CN110545938A - 粉末冶金法制成的部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及粉末冶金法制成的呈阀导向件或阀座环形式的部件，所述部件具有含有矿物固体润滑剂的基于铁的基质，所述基质的密度在理论密度的75％至90％之间，并且所述矿物固体润滑剂的熔点低于所述基质的烧结温度，并且所述部件的所述基质的剩余孔体积被所述固体润滑剂熔融渗透。

Description

粉末冶金法制成的部件

本发明涉及粉末冶金法制造的部件，所述部件在操作期间暴露于摩擦应力，其包含基质和含在所述基质中的固体润滑剂。优选地，这种烧结部件是阀座环，以及阀导向部件。

在内燃机中，阀座环的主要任务是与相应的阀结合，可靠且安全地密封燃烧室。即使在数百万次负载循环后，也必须保持和确保这种密封。因此，摩擦阀座环/阀系统的磨损必须保持在最低限度。

通常，阀座环现在是通过粉末冶金工艺制造的，因为这一方面允许接近净成形的生产，另一方面通过添加相关的组分可以很好地调整阀座环的性能。这些组分被添加到形成基质的基体金属或基体合金粉末中，并通过烧结工艺结合。为了提高耐磨性，例如添加了硬质相(金属间相或陶瓷相)。然而，由于产生更高的磨损应力，添加这种性质的硬质相可能导致更快的阀磨损。因此，为了减少阀座环/阀系统的总磨损，还添加固体润滑剂，例如MnS、MoS₂、CaF₂、BN(六角形)或WS₂。通过烧结，制成了由金属基质、硬质相和固体润滑剂组成的复合材料。然而，在该工艺中，几乎不可能添加超过约2重量％的固体润滑剂而不导致机械性能受损，因此对部件磨损行为的影响可以被认为是仅仅有限的。

与所有烧结体一样，粉末冶金法制造的阀座环以及阀导向件都有孔。为了提高材料的强度和导热性，众所周知的做法是用铜渗透金属烧结体中的这些孔。

因此，本发明的目的是进一步提高通过粉末冶金法制成的阀座环的耐磨性，特别是那些具有整合硬质相的阀座环，以及提高暴露于热应力的摩擦系统的其它粉末冶金法制成的烧结部件的耐磨性，例如阀导向部件。

该目的通过上面首先提到的那种粉末冶金法制造的部件来实现，其中固体润滑剂的熔点在基质的烧结温度内，而部件基质的孔体积被矿物固体润滑剂熔融渗透。

下文基于通过粉末冶金法制造的阀座环来描述本发明。然而，明确指出，这可以类似地通过暴露于摩擦应力的其它部件来实现，例如阀导向件。

本发明提出的粉末冶金法制成的阀座环包含常规的金属基质，例如具有低碳含量的基于低合金铁的合金。常规的聚集体可以烧结到该基质中，例如具有金属间相或陶瓷相的硬质相金属粉末和/或如下所述的基于高速钢的粉末、提高导热性的铜粉末和如上所述的固体润滑剂。该基质包含可用于渗透的孔体积，并且例如可以用常规方式用铜填充，以及如本发明所建议的，用矿物固体润滑剂填充。

本发明提出，本发明的烧结部件的至少一部分固体润滑剂渗透到部件基质的孔中。为此，固体润滑剂必须熔融，以便能够渗透到孔中。这意味着在部件的烧结温度下，固体润滑剂必须具有可流动的稠度。固体润滑剂的熔融温度必须等于或低于部件的烧结温度。

优选地，固体润滑剂的熔点在>300℃至1600℃的范围内，特别是在450℃至1300℃的范围内。烧结温度和熔融温度的密切协调是有利的，即固体润滑剂的熔点应该接近部件的烧结温度。如果使用的固体润滑剂的熔点比烧结温度低得多，那么在单独的步骤中通过再加热渗透到成品烧结部件中是合理的。

如本发明所要求的，固体润滑剂应理解为基于矿物的润滑剂，其中术语矿物表示金属盐或金属氧化物。特别是对于与基于烃的润滑剂接触的部件，这种盐和氧化物被认为是合适的，它们除了具有良好的润滑性能外，还表现出对烃的一定亲和力，即因此与它们相容。碱金属和碱土金属的一些化合物尤其如此，例如它们的氧化物、氟化物和氯化物。特别地，碱金属和碱土金属的氟化物和氯化物是优选的。在这种情况下，本发明提出的矿物固体润滑剂仅是碱金属和碱土金属的氧化物、氟化物和氯化物，特别是CaF₂和BaF₂的低共熔混合物，而不是常规的固体润滑剂，例如铜、铅、硫化锰或硫化钼。

有利地，固体润滑剂包含两种或更多种上述碱金属和/或碱土金属的盐。在这些物质中，锂、钠、钾、镁、钙、钡和锶的盐是优选的，其中锂、钙和钡的盐是特别优选的。

根据有利的变型，使用能够构成低共熔物的盐的混合物。低共熔物具有确定的组成，并形成不受矿物成分干扰的均匀熔体流。此外，低共熔物通常具有比其所基于的纯盐更低的熔点，纯盐通常具有比根据本发明认为合适的熔点更高的熔点。LiF和CaF₂、CaF₂和MgF₂以及CaF₂和BaF₂的低共熔混合物已被证明是特别合适的，其中CaF₂占38重量％的包含CaF₂和BaF₂的低共熔混合物特别适用于烧结温度约为1100℃的阀座环。LiF占20.6％的LiF和CaF₂的低共熔混合物的熔点约为770℃，MgF₂占50.4重量％的MgF₂和CaF₂的低共熔混合物的熔点为974℃，CaF₂和BaF₂低共熔物的熔点为1050℃。CaF₂/BaF₂系统的相图示于图1中。

根据本发明，可以用高温固体润滑剂几乎完全渗透粉末冶金烧结体的孔骨架。为了制造由具有硬质相的基于铁的合金制成的阀座环，如果烧结在其中的固体润滑剂适用，如果烧结在其中的铜粉末适用，渗透的固体润滑剂尤其由38重量％:62重量％的CaF₂/BaF₂组成。在1100-1150℃的常规烧结温度下，氟化物混合物完全熔融并渗透到孔骨架中，在毛细管力的影响下，氟化物混合物在孔骨架中分布。

本发明所要求保护的所用的矿物固体润滑剂，特别是包含CaF₂和BaF₂的低共熔混合物，没有被整合到烧结混合物中，而是仅在烧结期间或之后从熔体渗透到烧结体中。因此，矿物固体润滑剂仅位于可从表面进入的烧结体的孔和通道中。

如本发明所提供的，优选的部件由基于铁的合金作为基质制成，如果适用，所述基于铁的合金作为基质可以与一种或多种硬质相和/或铜混合，密度在理论密度的75％至90％之间，特别是在80％至85％之间。剩余的孔体积基本上被渗透的固体润滑剂填充。

此外，本发明涉及制造如上所述的摩擦应力烧结部件的方法。该方法包括以下步骤：

A1为烧结部件的基质提供粉末混合物；

A2将针对A1提到的粉末混合物压制成压坯；

B1为固体润滑剂提供粉末；

B2将针对B1提到的粉末压制成压坯；

C1在针对B2提到的压坯存在下，优选与其接触，烧结针对A2提到的压坯，或者另一选择为D1在第一温度T1下烧结在第一步骤中针对A2提到的压坯，以及

D2在温度T2下，在第二步骤中针对B2提到的压坯存在下，优选与其接触，渗透针对D1提到的烧结体，温度T2低于温度T1。

原则上，固体润滑剂的渗透以与旨在增加导热性的铜的渗透相同的方式进行。当达到烧结温度时，固体润滑剂液化，并由于毛细作用而进入正在烧结或已经烧结的压坯的孔系统中。固体润滑剂在烧结体中形成均匀分布，然后润滑剂在热应力下运行期间可用于润滑目的。

出于步骤B1的目的，固体润滑剂粉末的平均粒度应≤100μm，优选≤50μm，特别是≤30μm。在这种情况下，单个颗粒之间的接触将足以形成用于熔融的低共熔混合物。为了改善可压缩性，特别是如果涉及小的粒度，建议在压制之前通过例如喷雾团聚使粉末团聚。

在进行烧结之前，基质的压坯有利地具有≤7.2g/cm³，特别是6.5-6.95g/cm³的密度。如果压坯包含基于铁的基质和分散在其中的硬质相，这意味着有足够的孔体积可用于吸收占成品烧结部件的约5重量％至大于15重量％的固体润滑剂。

此外，本发明涉及包含碱金属氟化物与碱土金属氟化物的低共熔混合物和碱土金属氟化物的低共熔混合物的压坯在用固体润滑剂渗透烧结体中的用途。特别地，优选使用两种氟化物的低共熔混合物，尤其是使用CaF₂和BaF₂的低共熔混合物。

为了证明氟化物渗透对改善阀座环材料的高温磨损行为的有效性，借助OptimolInstruments GmbH的SRV4型摩擦计进行摩擦学检查。为此，将两种不同材料的销摩擦由典型阀材料1.4882制成的圆盘(频率：10Hz，持续时间：2h，温度：500℃，负载：100N，振幅：2mm)。材料1是典型的阀座环材料，其含有基于重金属硫化物的烧结在其中的润滑剂，并且渗入铜。材料2具有相同的基料，但渗入62重量％的BaF₂和38重量％的CaF₂的混合物而不是铜。磨损测试的结果示于图2中。可以看出，渗入氟化物的材料的磨损只有渗入铜的材料的约一半。材料2的化学组成显示在表1中。除了磨损行为的显著改善之外，根据本发明还可以实现阀座环制造成本的显著降低。此外，由于氟化物，例如CaF₂通常用作掺加料以改善材料的可加工性，因此预期也可以改善可加工性。应理解，阀座环和视情况而定的其它烧结部件也可以具有常规组成。除了一种或几种硬质相的掺加料之外，还可以加入其它添加剂，例如烧结在其中以改善可加工性的固体润滑剂、烧结在其中以改善导热性的铜粉末、增塑剂例如aerosil以及改善烧结前的可压缩性的蜡掺加料。

Claims (13)

1.一种粉末冶金法制成的呈阀导向件或阀座环形式的部件，所述部件具有含矿物固体润滑剂的基于铁的基质，所述基质的密度在理论密度的75％至90％的范围，其特征在于所述矿物固体润滑剂的熔点低于所述基质的烧结温度，并且所述部件的所述基质的剩余孔体积被所述固体润滑剂熔融渗透。

2.根据权利要求1所述的部件，其特征在于所述固体润滑剂的熔点在>300℃至1600℃的范围，特别是在450℃至1300℃的范围。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的部件，其特征在于所述固体润滑剂包含两种或数种碱金属和/或碱土金属的盐。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的部件，其特征在于所述固体润滑剂含有Li、Na、K、Mg、Ca、Ba和/或Sr的盐。

5.根据权利要求4所述的部件，其特征在于所述部件含有至少两种选自所述Li、Mg、Ca和Ba的盐的盐。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的部件，其特征在于所述固体润滑剂由两种盐的低共熔混合物组成。

7.根据前述权利要求中任一项所述的部件，其特征在于所述固体润滑剂由CaF₂/BaF₂的低共熔混合物组成。

8.一种制造根据权利要求1-7中任一项所述的摩擦部件的方法，其包括以下步骤：

A1为所述烧结部件的所述基质提供粉末混合物；

A2将针对A1提到的所述粉末混合物压制成压坯；

B1为所述固体润滑剂提供粉末；

B2将针对B1提到的所述粉末压制成压坯；

C1在针对B2提到的所述压坯存在下，优选与针对B2提到的所述压坯接触，烧结针对A2提到的所述压坯，或者另一选择为

D1在第一温度T1下在第一步骤中烧结针对A2提到的所述压坯，以及

D2在第二温度T2下，在第二步骤中在针对B2提到的所述压坯存在下，优选与针对B2提到的所述压坯接触，渗透针对D1提到的烧结体。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于用于所述固体润滑剂压坯的所述粉末具有≤100μm，优选≤30μm的平均粒度。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于压制用于所烧结部件的所述基质的所述粉末混合物以达到≤7.2g/cm³，优选6.5-6.95g/cm³的密度。

11.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其特征在于用于所述固体润滑剂的所述粉末是氟化钙和氟化钡的粉末混合物。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于用于所述固体润滑剂的所述粉末混合物由38重量％的氟化钙和62重量％的氟化钡组成。

13.一种38重量％的氟化钙和62重量％的氟化钡的粉末混合物的压坯用于渗透通过粉末冶金法制成的阀导向件和阀座环的用途。