CN106077660A - 一种粉末冶金制备发动机气门座的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粉末冶金制备发动机气门座的方法，通过本制备方法制得的具有特定组分的粉末冶金气门座，除由合金元素带来的增益效果外，粉末冶金气门座的各项性能均得到明显提升，制得的气门座的抗拉强度达到1260MPa，径向压溃强度达到914MPa，洛式硬度达到69HRC，韧性达到8.5 MPa·m1/2，气门座的致密度达到98.7%，优于现有制备工艺制得的粉末冶金气门座，同时，本发明省略了昂贵的渗铜工艺，在生产成本上明显降低了制造成本，易于推广应用。
Description
技术领域
本发明属于汽车零部件制造领域，特别涉及一种粉末冶金制备发动机气门座的方法。
背景技术
作为一种技术简单，生产成本低，获得的产品性能好的汽车零部件制造方法，粉末冶金技术广泛用于汽车制造行业，特别是近年来，粉末冶金制备气门座技术正突飞猛进，其主要制备工艺为混料-压制-烧结-蒸汽-浸油，此种工艺不仅能够使一般熔制钢材难以得到的非金属物质的配合，同时切削少，材料耗损低，生产效率高。但是，由于粉末冶金制造的气门座相比于熔铸的气门座，其存在较高的孔隙度，这使得气门座的冲击韧性、耐磨性和抗压强度等新更能方面存在着性能不足的缺点，为此，本领域技术人员受热处理工艺启发，对粉末冶金制造的气门座进行热处理，实践证明，热处理后的粉末冶金气门座的力学性能和机械性能得到了明显提高，因此，对粉末冶金气门座进行热处理是可行的。
由于粉末冶金气门座合金成分较多，在烧结和蒸汽处理过程中，发生的冶金反应和合金元素的扩散相当复杂，研究起来非常耗时耗资源，同时，针对含有不同合金成分的粉末冶金气门座，其热处理工艺也不尽相同，气门座的任一项性能参数都会影响热处理工艺参数的制定，例如，若气门座的空隙度超过10％，当采用盐浴炉时，熔盐会深入孔隙内腐蚀气门座，进而使气门座报废，又例如，由于孔隙度的存在，气门座的相对密度分布不均匀，在进行淬火时，在各种应力作用下，极易使气门座发生变形和应力裂纹，因此对气门座进行热处理时，工艺参数的选择显得非常重要，即使差之毫厘，其得到的气门座的性能也是大不相同。
有鉴于此，为了得到一种各方面性能优异的气门座，除了材料本身因素外，其制备工艺的设计和制定也是影响气门座性能的一大主要因素。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种粉末冶金制备发动机气门座的方法，通过本制备方法制得的具有特定组分的粉末冶金气门座，除由合金元素带来的增益效果外，使粉末冶金气门座的各项性能得到明显提升，同时，用热处理工艺来代替昂贵的渗铜工艺，降低气门座的生产成本。
本发明采用的技术方案如下：一种粉末冶金制备发动机气门座的方法，发动机气门座由石墨、铬粉、钴粉、铝粉、硅粉、锆粉、铌粉、铪粉、助剂和铁粉制成，制备方法包括以下步骤：
步骤一、原料混合，分别按设定质量称取石墨、铬粉、钴粉、铝粉、硅粉、锆粉、铌粉、铪粉、助剂和铁粉原料，其中，石墨为粒径55-75μm的鳞片状石墨，铬粉、钴粉、铝粉、铋粉、硅粉、锆粉、铌粉和铪粉的粒径均为75-100μm，铁粉为100-130μm粒径的雾化铁粉，助剂由润滑剂、纳米级二氧化钛和氧化锌制成，将上述各组分置于高速球磨机中进行混粉研磨2h，高速球磨机转速为450rad/min，然后置于高速混合机中混合均匀，得到初级混料；
步骤二、设计压制模具，用硬脂酸锌酒精溶液润滑压制模具的内腔，然后将混合料倒入已设计好的模具内，安装上冲模，使冲模的上表面保持水平，安装完成后，将模具放入粉末压片机中进行压制成型，压制压力为230-250MPa，压制速度为1mm/min，保压时间为8min，得到压坯件；
步骤三、将得到的压坯件置于烘干炉中进行100℃保温烘干3-4h，；
步骤四、将烘干后的压坯件放入真空烧结炉中进行真空烧结，真空烧结炉先升温至250℃，升温速率为90℃/h，烧结2h，然后升温至900℃，升温速率为1000℃/h，保温1h，再升温至1200℃，升温速率为1200℃/h，保温2-3h，然后再降温至500℃，保温1-2h，最后随炉冷却至室温，得到半成品；
步骤五、将得到的半成品置于热处理炉中并加热至1100℃，保温0.5-1h，然后油淬至600-800℃，保温0.5h，再油淬至室温，得到淬火件；
步骤六、将得到的淬火件再次放入热处理炉中并加热至660℃，保温1h，最后空冷至室温，得到回火件；
步骤七、将得到的回火件进行打磨和精整，在去离子水中进行超声清洗，干燥；
步骤八、步骤七完成后，将清洗后的回火件放入真空浸油机内进行浸润滑油处理，处理时间为8h，得到成品。
在上述制备方法中，对粉末进行研磨是为了防止纳米级的二氧化钛和粒径较细小的合金颗粒出现聚集现象而影响烧结后气门座的性能；压制压力需选择恰当，若压力过小，压坯件的密度较低，密度的大小影响后续的烧结过程，若密度较低，则使得压坯件内铁磁性物质(如钴和镍)的磁感线减弱，颗粒间不能很好的结合，使得最终的气门座的孔隙度较大，机械强度较差，经试验探究，压制压力在230-250MPa时，压坯件能获得合适的密度；压制烧结前，先对压坯件进行烘干的目的是为了消除压坯件内残留的气体、水分和表面的硬脂酸锌酒精溶液，减少气门座中气孔的产生；烧结时，先加热至250℃，以增强原子颗粒的活动性，为原子间形成新的排列组合提供预热，并进一步除去坯件内残留的气体和水分；然后再加热至900℃，在900℃时，压坯件内的原子发生强烈的原子扩散，进而产生晶界，这能大幅提高压坯的强度和硬度，当升温至1200℃时，压坯内形成烧结颈，随着烧结颈的长大提高了压坯内各组分的粘结性，此时压坯内部的孔隙变小并发生球化，孔隙表面的合金颗粒开始移动，压坯内的合金元素趋于均匀化，最终得到的烧结体的机械强度和力学性能都较高。
在热处理时，将试样加热至1100℃，保温1h，使气门座的组织完全奥氏体化，促进硬质碳化物如锆碳化物的均匀溶解分散，然后采用油淬的方式使组织向马氏体转变，以得到强度、硬度、韧性和耐磨性等性能优异的气门座，淬火采用分段淬火过渡的方式，以防止气门座脆化和应力裂纹产生，在淬火过程中，由于孔隙度的存在，为了保证气门座的组织致密性，在淬火时，升温速率和淬火温度需严格控制，以使气门座奥氏体均匀化过程充分进行；气门座淬火后，采用高温回火的方式来增强组织的稳定性，消除奥氏体的残余应力，高温回火后，气门座的的金相组织为回火索氏体，这使得气门座的综合力学性能达到最优。
进一步，为了防止在烧结过程中合金颗粒被氧化和污染，真空烧结炉中的真空度不低于1.0×10-3Pa。
进一步，步骤五中，升温速率为70℃/h。
进一步，热处理炉中需充满氩气，以防止气门座在热处理时被氧化。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：通过本制备方法制得的具有特定组分的粉末冶金气门座，除由合金元素带来的增益效果外，粉末冶金气门座的各项性能得到明显提升，其得到的气门座的抗拉强度达到1260MPa，径向压溃强度达到914MPa，洛式硬度达到69HRC，韧性达到8.5MPa·m1/2，气门座的致密度达到98.7％，优于现有制备工艺制得的粉末冶金气门座，同时，在生产成本上无需进行蒸汽处理，明显降低了制造成本，易于推广应用。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：
一种粉末冶金制备发动机气门座的方法，包括以下步骤：
步骤一、原料混合，分别按质量取分别按质量取石墨为2.2％，铬粉为1.4％，钴粉为4.5％，铝粉为1.8％，硅粉为1.77％，锆粉为0.6％，铌粉为1.36％，铪粉为0.18％，助剂为4.8％，余量为铁粉，其中，所述铁粉为100-130μm粒径的雾化铁粉，铬粉、钴粉、铝粉、铋粉、硅粉、锆粉、铌粉和铪粉的粒径均为75-100μm，润滑剂为镍包二硫化钼，石墨为粒径为鳞片状石墨55-75μm，助剂由下列质量百分比的原料制成：65％的润滑剂、18％的纳米级二氧化钛和17％的氧化锌，将上述各组分置于高速球磨机中进行混粉研磨2h，高速球磨机转速为450rad/min，然后置于高速混合机中混合均匀，得到初级混料；
步骤二、设计压制模具，用硬脂酸锌酒精溶液润滑压制模具的内腔，然后将混合料倒入已设计好的模具内，安装上冲模，使冲模的上表面保持水平，安装完成后，将模具放入粉末压片机中进行压制成型，压制压力为245MPa(245MPa为最佳压制压力，当然也可选择230MPa或者250MPa)，压制速度为1mm/min，保压时间为8min，得到压坯件；
步骤三、将得到的压坯件置于烘干炉中进行100℃保温烘干3-4h(最佳烘干时间3h，若不考虑生产时长问题，也可延长至4h)；
步骤四、将烘干后的压坯件放入真空烧结炉中进行真空烧结，其中，真空度不低于1.0×10-3Pa，真空烧结炉先升温至250℃，升温速率为90℃/h，烧结2h，然后升温至900℃，升温速率为1000℃/h，保温1h，再升温至1200℃，升温速率为1200℃/h，保温2h，然后再降温至500℃，保温1-2h(最好保温2h)，最后随炉冷却至室温，得到半成品；
步骤五、将得到的半成品置于热处理炉中并加热至1100℃，升温速率为70℃/h，热处理炉内充满氩气保护气体，保温0.5-1h，然后油淬至600-800℃(油淬后的温度不易掌控，但应在600-800℃内)，保温0.5h，再油淬至室温，得到淬火件；
步骤六、将得到的淬火件再次放入热处理炉中并加热至660℃，保温1h，最后空冷至室温，得到回火件；
步骤七、将得到的回火件进行打磨和精整，在去离子水中进行超声清洗，干燥；
步骤八、步骤七完成后，将清洗后的回火件放入真空浸油机内进行浸润滑油处理，处理时间为8h，得到成品。
对比例：
现有技术制备粉末冶金发动机气门座的工艺包括以下步骤：
步骤一、原料混合，分别按质量取分别按质量取石墨为2.2％，铬粉为1.4％，钴粉为4.5％，铝粉为1.8％，硅粉为1.77％，锆粉为0.6％，铌粉为1.36％，铪粉为0.18％，助剂为4.8％，余量为铁粉，其中，所述铁粉为100-130μm粒径的雾化铁粉，铬粉、钴粉、铝粉、铋粉、硅粉、锆粉、铌粉和铪粉的粒径均为75-100μm，润滑剂为镍包二硫化钼，石墨为粒径为鳞片状石墨55-75μm，助剂由下列质量百分比的原料制成：65％的润滑剂、18％的纳米级二氧化钛和17％的氧化锌，将上述各组分置于高速球磨机中进行混粉研磨2h，高速球磨机转速为450rad/min，然后置于高速混合机中混合均匀，得到初级混料；
步骤二、设计压制模具，用硬脂酸锌酒精溶液润滑压制模具的内腔，然后将混合料倒入已设计好的模具内，安装上冲模，使冲模的上表面保持水平，安装完成后，将模具放入粉末压片机中进行压制成型，压制压力为245MPa，压制速度为1mm/min，保压时间为8min，得到压坯件；
步骤三、将烘干后的压坯件放入含氨分解气氛烧结炉中进行烧结1h，烧结温度为1100℃，熔浸温度为1250℃，最后随炉冷却至室温，得到半成品；
步骤四、将半成品送入蒸汽处理炉中。在500℃下蒸汽处理2h；
步骤五、步骤四完成后，将步骤四得到的半成品放入炉中于380℃条件下保温2h，最后随炉冷却至室温，得到成品。
经试验测试，实施例的气门座和对比例的气门座的主要性能如下表所示：
由上表对比可得出，本发明的制备方法提高了粉末冶金气门座的各项性能，明显优于现有制备工艺，同时，可证明出，本发明人通过大量实验研究探索，所得到的工艺流程和工艺参数是合理的，具有生产应用价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种粉末冶金制备发动机气门座的方法，发动机气门座由石墨、铬粉、钴粉、铝粉、硅粉、锆粉、铌粉、铪粉、助剂和铁粉制成，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、原料混合，分别按设定质量称取石墨、铬粉、钴粉、铝粉、硅粉、锆粉、铌粉、铪粉、助剂和铁粉原料，其中，石墨为粒径55-75μm的鳞片状石墨，铬粉、钴粉、铝粉、铋粉、硅粉、锆粉、铌粉和铪粉的粒径均为75-100μm，铁粉为100-130μm粒径的雾化铁粉，助剂由润滑剂、纳米级二氧化钛和氧化锌制成，将上述各组分置于高速球磨机中进行混粉研磨2h，高速球磨机转速为450rad/min，然后置于高速混合机中混合均匀，得到初级混料；
步骤二、设计压制模具，用硬脂酸锌酒精溶液润滑压制模具的内腔，然后将混合料倒入已设计好的模具内，安装上冲模，使冲模的上表面保持水平，安装完成后，将模具放入粉末压片机中进行压制成型，压制压力为230-250MPa，压制速度为1mm/min，保压时间为8min，得到压坯件；
步骤三、将得到的压坯件置于烘干炉中进行100℃保温烘干3-4h，；
步骤四、将烘干后的压坯件放入真空烧结炉中进行真空烧结，真空烧结炉先升温至250℃，升温速率为90℃/h，烧结2h，然后升温至900℃，升温速率为1000℃/h，保温1h，再升温至1200℃，升温速率为1200℃/h，保温2-3h，然后再降温至500℃，保温1-2h，最后随炉冷却至室温，得到半成品；
步骤五、将得到的半成品置于热处理炉中并加热至1100℃，保温0.5-1h，然后油淬至600-800℃，保温0.5h，再油淬至室温，得到淬火件；
步骤六、将得到的淬火件再次放入热处理炉中并加热至660℃，保温1h，最后空冷至室温，得到回火件；
步骤七、将得到的回火件进行打磨和精整，在去离子水中进行超声清洗，干燥；
步骤八、步骤七完成后，将清洗后的回火件放入真空浸油机内进行浸润滑油处理，处理时间为8h，得到成品。
2.如权利要求1所述的粉末冶金制备发动机气门座的方法，其特征在于，烧结过程中，真空度不低于1.0×10-3Pa。
3.如权利要求1所述的粉末冶金制备发动机气门座的方法，其特征在于，步骤五中，升温速率为70℃/h。
4.如权利要求1所述的粉末冶金制备发动机气门座的方法，其特征在于，热处理炉中充满氩气。
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