CN109306438A - 一种气门座圈合金材料制备方法和应用 - Google Patents

一种气门座圈合金材料制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及一种气门座圈合金材料，本发明提供的气门座圈合金材料，按质量百分数计，包括以下组分：C 0.8～1.5％，Cu 15.0～21.0％，Cr 1.7～4.5％，Mo 6.5～10.0％，Co 1.0～4.5％，Ni 1.0～1.5％，W 7.5～9.5％，稀土元素0.05～0.20％，余量为Fe和不可避免的杂质；所述稀土元素为Ce、La和Y中的一种或几种。根据实施例的记载，本发明提供的气门座圈合金材料的硬度达到52～56HRC以上，能显著改善零部件的耐磨、耐热、耐腐蚀等性能。

Description

一种气门座圈合金材料制备方法和应用
技术领域
本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及一种气门座圈合金材料及其制备方法和应用。
背景技术
气门座圈是发动机上重要的部件，是内燃机燃料燃烧时进入空气和燃烧后排出废气的门户，其主要是为了保证燃烧室的密封。一般发动机气门座圈材料的工作温度可达850～950℃，由于长时间处于较高的温度下工作，非常容易导致气门座圈的硬度下降而产生变形，且在进气时对气门座圈每分钟达2000次高频率的反复冲击，提高其磨损程度。
因此，如何提高气门座圈合金材料的耐磨损性能成为人们研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐磨损性能好的气门座圈合金材料及其制备方法以及所述气门座圈合金材料在风冷发动机、国六排放、重型天燃气发动机气门座圈的应用。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种气门座圈合金材料，按质量百分数计，包括以下组分：C 0.8～1.5％，Cu 15.0～21.0％，Cr 1.7～4.5％，Mo 6.5～10.0％，Co 1.0～4.5％，Ni 1.0～1.5％，W 7.5～9.5％，稀土元素0.05～0.20％，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述稀土元素为Ce、La和Y中的一种或几种。
优选的，按质量百分数计，包括以下组分：C 0.9～1.2％，Cu 16.0～19.0％，Cr2.2～3.8％，Mo 7.8～9.0％，Co 1.5～4.0％，Ni 1.1～1.4％，W 7.8～9.1％，稀土元素0.08～0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供了所述气门座圈合金材料的制备方法，包括以下步骤：
按照所述气门座圈合金材料的成分配比将合金原料依次进行预处理、压制成型、多段温区烧结、渗铜和热处理，得到气门座圈合金材料。
优选的，所述压制成型的压力为150～300MPa，所述压制成型的时间为1～3小时。
优选的，所述多段温区烧结包括预烧结和烧结；所述预烧结的温度为600～800℃，所述预烧结的时间为1～2h；所述烧结的温度为950～1150℃，所述烧结的时间为1.5～2.5h。
优选的，所述渗铜的熔渗温度为1100～1200℃，所述渗铜的时间为0.5～2小时。
优选的，所述热处理为在保护气氛中，在500～520℃条件下，保温20～40分钟后；升温至525～535℃，保温60～120分钟；冷却至室温，保温30～90分钟；再在100～130℃条件下，保温50～90分钟。
优选的，所述合金原料的粒径为80～200目。
本发明还提供了所述气门座圈合金材料或由所述的制备方法制备得到的气门座圈合金材料在制备风冷发动机、国六排放、重型天燃气发动机气门座圈中的应用。
本发明提供了一种气门座圈合金材料，按质量百分数计，包括以下组分：C 0.8～1.5％，Cu 15.0～21.0％，Cr 1.7～4.5％，Mo 6.5～10.0％，Co 1.0～4.5％，Ni 1.0～1.5％，W 7.5～9.5％，稀土元素0.05～0.20％，余量为Fe和不可避免的杂质；所述稀土元素为Ce、La和Y中的一种或几种。根据实施例的记载，本发明提供的气门座圈合金材料的硬度达到52～56HRC。
具体实施方式
本发明提供了一种气门座圈合金材料，按质量百分数计，包括以下组分：C 0.8～1.5％，Cu 15.0～21.0％，Cr 1.7～4.5％，Mo 6.5～10.0％，Co 1.0～4.5％，Ni 1.0～1.5％，W 7.5～9.5％，稀土元素0.05～0.20％，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述稀土元素为Ce、La和Y中的一种或几种。
按质量百分含量计，本发明所述的气门座圈合金材料包括0.8～1.5％的C，优选为0.9～1.2％，更优选为1.0～1.1％。
按质量百分含量计，本发明所述的气门座圈合金材料包括15.0～21.0％的Cu，优选为16.0～19.0％，更优选为17.0～18.0％。
在本发明中，所述Cu可以提高产品的密度、导热性和强度。
按质量百分含量计，本发明所述的气门座圈合金材料包含1.7～4.5％的Cr，优选为2.2～3.8％，更优选为2.8～3.2％。
在本发明中，所述Cr的添加可以降低合金的密度，增加合金烧结态的强度和硬度。
按质量百分含量计，本发明所述的气门座圈合金材料包含6.5～10.0％的Mo，优选为7.8～9.0％，更优选为8.0～8.6％。
按质量百分含量计，本发明所述的气门座圈合金材料包含1.0～4.5％的Co，优选为1.5～4.0％，更优选为2.0～3.5％。
按质量百分含量计，本发明所述的气门座圈合金材料包含1.0～1.5％的Ni，优选为1.1～1.4％，更优选为1.2～1.3％。
在本发明中，所述Ni促进烧结致密化，使合金的孔隙减少和球化，密度提高，进而提高合金的强度和韧性。
按质量百分含量计，本发明所述的气门座圈合金材料包含7.5～9.5％的W，优选为7.8～9.1％，更优选为8.2～8.8％。
按质量百分含量计，本发明所述的气门座圈合金材料包含0.05～0.2％的稀土元素，优选为0.35～0.1％，更优选为0.45～0.90％。
在本发明中，所述稀土元素为Ce、La和Y中的一种或几种；当所述稀土元素为上述具体种类中的两种以上时，本发明对所述具体物质的种类的配比没有任何特殊的限定，按任意配比进行混合即可。
在本发明中，所述稀土元素具有强化金属表面，提高材料的抗疲劳强度、硬度和耐磨性的作用，同时，还可以降低摩擦系数，减轻金属材料中有害元素的影响，改善夹杂物的分布，强化晶界、细化晶粒的作用。
本发明提供的气门座圈合金材料还包含余量的Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供了所述气门座圈合金材料的制备方法，包括以下步骤：
按照所述气门座圈合金材料的成分配比将合金原料依次进行预处理、压制成型、多段温区烧结、渗铜和热处理，得到气门座圈合金材料。
在本发明中，若无特殊说明，所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。
本发明按照所述气门座圈合金材料的成分配比将合金原料依次进行预处理、压制成型、多段温区烧结、渗铜和热处理，得到气门座圈合金材料；在本发明中，所述合金原料优选为各合金元素的单质；本发明对所述合金原料的比例没有任何特殊的限定，能够保证上述合金原料混合后得到的混合物中各元素比例符合上述铝合金中各元素的比例即可。
在本发明中，所述预处理优选为将合金原料依次进行干燥、球磨和过筛；在本发明中，所述干燥的温度优选为60～80℃，更优选为65～75℃，最优选为68～72℃；所述干燥的时间优选为2～30小时，更优选为5～25小时，最优选为10～20小时；本发明对所述球磨没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的球磨过程即可；在本发明中，所述过筛所采用的筛网的孔径优选为80～300目，更优选为100～250目，最优选为150～200目。
本发明优选将球磨后的球磨后的所述合金原料的混合物中加入润滑剂和粘合剂；本发明对所述润滑剂和粘合剂的种类没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的冶炼合金使用的润滑剂和粘合剂即可；在本发明中，所述润滑剂的质量优选为所述合金原料总量的0.5～1.5％，更优选为0.8～1.2％，最优选为0.9～1.1％；在本发明中，所述粘合剂的体积优选为所述合金原料总质量的比例优选为(40～60)mL∶100kg，更优选为(45～55)mL∶100kg，最优选为(48～52)mL∶100kg。
在本发明中，所述压制成型的压力优选为150～300MPa，更优选为180～250MPa，最优选为200～220MPa；所述压制成型的时间优选为1～3小时，更优选为1.5～2.5小时，最优选为1.8～2.2小时。在本发明中，所述压制成型的具体过程优选在压制成型的仪器上配置半自动模架进行两次加料，两次压制成型。
在本发明中，所述多段温区烧结优选包括预烧结和烧结；在本发明中，所述预烧结的温度优选为600～800℃；所述预烧结优选为4段预烧结，各段预烧结的温度依次优选为600～640℃、650～690℃、700～740℃和750～800℃。在本发明中，所述预烧结的总时间优选为1～2h，更优选为1.2～1.8h，最优选为1.4～1.6h；在本发明中，所述4段预烧结的时间相等。在本发明中，所述烧结的温度优选为950～1150℃，所述烧结优选为3段烧结，各段烧结的温度依次优选950～1000℃、1050～1095℃和1100～1150℃。在本发明中，所述烧结的时间优选为1.5～2.5h，更优选为1.8～2.2h；在本发明中，所述3段烧结的时间相等。
多段温区烧结完成后，本发明优选对得到的烧结合金进行冷却；本发明对所述冷却没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的冷却过程进行冷却即可。
在本发明中，所述渗铜的温度优选为1100～1200℃，更优选为1120～1180℃，最优选为1140～1160℃；在本发明中，所述渗铜的时间优选为0.5～2小时，更优选为0.8～1.5小时，最优选为1.0～1.2小时。
在本发明中，所述渗铜可以提高产品的密度、导热性和强度。
在本发明中，所述热处理优选在氮气下进行。
在本发明中，所述热处理优选为在500～520℃条件下，保温20～40分钟后；升温至525～535℃，保温60～120分钟；冷却至室温，保温30～90分钟；再在100～130℃条件下，保温50～90分钟；更优选为在505～515℃条件下，保温25～35分钟后；升温至528～532℃，保温80～110分钟；冷却至室温，保温40～60分钟；再在115～125℃条件下，保温60～80分钟；最优选为在508～512℃条件下，保温28～32分钟后；升温至529～531℃，保温90～100分钟；冷却至室温，保温45～55分钟；再在118～122℃条件下，保温65～75分钟。
热处理完成后，本发明优选对热处理后的合金进行冷却；本发明对所述冷却没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的冷却过程进行即可。
本发明还提供了上述气门座圈合金材料在制备风冷发动机气门座圈中的应用。
下面结合实施例对本发明提供的气门座圈合金材料及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
气门座圈合金材料按质量百分数计，包括C 1.5％，Cu 15.0％，Cr 1.7％，Mo10.0％，Co 1.0％，Ni 1.0％，W 7.5％，稀土元素0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质；
将各金属单质在60℃下干燥2小时，球磨，过筛得到粒径为80～100目的合金原料；
按照上述配比，将过筛后的金属单质、50mL/100Kg的粘合剂和占合金原料总质量1％的润滑剂混合，在150MPa的条件下，压制2小时后，在620℃、650℃、720℃和790℃下进行预烧结，预烧结的总时间为1.4h，在980℃、1100℃和1150℃下进行烧结，烧结的总时间为2.5h，自然冷却后将得到的烧结料在1150℃下渗铜1.2h，自然冷却；将渗铜处理后的中间合金在858℃下，保温28分钟后，冷却至室温，再在248℃下，保温75分钟，自然冷却，得到气门座圈合金材料。
所述气门座圈合金材料的密度为8.9g/cm3，工作面硬度为52.8HRC，最高的工作温度为950℃，气门往复运动频率为1700次/min，往复次数为8×105次后，磨损量为0.023mm。
实施例2
气门座圈合金材料按质量百分数计，包括C 1.2％，Cu 15.48％，Cr 2.37％，Mo9.8％，Co 2.36％，Ni 1.5％，W 8.0％，稀土元素0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质；
将各金属单质在60℃下干燥2小时，球磨，过筛得到粒径为100～200目的合金原料；
按照上述配比，将过筛后的各金属单质、50mL/100Kg的粘合剂和占合金原料总质量1％的润滑剂混合混合，在150MPa的条件下，压制2小时后，在620℃、650℃、720℃和790℃下进行预烧结，预烧结的总时间为1.4h，在980℃、1100℃和1150℃下进行烧结，烧结的总时间为2.5h，自然冷却后将得到的烧结料在1150℃下渗铜1.2h，自然冷却；将渗铜处理后的中间合金在858℃下，保温28分钟后，冷却至室温，再在248℃下，保温75分钟，自然冷却，得到气门座圈合金材料。
所述气门座圈合金材料的密度为10.0g/cm3，工作面硬度为53.7HRC，最高的工作温度为1000℃，气门往复运动频率为1700次/min，往复次数为8×105次后，磨损量为0.025mm。
实施例3
气门座圈合金材料按质量百分数计，包括C 0.95％，Cu 20.05％，Cr 3.45％，Mo9.7％，Co 2.67％，Ni 1.34％，W 7.8％，稀土元素0.18％，余量为Fe和不可避免的杂质；
将各金属单质在80℃下干燥2小时，球磨，过筛得到粒径为100～200目的合金原料；
按照上述配比，将过筛后的各金属单质、50mL/100Kg的粘合剂和占合金原料总质量1％的润滑剂混合，在150MPa的条件下，压制2小时后，在620℃、650℃、720℃和790℃下进行预烧结，预烧结的总时间为1.4h，在980℃、1100℃和1150℃下进行烧结，烧结的总时间为2.5h，自然冷却后将得到的烧结料在1150℃下渗铜1.2h，自然冷却；将渗铜处理后的中间合金在858℃下，保温28分钟后，冷却至室温，再在248℃下，保温75分钟，自然冷却，得到气门座圈合金材料。
所述气门座圈合金材料的密度为7.5g/cm3，工作面硬度为53.4HRC，最高的工作温度为950℃，气门往复运动频率为1700次/min，往复次数为8×105次后，磨损量为0.024mm。
实施例4
气门座圈合金材料按质量百分数计，包括C 1.39％，Cu 21.0％，Cr 4.5％，Mo8.20％，Co 3.68％，Ni 1.27％，W 8.3％，稀土元素0.20％，余量为Fe和不可避免的杂质；
将各金属单质在80℃下干燥2小时，球磨，过筛得到粒径为100～200目的合金原料；
按照上述配比，将过筛后的各金属单质、50mL/100Kg的粘合剂和占合金原料总质量1％的润滑剂混合，在150MPa的条件下，压制2小时后，在620℃、650℃、720℃和790℃下进行预烧结，预烧结的总时间为1.4h，在980℃、1100℃和1150℃下进行烧结，烧结的总时间为2.5h，自然冷却后将得到的烧结料在1150℃下渗铜1.2h，自然冷却；将渗铜处理后的中间合金在858℃下，保温28分钟后，冷却至室温，再在248℃下，保温75分钟，自然冷却，得到气门座圈合金材料。
所述气门座圈合金材料的密度为8.3g/cm3，工作面硬度为56.0HRC，最高的工作温度为950℃，气门往复运动频率为1700次/min，往复次数为8×105次后，磨损量为0.022mm。
由以上实施例可知，本发明提供的气门座圈合金材料具有良好的耐磨性能和较高的力学强度，能够满足作为气门座圈对气门座圈合金材料材料性能的要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种气门座圈合金材料，按质量百分数计，包括以下组分：C 0.8～1.5％，Cu 15.0～21.0％，Cr 1.7～4.5％，Mo 6.5～10.0％，Co 1.0～4.5％，Ni 1.0～1.5％，W 7.5～9.5％，稀土元素0.05～0.20％，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述稀土元素为Ce、La和Y中的一种或几种。
2.如权利要求1所述的气门座圈合金材料，其特征在于，按质量百分数计，包括以下组分：C 0.9～1.2％，Cu 16.0～19.0％，Cr 2.2～3.8％，Mo 7.8～9.0％，Co 1.5～4.0％，Ni1.1～1.4％，W 7.8～9.1％，稀土元素0.08～0.15％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.权利要求1或2所述的气门座圈合金材料的制备方法，包括以下步骤：
按照所述气门座圈合金材料的成分配比将合金原料依次进行预处理、压制成型、多段温区烧结、渗铜和热处理，得到气门座圈合金材料。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述压制成型的压力为150～300MPa，所述压制成型的时间为1～3小时。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述多段温区烧结包括预烧结和烧结；所述预烧结的温度为600～800℃，所述预烧结的时间为1～2h；所述烧结的温度为950～1150℃，所述烧结的时间为1.5～2.5h。
6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述渗铜的熔渗温度为1100～1200℃，所述渗铜的时间为0.5～2小时。
7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述热处理为在保护气氛中，在500～520℃条件下，保温20～40分钟后；升温至525～535℃，保温60～120分钟；冷却至室温，保温30～90分钟；再在100～130℃条件下，保温50～90分钟。
8.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述合金原料的粒径为80～200目。
9.权利要求1或2所述的气门座圈合金材料或权利要求3～8任一项所述的制备方法制备得到的气门座圈合金材料在制备风冷发动机、国六排放、重型天燃气发动机气门座圈中的应用。
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