CN1272458C - 阀座用烧结合金、阀座及其制备方法 - Google Patents

阀座用烧结合金、阀座及其制备方法 Download PDF

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Abstract

阀座用烧结合金含有：1-2重量%碳，3.5-4.7重量%铬，4.5-6.5重量%钼，5.2-7.0重量%钨，1.5-3.2重量%钒，余者为铁和不可避免的杂质。在分布有碳化物的烧结合金构架基体中分散着1-3重量%顽火石粒子、15-25重量%的维氏硬度为500-900的硬质合金粒子(A)以及5-15重量%的维氏硬度为1000或更高的硬质合金粒子(B)(A+B：35重量%或更低)。将15-20重量%的铜或铜合金渗入所述构架的孔隙中。

Description

阀座用烧结合金、阀座及其制备方法
发明领域
本发明涉及内燃机中的阀座用烧结合金。
相关技术描述
内燃机中的阀座由于长期暴露在高温气体下并且重复与阀门高压接触，因此，必须具有良好的耐热性和耐磨性。为了获得这些性能，已使用具有高硬度的高合金粉末粒子分散在基体中以提高耐磨性的铁基烧结合金。另外，在酷热条件下运行的柴油机中，以及在不易于在与阀门接触面产生燃烧产物和氧化膜，易于发生金属接触的汽油发动机中，公开了一种耐磨性优异的阀门用烧结合金(日本专利3186816)，该合金在基体中使用合金工具钢粉末，以提高基体的耐热性；使用多种硬度不同的高合金粉末粒子和作为固体润滑剂的氟化钙分散在基体中，而且，还向基体材料孔隙中渗入铜或铜合金，以改善烧坯的强度和导热性。
然而，随着柴油机和汽油发动机输出的提高和使用寿命的延长，要求甚至更好的耐磨性。
发明内容
鉴于相关技术的上述状况，因此，本发明的目的是提供用于高输出柴油机和汽油发动机的耐磨性高的阀座用烧结合金。
本发明使用下述手段达到以上目的。即：本发明的阀座用烧结合金包含一个构架，其分布有碳化物并具有下述元素：
碳：1.0-2.0重量％
铬：3.5-4.7重量％
钼：4.5-6.5重量％
钨：5.2-7.0重量％
钒：1.5-3.2重量％
铁和不可避免的杂质：余量；其中，顽火石粒子，维氏硬度为500-900的硬质合金粒子(A)，以及维氏硬度为1000或更高的硬质合金粒子(B)以下述比例分布在构架基体中：
顽火石粒子：1-3重量％
硬质合金粒子(A)：15-25重量％
硬质合金粒子(B)：5-15重量％
(A+B：35重量％或更低)；并且，将15-20重量％的铜或铜合金渗入所述构架孔隙中。
具有上述组成和其中分散有碳化物的烧结合金构架的基体能提供改善的耐磨性和改善的强度。将1-3重量％的顽火石粒子作为热稳定固体润滑剂分散在基体内能够在苛刻的润滑条件，例如暴露在高温气体和金属接触的条件下，产生改善的耐磨性。阀座本身的耐磨性得到改善，而且，由于在构架基体中按照A：15-25重量％和B：5-15重量％(A+B：35重量％或更低)的比例分散有维氏硬度为500-900的硬质合金粒子(A)和维氏硬度为1000或更高的硬质合金粒子(B)，结果对配副阀门的磨损也降低。通过向构架孔隙中渗入15-20重量％的铜或铜合金，还能够改善烧坯的强度和耐热性。因此，与传统技术相比，能够获得在恶劣润滑和热环境下具有甚至更优耐磨性的阀座用烧结合金。
碳以固溶态存在于基体中起强化基体作用，并且形成改善耐磨性的铬、钼、钨和钒的硬碳化物。如果碳含量低于1重量％，则强度不足。如果含量高于2.0重量％，可压制性差。铬以固溶态存在于基体中改善耐热性，并且，通过形成碳化物改善耐磨性。如果铬含量低于3.5重量％，则耐热性和耐磨性不足。如果含量高于4.7重量％，则滑动配副材料的磨损增加。钼以固溶态存在于基体中改善耐热性，并且，通过形成碳化物改善耐磨性。如果钼含量低于4.5重量％，则耐热性和耐磨性不足。如果含量高于6.5重量％，则滑动配副材料的磨损增加。钨以固溶态存在于基体中改善耐热性，并且，通过形成碳化物改善耐磨性。如果钨含量低于5.2重量％，则耐热性和耐磨性不足。如果含量高于7.0重量％，则滑动配副材料的磨损增加。钒形成硬碳化物并且改善耐磨性。如果钒含量低于1.5重量％，则耐磨性不足。如果含量高于3.2重量％，则滑动配副材料的磨损增加。
顽火石粒子(硅酸镁粉末)是一种高温下稳定的固体润滑剂。顽火石粒子防止阀座与阀门发生金属接触并且能够抑制粘着磨损的发生。顽火石粒子的含量低于1重量％不能有效降低磨损量，而其含量高于3重量％时，可能会导致阀座强度下降。
分散在基体中的两类硬质合金粒子(A)和(B)改善基体的耐磨性。如果仅仅使用维氏硬度为500-900的硬质合金粒子(A)，则基体的磨损较大。同样，如果仅仅使用维氏硬度为1000或更高的硬质合金粒子(B)，则配副阀门的磨损也较大。因此，需一起使用这两类硬质合金粒子(A)和(B)。如果硬质合金粒子(A)的含量低于15重量％，则耐磨性不足。如果含量高于25重量％，则在粉末模压期间的可压缩性差，金属模具的寿命缩短。而且会使配副阀门表面发生严重磨损。如果硬质合金粒子(B)的含量低于5重量％，则该粒子没有作用。如果硬质合金粒子(B)的含量高于15重量％，则在粉末模压期间的可压缩性差，金属模具的寿命缩短。而且会使配副阀门表面发生严重磨损。另外，如果这两类硬质合金粒子(A)和(B)的总含量高于35重量％，则粉末的流动形变差，粉末的模压变得困难，而且，模压期间重量不匀度加大。
如上所述的烧坯存在孔隙。依据孔隙的量，将15-20重量％的铜或铜合金渗入孔隙中，能够提高烧坯的强度和导热性，而且，还能够改善耐磨性和耐热性。如果铜或铜合金的含量低于15重量％，则不能获得足够效果。如果铜或铜合金的含量高于20重量％，则铜过剩，而且加工性能变差。
硬质合金粒子(A)优选使用以如下方式制备的合金粉末。将例如Fe-Cr，Fe-Mo，Fe-Nb，Ni，Co与石墨按下述比例混合，之后熔炼，浇注成钢锭，并且，然后将这些钢锭物理粉碎并分类成150目或以下的合金粉末：
碳：1-4重量％
铬：10-30重量％
镍：2-15重量％
钼：10-30重量％
钴：20-40重量％
铌：1-5重量％
铁和不可避免的杂质：余量。
可以根据需要在上述元素范围内调整硬质合金粒子(A)的机械性能，包括维氏硬度(500-900)。这种粉末已在本发明申请人的日本专利公开57-19188中进行了介绍。
硬质合金粒子(B)优选是200目或以下的钼铁粒子。如果硬粒子的维氏硬度为1000或更高，则可以使用含钨的高合金(C-Cr-W-Co合金或C-Cr-W-Fe合金)的硬粒子。
下面示出上述阀座用烧结合金的制备方法实例。即：
碳粉末：0.7-1.0重量％
顽火石粒子：1-3重量％
维氏硬度为500-900的硬质合金粒子(A)：15-25重量％
维氏硬度为1000或更高的硬质合金粒子(B)：5-15重量％
(硬质合金粒子(A+B)：35重量％或更低)，余下部分为含碳0.4-0.6重量％的高速工具钢粉末；将上述各组元混合，并且在模压成型之后，烧结同时渗入铜或铜合金。渗入也可以在烧结之后进行。
该制备方法具有优异的可压制性和足够的基体密度。顺便说一句，如果使用含碳0.7-1.1重量％的高速工具钢粉末，则可压制性差，基体密度不足。
附图简述
由下面的详细描述和附图，本发明的前述及其他目的和特征将变得更为明显。
图1是阀座磨损实验机的竖直剖面视图。
优选实施方案描述
下面，解释本发明的优选实施例。
制备出用于制造本实施例和对照例的烧结合金的原料粉末。制备高速工具钢粉末、碳粉末和低合金钢粉末作为构成铁基烧结合金构架基体的材料。低碳高速工具钢粉末含有：
碳：0.5重量％
铬：4.0重量％
钼：5.0重量％
钨：6.0重量％
钒：2.0重量％
铁和不可避免的杂质：余量。
最大粒径为150微米，平均粒径为45微米。
制备出最大粒径为105微米和平均粒径为11微米的顽火石粉末粒子。制备出使用最大粒径为150微米和平均粒径为45微米的CaF2粒子的对照例粉末。
硬质合金粒子(A)使用以如下方式制备的合金粉末。将Fe-Cr，Fe-Mo，Fe-Nb，Ni，Co与石墨按下述比例混合，之后，熔炼，浇注成钢锭，并且，将这些钢锭然后物理粉碎并分类成150目或以下的合金粉末：
碳：2重量％
铬：20重量％
镍：8重量％
钼：20重量％
钴：32重量％
铌：2重量％
铁和不可避免的杂质：余量。
这样，制备出维氏硬度为600-800，最大粒径为100微米和平均粒径为50微米的硬质合金粒子(A)。
制备出由维氏硬度为1300、最大粒径为75微米和平均粒径为30微米的低碳钼铁粉末构成的硬质合金粒子(B)。
这些原料按表1所示的指定比例配制，添加0.8重量％的硬脂酸锌，以6.9吨/cm2的压力进行压力模制，形成生坯(密度：6.3-6.5克/cm3，环形)。在氨裂解气氛中，1130℃下，将该生坯烧结30分钟。将指定量的渗入用铜合金(例如，Cu-Fe-Mn合金)置于烧坯上部，并且在1110℃下进行渗入30分钟。
对所获得的烧结合金环(阀座)进行包括冷处理和回火的淬火处理，形成具有回火马氏体结构的基体。该处理有助于防止阀座从柱形头中出来。
表1
  样品编号   基体用合金钢粉末重量％   固体润滑剂粉末   硬质合金粒子粉末   碳粉末重量％   铜合金渗入量重量％
  固体润滑剂   含量重量％   A重量％   B重量％
  实施例   1   67.1   顽火石   2.0   20.0   10.0   0.9   18.0
  2   78.1   顽火石   1.0   15.0   5.0   0.9   18.0
  3   68.1   顽火石   1.0   20.0   10.0   0.9   18.0
  4   66.1   顽火石   3.0   20.0   10.0   0.9   18.0
  5   72.1   顽火石   2.0   15.0   10.0   0.9   18.0
  6   62.1   顽火石   2.0   25.0   10.0   0.9   18.0
  7   72.1   顽火石   2.0   20.0   5.0   0.9   18.0
  8   62.1   顽火石   2.0   20.0   15.0   0.9   18.0
  9   67.3   顽火石   2.0   20.0   10.0   0.7   18.0
  10   67.0   顽火石   2.0   20.0   10.0   1.0   18.0
  11   67.1   顽火石   2.0   20.0   10.0   0.9   16.0
  12   67.1   顽火石   2.0   20.0   10.0   0.9   20.0
  对照例   13   57.0   顽火石   2.0   20.0   10.0   0.9   18.0
  14   69.1   -   0   20.0   10.0   0.9   18.0
  15   65.1   顽火石   4.0   20.0   10.0   0.9   18.0
  16   77.1   顽火石   2.0   10.0   10.0   0.9   18.0
  17   57.1   顽火石   2.0   30.0   10.0   0.9   18.0
  18   77.1   顽火石   2.0   20.0   0   0.9   18.0
  19   57.1   顽火石   2.0   20.0   20.0   0.9   18.0
  20   67.5   顽火石   2.0   20.0   10.0   0.5   18.0
  21   66.7   顽火石   2.0   20.0   10.0   1.3   18.0
  22   67.1   顽火石   2.0   20.0   10.0   0.9   14.0
  23   67.1   顽火石   2.0   20.0   10.0   0.9   22.0
  24   68.0   顽火石   2.0   20.0   10.0   0   18.0
  25   10.0   -   0   25.0   5.0   0.6   18.0
  26   10.0   CaF2   3.0   25.0   5.0   0.6   18.0
表1中样品号1-12为具有如下组成的阀座用烧结合金：
碳：1.0-2.0重量％
铬：3.5-4.7重量％
钼：4.5-6.5重量％
钨：5.2-7.0重量％
钒：1.5-3.2重量％
铁和不可避免的杂质：余量；
其中，顽火石粒子，维氏硬度为500-900的硬质合金粒子(A)，以及维氏硬度为1000或更高的硬质合金粒子(B)以下述比例分散在构架基体中：
顽火石粒子：1-3重量％
硬质合金粒子(A)：15-25重量％
硬质合金粒子(B)：5-15重量％
(A+B：35重量％或更低)；
并且，将15-20重量％的铜或铜合金渗入所述构架孔隙中。
表1中，基体用合金钢粉末是低碳高速工具钢粉末，对于实施例1-12和对照例13-23，所述粉末含有如下元素：
碳：0.5重量％
铬：4重量％
钼：5重量％
钨：6重量％
钒：2重量％
铁和不可避免的杂质：余量。
在对照例24中使用的基体用合金钢粉末是含有如下元素的高速工具钢粉末：
碳：0.8重量％
铬：4重量％
钼：5重量％
钨：6重量％
钒：2重量％
铁和不可避免的杂质：余量。
在对照例25和26中使用的基体用合金钢粉末是一种合金工具钢粉末(JIS SKD11)。
表1中，基体用合金钢粉末、固体润滑剂粉末、硬质合金粒子粉末和碳粉末的各重量百分数是以基体用合金钢粉末、固体润滑剂粉末、硬质合金粒子粉末和碳粉末含量之和为100％。当基体用合金钢粉末、固体润滑剂粉末、硬质合金粒子粉末和碳粉末总量低于100％时，余者是含有如下元素的低合金钢粉末：
镍：4重量％
钼：1.5重量％
铜：2重量％
碳：0.02重量％
铁和不可避免的杂质：余量。
铜合金渗入量的重量百分数是当烧结合金构架和铜合金渗入量的重量百分数总计为100％时的结果。
下面介绍磨损实验。
采用图1所示阀座磨损实验机，在下述条件下，评定烧结合金环(阀座)和配副材料(阀门)的表面的磨损，并且，根据磨后形状测量磨损量。
实验条件：
阀门材料：耐热钢(钢软氮化处理，JIS SUH11)
阀座温度：300℃
凸轮轴转速：2500rpm
实验时间：5小时
阀座实验机的构造如图1所示。阀门4的一个表面借助弹簧5与阀座3接触，阀座3装配在位于构架1顶端的阀座夹具2中。通过电机6旋转的凸轮轴7借助杆8向上推动阀门4。然后，阀门4借助弹簧5的回弹作用与阀座3接触。采用气体炉9加热阀门4，并且，采用热电偶10测量阀座3的温度并进行温度监控。阀门4加热期间，调整气体炉使其完全燃烧，这样，表面上不会出现氧化膜。采用真正的发动机部件作为阀门4、弹簧5、凸轮轴7和杆8等。
下面介绍径向压溃强度实验。
采用基于JIS Z 2507的方法评定并且根据如下公式确定阀座的径向压溃强度。
径向压溃强度＝2F*(D1+D2)/L*(D1-D2)2
其中，F是破坏时的最大载荷(N)，D1是外径(mm)，D2是内径(mm)，L是环长度(mm)。样品尺寸为：外径35mm，内径25mm，环长度10mm。
实验结果示于表2中。
表2
  磨损实验结果(微米)   径向压溃强度MPa   制造性
  阀座   阀门
  实施例   1   25.3   3.8   705   良好
  2   38.0   3.6   883   良好
  3   36.5   3.8   848   良好
  4   16.9   2.5   684   良好
  5   33.0   3.9   735   良好
  6   17.0   2.9   619   良好
  7   36.0   3.1   735   良好
  8   15.0   3.2   609   良好
  9   27.0   3.6   657   良好
  10   27.2   3.9   725   良好
  11   28.1   3.2   650   良好
  12   29.1   3.4   745   良好
  对照例   13   49.0   3.5   745   良好
  14   66.3   3.6   863   良好
  15   19.5   2.2   481   良好
  16   49.0   3.2   765   良好
  17   23.0   5.6   510   差
  18   51.0   3.0   775   良好
  19   21.4   6.2   490   差
  20   30.6   3.4   500   良好
  21   48.0   3.6   600   差
  22   46.0   3.5   490   良好
  23   30.4   3.2   730   差
  24   32.0   3.7   510   差
  25   68.8   4.1   1146   良好
  26   53.8   3.4   899   良好
样品13的烧结合金构架的基体组成中，向高速工具钢粉末中添加了低合金钢粉末。该样品的阀座耐磨性低。
样品14中的顽火石粒子的量低于本发明的指定范围。该样品的阀座耐磨性低。
样品15中的顽火石粒子的量高于本发明的指定范围。该样品的阀座强度低。
样品16中的硬质合金粒子(A)的量低于本发明的指定范围。该样品的阀座耐磨性低。
样品17中的硬质合金粒子(A)的量高于本发明的指定范围。该样品的阀门磨损严重，且可压制性差。
样品18中的硬质合金粒子(B)的量低于本发明的指定范围。该样品的阀座耐磨性低。
样品19中的硬质合金粒子(B)的量高于本发明的指定范围。该样品的阀门的磨损严重，强度低，可压制性差。
样品20中的碳含量低于本发明的指定范围。该样品的阀座强度低。
样品21中的碳含量高于本发明的指定范围。该样品的阀座耐磨性低。
样品22中的铜合金渗入量低于本发明的指定范围。该样品的阀座耐磨性低，强度也低。
样品23中的铜合金渗入量高于本发明的指定范围。该样品的铜合金过剩，因此可制造性差。
样品24采用高速钢(JIS SKH51，C：0.8重量％)作为基体用合金钢粉末。该样品在压力模制期间的可压制性差，而且强度也低。
样品25和26在基体用合金钢粉末中含有10重量％的合金工具钢(JIS SKD11)。样品25不含固体润滑剂。样品26采用CaF2作为固体润滑剂。与实施例相比，样品25和26的阀座耐磨性均差。
本发明的阀座可用于日本专利公开56-44123中公开的双层复合烧结阀座的第一部分。56-44123中的阀座包括与阀门接触的第一部分和一个第二部分。两部分具有不同组成。
尽管已参考优选实施方案对本发明进行了描述，但是，显而易见的是，本发明不受上述优选实施方案限制，而是可以在不偏离本发明范围的条件下进行各种修正。

Claims (4)

1.阀座用烧结合金，包含一个构架，其构架中含有分布的碳化物并具有下述元素：
碳：1.0-2.0重量％
铬：3.5-4.7重量％
钼：4.5-6.5重量％
钨：5.2-7.0重量％
钒：1.5-3.2重量％
铁和不可避免的杂质：余量；
其中，顽火石粒子，维氏硬度为500-900的硬质合金粒子(A)，以及维氏硬度为1000或更高的硬质合金粒子(B)以下述比例分布在所述构架基体中：
顽火石粒子：1-3重量％
硬质合金粒子(A)：15-25重量％
硬质合金粒子(B)：5-15重量％
A+B：35重量％或更低；
并且，将15-20重量％的铜或铜合金渗入所述构架孔隙中，其中，所述硬质合金粒子(A)是含有如下元素的合金粒子：
碳：1.0-4.0重量％
铬：10-30重量％
镍：2-15重量％
钼：10-30重量％
钴：20-40重量％
铌：1-5重量％
铁和不可避免的杂质：余量；并且，所述硬质合金粒子(B)是钼铁粒子。
2.由根据权利要求1的所述烧结合金制成的阀座。
3.根据权利要求1的所述阀座用烧结合金的制备方法，其中：
碳粉末：0.7-1.0重量％；
顽火石粒子：1-3重量％；
维氏硬度为500-900的硬质合金粒子(A)：15-25重量％
维氏硬度为1000或更高的硬质合金粒子(B)：5-15重量％
硬质合金粒子(A+B)的总量：35重量％或更低，余下部分为含碳0.4-0.6重量％的高速工具钢粉末；将上述各组元混合，并且在模压成型之后，在烧结同时渗入铜或铜合金。
4.根据权利要求1的所述阀座用烧结合金的制备方法，其中：
碳粉末：0.7-1.0重量％；
顽火石粒子：1-3重量％；
维氏硬度为500-900的硬质合金粒子(A)：15-25重量％
维氏硬度为1000或更高的硬质合金粒子(B)：5-15重量％
硬质合金粒子(A+B)的总量：35重量％或更低，余下部分为含碳0.4-0.6重量％的高速工具钢粉末；将上述各组元混合，并且在模压成型和烧结之后，渗入铜或铜合金。
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