CN112658262A - 一种高硬度耐磨活塞销及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高硬度耐磨活塞销及其制备方法，首先将基体材料粉末、Co‑Cr‑W系合金粉末分别与粘结剂混炼，制粒获得基体材料和高硬度耐磨涂层材料喂料，然后利用注射成形技术将基体材料喂料和Co‑Cr‑W系合金涂层材料喂料依次注入到模具型腔中得到产品生坯；再将生坯中的粘结剂经催化脱脂、热脱脂工艺脱除，最后共烧结致密化得到Co‑Cr‑W系高硬度耐磨活塞销。本发明具有工艺简单、包覆层与基体的结合性能好，具有高硬度耐磨的特点。

Description

一种高硬度耐磨活塞销及其制备方法

技术领域

本发明属于耐磨材料制备技术领域，具体涉及一种高硬度耐磨活塞销及其制备方法。

背景技术

近年来，发动机在向着高功率、高载荷和轻量化的方向不断发展，随之对活塞销的重量强度及可靠性等也提出了更高的要求，这就需要从结构和材料上进行不断的革新和优化。活塞销处于汽缸内部，工作时形成告诉运动，惯性力较大，尤其对于告诉发动机，往复惯性力最高可达自重的3000倍以上，活塞销在工作过程中传递载荷及运动，活塞销表面的磨损是导致活塞销失效的主要原因。

传统的活塞销为钢制材质，设计结构为内孔圆柱形，参照GB/T 25361.1-2010标准，活塞销的材料一般为低碳钢或低碳合金钢，如16MnCr5、31CrMoV9、SAE1016或20MnV等，再经过外表面渗碳或渗氮淬硬，精磨和抛光等加工工序获得。但这些材料和工艺所制备的活塞销有如下缺点：

1、工艺过程繁琐，材料利用率低，使用寿命低。

2、渗碳层或渗氮层厚度不易控制。

3、性能稳定性差。

在小而复杂零件的制备工艺方面，国内外采用的制造方法主要是粉末冶金技术，它是通过利用金属粉末作为原料经过成型和烧结制备各种类型制品的冶金技术，而通过粉末冶金的方式制造的汽车零部件精度高、材料利用率高、制造成本低等优点迅速得到汽车市场的青睐。

Co-Cr-W系合金在具有较高的硬度及稳定性，常采用激光熔覆、等离子熔覆、热喷涂等技术在金属表面制备Co-Cr-W系合金涂层，但由于其制备过程中有大量热量输出导致基体变形，涂层内应力大产生微裂纹，零部件使用过程中涂层剥落，导致产品失效。

发明内容

本发明为解决上述现有技术不足，本发明的目的在于提供一种高硬度耐磨活塞销及其制备方法；所述制备方法，工艺简单、制作成本低，可在各种异型活塞销表面制备具有一定厚度Co-Cr-W系合金耐磨耐高温包覆层；所制备的包覆层厚度均匀、与基体结合性好，具有较好的耐磨耐高温性能，可明显提高活塞销的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种高硬度耐磨活塞销的制备方法，包括以下步骤：

步骤一

将基体粉末与粘接剂A混炼、制粒获得基体材料喂料；将包覆层粉末与粘接剂B混炼、制粒，获得包覆层喂料，所述基体粉末选自铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末、钛合金粉末中的一种；所述包覆层粉末为Co-Cr-W系合金粉末；

步骤二

将基体材料喂料注入模具型腔，冷却，获得基体生坯，再于基体生坯表面注入包覆层喂料；获得复合结构生坯；

步骤三

将复合结构生坯先于硝酸气氛下进行催化脱脂，再于保护气氛下进行热脱脂，获得预烧结坯体；预烧结坯体进行烧结即得活塞销制品。

优选的方案，所述基体粉末选自铁基合金粉末、镍基合金粉末中的一种。

优选的方案，所述基体粉末的粒径为5～50μm，优选10-30μm，进一步的优选10～20μm。

在本发明中，基体粉末、包覆层粉末优选采用气雾化制备的粉末。

优选的方案，所述包覆层粉末，按质量百分比计，其成份组成为：Cr：25-40％、W：6-20％、C：0-2.5％、B：0-2％、Co为余量。

本发明中，包覆层粉末为Co-Cr-W系合金，基于基体粉末的特性，本发明对包覆层粉末的成分进行调控，使其可以与基体粉末具有相近的热膨胀系数，在相同的烧结温度下有着较为接近的收缩率，有利于提高与基体的结合性能。

进一步的优选，所述包覆层粉末，按质量百分比计，其成份组成为：Cr：25-35％、W：6-18％、C：0.2-1.5％、B：0.2-1.8％、Co为余量。

更进一步的优选，所述包覆层粉末，按质量百分比计，其成份组成为：Cr：30-35％、W：10-18％、C：0.2-1.2％、B：0.2-1.5％、Co为余量。

优选的方案，所述包覆层粉末的粒径≤30μm，优选为5～25μm，进一步的优选为10～20μm。

优选的方案，所述粘接剂A与粘接剂B，按质量百分比计，其组成均如下：聚甲醛(POM)70～90％；聚乙烯(PP)或聚丙烯(PE)6～12％；聚乙烯蜡1～4％；聚烯烃弹性体(POE)1～5％；巴斯夫1098抗氧化剂0.2～1％；硬脂酸(SA)0.2～1％。

优选的方案，所述基体材料喂料中，基体粉末与粘接剂A的体积比为35～65：65～35；

所述包覆层喂料中，包覆层粉末与粘接剂B的体积比为35～65：65～35。

优选的方案，步骤一中，所述基体粉末与粘接剂A混炼的温度为120～160℃，时间为1～4h，混炼时混炼机转速为60～120r/min。

优选的方案，步骤一中，所述包覆层粉末与粘接剂B混炼的温度为120～160℃，时间为1～4h，混炼时混炼机转速为60～120r/min。

优选的方案，步骤二中，基体材料喂料注入模具型腔时，注射温度为160～180℃、注射压力为50～110MPa、注射速度为40～60g/s、模具温度为120～140℃。

在本发明中，在注射成形机中先将基体材料喂料注入到模具型腔中，等喂料冷却后，使活动型芯后退，然后基体材料表面注入包覆层喂料。

优选的方案，步骤二中，基体材料喂料的注入量为模具型腔容积的40％～60％，包覆层喂料注入量为模具型腔容积的60％～40％。

优选的方案，步骤二中，基体生坯表面注入包覆层喂料时，注射温度为160～180℃、注射压力为50～110MPa、注射速度为40～60g/s、模具温度为120～140℃。

优选的方案，步骤三中，所述催化脱脂时，硝酸流量为2-4ml/min，催化脱脂的温度为100-140℃，催化脱脂的时间为8-12h。

优选的方案，步骤三中，所述热脱脂的工艺过程为：先以3～8℃/min的速度加热至200～250℃保温1～2h，然后以3～8℃/min的速度加热至350～400℃保温1～4h，再以5～15℃/min的速度加热至1000～1100℃保温2～4h后随炉冷却至室温。

在本发明中，利用催化脱脂和热脱脂相结合的脱脂方式，先在硝酸气氛下进行催化脱脂脱除部分粘结剂，再于保护气氛下进行热脱脂脱除剩余粘结剂，并控制相应的升温速率以及保温时间，有效控制脱脂速率，避免坯体在脱脂过程出现变形、脱落、裂纹等缺陷。

优选的方案，步骤三中，所述烧结的工艺过程为：先以2～8℃/min，优选为4～6℃/min，进一步优选为5℃/min的速度加热至600～800℃保温1～3h；然后以3～6℃/min，优选为3～5℃/min，进一步优选为4℃/min的速度加热至1000～1150℃保温0.5～1h；最后以3～6℃/min，优选为3～5℃/min，进一步优选为3℃/min的速度加热至1260～1400℃保温6～10h后随炉冷。

在本发明的烧结工艺中，本发明通过多段式升温程序达到目标烧结温度，并控制升温速率以及保温时间，可有效避免坯体在升温及烧结过程中出现变形，裂纹等缺陷。

在本发明中，所用保护气氛，优选为氮气气氛和氩气气氛。

本发明还提供上述制备方法所制备的一种高硬度耐磨活塞销。

所述高硬度耐磨活塞销由基体与包覆层组成，所述基体选自铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末、钛合金粉末中的一种，所述包覆层中，按质量百分比计，其成份组成为：Cr：25-40％、W：6-20％、C：0-2.5％、B：0-2％、Co为余量。

原理与优势

本发明基于金属粉末注射成形技术，制备出一种高硬度耐磨活塞销。首先将基体材料粉末、Co-Cr-W系合金粉末分别与粘结剂混炼，制粒获得基体材料和高硬度耐磨涂层材料喂料，然后利用注射成形技术将基体材料喂料和Co-Cr-W系合金涂层材料喂料依次注入到模具型腔中得到产品生坯；再将生坯中的粘结剂经催化脱脂、热脱脂工艺脱除，最后共烧结致密化得到Co-Cr-W系高硬度耐磨活塞销。

Co-Cr-W系合金涂层与基体材料在相同烧结温度下是否有相匹配的热膨胀系数等物理性能是本发明的关键步骤，决定了最终产品的性能。本发明的包覆层粉末，以Co-Cr-W合金为基础，保证包覆层具有较高的硬度，同时通过加入具有自润滑效果的合金元素C、B来调控其物理性能，如热膨胀系数，使得包覆层与基体材料的相关性能相匹配，且两者具有很好的相容性，最终使得包覆层与基体结合性较好，结合强度高于300MPa。另外，在脱脂工序中，本发明利用催化脱脂和热脱脂相结合的脱脂方式，控制相应的升温速率以及保温时间，有效控制脱脂速率，避免坯体在脱脂过程出现变形、脱落、裂纹等缺陷。在烧结工序中，本发明通过多段式升温程序达到目标烧结温度，并控制升温速率以及保温时间，可有效避免坯体在升温及烧结过程中出现变形，裂纹等缺陷。

与现有技术相比，本发明采用金属粉末注射成形技术制备的一种汽车用高硬度耐磨活塞销，其特点如下：

1.制备过程简便、耗时短，一次成型无需后期加工；

2.可灵活、精准调节耐磨涂层厚度，所制备的耐磨涂层厚度均匀、与芯部材料结合性好，耐磨涂层具有一定硬度而内部基体材料具有一定塑性。

3.按照此专利制备出的活塞销适用于半浮式和全浮式，且芯部性能完全符合GB/T25361.1-2010，且表面Co-Cr-W系合金涂层硬度大于800HV。

4.具有较好的耐磨性能，可明显提高活塞销的使用寿命及经济效益。

综上所述，本发明所制备的一种高硬度耐磨活塞销，通过一次成形，易于实现生产自动化，加工效率高，生产成本低，解决了现有活塞销性能稳定性不足、成本高昂等问题，能很好的满足客户需求。对于促进粉末冶金注射成型材料体系扩展以及汽车行业的发展，具有革命性的创新。

附图说明

图1高硬度耐磨活塞销示意图。

具体实施方式

实施例1：

一种高硬度耐磨活塞销及其制备技术，其过程如下：

A、原料准备：基体材料选用气雾化制备的31CrMoV9合金粉末，平均粒度为14.8μm，化学成分为：C：0.27～0.34wt％、Cr：2.30～2.70wt％、Mo：0.15～0.25wt％、V：0.10～0.20wt％、Fe：余量。

包覆层材料选用气雾化制备的Co-33Cr-18W-1C-0.5B(wt％)合金粉末，平均粒度为13.6μm。

粘结剂A和B：按如下质量百分比配制，聚甲醛(POM)：85％；聚乙烯(PP)：10％；聚烯烃弹性体(POE)：3％；巴斯夫1098抗氧化剂：1％；硬脂酸(SA)：1％。

B、制备喂料：将粘结剂A与31CrMoV9合金粉末按照体积比45％：55％进行混炼、制粒制成基体材料喂料，混炼温度为155℃，混炼机转速为90r/min，混炼时间为2h；将粘结剂B与Co-33Cr-18W-2C-0.5B(wt％)合金粉末按照体积比45％：55％进行混炼、制粒制成包覆层喂料，混炼温度为155℃，混炼机转速为120r/min，混炼时间为3h；

C、注射成形：注射成型模具采用收缩型芯结构，利用共注射成形机先将31CrMoV9合金粉末喂料注入到模具型腔中，待喂料冷却后，活动型芯后退，再注射Co-Cr-W系合金粉末喂料，获得高硬度耐磨活塞销生坯。基体材料喂料的注入量为模具型腔容积的55％，包覆层喂料注入量为模具型腔容积的45％。注射成型时，注射温度为160℃，注射压力为60MPa，注射速度为60g/s，模具温度为120℃；

D、脱脂：将产品生坯先用硝酸催化脱脂去除部分粘结剂，硝酸流量3ml/min，催化温度125℃，催化时间8h；然后在真空脱脂炉中进行热脱脂，在氩气气氛保护中，先以5℃/min的速度加热至200℃保温1h，然后以5℃/min的速度加热至400℃保温2h，再以10℃/min的速度加热至1100℃保温1h后随炉冷却至室温；

E、烧结：将脱脂后的产品坯体在烧结炉内进行烧结；烧结时充入1：1的Ar2：N2作为保护气体，压力12000Pa；先以5℃/min的速度加热至800℃保温2h，然后以4℃/min的速度加热至1100℃保温1h，再以3℃/min的速度加热至1310℃保温10h后随炉冷却至室温。

检测成品的力学性能，Co-Cr-W系合金高硬度耐磨涂层硬度880HV,，界面结合强度为350MPa。

实施例2：

一种高硬度耐磨活塞销及其制备技术，其过程如下：

A、原料准备：基体材料选用气雾化制备的Inconel718合金粉末，平均粒度为16.8μm，化学成分为：C：≤0.08wt％、Nb：4.75～5.5wt％、Mo：2.8～3.3wt％、Cr：17～21wt％、Ni：50～55wt％、Ti：0.65～1.15wt％、Al：0.2～0.8wt％、Fe：余量。

包覆层材料选用气雾化制备的Co-32Cr-16W-1.2C-0.8B(wt％)合金粉末，平均粒度为15.6μm。

粘结剂A和B：按如下质量百分比配制，聚甲醛(POM)：84％；聚乙烯(PP)：11％；聚烯烃弹性体(POE)：3％；巴斯夫1098抗氧化剂：1％；硬脂酸(SA)：1％。

B、制备喂料：将粘结剂A与Inconel718合金粉末按照体积比48％：52％进行混炼、制粒制成基体材料喂料，混炼温度为150℃，混炼机转速为100r/min，混炼时间为1h；将粘结剂B与Co-Cr-W系合金粉末按照体积比45％：55％进行混炼、制粒制成Co-Cr-W系合金高硬度耐磨耐高温包覆层喂料，混炼温度为155℃，混炼机转速为120r/min，混炼时间为3h；

C、注射成形：注射成型模具采用收缩型芯结构，利用共注射成形机先将Inconel718合金粉末喂料注入到模具型腔中，待喂料冷却后，活动型芯后退，再注射Co-Cr-W系合金粉末喂料，获得高硬度耐磨活塞销生坯。基体材料喂料的注入量为模具型腔容积的55％，包覆层喂料注入量为模具型腔容积的45％。注射成型时，注射温度为170℃，注射压力为70MPa，注射速度为60g/s，模具温度为120℃；

D、脱脂：将产品生坯先用硝酸催化脱脂去除部分粘结剂，硝酸流量3ml/min，催化温度125℃，催化时间8h；然后在真空脱脂炉中进行热脱脂，在氩气气氛保护中，先以5℃/min的速度加热至200℃保温1h，然后以5℃/min的速度加热至400℃保温2h，再以10℃/min的速度加热至1100℃保温1h后随炉冷却至室温；

E、烧结：将脱脂后的产品坯体在烧结炉内进行烧结；烧结时充入1：1的Ar2：N2作为保护气体，压力12000Pa；先以5℃/min的速度加热至800℃保温2h，然后以4℃/min的速度加热至1100℃保温1h，再以3℃/min的速度加热至1280℃保温10h后随炉冷却至室温。

检测成品的力学性能，Co-Cr-W系合金高硬度耐磨涂层硬度800HV,，界面结合强度为330MPa。

对比例1：

与实施例1的唯一区别是Co-Cr-W系合金中不包含C和B，检测成品的力学性能，Co-Cr-W系合金高硬度耐磨涂层硬度745HV,，界面结合强度为192MPa。

对比例2：

以下对比实验中未列出条件均与实施例1相同，

对比例3：

与实施例1的唯一区别是脱脂工艺只有热脱脂，检测成品的力学性能，Co-Cr-W系合金高硬度耐磨涂层硬度657HV,，界面结合强度为165MPa。

对比例4：

以下对比实验中未列出条件均与实施例1相同，

上述对比可以看出，不合适的成分和脱脂方法、过高或者过低的注射温度、注射压力以及比例不恰当的基体与包覆层注射量等注射参数、过高或者过低的烧结温度、保温时间都会导致产品出现缺陷，进而影响性能。

以上所述设计参数仅为本发明部分实例，故不能以此限定本发明的实施范围，依本发明申请专利范围及说明书内容所做的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种高硬度耐磨活塞销的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一

将基体粉末与粘接剂A混炼、制粒获得基体材料喂料；将包覆层粉末与粘接剂B混炼、制粒，获得包覆层喂料，所述基体粉末选自铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末、钛合金粉末中的一种；所述包覆层粉末为Co-Cr-W系合金粉末；

步骤二

将基体材料喂料注入模具型腔，冷却，获得基体生坯，再于基体生坯表面注入包覆层喂料；获得复合结构生坯；

步骤三

将复合结构生坯先于硝酸气氛下进行催化脱脂，再于保护气氛下进行热脱脂，获得预烧结坯体；预烧结坯体进行烧结即得活塞销制品。

2.根据权利要求1所述的一种高硬度耐磨活塞销的制备方法，其特征在于：

所述基体粉末选自铁基合金粉末、镍基合金粉末中的一种；所述基体粉末的粒径为5～50μm。

3.根据权利要求1所述的一种高硬度耐磨活塞销的制备方法，其特征在于：

所述包覆层粉末，按质量百分比计，其成份组成为：Cr：25-40％、W：6-20％、C：0-2.5％、B：0-2％、Co为余量；

所述包覆层粉末的粒径≤30μm。

4.根据权利要求1所述的一种高硬度耐磨活塞销的制备方法，其特征在于：

所述粘接剂A与粘接剂B，按质量百分比计，其组成均如下：POM 70～90％；PP或PE 6～12％；聚乙烯蜡1～4％；POE 1～5％；巴斯夫1098抗氧化剂0.2～1％；SA 0.2～1％；

所述基体材料喂料中，基体粉末与粘接剂A的体积比为35～65：65～35；

所述包覆层喂料中，包覆层粉末与粘接剂B的体积比为35～65：65～35。

5.根据权利要求1所述的一种高硬度耐磨活塞销的制备方法，其特征在于：

步骤一中，所述基体粉末与粘接剂A混炼的温度为120～160℃，时间为1～4h，混炼时混炼机转速为60～120r/min；

步骤一中，所述包覆层粉末与粘接剂B混炼的温度为120～160℃，时间为1～4h，混炼时混炼机转速为60～120r/min。

6.根据权利要求1所述的一种高硬度耐磨活塞销的制备方法，其特征在于：

步骤二中，基体材料喂料注入模具型腔时，注射温度为160～180℃、注射压力为50～110MPa、注射速度为40～60g/s、模具温度为120～140℃；

步骤二中，基体材料喂料的注入量为模具型腔容积的40％～60％，包覆层喂料注入量为模具型腔容积的60％～40％；

步骤二中，基体生坯表面注入包覆层喂料时，注射温度为160～180℃、注射压力为50～110MPa、注射速度为40～60g/s、模具温度为120～140℃。

7.根据权利要求1所述的一种高硬度耐磨活塞销的制备方法，其特征在于：

步骤三中，所述催化脱脂时，硝酸流量为2-4ml/min，催化脱脂的温度为100-140℃，催化脱脂的时间为8-12h；

步骤三中，所述热脱脂的工艺过程为：先以3～8℃/min的速度加热至200～250℃保温1～2h，然后以3～8℃/min的速度加热至350～400℃保温1～4h，再以5～15℃/min的速度加热至1000～1100℃保温2～4h后随炉冷却至室温。

8.根据权利要求1所述的一种高硬度耐磨活塞销的制备方法，其特征在于：

步骤三中，所述烧结的工艺过程为：先以2～8℃/min的速度加热至600～800℃保温1～3h；然后以3～6℃/min的速度加热至1000～1150℃保温0.5～1h；最后以3～6℃/min的速度加热至1260～1400℃保温6～10h后随炉冷。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的制备方法所制备的一种高硬度耐磨活塞销。

10.根据权利要求9所述的一种高硬度耐磨活塞销，所述高硬度耐磨活塞销由基体与包覆层组成，所述基体选自铁基合金粉末、镍基合金粉末、钴基合金粉末、钛合金粉末中的一种，所述包覆层中，按质量百分比计，其成份组成为：Cr：25-40％、W：6-20％、C：0-2.5％、B：0-2％、Co为余量。

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