CN108698130A - 烧结阀座 - Google Patents

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Abstract

为了提供一种烧结阀座，该阀座具有优异的阀可冷却性使其可用于高效发动机，以及优异的抗变形性、耐磨性和抗分离性，所述阀座设置有双层结构，所述双层结构具有反复抵接阀面的座层和抵接汽缸盖的阀座压配合开口的底部和内周表面的支承层；所述座层包含选自Cu基或其合金基质中的Co基硬质颗粒和Fe基硬质颗粒中的至少一种；所述支承层包含选自Cu或其合金的基质中的Fe颗粒和Fe合金颗粒中的至少一种。

Description

烧结阀座
技术领域
本发明涉及一种发动机阀座，具体地涉及一种能够抑制阀的温升的压配合、高传热、烧结阀座。
背景技术
最近，为了提供具有改进的燃料效率和更高的环境保护性能的汽车发动机，促进了使发动机排量减少20％至50％的所谓小型化，并且使直喷发动机与涡轮增压器结合以增加压缩比。发动机效率的提高不可避免地导致更高的发动机温度，这可能导致功率降低爆震。因此，改善特别是阀周围的部件的可冷却性已经变得必要。
作为改善阀的可冷却性的手段，专利参考文献1公开了一种用于制造发动机阀的方法，该方法包括将金属钠(Na)密封在发动机阀中的中空阀杆的中空部分中。关于阀座，专利参考文献2教导了一种通过使用诸如激光束的高密度加热能量直接在铝(Al)合金的汽缸盖上堆焊阀座以改善阀可冷却性的方法，称为“激光熔覆法”。作为堆焊阀座的合金，专利参考文献2教导了一种弥散强化Cu基合金，其包含分散在铜(Cu)基基体中的Fe-Ni的硼化物和硅化物颗粒、Sn和/或Zn溶解在Cu基初晶中。
在发动机运行期间，上述金属钠填充阀(阀温度：约600℃)中的阀温度比在实心阀中低约150℃，并且通过激光熔覆法生产的Cu基合金阀座使实心阀的温度降低约50℃(阀温度：约700℃)，防止爆震。然而，金属钠填充的发动机阀成本很高，除了一些车辆之外，其还没有被广泛使用。通过激光熔覆法生产的不包含硬质颗粒的Cu基合金阀座具有不足的耐磨性，因冲击磨损而发生咬粘。另外，直接堆焊在汽缸盖上需要汽缸盖生产线的大幅改变和大量设施投资。
关于压配合到汽缸盖中的阀座，专利参考文献3公开了一种双层烧结铁基合金阀座，其包括使用Cu粉末或含Cu粉末形成的阀抵接层(Cu含量：3-20％)和阀座主体层(Cu含量：5-25％)，以提高热传导性，专利参考文献4公开了一种具有分散的硬质颗粒的烧结Fe基合金，该合金浸渍有Cu或其合金。
另外，专利参考文献5公开了一种烧结Cu基合金阀座，其中，硬质颗粒分散在具有优异热导率的分散固化Cu基合金中。具体而言，起始粉末混合物包括50-90％重量的含Cu基粉末和10-50％重量的粉末状含Mo合金添加剂，该含Cu基粉末是Al2O3分散硬化Cu粉末，该粉末状含Mo合金添加剂包括28-32％重量的Mo、9-11％重量的Cr和2.5-3.5％重量的Si，其余为Co。
尽管专利参考文献5教导了通过在氧化气氛中(以选择性地氧化Al)对通过雾化Cu-Al合金熔体构成的Cu-Al合金粉末进行热处理，能够生产Al2O3分散硬化Cu粉末，但是实际上限制了从Al溶解的Cu-Al合金提高Al2O3分散Cu基体的纯度。另外，Cu基体在较高的纯度下表现出较低的屈服强度，从而由于热屈服，阀座可能从汽缸盖分离。
因此，希望有一种阀座，该阀座能够将阀的温升抑制在不低于在昂贵的金属钠填充发动机阀中所使用的水平，并且具有优异的耐磨性以及优异的抗从汽缸盖分离性。
专利参考文献1：JP 7-119421A
专利参考文献2：JP 3-60895A
专利参考文献3：JP 10-184324 A
专利参考文献4：JP 3786267 B
专利参考文献5：JP 4272706 B
发明内容
鉴于上述问题，本发明的一个目的是提供一种烧结阀座，其具有可用于高效发动机的优异的阀可冷却性，以及优异的抗变形性、耐磨性和抗分离性。
发明人对具有散布在具有优异的热导率的Cu或其合金中的硬质颗粒的烧结阀座进行了广泛的研究，发现通过双层结构——该双层结构包括具有优异的耐热性和耐磨性以及高热导率的座层以及具有优异的抗变形性和高热导率的支承层，烧结阀座可以具有优异的耐磨性和抗变形性，以及高的阀可冷却性。
因此，本发明的烧结阀座被压配合到内置发动机的汽缸盖中；
该阀座具有双层结构，该双层结构包括反复抵接阀面的座层以及抵接汽缸盖的阀座压配合开口的底部表面和内周表面的支承层；
座层包含选自Cu或其合金基质中的Co基硬质颗粒和Fe基硬质颗粒中的至少一种；和
支承层包含选自Cu或其合金基质中的Fe颗粒和Fe合金颗粒中的至少一种。
座层优选地包含25-70％质量百分比的选自Co基硬质颗粒和Fe基硬质颗粒中的至少一种，支承层优选地包含30-70％质量百分比的选自Fe颗粒和Fe合金颗粒中的至少一种。支承层优选地具有比座层的热导率更高的热导率。
由于本发明的烧结阀座具有双层结构，该双层结构包括座层和支承层，该座层为了优异的耐热性和耐磨性以及高热导率而在Cu或其合金的高热导率基体中包含Co基硬质颗粒和/或Fe基硬质颗粒，该支承层为了优异的抗变形性和高热导率而包含Fe颗粒和/或Fe合金颗粒，其可以提供改进的阀可冷却性，减少发动机的诸如爆震等的异常燃烧，从而有助于改善高压缩比、高效发动机的性能。另外，通过致密支承层以提高屈服强度和热导率，可以防止其与汽缸盖分离。另外，由于使用细Cu粉末，因此，即使使用更大量的硬质颗粒也可以构成网状的Cu基体，并且可以致密化以提高强度和耐磨性，同时保持高热导率。
附图说明
图1是示出本发明的烧结阀座的一个示例的示意性剖视图。
图2是示出本发明的烧结阀座的另一示例的示意性剖视图。
图3是示出钻孔测试机的示意图。
图4(a)是示出示例1的座层的横截面结构的扫描电子显微照片。
图4(b)是示出示例1的支承层的横截面结构的扫描电子显微照片。
具体实施方式
本发明的压配合到汽缸盖中的烧结阀座具有双层结构，该双层结构包括至少一个反复抵接阀面的座层和抵接汽缸盖的阀座压配合开口的底部和内周表面的支承层。图1示意性地示出本发明的烧结阀座1的横截面结构的示例。环形座层2和环形支承层3构成双层结构，座层2在其内周表面上具有反复抵接阀面的座面4。图2示意性地示出本发明的烧结阀座的横截面结构的另一示例。座层2具有减小的体积，支承层3的与阀座压配合开口的内周表面接触的外周表面部分具有增大的面积。只要不阻碍热传导，通过在座层2和支承层3之间插入中间层(包括多个中间层)以吸收它们之间的热收缩差，从而防止开裂等，本发明的烧结阀座可以具有3层或多层结构。
在本发明的烧结阀座中，座层具有高热导率以及优异的耐热性和耐磨性，支承层具有高热导率和屈服强度以及优异的抗变形性。为了保证整个烧结阀座具有高热导率，座层和支承层的基体都由Cu或其合金构成，用于耐热性和耐磨性的Co基硬质颗粒和/或Fe基硬质颗粒分散在座层中，用于致密化以及改善的强度和抗变形性的Fe颗粒和/或Fe合金颗粒分散在支承层中。当然，Co基硬质颗粒和/或Fe基硬质颗粒比Fe颗粒和/或Fe合金颗粒更硬。Fe颗粒和/或Fe合金颗粒优选地具有小于350HV0.1的维氏硬度。座层中的Co基硬质颗粒和/或Fe基硬质颗粒的数量优选地为25-70％(质量百分比)，更优选地是30-65％(质量百分比)，进一步优选地是35-60％(质量百分比)。支承层中的Fe颗粒和/或Fe合金颗粒的数量优选地为30-70％(质量百分比)，更优选地是35-65％(质量百分比)，进一步优选地是40-50％(质量百分比)。
支承层优选地具有比座层更高的热导率。具体而言，支承层的热导率优选地是55-90(W/m)·K，更优选地是60-90(W/m)·K，进一步优选地是65-90(W/m)·K。座层的热导率优选地是30-70(W/m)·K，更优选地是35-70(W/m)·K，进一步优选地是40-70(W/m)·K。
座层与支承层的体积比优选地是25/75至70/30，更优选地是25/75至60/40，进一步优选地是25/75至50/50。
重要的是，座层中的Co基硬质颗粒和/或Fe基硬质颗粒以及支承层中的Fe颗粒和/或Fe合金颗粒基本不溶于构成基体的Cu。由于Co和Fe在600℃或以下基本上不溶于Cu，因此它们可以用作Co基和Fe基硬质颗粒。另外，由于Mo、W、Cr和V基本上不溶于Cu，因此它们可以用作主要合金元素。Co基硬质颗粒可以是Co-Mo-Cr-Si合金粉末和Co-Cr-W-C合金粉末。Fe基硬质颗粒可以是Fe-Mo-Cr-Si合金粉末。Co基硬质颗粒优选地是选自Co-Mo-Cr-Si合金颗粒(其以质量百分比计包含27.5-30.0％的Mo、7.5-10.0％的Cr、2.0-4.0％的Si，其余是Co和不可避免的杂质)、Co-Cr-W-C合金颗粒(其以质量百分比计包含27.0-32.0％的Cr、7.5-9.5％的W和1.4-1.7％的C，其余为Co和不可避免的杂质)和Co-Cr-W-C合金颗粒(其以质量百分比计包含28.0-32.0％的Cr、11.0-13.0％的W和2.0-3.0％的C，其余为Co和不可避免的杂质)中的至少一种。Fe基硬质颗粒优选地是Fe-Mo-Cr-Si合金颗粒，其以质量百分比计包含27.5-30.0％的Mo、7.5-10.0％的Cr和2.0-4.0％的Si，其余为Fe和不可避免的杂质。这些硬质颗粒的维氏硬度优选地是550-900HV0.1，更优选地是600-850HV0.1，进一步优选地是650-800HV0.1。
选自Co基硬质颗粒和Fe基硬质颗粒中的至少一种的部分(不是全部)优选地被第二硬质颗粒替代，该第二硬质颗粒是选自合金钢颗粒(其以质量百分比计包含1.4-1.6％的C、0.4％或更少的Si、0.6％或更少的Mn、11.0-13.0％的Cr、0.8-1.2％的Mo和0.2-3.0％的V，其余为Fe和不可避免的杂质)、合金钢颗粒(其以质量百分比计包含0.35-0.42％的C、0.8-1.2％的Si、0.25-0.5％的Mn、4.8-5.5％的Cr、1-1.5％的Mo、0.8-1.15％的V，其余为Fe和不可避免的杂质)、合金钢颗粒(其以质量百分比计包含0.8-0.88％的C、0.45％或更少的Si、0.4％或更少的Mn、3.8-4.5％的Cr、4.7-5.2％的Mo、5.9-6.7％的W和1.7-2.1％的V，其余为Fe和不可避免的杂质)和合金钢颗粒(其以质量百分比计包含0.01％或更少的C、0.3-5.0％的Cr、0.1-2.0％的Mo，其余为Fe和不可避免的杂质)中的至少一种。这些第二硬质颗粒比Co基硬质颗粒和Fe基硬质颗粒软。第二硬质颗粒的维氏硬度优选地是300-650HV0.1，更优选地是400-630HV0.1，进一步优选地是550-610HV0.1。用具有较低硬度的第二硬质颗粒替代Co基硬质颗粒或Fe基硬质颗粒的部分(不是全部)，可以降低对阀的攻击性。第二硬质颗粒的替代量优选地是5-35％(质量百分比)，更优选地是15-35％(质量百分比)，进一步优选地是21-35％(质量百分比)。
选自Co基硬质颗粒和Fe基硬质颗粒中的至少一种的部分(不是全部)优选地被第三硬质颗粒替代，该第三硬质颗粒是选自Fe-Mo-Si合金颗粒(其以质量百分比计包含40-70％的Mo和0.4-2.0％的Si，其余为Fe和不可避免的杂质)、Al2O3颗粒和SiC颗粒中的至少一种。这些第三硬质颗粒的维氏硬度优选地是1100-2400HV0.1。由于第三硬质颗粒通过比Co基硬质颗粒和Fe基硬质颗粒更高的硬度提高了耐磨性，但是增加了对阀的攻击性，因此，应当根据所需性能来控制它们的量。
本发明的阀座的支承层包含Fe颗粒和/或Fe合金颗粒(而不是座层中的不易变形且妨碍致密化的硬质颗粒)，其易于通过压制成型而致密化，并且通过在Cu或其合金的软基质中形成骨架来提高强度和抗变形性。Fe颗粒优选地以质量百分比计由96％或更多的Fe和不可避免的杂质构成，Fe合金颗粒优选地以质量百分比计包含80％或更多的Fe。具体而言，Fe合金颗粒优选地是选自Fe-Cr合金颗粒(其以质量百分比计包含0.5-3.0％的Cr，其余为Fe和不可避免的杂质)和Fe-Cr-Mo合金颗粒(其以质量百分比计包含0.5-5.0％的Cr和0.1-2.0％的Mo，其余为Fe和不可避免的杂质)中的至少一种。Fe颗粒和Fe合金颗粒的维氏硬度优选地小于350HV0.1，更优选地小于300HV0.1。
支承层中选自Fe颗粒和Fe合金颗粒中的至少一种的部分(不是全部)优选地被第二硬质颗粒替代，该第二硬质颗粒是选自合金钢颗粒(其以质量百分比计包含1.4-1.6％的C、0.4％或更少的Si、0.6％或更少的Mn、11.0-13.0％的Cr、0.8-1.2％的Mo和0.2-3.0％的V，其余为Fe和不可避免的杂质)、合金钢颗粒(其以质量百分比计包含0.35-0.42％的C、0.8-1.2％的Si、0.25-0.5％的Mn、4.8-5.5％的Cr、1-1.5％的Mo、0.8-1.15％的V，其余为Fe和不可避免的杂质)、合金钢颗粒(其以质量百分比计包含0.8-0.88％的C、0.45％或更少的Si、0.4％或更少的Mn、3.8-4.5％的Cr、4.7-5.2％的Mo、5.9-6.7％的W和1.7-2.1％的V，其余为Fe和不可避免的杂质)和合金钢颗粒(其以质量百分比计包含0.01％或更少的C、0.3-5.0％的Cr、0.1-2.0％的Mo，其余为Fe和不可避免的杂质)中的至少一种。这些比Fe颗粒和Fe合金颗粒硬的第二硬质颗粒的维氏硬度优选地是300-650HV0.1，更优选地是400-630HV0.1，进一步优选地是550-610HV0.1。用具有较高硬度的第二硬质颗粒替代上述Fe颗粒和Fe合金颗粒的部分(不是全部)，防止了压制成型期间的变形和分层，并且提供了具有更接近的收缩率的座层和支承层，以防止应变和开裂。替代的第二硬质颗粒的量优选地是3-30％(质量百分比)，更优选地是5-30％(质量百分比)，进一步优选地是5-25％(质量百分比)。
选自Fe颗粒和Fe合金颗粒中的至少一种的部分(不是全部)优选地被第三硬质颗粒替代，该第三硬质颗粒是选自Fe-Mo-Si合金颗粒(其以质量百分比计包含40-70％的Mo和0.4-2.0％的Si，其余为Fe和不可避免的杂质)、Al2O3颗粒和SiC颗粒中的至少一种。这些第三硬质颗粒的维氏硬度是1100-2400HV0.1。由于第三硬质颗粒在压制成型期间通过比第二硬质颗粒更高的硬度防止变形，因此，应当根据所需性能来控制它们的量。
本发明的烧结阀座优选地包含用于致密化的Fe-P合金粉末。支承层优选地比座层包含更多的Fe-P合金粉末，以提高热导率、强度和抗变形性以及致密性。P在座层中的量优选地是0.05-2.2％(质量百分比)，在支承层中的量是0.1-2.2％(质量百分比)。以质量百分比计包含15-32％的P的Fe-P合金粉末可商业获得。例如，当使用以质量百分比计包含26.7％的P的Fe-P合金粉末时，添加的Fe-P合金粉末的量优选地在座层中是质量的0.2-8.2％，在支承层中是质量的0.4-8.2％。由于P与Co、Cr、Mo等形成化合物，因此，P含量的上限更优选地是质量的2.5％，进一步优选地是质量的1.0％。
为了获得致密的烧结体，可以像Fe-P合金粉末一样添加高至质量的6.5％的Sn。通过在烧结期间形成液相，在Cu基质中添加少量Sn有助于致密化。然而，添加大量Sn会降低Cu基质的热导率，增加所形成的低韧性、低强度的Cu3Sn化合物的量，使烧结体的耐磨性劣化。因此，添加的Sn的上限是6.5％(质量百分比)。Sn的添加量优选地是0.3-2.0％(质量百分比)，更优选地是0.3-1.0％(质量百分比)。
如果需要，本发明的烧结阀座可以在座层中包含固体润滑剂。例如，在没有燃料润滑的情况下进行滑动的直接喷射式发动机中，需要添加固体润滑剂以增加自润滑性，从而保持耐磨性。因此，本发明的烧结阀座可以包含高至3％(质量百分比)，即0-3％(质量百分比)的固体润滑剂。固体润滑剂优选地选自碳、氮化物、氧化物、硫化物和氟化物，特别是选自C、BN、MnS、CaF2、SiO2、WS2和Mo2S中的至少一种。
通过制备用于支承层的混合物粉末和用于座层的混合物粉末、将用于支承层的混合物粉末装填到模具的一部分中、将用于座层的混合物粉末装填到模具中的用于支承层的混合物粉末上，然后将其压制成型，形成本发明的烧结阀座的双层结构。通过混合Cu粉末、Fe粉末和/或Fe合金粉末以及根据需要的替代部分Fe粉末和/或Fe合金粉末的第二硬质颗粒和/或第三硬质颗粒和Fe-P合金粉末来制备用于支承层的混合物粉末。通过混合Cu粉末、Co基硬质颗粒和/或Fe基硬质颗粒以及根据需要的替代部分Co基硬质粉末和/或Fe基硬质粉末的第二硬质颗粒和/或第三硬质颗粒、Fe-P合金粉末、Sn粉末和固体润滑剂来制备用于座层的混合物粉末。为了提高紧实性，可以将0.5-2％(质量百分比)的硬脂酸盐作为脱模剂添加到各混合物粉末中。烧结阀座的生坯在真空中或在非氧化或还原气氛中在850-1070℃范围内的温度下烧结。
为了在Cu或其合金的软基质中形成骨架，上述硬质颗粒、Fe颗粒和Fe合金颗粒优选地具有10-150μm的中值直径。例如通过使用可以从MicrotracBEL公司获得的MT3000II系列，可以确定中值直径，其对应于累积体积(通过在等于或小于具体直径的直径范围内累积颗粒体积得到)相对于直径的曲线中的累积体积为50％时的直径d50。中值直径更优选地是50-100μm，进一步优选地是65-85μm。
用于本发明的烧结阀座的硬质颗粒、Fe颗粒和Fe合金颗粒优选地是球形或非球形的不规则形状。由于Co基硬质颗粒和Fe基硬质颗粒抗变形、妨碍致密化，因此，对于提高填充率它们优选地是球形。另一方面，由于球形硬质颗粒容易从滑动面分离，因此，对于防止分离而言，不规则的、非球形硬质颗粒是优选的。特别地在座层中，优选地根据所需性能使用球形硬质颗粒或不规则形状硬质颗粒。当然，可以使用球形硬质颗粒和不规则形状硬质颗粒的混合物。由于具有较低硬度的硬质颗粒易于致密化，因此，它们优选地是不规则的、非球形形状，以增加硬质颗粒的接触从而构成骨架结构。可以通过气体雾化法构成球形硬质颗粒，可以通过粉化法或水雾化法构成不规则的、非球形颗粒。
构成基质的Cu粉末优选地具有45μm或更小的中值直径和99.5％或更高的纯度。对于较高的粉末填充率，使用比硬质颗粒的中值直径小的Cu粉末。结果，即使具有大量硬质颗粒也可以形成网状的Cu基质。例如，硬质颗粒优选地具有45μm或更大的中值直径，Cu粉末优选地具有30μm或更小的中值直径。在这方面，Cu粉末优选地是球形雾化粉末。优选地使用具有用于缠结的微细突起的电解Cu的树枝状粉末来形成网状基质。
示例1
将中值直径为22μm、纯度为99.8％(质量百分比)的电解Cu粉末与50％(质量百分比)的Co基硬质颗粒(对应于下述Co基硬质颗粒1A)以及1.0％(质量百分比)的Fe-P合金粉末混合，以制备用于烧结阀座的座层的混合粉末，该Co基硬质颗粒的中值直径为72μm，并且以质量百分比计包含28.5％的Mo、8.5％的Cr、2.6％的Si，其余为Co和不可避免的杂质，该Fe-P合金粉末以质量百分比计包含26.7％的P。所使用的Co基硬质颗粒是球形颗粒和不规则形状颗粒的混合物。将0.5％(质量百分比)的硬脂酸锌添加到材料粉末中，以在成型步骤中良好地分离。
使用电解Cu粉末和Fe-P合金粉末来制备用于座层的混合物粉末，将电解Cu粉末与45％(质量百分比)的F粉末以及2.5％(质量百分比)的Fe-P合金粉末混合，以制备用于烧结阀座的支承层的混合粉末，该Fe粉末具有60μm的中值直径和99.8％(质量百分比)的纯度(对应于下述Fe或Fe合金颗粒4A)。Fe颗粒具有不规则的形状，并且添加了0.5％(质量百分比)的硬脂酸锌。
将预定量的用于支承层的混合物粉末和用于座层的混合物粉末依次装填到模具中，并且在640MPa的表面压力下压制成型，以形成用于阀座的双层生坯。如图1所示，进行混合物粉末的装填和压制，使得双层生坯的层边界垂直于阀座的内周表面和外周表面。
用于阀座的各生坯在真空中在1050℃的温度下烧结，以产生外径为40mm、内径为18mm、厚度为8mm的环形烧结体。将各环形烧结体机械加工成外径为25.8mm、内径为21.6mm、高度为6mm的阀座样品，其座面从轴向倾斜45°。
计算各层的尺寸可知，上述阀座的座层与支承层的体积比为37/63。另外，对阀座中的P的组成分析可知，P在座层中为0.27％(质量百分比)，在支承层中为0.66％(质量百分比)。通过所添加的Fe-P合金粉末的量反映该结果。
为了确定上述阀座的座层和支承层的热导率，将用于各层的混合粉末被成型、烧结和机械加工，以形成5mmΦ×1.3mm的试样。通过激光闪光法测量各试样的热导率。结果，座层具有50(W/m)·K的热导率，支承层具有78(W/m)·K的热导率，支承层的热导率高于座层的热导率。
为了确定上述阀座的座层和支承层的强度，将用于各层的混合粉末成型和烧结，以形成外径为40mm、内径为18mm、厚度为8mm的环形烧结体。测量环形烧结体的密度和径向抗碎强度。结果，座层具有7.61Mg/m3的密度和441MPa的径向抗碎强度，支承层具有8.00Mg/m3的密度和710MPa的径向抗碎强度，支承层的密度和径向抗碎强度均高于座层。
比较例1
使用包含10％(质量百分比)的Fe-Mo-Si合金粉末(对应于下述第三硬质颗粒3A)的烧结Fe基合金，该Fe-Mo-Si合金粉末用作硬质颗粒，其中值直径为78μm，并且以质量百分比计包括60.1％的Mo和0.5％的Si，其余为Fe和不可避免的杂质，制成具有与示例1相同形状的单层阀座样品。
比较例2
将用于示例1中的座层的混合粉末所使用的50％(质量百分比)的Co基硬质颗粒替代为35％(质量百分比)的上述Co基硬质颗粒和15％(质量百分比)的合金钢颗粒，该合金钢颗粒用作硬质颗粒，其中值直径为84μm，并且以质量百分比计包含0.85％的C、0.3％的Si、0.3％的Mn、3.9％的Cr、4.8％的Mo、6.1％的W和1.9％的V，其余为Fe和不可避免的杂质，制成具有与示例1相同形状的单层阀座样品。
[1]测量阀可冷却性(阀温度)
使用图3所示的钻孔测试机测量阀的温度，以评估阀可冷却性。将阀座样品11压配合到由汽缸盖材料(Al合金，AC4A)制成的阀座支架12中，并放置在测试机中。在燃烧器13加热阀14的同时，通过旋转凸轮15来上下移动阀14(SUH合金，JIS G4311)，进行钻孔测试。通过使燃烧器13中的空气和气体的流量以及燃烧器的位置保持恒定来恒定加热，通过使用温度记录器16测量阀头的中心部分的温度来确定阀可冷却性。燃烧器13中的空气和气体的流量(L/min)分别为90L/min和5.0L/min，凸轮的转速为2500rpm。开始操作15分钟后，测量饱和阀温度。在示例中，通过与比较例1中的阀温度(而不是可以根据加热条件等变化的饱和阀温度)相比的温度下降值(负值)表示阀可冷却性。尽管比较例1中的饱和阀温度高于800℃，但是它在示例1中低于800℃，阀可冷却性为-58℃。另外，阀可冷却性在比较例2中为-30℃。
[2]磨损测试
在评估阀可冷却性之后，使用图3所示的钻孔测试机评估耐磨性。使用嵌入阀座11中的热电偶17进行评估，调节燃烧器13的功率，以使阀座的抵接表面保持在预定温度。通过抵接表面削减的高度来表示磨损，通过在测试前后测量阀座和阀的形状来确定该高度。通过堆积焊接成与上述阀座适配的尺寸的Co合金(Co-20％Cr-8％W-135％C-3％Fe)构成所使用的阀14(SUH合金)。测试条件是温度为300℃(在阀座的抵接表面处)，凸轮转速为2500rpm，测试时间为5小时。以与比较例1中的磨损(假定为1)之比表示磨损。与比较例1中的1相比，示例1中的磨损在阀座中是0.71，在阀中是0.92，比较例2中的磨损在阀座中是0.86，在阀中是0.88。
[3]抗分离性测试
在作为加速测试的抗分离性测试中，重复将阀座11加热到500℃和将其空气冷却到50℃进行500次循环，并且在冷却后，测量将阀座从阀座支架12拔出的负载作为抗分离性。在图3所示的钻孔测试机中，阀14未被使用，在阀座11下方布置隔热板。用温度记录器16测量阀座的抵接表面的温度。通过万能测试机测量拔出负载。假定比较例2(其中，整个阀座仅由座层材料构成)中的拔出负载为1，用相对值表示抗分离性。相对于比较例2，示例1中的抗分离性为1.94。由烧结Fe基合金构成的比较例1的阀座的抗分离性为1.8。
示例2-45
在示例2-45中，使用表1所示的Co基硬质颗粒和Fe基硬质颗粒、表2所示的第二硬质颗粒、表3所示的第三硬质颗粒以及表4所示的Fe颗粒和Fe合金颗粒，以与示例1相同的方式，制备具有表5所示成分的用于座层的混合粉末和具有表6所示成分的用于支承层的混合粉末。表5示出添加到用于座层的混合物粉末中的Fe-P合金粉末、Sn粉末和固体润滑剂粉末的量。对于表1至3中的Co基或Fe基硬质颗粒以及第二和第三硬质颗粒，示出了其维氏硬度HV0.1(嵌入树脂中，镜面抛光，并且在0.1kg的负荷下测量)、中值直径和形状。在表6中，未将Sn粉末和固体润滑剂粉末添加到用于支承层的混合物粉末中。
表1
类型 成分 HV0.1 d50 形状
1A Co-28.5％Mo-8.5％Cr-2.6％Si 725 72 球形+不规则
1B Fe-29.1％Mo-7.9％Cr-2.2％Si 677 66 球形+不规则
1C Co-30.0％Cr-8.0％W-1.6％C 772 55 球形
1D Co-28.0％Cr-4.0％W-1.1％C 766 69 球形
1E Co-30.0％Cr-12.0％W-2.5％C 761 83 球形
表2
表3
表4
类型 成分 d50 形状
4A Fe(99.8％) 60 不规则
4B Fe-3％Cr-0.5％Mo 58 不规则
4C Fe-1.5％Cr-0.2％Mo 63 不规则
4D Fe-1.8％Cr 55 不规则
表5-1
注：(1)添加量(％)。
表5-2
表6
注：(1)添加量(％)。
在实施例2-32和36-45中，以与示例1相同的方式制备阀座样品，表7所示的座层与支承层的组合具有不同的座层与支承体的体积比，以与示例1相同的方式测量座层/支承层体积比、阀可冷却性、磨损测试和抗分离性。在示例33-35中，制备了具有图2所示的层边界的双层生坯，各支承层由内侧倾斜45°的模具构成。在示例10中，通过扫描电子显微镜观察座层和支承层的横截面微结构。
在示例10中，图4(a)示出座层的扫描电子显微照片，图4(b)示出支承层的扫描电子显微照片。在图4(a)的座层的显微照片中，Cu基质5和硬质颗粒6(Co基硬质颗粒[硬质颗粒1A]和第二硬质颗粒[2A])以相互作用的方式分布，尽管部分断开，但是Cu基质5是几乎连续的。由于硬质颗粒6抗变形，因此观察到它们保持其颗粒形状，颗粒之间以及在颗粒和Cu基质的边界中存在间隙。另一方面，在图4(b)的支承层的微观结构中，Cu基质5和Fe颗粒7(Fe颗粒4A)以相互作用的方式分布，Cu基质充分连续。还观察到Fe颗粒/Cu基质边界紧密结合，表明支承层比座层更致密。d50为72μm和84μm的硬质颗粒分散在座层中，d50为60μm的Fe颗粒分散在支承层中，支承层具有比座层稍微细的结构。
表7示出示例2-45中对座层/支承层体积比、阀可冷却性、耐磨性和抗分离性的测量结果以及示例1和对比示例1和2的上述测量结果。
表7-1
注：(1)座层与支承层的体积比。
表7-2
本发明的烧结阀座呈现出等于或高于烧结Fe基合金阀座的耐磨性，并且由于座层和支承层的双层结构，具有可以与烧结Fe基合金阀座相比较的抗分离性。另外，随着支承层的体积比增加，其表现出更好的阀可冷却性。
附图标记说明
1：烧结阀座
2：座层
3：支承层
4：座面
5：铜基质
6：硬质颗粒
7：Fe颗粒
11：阀座样品
12：阀座支架
13：燃烧器
14：阀
15：凸轮
16：温度计录器
17：热电偶

Claims (15)

1.一种压配合到内置发动机的汽缸盖中的烧结阀座；
所述阀座具有双层结构，所述双层结构包括反复抵接阀面的座层，以及抵接汽缸盖的阀座压配合开口的底部表面和内周表面的支承层；
所述座层包含选自Cu或其合金的基质中的Co基硬质颗粒和Fe基硬质颗粒中的至少一种；和
所述支承层包含选自Cu或其合金的基质中的Fe颗粒和Fe合金颗粒中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的烧结阀座，其中：
所述座层包含25-70％质量百分比的、选自Co基硬质颗粒和Fe基硬质颗粒中的至少一种；和
所述支承层包含30-70％质量百分比的、选自Fe颗粒和Fe合金颗粒中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的烧结阀座，其中，所述支承层具有比所述座层的热导率更高的热导率。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的烧结阀座，其中，所述座层与所述支承层的体积比为25/75-70/30。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的烧结阀座，其中：
所述座层中所包含的所述Co基硬质颗粒是选自以下项中的至少一种：Co-Mo-Cr-Si合金颗粒，以质量百分比计包含27.5-30.0％的Mo、7.5-10.0％的Cr、2.0-4.0％的Si，其余是Co和不可避免的杂质；Co-Cr-W-C合金颗粒，以质量百分比计包含27.0-32.0％的Cr、7.5-9.5％的W和1.4-1.7％的C，其余为Co和不可避免的杂质；和Co-Cr-W-C合金颗粒，以质量百分比计包含28.0-32.0％的Cr、11.0-13.0％的W和2.0-3.0％的C，其余为Co和不可避免的杂质；和
所述座层中所包含的所述Fe基硬质颗粒为Fe-Mo-Cr-Si合金颗粒，所述Fe-Mo-Cr-Si合金颗粒以质量百分比计包含27.5-30.0％的Mo、7.5-10.0％的Cr和2.0-4.0％的Si，其余为Fe和不可避免的杂质。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的烧结阀座，其中，在所述支承层中，所述Fe颗粒为以质量百分比计包含96％或更多的Fe和不可避免的杂质的Fe颗粒；以及所述Fe合金颗粒为选自以下项中的至少一种：Fe-Cr合金颗粒，以质量百分比计包含0.5-3.0％的Cr，其余为Fe和不可避免的杂质；和Fe-Cr-Mo合金颗粒，以质量百分比计包含0.5-5.0％的Cr和0.1-2.0％的Mo，其余为Fe和不可避免的杂质。
7.根据权利要求5所述的烧结阀座，其中
所述座层中所包含的、选自所述Co基硬质颗粒和所述Fe基硬质颗粒中的至少一种的部分由第二硬质颗粒替代；和
所述第二硬质颗粒是选自以下项中的至少一种：合金钢颗粒，以质量百分比计包含1.4-1.6％的C、0.4％或更少的Si、0.6％或更少的Mn、11.0-13.0％的Cr、0.8-1.2％的Mo和0.2-3.0％的V，其余为Fe和不可避免的杂质；合金钢颗粒，以质量百分比计包含0.35-0.42％的C、0.8-1.2％的Si、0.25-0.5％的Mn、4.8-5.5％的Cr、1-1.5％的Mo和0.8-1.15％的V，其余为Fe和不可避免的杂质；合金钢颗粒，以质量百分比计包含0.8-0.88％的C、0.45％或更少的Si、0.4％或更少的Mn、3.8-4.5％的Cr、4.7-5.2％的Mo、5.9-6.7％的W和1.7-2.1％的V，其余为Fe和不可避免的杂质；和合金钢颗粒，以质量百分比计包含0.01％或更少的C、0.3-5.0％的Cr和0.1-2.0％的Mo，其余为Fe和不可避免的杂质。
8.根据权利要求7所述的烧结阀座，其中
所述座层中所包含的、选自所述Co基硬质颗粒和所述Fe基硬质颗粒中的至少一种的部分由第三硬质颗粒替代；
所述第三硬质颗粒是选自以下项中的至少一种：Fe-Mo-Si合金颗粒，以质量百分比计包含40-70％的Mo和0.4-2.0％的Si，其余为Fe和不可避免的杂质；Al2O3颗粒；和SiC颗粒。
9.根据权利要求6所述的烧结阀座，其中：
所述支承层中所包含的、选自所述Fe颗粒和所述Fe合金颗粒中的至少一种的部分由第二硬质颗粒替代；和
所述第二硬质颗粒是选自以下项中的至少一种：合金钢颗粒，以质量百分比计包含1.4-1.6％的C、0.4％或更少的Si、0.6％或更少的Mn、11.0-13.0％的Cr、0.8-1.2％的Mo和0.2-3.0％的V，其余为Fe和不可避免的杂质；合金钢颗粒，以质量百分比计包含0.35-0.42％的C、0.8-1.2％的Si、0.25-0.5％的Mn、4.8-5.5％的Cr、1-1.5％的Mo、0.8-1.15％的V，其余为Fe和不可避免的杂质；和合金钢颗粒，以质量百分比计包含0.8-0.88％的C、0.45％或更少的Si、0.4％或更少的Mn、3.8-4.5％的Cr、4.7-5.2％的Mo、5.9-6.7％的W和1.7-2.1％的V，其余为Fe和不可避免的杂质。
10.根据权利要求9所述的烧结阀座，其中
所述支承层中所包含的、选自所述Fe颗粒和所述Fe合金颗粒中的至少一种的部分由第三硬质颗粒替代；和
所述第三硬质颗粒是选自以下项中的至少一种：Fe-Mo-Si合金颗粒，以质量百分比计包含40-70％的Mo和0.4-2.0％的Si，其余为Fe和不可避免的杂质；Al2O3颗粒；和SiC颗粒。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的烧结阀座，其中，所述座层包含质量百分比为0.05-2.2％的P。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的烧结阀座，其中，所述支承层包含质量百分比为0.1-2.2％的P。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的烧结阀座，其中，所述座层包含质量百分比高至6.5％的Sn。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的烧结阀座，其中，所述座层包含质量百分比高至3％的固体润滑剂。
15.根据权利要求14所述的烧结阀座，其中，所述固体润滑剂是选自由C、BN、MnS、CaF2、SiO2、WS2和Mo2S构成的组中的至少一种。
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