CN105586535B - 无钴合金材料粉末冶金气门座及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无钴粉末冶金气门座材料，化学成份及其含量为：C：0.8‑1.2%，Cr：4.0‑6.0%，Mo：5.0‑7.0%，Ni：0.8‑1.8%，Cu：12‑20%，Si：0‑1%，润滑剂：0‑1%，余量为Fe。本发明还公开了一种无钴粉末冶金气门座材料的制备方法，用含Cr合金的水雾化粉作为基础粉，选择配方量的含Cr的水雾化合金粉末作为基础粉，之后配入配方量的Mo‑Fe合金粉、Ni、C粉、Si及润滑剂，通过混合、压制、烧结和冷处理而成，HRC为40‑50。本发明气门座具有耐磨、耐腐蚀、抗高温性能，特别适合柴油发动机，材料价格仅为有钴材料的1/2。

Description

无钴合金材料粉末冶金气门座及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别是一种无钴材料粉末冶金气门座及其制备方法以及其在柴油机上应用。
背景技术
目前国内汽车大量使用柴油机作为动力，柴油机更是拖拉机的传统动力。气门座作为柴油机的关键元件，现仍大量使用铸铁材料，由于铸造污染大，气门座的耐磨性也不够理想，国外大部分气门座被粉末冶金材料所替代。针对国内这个大市场，2015年初我们就对此领域开展研发。由于柴油机的工作温度比汽油机高100℃左右，受气门冲击力比汽油机大，国内柴油机粉末冶金气门座都含有钴元素，钴含量在5～15％不等，钴是一种稀有元素，价格昂贵，国外上世纪九十年代开展无钴材料方面研究，而国内鲜有报导，由于含钴材料价格高，也限制粉末冶金气门座在柴油机中推广。2010年，我们研发了“一种高耐磨低钴粉末冶金气门座”与主机厂配套近百万台汽油发动机，至今未发现早期磨损的质量问题，但把它应用到柴油机上很牵强，也很难适应柴油机高温，大冲击的工况，选用什么材料能满足柴油机粉末冶金气门座耐磨、耐腐蚀、抗高温的要求是本发明要解决的问题。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种无钴粉末冶金材料气门座及其制备方法与在柴油机上应用，本发明制得的气门座具有更高的耐磨性、耐腐蚀、抗高温及结合强度，特别适合柴油发动机，材料价格仅为有钴材料的1/2。
本发明的第一个目的是通过以下技术方案实现的，一种无钴合金材料粉末冶金气门座，气门座的化学成分及其质量百分比为：C：0.8-1.2％，Cr：4.0-6.0％，Mo：5.0-7.0％，Ni：0.8-1.8％，Cu：12-20％，Si：0-1％，润滑剂：0-1％，余量为Fe。
优选的，所述气门座的化学成分及其含量为：C：0.8％，Cr：4.0％，Mo：7.0％，Ni：1.2％，Cu：15％，Si：0-1％，润滑剂：0-1％，余量为Fe。
优选的，所述气门座的化学成分及其含量为：C：1.1％，Cr：5.1％，Mo：5.2％，Ni：1.3％，Cu：14％，Si：0-1％，润滑剂：0-1％，余量为Fe。
优选的，所述气门座的化学成分及其含量为：C：1.0％，Cr：6.0％，Mo：5.0％，Ni：1.7％，Cu：12％，Si：0-1％，润滑剂：0-1％，余量为Fe。
优选的，所述气门座的化学成分及其含量为：C：0.9％，Cr：4.5％，Mo：6.0％，Ni：1.1％，Cu：18％，Si：0-1％，润滑剂：0-1％，余量为Fe。
本发明的第二个目的是通过以下技术方案实现的，上述无钴合金材料粉末冶金气门座的制备方法，包括以下步骤：
(1)首先选择含Cr的水雾化合金粉末作为基础粉，之后配入Mo-Fe合金粉、Cr20Ni8Mo5Si2合金粉、C粉及润滑剂，经过30-50分钟混制，混合均匀后进行压制；所述含Cr的水雾化合金粉末包括以下质量比的各组分：C：0.8-1.2％，Cr：4.0-6.0％，Mo：5.0-7.0％，Ni：0.8-1.8％；
(2)压制后将生坯置入推杆式烧结炉内烧结，在氨分解气氛中，温度在1100-1150℃进行烧结40-60分钟，并采用Cu的熔渗工艺使密度≥7.5g/cm3，烧结坯硬度HRC≥35；
(3)再通过-150℃冷冻处理，经过200-220℃回火后烧结坯硬度为HRC40-50，金相组织为马氏体+贝氏体+A残+硬质相+Cu相；测其显微硬度(HV0.1)：Mo-Fe硬质相为1100-1700；Cr20Ni8Mo5Si2硬质相为700-1000；基体组织400-600。
优选的，所述润滑剂为硬脂酸锌。
本发明的第三个目的是通过以下技术方案实现的，上述钴合金材料粉末冶金气门座在柴油机上的应用。
与现有粉末冶金气门座技术相比，本发明具有以下有益效果：
第一，本发明最大的特点不含钴材料，价格仅为钴合金材料的1/2；与现有的铸造相比，它不是把合金元素熔化在铁水中形成均质组织，而是有效利用粉末冶金材料特点，把不同性能铁合金通过混合、压制、烧结、冷处理，形成具有不同硬度的金相组织，具有更高的耐磨性、耐腐蚀、抗高温及结合强度。
第二，由于气门座工作环境十分恶劣，它必须有一个很强劲的基体支撑着气门，通过试验，我们选择含Cr合金的水雾化粉作为基础粉末，其Cr的百分比含量不能太低，非则耐腐蚀、抗高温性能不好，太高烧结性能不好。有了基础材料必须筛选形成硬质相合金材料，该材料应对基础粉有较好的亲和性，并和基础材料牢固地结合在一起，首当其冲对抗气门的冲击、磨削及高温腐蚀。由于采用Cu的熔渗工艺，使材料Cu含量达到12-20％，有效地增加它的导热性。
第三，把基础粉末和形成硬质相合金材料混合、压制、烧结、冷处理后，其性能应达到含钴材料性能。即HRC≥40；压溃强度≥500N/mm2；密度≥7.5g/cm3；其金相组织符合后，必须通过台架试验，再装机试用。
第四，本发明用含Cr合金的水雾化粉作为基础粉加入一定量的Mo-Fe、Cr20Ni8Mo5Si2合金粉，通过混合、压制、烧结和冷处理而成，HRC为40-50。本发明特点是：一种无钴，国内所供座圈都含Co，二是价格低廉，三是很实用的耐磨材料。
具体实施方式
一种无钴粉末冶金气门座，化学成分及其含量为：C：0.8-1.2％，Cr：4.0-6.0％，Mo：5.0-7.0％，Ni：0.8-1.8％，Cu：12-20％，Si：0-1％，润滑剂：0-1％，余量为Fe。形成耐磨、耐腐蚀、抗高温的硬质相材料为Cr20Ni8Mo5Si2的合金粉末。
这是一种无钴材料气门座，首先选择一种含Cr的水雾化合金粉末作为基础粉，之后配入5-15％Mo-Fe合金粉、15-25％Cr20Ni8Mo5Si2合金粉、0.9-1.3％C粉及0.8％润滑剂，经过30分钟混制，压制后将生坯置入推杆式烧结炉内烧结，在氨分解气氛中，温度在1120℃进行烧结50分钟，并采用Cu的熔渗工艺使密度≥7.5g/cm3，烧结坯硬度HRC≥35，再通过-150℃冷冻处理，经过200℃回火后烧结坯硬度为HRC40-50，金相组织为马氏体+贝氏体+A残+硬质相+Cu相。测其显微硬度(HV0.1)：Mo-Fe硬质相为1100-1700；Cr20Ni8Mo5Si2硬质相为700-1000；基体组织400-600。这种无钴合金材料气门座，具有强硬的基体上均匀分布着硬度高低相错硬质相，极大地提高其耐磨性能。
润滑剂优选硬脂酸锌。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例
下面是四个具体实施例的元素组成成分及质量百分比，如表1所示。
表1
四个实施例中气门座的检测数据见表2。
表2
按照可靠性试验规范，将上述实例2、4气门座圈产品在试验台架上全速全负荷(额度转速2300转/分，功率206kw，最大扭矩960N.m)累计运行800h，无钴材料气门座磨损量为0.038mm，而QZ5铸铁气门座磨损量为0.047mm，符合设计要求，然后我们送200台份在某柴油机缸盖厂试用，至今5个月未发现早期磨损。
综上实施结果表明，本发明的无钴材料气门座具有优异的耐磨、耐热、耐腐蚀、抗冲击性能，是一种价廉物美的新型材料。
本发明最大的特点不含钴材料，价格仅为钴合金材料的1/2；与现有的铸造相比，它不是把合金元素熔化在铁水中形成均质组织，而是有效利用粉末冶金材料特点，把不同性能铁合金通过混合、压制、烧结、冷处理，形成具有不同硬度的金相组织，具有更高的耐磨性、耐腐蚀、抗高温及结合强度。
由于气门座工作环境十分恶劣，它必须有一个很强劲的基体支撑着气门，通过试验，我们选择含Cr合金的水雾化粉作为基础粉末，其Cr的百分比含量不能太低，非则耐腐蚀、抗高温性能不好，太高烧结性能不好。有了基础材料必须筛选形成硬质相合金材料，该材料应对基础粉有较好的亲和性，并和基础材料牢固地结合在一起，首当其冲对抗气门的冲击、磨削及高温腐蚀。
本发明把基础粉末和形成硬质相合金材料混合、压制、烧结、冷处理后，其性能应达到含钴材料性能。即HRC≥40；压溃强度≥500N/mm2；密度≥7.5g/cm3；其金相组织符合后，必须通过台架试验，再装机试用。

Claims (7)

1.一种无钴合金材料粉末冶金气门座，其特征在于，所述气门座的化学成分及其质量百分比为：C：0.8-1.2%，Cr：4.0-6.0%，Mo：5.0-7.0%，Ni：0.8-1.8%，Cu：12-20%，Si：0-1%，润滑剂：0-1%，余量为Fe；
无钴合金材料粉末冶金气门座的制备方法，包括以下步骤：
（1）首先选择配方量的含Cr的水雾化合金粉末作为基础粉，之后配入配方量的Mo-Fe合金粉、Ni、C粉、Si及润滑剂，经过30-50分钟混制，混合均匀后进行压制；
（2）压制后将生坯置入推杆式烧结炉内烧结，在氨分解气氛中，温度在1100-1150℃进行烧结40-60分钟，并采用Cu的熔渗工艺使密度≥7.5g/cm3，烧结坯硬度HRC≥35；
（3）再通过-150℃冷冻处理，经过200-220℃回火后烧结坯硬度为HRC40-50，金相组织为马氏体+贝氏体+A残+硬质相+ Cu相；测其显微硬度（HV0.1）：Mo-Fe硬质相为1100-1700；Cr20 Ni8 Mo5Si2硬质相为700-1000；基体组织400-600。
2.根据权利要求1所述的无钴合金材料粉末冶金气门座，其特征在于，所述气门座的化学成分及其含量为：C：0.8%，Cr：4.0%，Mo：7.0%，Ni：1.2%， Cu：15%，Si：0-1%，润滑剂：0-1%，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的无钴合金材料粉末冶金气门座，其特征在于，所述气门座的化学成分及其含量为：C：1.1 %，Cr：5.1 %，Mo：5.2%，Ni：1.3%， Cu：14%，Si：0-1%，润滑剂：0-1%，余量为Fe。
4.根据权利要求1所述的无钴合金材料粉末冶金气门座，其特征在于，所述气门座的化学成分及其含量为：C：1.0%，Cr：6.0%，Mo：5.0%，Ni：1.7%， Cu：12%，Si：0-1%，润滑剂：0-1%，余量为Fe。
5.根据权利要求1所述的无钴合金材料粉末冶金气门座，其特征在于，所述气门座的化学成分及其含量为：C：0.9%，Cr：4.5%，Mo：6.0%，Ni：1.1%， Cu：18%，Si：0-1 %，润滑剂：0-1%，余量为Fe。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的无钴合金材料粉末冶金气门座的制备方法，其特征是，所述润滑剂为硬脂酸锌。
7.权利要求1-5所述的无钴合金材料粉末冶金气门座在柴油机上的应用。
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