CN107838413A - 一种重型发动机粉末冶金阀座材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种重型发动机粉末冶金阀座材料，其原料组成及质量百分比含量为：FeMoSiMn金属合金粉10～50，固体润滑剂≤5，机械加工助剂≤5，其余为基体形成粉末，其制备方法先将各原料按比例混合均匀，再将混合后的粉末压制成生坯，随后将生坯烧结并以铜坯形式进行溶渗铜处理，最后依次进行回火处理和深冷处理即可。本发明不仅显著提高了材料的耐磨性，而且不会带来成本的大幅提高。

Description

一种重型发动机粉末冶金阀座材料及其制备方法
技术领域
本发明属于合金铁基冶金材料领域，具体涉及一种重型发动机粉末冶金阀座材料及其制备方法，适用于提高耐磨性、耐蚀性和高温稳定性，控制成本。
背景技术
发动机内，为控制燃料流入气缸和燃烧的废气从气缸中排出设置有一气门或阀系统。进气与排气阀都关闭时，缸盖就处于气密性状态,这时密封面就是阀座。气门和阀座这对摩擦副工况复杂。一方面，气门的频繁开合对阀座造成冲击，且气门的转动使得气门与阀座有轴向的相对位移。另一方面，进气端和排气端受到燃料及废气物的冲刷，特别是排气端，高温废气使得排气阀座温度较高，且废气中的腐蚀成分对阀座造成腐蚀磨损。近年来，汽车排放法规的升级和发动机燃油经济性提高，使得发动机缸内爆压提升、功率密度增大，阀座的工况也越来越苛刻。另外，发动机燃料的更改使得阀座的磨擦环境也有所改变。例如，天然气发动机中，气门和阀座的滑动接触面处于干摩擦状态，因此与汽油机或柴油机内的阀座比，磨损更快。在高负荷重型发动机中，工作爆压可能达到180～200bar，未来国VI发动机会更高，相应的阀座承受气阀带来的压力会更大，工作温度也会提高，在这些苛刻的条件下，要求阀座耐磨性好，同时还要求有不发生累垮现象的高强度。
鉴于以上所述的高温、高冲击载荷、热腐蚀性气体冲刷的工作状况，对阀座材料提出了相应的技术要求：具有优异的高温耐磨性、耐蚀性及高温稳定性，热膨胀系数必须与缸盖材料匹配且力学性能较高。传统发动机内进、排气阀座通常采用高铬铸铁材料，经加工和热处理制造而成。但铸铁类阀座磨损快，随着现代发动机功率的提高，铸造材料阀座已经满足不了耐磨性要求，同时，铸件阀座还存在着一定的环境污染问题。
中国专利：公开号为CN1438350A，公布日为2003年8月27日的发明专利公开了一种制造粉末冶金阀座嵌件的粉末金属混合物，包括15％到30％的阀钢粉末、0到10％的镍、0到5％的铜、5％到15％的铁合金粉末、0到15％的工具钢粉末、0.5％到5％的固体润滑剂、0.5％到2.0％的石墨、0.3％到1％的短效润滑剂以及余量合金钢粉末，包括0.6％到2.0％的钼、0到5％的镍和0到3％的铜。虽然其提高了耐高温性、耐腐蚀性和可切削加工性，但仍然存在以下缺陷：
其采用的铁合金粉末为FeMo合金粉，FeMo的高耐热性使得其在基体中基本不发生溶解扩散，最终以FeMo硬质相的形式分布于基体中，虽然可提高耐磨性和热硬度，但其作用有限，因此制得的粉末冶金阀座得耐磨性有待改善。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的耐磨性较差的问题，提供一种能够显著提高耐磨性的重型发动机粉末冶金阀座材料及其制备方法。
为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：
一种重型发动机粉末冶金阀座材料，其原料组成及质量百分比含量为：FeMoSiMn金属合金粉10～50，固体润滑剂≤5，机械加工助剂≤5，其余为基体形成粉末。
所述FeMoSiMn金属合金粉的质量百分比含量为30～50。
所述FeMoSiMn金属合金粉中，Si、Mo、Mn的质量百分比含量分别为1～12、10～ 50、0.1～5，其余为Fe和不可避免的杂质。
所述FeMoSiMn金属合金粉中还包括质量百分比含量≤5的功能元素，该功能元素为V、W、Ni、Cu中的至少一种。
所述FeMoSiMn金属合金粉由粒径为20～50um的细粉末粒子和粒径为50～100um的粗粉末粒子组成，且细粉末粒子的质量百分比含量为40～60；
所述铁基体形成粉末由粒径为20～50um的细粉末粒子和粒径为50～80um的粗粉末粒子组成，且细粉末粒子的质量百分比含量为60～80。
所述材料的原料组成还包括石墨粉，且石墨粉的质量百分比含量≤2。
所述铁基体形成粉末为高速钢粉、低合金耐热粉、含钴钢粉、含铬钢粉中的至少一种，所述固体润滑剂为CaF2、MoS2、滑石粉、石墨碳、BN中的至少一种，所述机械加工助剂为MnS、偏硅酸镁类矿物或氮化硼。
所述材料的化学组成及其质量百分比含量为：Mo 8.2～25，Mn 1.0～3.0，Co 0.03～ 1，W 0.8～4.0，V 0.5～2.0，Cr 0.5～5，Ni 0.05～2.0，Cu 10～20，Si 0.2～8， C 0.5～1.5，其余为Fe和不可避免的杂质。
一种重型发动机粉末冶金阀座材料的制备方法，依次包括以下步骤：
一、先将所述FeMoSiMn金属合金粉、固体润滑剂和基体形成粉末按比例混合均匀，再将混合后的粉末压制成生坯；
二、先将所述生坯烧结并以铜坯形式进行溶渗铜处理，然后依次进行回火处理和深冷处理即可。
步骤一中，所述混合时间为1～2h，所述生坯的密度为6.6～7.0g/cm3；
步骤二中，所述烧结温度为1100～1200℃，所述回火温度为400～600℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种重型发动机粉末冶金阀座材料的原料组成包括FeMoSiMn金属合金粉，且其质量百分比含量为10～50，优选其质量百分比含量为30～50，即采用高含量的FeMoSiMn合金粉，一方面，该设计使得材料的基体内分布大量的FeMoSiMn硬质合金相，并进一步在Fe基上析出MoSiMn团聚态硬质相，这种MoSiMn团聚态化合物硬度高，在阀座与气门对磨的实际工况中可起到支撑耐磨作用，大量分布于基体中能够显著提高材料的耐磨性，另一方面，硬质合金相的Mo、Si、Mn元素在烧结过程中会适度扩散到基体中，不仅有利于硬质合金相在基体中的固定，避免长时间磨损而产生的剥落，而且能够使铁基体硬化，从而提高材料的耐磨性，同时，FeMoSiMn合金粉的成本要明显低于Co基、Ni基合金的成本，大量添加不会大幅提高材料的成本。因此，本发明不仅显著提高了材料的耐磨性，而且不会带来成本的大幅提高。
2、本发明一种重型发动机粉末冶金阀座材料中FeMoSiMn金属合金粉、铁基体形成粉末均由细粉末粒子和粗粉末粒子组成，粗、细粉末配合有助于在大量添加 FeMoSiMn合金粉的前提下不降低粉末的压制性，保证压制后生坯密度达到6.6～7.0 g/cm3，实现烧结致密化，经机械加工后制成的阀座成品密度增至7.7～8.1g/cm3，硬度大于45HRC，从而进一步提高了材料的耐磨性。因此，本发明进一步提高了材料的耐磨性。
3、本发明一种重型发动机粉末冶金阀座材料的制备方法通过溶渗铜处理可有效提高材料的耐点蚀性和耐酸性。因此，本发明方法也有利于提高材料的耐蚀性。
附图说明
图1是本发明实施例1的金相结构图。
图2是本发明实施例2的金相结构图。
图3是不同材料的磨损量对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
一种型发动机粉末冶金阀座材料，其原料组成及质量百分比含量为：FeMoSiMn 金属合金粉10～50，固体润滑剂≤5，机械加工助剂≤5，其余为基体形成粉末。
所述FeMoSiMn金属合金粉的质量百分比含量为30～50。
所述FeMoSiMn金属合金粉中，Si、Mo、Mn的质量百分比含量分别为1～12、10～ 50、0.1～5，其余为Fe和不可避免的杂质。
所述FeMoSiMn金属合金粉中还包括质量百分比含量≤5的功能元素，该功能元素为V、W、Ni、Cu中的至少一种。
所述FeMoSiMn金属合金粉由粒径为20～50um的细粉末粒子和粒径为50～100um的粗粉末粒子组成，且细粉末粒子的质量百分比含量为40～60；
所述铁基体形成粉末由粒径为20～50um的细粉末粒子和粒径为50～80um的粗粉末粒子组成，且细粉末粒子的质量百分比含量为60～80。
所述材料的原料组成还包括石墨粉，且石墨粉的质量百分比含量≤2。
所述铁基体形成粉末为高速钢粉、低合金耐热粉、含钴钢粉、含铬钢粉中的至少一种，所述固体润滑剂为CaF2、MoS2、滑石粉、石墨碳、BN中的至少一种，所述机械加工助剂为MnS、偏硅酸镁类矿物或氮化硼。
所述材料的化学组成及其质量百分比含量为：Mo 8.2～25，Mn 1.0～3.0，Co 0.03～ 1，W 0.8～4.0，V 0.5～2.0，Cr 0.5～5，Ni 0.05～2.0，Cu 10～20，Si 0.2～8， C 0.5～1.5，其余为Fe和不可避免的杂质。
一种重型发动机粉末冶金阀座材料的制备方法，依次包括以下步骤：
一、先将所述FeMoSiMn金属合金粉、固体润滑剂和基体形成粉末按比例混合均匀，再将混合后的粉末压制成生坯；
二、先将所述生坯烧结并以铜坯形式进行溶渗铜处理，然后依次进行回火处理和深冷处理即可。
步骤一中，所述混合时间为1～2h，所述生坯的密度为6.6～7.0g/cm3；
步骤二中，所述烧结温度为1100～1200℃，所述回火温度为400～600℃。
本发明材料的成分及作用如下：
本发明通过在铁基体形成粉末中大量添加FeMoSiMn金属合金粉，并采用细粉末与粗粉末按一定比例组合的形式添加，使得制备的阀座具有高合金含量的同时可通过烧结致密化提高材料强度(包括材料的硬质、耐磨性、耐蚀性和高温稳定性)，从而满足大功率发动机的使用要求。另外，本发明制备方法合理，成本可控且易于大批量生产，为后期高性能粉末冶金阀座的商品化应用奠定了基础。
本发明所述铁基体形成粉末选择如下材料中的至少一种混合制成：
高速钢粉，其原料组成及质量百分比含量为：Co 0.1～0.2、Mo 2.0～8.0、W 3～10、V 1.0～2.0、Cr 3～5.0、Ni 0.1～5.0、C 0.5～1.0、Si 0～0.20，其余为Fe 及不可避免的杂质；
低合金耐热粉，其原料组成及质量百分比含量为：Mo 0.1～0.2、Cr 1.0～5.0、 Mn0.1～0.2、Cu 1.0～4.0、C 0.5～2.0，其余为Fe及不可避免的杂质；
含钴钢粉，其原料组成及质量百分比含量为：Co 5.5～7.5、Mo 0.5～3.0、Ni 0.1～ 5.0，其余为Fe及不可避免的杂质。
含铬钢粉，其原料组成及质量百分比含量为：Mo 0.5～1.0、V 2.0～8.0、Cr 10～15、C 0.5～3.0，其余为Fe及不可避免的杂质。
功能元素：本发明所述FeMoSiMn金属合金粉添加有V、W、Ni、Cu中的至少一种作为功能元素，V、W扩散到基体中可形成碳化物，提高材料耐磨性，同时，V还能提高材料的回火软化抗力，阀座在实际工况中，会经历反复地热冲击，添加V则提高阀座材料耐热冲击的能力；Ni、Cu扩散到基体中可提高基体的淬透性，使烧结冷却后易于形成马氏体，提高材料强度和耐磨性，同时，少量的Ni含量不仅会使材料含有少量的残留奥氏体，提高材料韧性，也能提高材料的耐蚀性。
本发明所述材料的化学组成对Co、Mo、Cr、Mn、Ni、W、V等元素含量有具体要求，这些元素在提高基体耐热性、耐蚀性和耐磨性方面都有显著效果。同时，Cu相的加入提高了材料的导热性能并通过增加其密度进一步提高了材料的强度、硬度，也能起到一定的减摩作用。
Mo：硬质合金相和基体中的Mo元素在基体中扩散后，还能提高材料的耐酸性、耐蚀性和抗热性；
Mn：Mn元素扩散到基体中能够提高材料的耐蚀性和强韧性；
Cr：Cr元素扩散到基体中能形成钝化膜从而带来耐蚀性的提高
石墨粉：本发明材料的原料中添加有石墨粉，其作用主要是与基体粉末、合金相粉末中的Mo、Si、Mn、V、W等元素形成碳化物提高材料硬度，或扩散到基体中强化基体，从而提高材料的耐磨性。由于添加量过大会降低材料密度从而使整体强度反而下降，因此将其质量百分比含量控制在2以内。
机械加工助剂：本发明采用MnS、偏硅酸镁类矿物或氮化硼作为机械加工助剂，可改善材料的切削加工性能，有利于热处理后阀座的机械加工成型。
实施例1：
一种重型发动机粉末冶金阀座材料，其原料组成及质量百分比含量为：FeMoSiMn金属合金粉30、CaF2 0.8、MoS2 0.6、MnS 0.4、微蜡粉0.6、其余为高速钢粉。其中，所述FeMoSiMn金属合金粉由粒径为20～50um的细粉末粒子和粒径为50～100um的粗粉末粒子组成，且细粉末粒子的质量百分比含量为40，所述铁基体形成粉末由粒径 20～50um的细粉末粒子和粒径为50～80um的粗粉末粒子组成，且细粉末粒子的质量百分比含量为60，所述FeMoSiMn金属合金粉的原料组成及其重量百分比含量为Si 10、 Mo 50、Mn 4、V 1、W 2、Ni0.5、Cu 1，其余为Fe和不可避免的杂质。
一种重型发动机粉末冶金阀座材料的制备方法，依次进行以下步骤：
一、先将所述FeMoSiMn金属合金粉、固体润滑剂和基体形成粉末按比例混合1h 均匀，再将混合后的粉末压制成密度为6.6～7.0g/cm3的生坯；
二、先将所述生坯于1100℃烧结并以铜坯形式进行溶渗铜处理，然后于400℃回火处理，最后进行深冷处理即可。
采用上述方法制备得到的材料的化学组成及其质量百分比含量为：Mo 15.4，Mn1.2，Co 0.1，W 3.7，V 1.0，Cr 2.5，Ni 0.1，Cu 16.8，Si 2.6，C 0.5，其余为 Fe和不可避免的杂质。
实施例2：
与实施例1的不同之处在于：
所述材料的原料组成及质量百分比含量为：FeMoSiMn金属合金粉40、MoS2 1、MnS0.4、石墨粉0.8、微蜡粉0.6、含铬钢粉6、其余为高速钢粉。所述FeMoSiMn金属合金粉的原料组成及其重量百分比含量为Si 6、Mo 35、Mn 2、V 0.2、W 1.3、Ni 0.2、 Cu 2.0，其余为Fe和不可避免的杂质。
步骤一中，所述混合时间为2h；
步骤二中，所述烧结温度为1200℃，所述回火温度为600℃。
采用该方法制备得到的材料的化学组成及其质量百分比含量为：Mo 12.84，Mn0.8，Co 0.07，W 2.8，V 0.8，Cr 1.9，Ni 0.1，Cu 18，Si 1.9，C 0.95，其余为 Fe和不可避免的杂质。
实施例3：
与实施例1的不同之处在于：
所述材料的原料组成及质量百分比含量为：FeMoSiMn金属合金粉50、CaF2 0.8、MoS2 0.6、MnS 0.4、石墨粉1、微蜡粉0.6、其余为高速钢粉。所述FeMoSiMn金属合金粉的原料组成及其重量百分比含量为Si 2、Mo 20、Mn 1、V 1.0、W 0.6、Ni 0.2、 Cu 0.8，其余为Fe和不可避免的杂质。
采用该方法制备得到的材料的化学组成及其质量百分比含量为：Mo 8.5，Mn 0.5，Co 0.1，W 2.0，V 0.6，Cr 1.4，Ni 0.1，Cu 20，Si 0.7，C 0.9，其余为Fe和不可避免的杂质。
为考察上述实施例的材料性能，对其进行了密度、表观硬度、维氏硬度、金相结构以及耐磨性检测，其中，
密度(GB/T 5163-2006，阿基米德排水法)为7.7～8.1g/cm3；
表观硬度(采用洛氏硬度计测量)大于45HRC；
维氏硬度(GB/T 4340.1-2009，采用显微硬度计测量)为：基体硬度500(Hv0.1) 左右，FeMoSiMn合金相硬度790～880(Hv0.1)；
实施例1、2的金相结构(采用金相显微镜检测)分别参见附图1(200×)、2(200×)，图1从组织状态来看，基体为马氏体及回火索氏体，弥散分布着点状碳化物，硬质合金相均匀适度的扩散进入基体，图2的金相组织结构与图1相同，但弥散分布的碳化物更多，这是由于实施例2中添加了含铬钢粉，烧结过程中Cr向铁基体扩散，强化基体，同时形成铬碳化物，耐磨性进一步提高；
耐磨性试验(QC/T748-2006)以本发明实施例1、2、3制备得到的材料(分别为新材料1、新材料2、新材料3)与某国产材料、某进口材料进行比较。图3为上述五种材料的磨损量对比图，从图中能够看出，本发明材料的耐磨性能明显优于现有国产材料，与进口材料相当。

Claims (10)

1.一种重型发动机粉末冶金阀座材料，其特征在于：
所述材料的原料组成及其质量百分比含量为：FeMoSiMn金属合金粉10～50，固体润滑剂≤5，机械加工助剂≤5，其余为基体形成粉末。
2.根据权利要求1所述的一种重型发动机粉末冶金阀座材料，其特征在于：所述FeMoSiMn金属合金粉的质量百分比含量为30～50。
3.根据权利要求1或2所述的一种重型发动机粉末冶金阀座材料，其特征在于：所述FeMoSiMn金属合金粉中，Si、Mo、Mn的质量百分比含量分别为1～12、10～50、0.1～5，其余为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1或2所述的一种重型发动机粉末冶金阀座材料，其特征在于：所述FeMoSiMn金属合金粉中还包括质量百分比含量≤5的功能元素，该功能元素为V、W、Ni、Cu中的至少一种。
5.根据权利要求1或2所述的一种重型发动机粉末冶金阀座材料，其特征在于：
所述FeMoSiMn金属合金粉由粒径为20～50um的细粉末粒子和粒径为50～100um的粗粉末粒子组成，且细粉末粒子的质量百分比含量为40～60；
所述铁基体形成粉末由粒径为20～50um的细粉末粒子和粒径为50～80um的粗粉末粒子组成，且细粉末粒子的质量百分比含量为60～80。
6.根据权利要求1或2所述的一种重型发动机粉末冶金阀座材料，其特征在于：所述材料的原料组成还包括石墨粉，且石墨粉的质量百分比含量≤2。
7.根据权利要求1或2所述的一种重型发动机粉末冶金阀座材料，其特征在于：
所述铁基体形成粉末为高速钢粉、低合金耐热粉、含钴钢粉、含铬钢粉中的至少一种，所述固体润滑剂为CaF2、MoS2、滑石粉、石墨碳、BN中的至少一种，所述机械加工助剂为MnS、偏硅酸镁类矿物或氮化硼。
8.根据权利要求1所述的一种重型发动机粉末冶金阀座材料，其特征在于：
所述材料的化学组成及其质量百分比含量为：Mo 8.2～25，Mn 1.0～3.0，Co 0.03～1，W 0.8～4.0，V 0.5～2.0，Cr 0.5～5，Ni 0.05～2.0，Cu 10～20，Si 0.2～8，C 0.5～1.5，其余为Fe和不可避免的杂质。
9.一种权利要求1所述的重型发动机粉末冶金阀座材料的制备方法，其特征在于：
所述制备方法依次包括以下步骤：
一、先将所述FeMoSiMn金属合金粉、固体润滑剂和基体形成粉末按比例混合均匀，再将混合后的粉末压制成生坯；
二、先将所述生坯烧结并以铜坯形式进行溶渗铜处理，然后依次进行回火处理和深冷处理即可。
10.根据权利要求9所述的一种重型发动机粉末冶金阀座材料的制备方法，其特征在于：
步骤一中，所述混合时间为1～2h，所述生坯的密度为6.6～7.0 g/cm3；
步骤二中，所述烧结温度为1100～1200℃，所述回火温度为400～600℃。
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