高耐磨性的且可以用于形成发动机气门座圈的铁类烧结合金。由此形成的气门座圈可以在很大程度上防止气门的磨损并改善其耐磨性。
为实现上述目的，本发明的一个方面是提供发动机气门座圈，其包含：作为主要组分的铁(Fe)；一种或多种选自碳(C)、镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、锰(Mn)、钙(Ca)的其他材料。根据一些实施方式，本发明的发动机气门座圈包含：作为主要组分的铁(Fe)；约0.6～1.2wt％的碳(C)；约1.0～3.0wt％的镍(Ni)；约8.0～11.0wt％的钴(Co)；约3.0～6.0wt％的铬(Cr)；约4.0～7.0wt％的钼(Mo)；约0.5～2.5wt％的钨(W)；约1.0～3.0wt％的锰(Mn)；约0.2～1.0wt％的钙(Ca)，其中wt％是基于组分的总重量；以及不可避免的其他杂质。应当注意到，当提及铁(Fe)的含量时，术语“主要组分”是指大于50wt％的量，例如，至少约60wt％、至少约65wt％、至少约70wt％、至少约75wt％等。例如，当合计所有其他组分的wt％时，铁(Fe)将占据组分的剩余部分(减去任何可能存在或不存在的少量杂质)。
根据一些实施方式，发动机气门座圈可以包含通过混合合金粉末(例如，铬(Cr)、钼(Mo)、锰(Mn))、铁(Fe)和金属粉末(例如，碳(C)、镍(Ni)、和钴(Co))而制造的基体。根据一些实施方式，发动机气门座圈可以包含基体，该基体通过混合包含约0.8～1.2wt％的铬(Cr)、约0.4～0.6wt％的钼(Mo)、约0.5～0.9wt％的锰(Mn)、约1.0～1.4wt％的碳(C)和余量的铁(Fe)的合金粉末与包含约0.1～0.3wt％的碳(C)、约1.0～3.0wt％的镍(Ni)、和约1.0～3.0wt％的钴(Co)的金属粉末而形成，其中wt％是基于组分的总重量。
根据一个示例性实施方式，可以通过混合硬质颗粒与基体来制造发动机气门座圈。硬质颗粒的例子包括，例如，均是硬质颗粒的60wt％钴(Co)-30wt％钼(Mo)-8wt％铬(Cr)合金粉末、铁(Fe)-40wt％铬(Cr)-20wt％钨(W)-10wt％钴(Co)合金粉末、和铁(Fe)-60wt％钼(Mo)合金粉末，其中wt％是基于每种硬质颗粒成分的总重量，且杂质占任何剩余的余量。根据一些实施方式，一种或多种这些硬质颗粒的任何组合都可以与基体混合。硬质颗粒可以利用任何传统方法来适当地形成，且可以具有将赋予其所希望的特性的合适尺寸和形状。例如，在一个实施方式中，60wt％钴(Co)-30wt％钼(Mo)-8wt％铬(Cr)合金粉末可以通过吹气(gasinjection)法制得，并可以具有约60目或更小的粒度。
本发明的另一个方面提供制造发动机气门座圈的方法，其包括以下步骤：混合金属粉末，从而发动机气门座圈包含作为主要组分的铁(Fe)、约0.6～1.2wt％的碳(C)、约1.0～3.0wt％的镍(Ni)、约8.0～11.0wt％的钴(Co)、约3.0～6.0wt％的铬(Cr)、约4.0～7.0wt％的钼(Mo)、约0.5～2.5wt％的钨(W)、约1.0～3.0wt％的锰(Mn)、约0.2～1.0wt％的钙(Ca)，和随意地其他不可避免的杂质；冲压金属粉末混合物来形成具有适当密度的致密结构(例如，约6.85g/cc或更高的密度)；并且在合适的氮氛下(例如，约1130～1180℃的氮氛)烧结该致密结构。
在混合金属粉末的步骤中，可以将包含约0.8～1.2wt％的铬(Cr)、约0.4～0.6wt％的钼(Mo)、约0.5～0.9wt％的锰(Mn)、约1.0～1.4wt％的碳(C)和余量的铁(Fe)的合金粉末与包含约0.1～0.3wt％的碳(C)、约1.0～3.0wt％的镍(Ni)、和约1.0～3.0wt％的钴(Co)的金属粉末混合以形成基体，之后硬质颗粒可以与该基体混合。
硬质颗粒可以包含，例如，60wt％钴(Co)-30wt％钼(Mo)-8wt％铬(Cr)合金粉末、铁(Fe)-40wt％铬(Cr)-20wt％钨(W)-10wt％钴(Co)合金粉末、和铁(Fe)-60wt％钼(Mo)合金粉末。
根据一些实施方式，60wt％钴(Co)-30wt％钼(Mo)-8wt％铬(Cr)合金粉末可以通过吹气法来制备，且可以具有约60目或更小的粒度。
在致密结构的形成过程中，可以通过在约7～9吨/cm2的压力下于室温冲压金属粉末混合物来形成密度为约6.85g/cc或更大的致密结构。
在烧结该致密结构之后，浸渗或热处理可能不再需要，因此可以省略。
附图说明
根据下面结合附图的详细说明，将更加清晰地理解本发明的上述和其他目的、特征、和优点，其中：
图1是示出传统发动机气门座圈的截面图；和
图2是示出根据本发明实施方式的发动机气门座圈的透视图；和
图3是示出图2的发动机气门座圈的显微结构的照片。
具体实施方式
在下文中将详细参考本发明的一些实施方式，其实施例在附图中示例并在以下进行说明。尽管本发明将结合示例性实施方式进行描述，应该理解的是本说明并未打算将本发明限制于那些示例性实施方式。相反，本发明意在不仅涵盖示例性实施方式，还包括各种替换、变更、等同物和其他实施方式，而它们可以包括在所附权利要求所定义的本发明的精神和范围内。在下文中，将详细说明根据本发明的优选实施方式的聚亚芳基类聚合物、该聚合物的制备方法、使用该聚合物的燃料电池用聚合物电解质膜。
应该理解的是，本文用到的术语“车辆”或者“车辆的”或其他类似术语一般包括机动车辆，例如载客汽车，包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车；包括各种船和艇在内的水运工具；飞行器等，而且包括混合动力车、电动车、插电式混合电动车、氢动力车和其他替代燃料车(例如，从非石油类资源得来的燃料)。本文中提到的混合动力车是具有两种或更多种动力来源的车，例如同时为汽油动力和电动力的车。
图2是示出根据本发明实施方式的发动机气门座圈的透视图，以及图3是示出图2的发动机气门座圈的显微结构的照片。
在该实施方式中，发动机气门座圈包含：作为主要组分的铁(Fe)；约0.6～1.2wt％的碳(C)；约1.0～3.0wt％的镍(Ni)；约8.0～11.0wt％的钴(Co)；约3.0～6.0wt％的铬(Cr)；约4.0～7.0wt％的钼(Mo)；约0.5～2.5wt％的钨(W)；约1.0～3.0wt％的锰(Mn)；约0.2～1.0wt％的钙(Ca)；和其他不可避免的杂质。
在一些实施方式中，发动机气门座圈可以包含通过混合合金粉末(包含铁(Fe))以及金属粉末而制造的基体。具体地，该基体可以通过混合包含约0.8～1.2wt％的铬(Cr)、约0.4～0.6wt％的钼(Mo)、约0.5～0.9wt％的锰(Mn)、约1.0～1.4wt％的碳(C)和余量的铁(Fe)的合金粉末与包含约0.1～0.3wt％的碳(C)、约1.0～3.0wt％的镍(Ni)、和约1.0～3.0wt％的钴(Co)的金属粉末而形成。
在某些方面，发动机气门座圈可以通过进一步混合硬质颗粒与基体来制造。在一些实施方式中，硬质颗粒可以包含，例如，60wt％钴(Co)-30wt％钼(Mo)-8wt％铬(Cr)合金粉末、铁(Fe)-40wt％铬(Cr)-20wt％钨(W)-10wt％钴(Co)合金粉末、和铁(Fe)-60wt％钼(Mo)合金粉末。在一些实施方式中，60wt％钴(Co)-30wt％钼(Mo)-8wt％铬(Cr)合金粉末可以通过吹气法等适合的方式来制备，且可以具有例如约60目或更小的合适粒度。
根据本发明的几个方面，气门座圈的硬质颗粒的形状是重要的，因为其可以减少气门座圈对目标物(例如，气门)的对抗性。因此，可以合适地制备(例如，通过吹气法)例如可以大量加入以防止硬质颗粒从气门座圈的基体上分离的60wt％Co-30wt％Mo-8wt％Cr硬质颗粒，从而使钴(Co)类硬质颗粒的形状呈球状。这样的球状可以有利地降低气门座圈对目标物的对抗性。
根据一些实施方式，可以以Fe-Cr-Mo-Mn-C合金粉末和天然石墨粉末的形式获得碳(C)，以及可以以纯镍(Ni)粉末的形式获得镍(Ni)。此外，可以以吹气法制得的纯钴(Co)粉末、Fe-Cr-W-Co合金粉末、或Co-Mo-Cr合金粉末的形式获得钴(Co)，从而使钴(Co)类硬质颗粒成球状。此外，可以以吹气法制备的Fe-Cr-W-Co合金粉末或Co-Mo-Cr合金粉末的形式获得铬(Cr)。此外，可以以钼铁(FerroMo)的形式获得钼(Mo)、以MnS的形式获得锰(Mn)、以及以CaF2的形式获得钙(Ca)。
根据本发明的实施方式，可以选择构成气门座圈的组分和组分的组成比来提供下列优势。首先，碳(C)可以在基体中以固相状态分散(固相分散)(solid-dispersed)来加固基体，并可以与铬(Cr)、钼(Mo)等共同形成碳化物来改善耐磨性。优选碳(C)以基于组分总量的约0.6～1.2wt％的量加入。当碳(C)的量小于0.6wt％时，无法获得所期望的耐磨性改进。此外，当碳(C)的量大于1.2wt％时，碳化铁在基体中形成，并在烧结过程中形成液相，因此使得基体的稳定性变差。
镍(Ni)在基体中固相分散，以改进强度和耐热性。优选镍(Ni)以基于组分总量的约1.0～3.0wt％的量加入。当镍(Ni)的量小于1.0wt％时，无法充分改进耐热性。此外，当镍(Ni)的量大于3.0wt％时，过量的奥氏体留在局部，因此使耐磨性变差。
钴(Co)在基体中以硬质颗粒的形式固相分散，以改进强度和耐热性。此外，当钴(Co)以金属间化合物的形式包括在硬质颗粒中时，可以在基体和硬质颗粒之间提供增加的接触力，从而防止可归因于硬质颗粒分离的气门座圈的磨损。
铬(Cr)与碳反应形成碳化物以提高耐磨性，并在基体中固相分散以改进耐热性。
钼(Mo)在基体中固相分散以改进耐热性和淬硬性，并以Fe-Mo的形式加入来形成复碳化物(doublecarbide)或金属间化合物以改善耐磨性。然而，当钼(Mo)加入过量时，气门座圈的强度变差，并攻击(attack)目标物(例如，气门)引起气门磨损。因此，优选将钼(Mo)的量限于以上指定的范围内。
根据本发明实施方式的用于制造气门座圈的方法包括以下步骤：混合金属粉末，从而使发动机气门座圈包含作为主要组分的铁(Fe)、约0.6～1.2wt％的碳(C)、约1.0～3.0wt％的镍(Ni)、约8.0～11.0wt％的钴(Co)、约3.0～6.0wt％的铬(Cr)、约4.0～7.0wt％的钼(Mo)、约0.5～2.5wt％的钨(W)、约1.0～3.0wt％的锰(Mn)、约0.2～1.0wt％的钙(Ca)、和其他不可避免的杂质；冲压金属粉末混合物来形成具有合适密度的致密结构(例如，约6.85g/cc或更高的密度)；并且在合适的氮氛(例如，约1130～1180℃的氮氛)下烧结该致密结构。
根据该实施方式，在混合金属粉末的步骤中，可以将包含约0.8～1.2wt％的铬(Cr)、约0.4～0.6wt％的钼(Mo)、约0.5～0.9wt％的锰(Mn)、约1.0～1.4wt％的碳(C)和余量的铁(Fe)的合金粉末与包含约0.1～0.3wt％的碳(C)、约1.0～3.0wt％的镍(Ni)、和约1.0～3.0wt％的钴(Co)的金属粉末混合来形成基体。硬质颗粒可以进一步与基体混合。
硬质颗粒的例子可以包括60wt％钴(Co)-30wt％钼(Mo)-8wt％铬(Cr)合金粉末、铁(Fe)-40wt％铬(Cr)-20wt％钨(W)-10wt％钴(Co)合金粉末、和铁(Fe)-60wt％钼(Mo)合金粉末。根据一些实施方式，60wt％钴(Co)-30wt％钼(Mo)-8wt％铬(Cr)合金粉末可以通过吹气法制备，并可以具有约60目或更小的粒度。
此外，在形成致密结构的步骤中，可以通过在约7～9吨/cm2的压力下于室温冲压金属粉末混合物来形成密度为约6.85g/cc或更大的致密结构。而且，在烧结该致密结构之后，可以省略浸渗和热处理。
在下文中，根据本发明的制造发动机气门座圈的过程将简述如下。
首先，将原料粉末(铁(Fe)、碳(C)、镍(Ni)、钴(Co)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、锰(Mn)、钙(Ca)等)互相混合来获得上述的最终混合物。随后，在合适的压力(例如，约7～9吨/cm2的压力、于室温)下冲压粉末混合物来形成致密结构。在这种情况中，可以形成致密结构，从而得到的气门座圈的密度是约6.85g/cc或更大，因此在某些实施方式中，高硬度颗粒、中硬度颗粒、和/或低硬度颗粒可以适当地分散在基体中，从而为气门座圈提供所期望的密度。
最后，烧结致密结构来形成气门座圈。例如，烧结可以在约1130～1180℃的氮氛下进行约30分钟～1.5小时，从而形成气门座圈100。根据本发明，在进行烧结之后，浸渗和热处理不再需要，因此可以省略，从而降低气门座圈的制造成本。
如图3所示，如此制造的气门座圈100具有分散在基体中的球状金属间化合物的硬质颗粒，而该气门座圈没有经过热处理。根据本发明的实施方式，通过可以包括在硬质颗粒中的钴(Co)的扩散而大大增加基体与硬质颗粒之间的结合力，因此可以防止硬质颗粒的分离，进而降低气门座圈的总的磨损损耗。在图3中，基体1(C)是珠光体，基体2(D)是高合金区域，硬质颗粒1(T)是Co-Mo-Cr结构，硬质颗粒2(A)是Cr-W-Co结构，以及硬质颗粒3(B)是Fe-Mo结构。
在下文中，为测量由烧结合金制造的发动机气门座圈100的磨损损耗，根据下面表1中给出的含量和组分来将粉末相互混合，然后在8吨/cm2的压力下冲压该粉末混合物，形成发动机气门座圈形状的致密结构，然后于1150℃烧结该致密结构40分钟。然后，烧结的致密结构以发动机气门座圈的形状进行加工，之后进行滚筒工艺(barrelprocess)来制造根据实施例的发动机气门座圈。在比较例中，发动机气门座圈的制造是通过对传统工艺获得的致密结构进行渗铜处理并且之后对浸渗的致密结构进行热处理、或通过2P2S(2次冲压2次烧结)法进行。
【表1】
此处，1P1S是指“1次冲压1次烧结”，2P2S是指“2次冲压2次烧结”。此外，硬质颗粒如下：
A：Fe-40wt％Cr-20wt％W-10wt％Co
B：Fe-60wt％Mo
T1：60wt％Co-30wt％Mo-8wt％Cr(通过喷水法(waterinjection)制备，具有200目或更小的粒度)
T2：60wt％Co-30wt％Mo-8wt％Cr(通过喷水法制备，具有100目或更小的粒度)
T3：60wt％Co-30wt％Mo-8wt％Cr(通过吹气法制备，具有60目或更小的粒度)
使用形状与真实发动机相似的磨损试验机来测量实施例和比较例中的气门座圈的磨损损耗，其结果显示在下列表2中(测试方法：转速为1500rpm、气门座圈温度为400℃、测试时间为15小时)。
【表2】
如以上表2所示，可以确定，与比较例的发动机气门座圈相比，实施例的发动机气门座圈的磨损损耗降低。具体来说，在耐用性测试中，实施例6的发动机气门座圈显示出良好的耐用性，尽管其并未进行热处理。
如上所述，根据本发明的发动机气门座圈是有优势的，因为其表现出极好的耐磨性，甚至用于在严苛燃烧条件下运行的气体燃料发动机中时；以及具有极好的耐磨性，尽管并未额外地进行浸渗和热处理。
此外，根据本发明的发动机气门座圈是有优势的，因为其可以在最大程度地防止目标物(气门)被磨损，以及可以提高耐磨性。
尽管出于说明的目的而公开了本发明的优选实施方式，本领域的技术人员应该意识到，可以做出各种修改、增加、和替代而不偏离在所附权利要求中公开的本发明的范畴和精神。
本申请中引用的所有文献的内容(包括文献参考、授权专利、公开的专利申请、和共同申请审理的专利申请)均明确地以参考方式整体并入本文中。

Claims (10)

1.一种发动机气门座圈，其包含：
0.6～1.2wt％的碳(C)；
1.0～3.0wt％的镍(Ni)；
8.0～11.0wt％的钴(Co)；
3.0～6.0wt％的铬(Cr)；
4.0～7.0wt％的钼(Mo)；
0.5～2.5wt％的钨(W)；
1.0～3.0wt％的锰(Mn)；
0.2～1.0wt％的钙(Ca)；
余量的铁(Fe)；和
一种或多种杂质。
2.根据权利要求1所述的发动机气门座圈，其中，
所述发动机气门座圈包含基体，
所述基体通过混合包含0.8～1.2wt％的铬(Cr)、0.4～0.6wt％的钼(Mo)、0.5～0.9wt％的锰(Mn)、1.0～1.4wt％的碳(C)和余量的铁(Fe)的合金粉末与包含0.1～0.3wt％的碳(C)、1.0～3.0wt％的镍(Ni)、和1.0～3.0wt％的钴(Co)的金属粉末而形成。
3.根据权利要求1所述的发动机气门座圈，其中，
所述发动机气门座圈还包含一种或多种选自60wt％钴(Co)-30wt％钼(Mo)-8wt％铬(Cr)合金粉末、铁(Fe)-40wt％铬(Cr)-20wt％钨(W)-10wt％钴(Co)合金粉末、和铁(Fe)-60wt％钼(Mo)合金粉末的硬质颗粒。
4.根据权利要求3所述的发动机气门座圈，其中，
所述60wt％钴(Co)-30wt％钼(Mo)-8wt％铬(Cr)合金粉末通过吹气法制备，并具有60目或更小的粒度。
5.一种制造发动机气门座圈的方法，其包括以下步骤：
混合金属粉末，使得所述发动机气门座圈包含0.6～1.2wt％的碳(C)、1.0～3.0wt％镍(Ni)、8.0～11.0wt％的钴(Co)、3.0～6.0wt％的铬(Cr)、4.0～7.0wt％的钼(Mo)、0.5～2.5wt％的钨(W)、1.0～3.0wt％的锰(Mn)、0.2～1.0wt％的钙(Ca)、余量的铁(Fe)以及一种或多种杂质；
冲压该金属粉末混合物以形成密度为6.85g/cc或更高的致密结构；以及
在1130～1180℃的氮氛下烧结所述致密结构。
6.根据权利要求5所述的制造发动机气门座圈的方法，其中，
在混合所述金属粉末的步骤中，将包含0.8～1.2wt％的铬(Cr)、0.4～0.6wt％的钼(Mo)、0.5～0.9wt％的锰(Mn)、1.0～1.4wt％的碳(C)和余量的铁(Fe)的合金粉末与包含0.1～0.3wt％的碳(C)、1.0～3.0wt％的镍(Ni)、和1.0～3.0wt％的钴(Co)的金属粉末混合以形成基体，然后将硬质颗粒与所述基体混合。
7.根据权利要求6所述的制造发动机气门座圈的方法，其中，
所述硬质颗粒包含60wt％钴(Co)-30wt％钼(Mo)-8wt％铬(Cr)合金粉末、铁(Fe)-40wt％铬(Cr)-20wt％钨(W)-10wt％钴(Co)合金粉末、和铁(Fe)-60wt％钼(Mo)合金粉末中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的制造发动机气门座圈的方法，其中，
所述60wt％钴(Co)-30wt％钼(Mo)-8wt％铬(Cr)合金粉末通过吹气法制备，并具有60目或更小的粒度。
9.根据权利要求5所述的制造发动机气门座圈的方法，其中，
密度为6.85g/cc或更大的所述致密结构是通过在7～9吨/cm2的压力下于室温冲压所述金属粉末混合物而形成的。
10.根据权利要求5所述的制造发动机气门座圈的方法，其中，
在所述致密结构的烧结之后，省略浸渗或热处理。
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