CN108817375A - 高性能气门座圈的粉末冶金生产方法及气门座圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高性能气门座圈的粉末冶金生产方法，包括预混合、粘接混合、压制、烧结等步骤。采用本发明的有益效果是，通过粘接混合处理，有利于减少粉尘和偏析，同时改善流速，有利于压制成型，以及生产过程中工件重量控制及尺寸一致性。产品尺寸、性能均一，耐磨性好，使用寿命长。

Description

高性能气门座圈的粉末冶金生产方法及气门座圈

技术领域

本发明涉及一种金属件加工成型方法，具体涉及一种高性能气门座圈的粉末冶金生产方法及其气门座圈。

背景技术

气门座圈是燃气式发动机的重要零件，其主要作用是承受高速冲击以及密封气门。由于工作时受到高速、高频率冲击，且工作温度高，这一苛刻的工作条件导致其易发生磨损。为提高气门座圈的使用寿命和可靠性，需要在材料和成型工艺两方面着手，制备高性能产品。粉末冶金是一种先进制造技术，由于其成型性能好，且制得的产品具有一定孔隙率，润滑剂能够进入孔隙内而被储存，并在使用时流出，起到润滑作用。其一般制备过程为，将各种原料粉末经普通混合后，进行压制和烧结。然而，这一制备过程存在如下问题：从搅拌车间到压制设备之间进行传送过程中，由于各种材料比重不同、颗粒大小各异，混匀后的粉末在运输过程中存在偏析现象，导致制得的产品各部分化学成分不均匀，进一步导致不同产品之间尺寸变化较大，以及工作状态下气门座圈形变不均匀，影响产品质量和工作性能；此外，传送过程存在扬尘，污染车间环境，并造成原料浪费。

发明内容

为解决粉末的偏析引起产品尺寸偏差大、耐磨性差的技术问题，本发明提供一种高性能气门座圈的粉末冶金生产方法及其气门座圈。

技术方案如下：

一种高性能气门座圈的粉末冶金生产方法，其关键在于包括以下步骤：

步骤一，预混合：将原料合金粉末和润滑剂初步混合，得到预混合金粉；

步骤二，粘接混合：向预混合金粉中加入粘结剂，进行粘接混合，然后脱胶造粒，得到二混合金粉；

步骤三，压制：将二混合金粉压制成型，得到型坯；

步骤四，烧结：将型坯烧结成型，得到产品。

作为优选技术方案，上述步骤二中，向预混合金粉中喷射1/n粘接剂，n≥2且为整数，然后混合一段时间，并重复该过程n次，直至加入所有粘接剂，再继续混合。粘接处理混合粉有利于减少粉尘和偏析，同时改善流速。

作为优选技术方案，上述步骤二中，通过烘烤进行所述脱胶造粒。

作为优选技术方案，上述粘接剂包括溶剂、石蜡和有机粘合剂。

作为优选技术方案，以重量计，所述粘接剂占预混合金粉的1～5％。

作为优选技术方案，上述步骤二中，在脱胶造粒后再进行过筛工序，得到所述二混合金粉。

作为优选技术方案，上述原料合金粉末包括原料基体粉末、原料预合金粉末和碳粉，其中所述原料基体粉末为铁粉，所述原料预合金粉末为扩散合金粉。

作为优选技术方案，上述扩散合金粉包括元素Cr、Mo、Ni和Co。

作为优选技术方案，上述扩散合金粉中各元素的重量组分含量为，24-26％Cr，23-26％Mo，9.5-10.5％Ni，38-42％Co。

一种气门座圈，其关键在于，根据上述任意一项方法制备。

附图说明

图1为典型烧结曲线示意图；

图2为普通混合和粘接混合后粉料碳偏析数据对比；

图3为普通混合的粉料和粘接混合的粉料(二混合金粉)的形貌图；

图4为粘接混合和普通混合后进行压制烧结产品进行图；

图5为粘接混合和普通混合后进行压制烧结产品台架实验数据对比。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

(一)实施例1：粘接混合粉末冶金方法

一种高性能气门座圈的粉末冶金生产方法，包括以下步骤：

步骤一，预混合：将原料合金粉末和润滑剂初步混合，得到预混合金粉，其中，所述原料粉末包括原料基体粉末和原料预合金粉末，还添加有石墨粉；

步骤二，粘接混合：向预混合金粉中加入粘结剂，进行粘接混合，然后脱胶造粒，得到二混合金粉；

步骤三，压制：将二混合金粉压制成型，得到型坯；

步骤四，烧结：将型坯烧结成型，得到产品。

优选地，为提高混合均匀度，所述步骤二中，向预混合金粉中喷射1/n粘接剂，n≥2且为整数，然后混合一段时间，并重复该过程n次，直至加入所有粘接剂。该步骤在双运动混合机中完成。

以重量计，所述粘接剂占预混合金粉的1～5％。所述粘接剂包括溶剂、石蜡和有机粘合剂，其中，以重量计，石蜡占10％，有机粘接剂2％，剩余为足以溶解石蜡和有机粘接剂的溶剂。具体地，溶剂选用常见有机溶剂如丙酮，有机粘接剂选择端羟基聚丁二烯。粘接处理混合粉有利于减少扬尘和偏析，同时改善流速，有助于生产过程中工件重量控制及提高尺寸一致性。

所述步骤二中，通过烘烤进行所述脱胶造粒过程，使粘接剂中溶剂全部挥发，此时湿润粉团又变为干燥粉末。

在脱胶造粒后，粉末再进行过筛工序，得到所述二混合金粉，该工序在超声振动筛中进行。

(二)对照例：普通混合粉末冶金方法

不同于实施例1的粘接混合粉末冶金方法，普通混合粉末冶金直接将各合金元素粉末进行混合，然后压制和烧结得到产品。

(三)以预合金粉末、铁粉、石墨为原料生产气门座圈

一种高性能气门座圈，采用如实施例1所述的粉末冶金生产方法制备。其中，所述原料基体粉末为铁粉，所述原料预合金粉末为扩散合金粉，该扩散合金粉由元素Cr、Mo、Ni和Co经熔炼后，雾化得到，此过程完全预合金，因而所有的颗粒具有相同的化学成分。所述润滑剂选用微粉蜡，其重量占原料粉末重量的0.5～1％。将润滑剂、原料粉末，依次经过预混合、粘接混合、压制、烧结制得产品。

预混合、粘接混合的过程为：预混合10分钟——喷射三分之一粘接剂混合10分钟——喷射三分之一粘接剂混合10分钟——喷射三分之一粘接剂混合10分钟——继续混合10分钟。

以重量计，所述粘接剂占预混合金粉的2％。

所述脱胶造粒工序使用网带式烘烤炉，粉料在网带上铺放厚度为10mm。粘接剂为丙酮-石蜡-端羟基聚丁二烯时，粉料在200℃下烘烤2～4h，使粘接剂中丙酮全部挥发。然后再使用超声振动筛进行过筛工序，筛除团块，得到所述二混合金粉。

压制工序中，二混合金粉经锥角进料器向模具进料，所选用的锥角进料器的进料角度为25～35°，这样可以使得进料口截面上颗粒流速整体接近，从而避免进料过程中颗粒偏析。进料完成后进行压制，压制压力10～30吨。烧结工序使用网带式烧结炉完成。烧结炉总长度为22m，分为第一到第七温区和一个缓冷段，每个温区长度为2.3～2.4m。网带速度为70～80mm/min，一个典型烧结工艺曲线如图1所示。型坯依次经过第一到第三温区，该区域为加热脱蜡区，温度逐渐升高，并脱除石蜡和有机粘合剂。在第四温区继续升温，在第五温区和第六温区，于1120±10℃条件下烧结，然后在第七温区1060±10℃条件下保温。烧结后的工件经过缓冷段逐渐冷却。

传统烧结炉的加热脱蜡区仅设置两个温区，而本发明设置三个温区；一般烧结炉加热方式为天然气燃烧供热，本发明还辅以电加热。这样，坯体在第一到第三温区脱蜡更为彻底。

使用不同比例的原料基体粉末、原料预合金粉末和碳粉，采用上述方法生产气门座圈，得到的部分产品元素组分如表1中实施例2～9所示。

优选地，所述扩散合金粉中各元素的重量组分含量为，24-26％Cr，23-26％Mo，9.5-10.5％Ni，38-42％Co。实施例2～9中，产品硬度HRB 80-100，密度6.6-7.0g/cm3，孔隙度≤7.2％，抗压强度≥610MPa，组织中珠光体含量≥55％，渗碳体含量≤3％。

表1以预合金粉末、铁粉、石墨为原料生产气门座圈的产品元素组成

(四)产品性能研究

(1)普通混合和粘接混合后粉料碳偏析数据对比

为定量评价混合后的粉料中元素偏析情况。将混合后的粉料按厚度分为上、中、下三层，分别于每层取样，检测碳含量并计算碳含量极差，所得数据即为碳偏析数据。

分别采用实施例1中粘接混合方法和对照例中所述普通混合方法制备粉末，在6个月时间内的多个时间点，取普通混合生产线和粘接混合生产线上混合后的粉料，检测碳偏析数据，结果如图2所示。可以看出，普通混合制备的粉料碳偏析在较高水平波动，而采用粘接混合方式制备的粉料(二混合金粉)碳偏析度始终保持在较低水平。

(2)普通混合和粘接混合后粉料形貌

如图3a所示，普通混合后粉末因为颗粒种类、大小不同，颗粒之间相互离散分布，且分布不均匀，在运输过程中容易发生偏析。而采用粘接混合方式，粘接剂将“湿润”铁颗粒并将扩散合金粉、石墨、润滑剂均匀的粘接在铁颗粒周围。脱胶造粒后，如图3b和3c所示，小颗粒的扩散合金粉、石墨、润滑剂粘附在铁颗粒周围。由于更均匀的混合处理，以及粉末颗粒间的粘附作用，能够减少生产过程中粉末的偏析，减少扬尘。此外，在压制过程中，细的颗粒不会挤入模具的间隙当中，从而避免了模具的损坏。

(3)普通混合和粘接混合产品金相比较

如图4所示，粘接混合方式制得的产品，由于使用预合金化的扩散合金粉，因而合金化不取决于扩散过程，因为合金化在金属熔化过程中已经完成。其金相组织、孔隙分布均匀性(3b)高于普通混合方式得到的产品(3a)。

(4)普通混合和粘接混合产品座圈台架试验

气门座圈受到气门的往复冲击作用，其磨损和变形将影响其与气门之间的密封性。因而，常常通过台架试验模拟其工作状态，测试其耐磨性和变形性。

将元素组分相同，分别采用普通混合和粘接混合方式制得的产品，通过台架试验检测其耐磨性和变形性。具体实验参数为，试验温度800℃，频率：1000次/分钟，冲击次数：600000次，试验时间为10小时。两种产品实验前后的门线宽度和下沉量如图5所示。

实验中座圈实际温度为350℃±10℃。此类座圈耐磨性均超过常规座圈，观察到实验后气门杆磨损较为严重。

如图5所示，两种产品在同一试验环境下磨损量均小于0.2mm的技术要求，门线宽度变化和下沉量是反映磨损量的重要参数，从实验情况看，粘接混合组产品小于普通混合组。究其原因，既然两种生产方法的产品元素组成一致，那么导致两种产品性能的差别主要是微观结构的差别。由于材料结构决定了其性质，结构的不均匀性必然导致产品性能的下降。实际表现为，表面硬度不均匀，耐磨性差。并且，普通混合方式带来的元素颗粒的偏析，导致合金化取决于扩散过程即烧结时间和烧结温度。使用预合金化的扩散合金粉，烧结后形成硬质粒子，起到钉楔作用，且扩散合金粉与铁粉、石墨粉混合均匀，组织均一，具有较好的耐热、耐磨、耐腐蚀、耐脱落功能。考虑到实际工况中粉末冶金座圈因自身储油性能可形成油膜保护进一步减少磨损量的因素，其耐磨性应能与钢质座圈相接近。

综上，使用本方法生产的气门座圈，相较于普通混合方式生成的产品，其高性能主要有赖于以下方面的改进：(1)通过预混合和加入粘接剂进行粘接混合，有效实现各种原料颗粒的均匀分散，且避免了后续传送运输、填料压制过程中的偏析，因而保证了成份的均匀一致；(2)采用预合金化的扩散合金粉，其成份均匀一致，作为基体组织的增强相，起到钉楔作用，具有较好的耐热、耐磨、耐腐蚀、耐脱落功能。最终，采用本工艺方法生产的产品，具有均匀的显微组织、均匀的表面密度、良好的耐磨性，不同工件之间也均保持了尺寸、性能的均一性。

有益效果：采用本发明的有益效果是，通过粘接混合处理，有利于减少粉尘和偏析，同时改善流速，有利于压制成型，以及生产过程中工件重量控制及尺寸一致性。产品尺寸、性能的均一，耐磨性好，使用寿命长。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高性能气门座圈的粉末冶金生产方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，预混合：将原料合金粉末和润滑剂初步混合，得到预混合金粉；

步骤二，粘接混合：向预混合金粉中加入粘结剂，进行粘接混合，然后脱胶造粒，得到二混合金粉；

步骤三，压制：将二混合金粉压制成型，得到型坯；

步骤四，烧结：将型坯烧结成型，得到产品。

2.根据权利要求1所述的高性能气门座圈的粉末冶金生产方法，其特征在于：所述步骤二中，向预混合金粉中喷射1/n粘接剂，n≥2且为整数，然后混合一段时间，并重复该过程n次，直至加入所有粘接剂，再继续混合。

3.根据权利要求1或2所述的高性能气门座圈的粉末冶金生产方法，其特征在于：所述步骤二中，通过烘烤进行所述脱胶造粒。

4.根据权利要求1或2所述的高性能气门座圈的粉末冶金生产方法，其特征在于：所述粘接剂包括溶剂、石蜡和有机粘合剂。

5.根据权利要求3所述的高性能气门座圈的粉末冶金生产方法，其特征在于：以重量计，所述粘接剂占预混合金粉的1～5％。

6.根据权利要求1所述的高性能气门座圈的粉末冶金生产方法，其特征在于：所述步骤二中，在脱胶造粒后再进行过筛工序，得到所述二混合金粉。

7.根据权利要求6所述的高性能气门座圈的粉末冶金生产方法，其特征在于：所述原料合金粉末包括原料基体粉末、原料预合金粉末和碳粉，其中所述原料基体粉末为铁粉，所述原料预合金粉末为扩散合金粉。

8.根据权利要求7所述的高性能气门座圈的粉末冶金生产方法，其特征在于：所述扩散合金粉包括元素Cr、Mo、Ni和Co。

9.根据权利要求7所述的高性能气门座圈的粉末冶金生产方法，其特征在于：所述扩散合金粉中各元素的重量组分含量为，24-26％Cr，23-26％Mo，9.5-10.5％Ni，38-42％Co。

10.一种气门座圈，其特征在于根据权利要求1～9任意一项所述方法制备。