CN1503708A - 用于阀座垫板的高可加工性的铁基烧结合金 - Google Patents
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Abstract
含铁的烧结阀座材料由混合粉末制成，混合粉末包含可烧结硬化相和细分散的碳化物相。粉末混合物包含的可烧结硬化预合金化粉末构成该混合物的75－90wt％，包含的有细分散碳化物的工具钢粉末构成该混合物的5－25％。MnS，CaF2或MoS2类型的改善可加工性添加剂加入的量为1－5wt％。通过用最多达25wt％的Cu渗透密实体，获得了改善的热导率。
Description
本发明总体涉及用于制造内燃机阀座垫板的铁基烧结合金组合物。阀座垫板(VSI)在十分严酷的环境下工作。阀座垫板合金需要抵抗由搭配的阀座面引起的磨损和/或粘连，抵抗由高工作温度引起的软化和退化，并抵抗由燃烧产物引起的腐蚀。
阀座垫板是在插入汽缸盖后加工的。加工阀座垫板的成本占加工汽缸盖总成本的很大一部分。在加工操作中，由于使合金具有耐磨损性的硬质材料相也会对切削工具产生严重磨损，所以这成为阀座垫板合金设计的主要问题。
在多数客车引擎应用中，烧结合金已经代替铸造合金用于阀座垫板。粉末冶金(压制和烧结)是非常吸引人的VSI制造工艺，因为其合金化的灵活性能允许非常异质相的共同存在，如碳化物，软的铁素体或珠光体相，硬质马氏体，富铜相等，并且其近终形成型能力减少了加工成本。
烧结阀座垫板合金是应内燃机-更高功率密度的需求而发展起来的，更高的功率密度产生了更大的热和机械负荷，更换了燃料以减少排放并延长发动机寿命。那些烧结合金主要有四类：
1)100％工具钢，
2)添加有硬质相颗粒的纯铁或低合金铁基体，以增加耐磨损性，
3)高碳，高铬(＞10wt％)钢，和
4)Co和Ni基合金。
这些材料已经满足了多数耐用性的需要。然而，所有这些都难于加工，除非使用高百分比的改善加工性添加剂。
第1，2和3类是高碳含量材料。US专利6139599，5859376，6082317，5895517及其它描述了主要在珠光体相(5到100％珠光体)中分散有硬质颗粒的铁基烧结合金，其中添加了独立的细碳化物和自润滑化合物，以充分满足阀座垫板的应用。
虽然增加了耐用性，增加合金中的碳化物的量和尺寸对最终阀座垫板的处理(可压缩性和生坯强度)和加工是有害的。另外，烧结产品的强度会由于大量碳化物或硬颗粒的存在而显著降低。
US专利6139598提出了一种具有可压缩性，耐高温磨损性和加工性良好组合的阀座垫板材料。用于生产这种材料的混合物是含有Cr和Ni的钢粉末(＞20％Cr和＜10％Ni)，Ni粉末，Cu，铁合金粉末，工具钢粉末和固体润滑剂粉末的复合混合物。虽然这种材料可以带来可压缩性和耐磨损性的显著提高，其高含量的合金元素意味着高材料成本(Ni，工具钢，Cr，富钢粉末，铁合金)。
US专利6082317提出了一种阀座垫板材料，其中钴基硬颗粒分散在铁基合金的基体中。与通常的硬颗粒(碳化物)相比，钴基硬颗粒据称磨损性较弱，会产生对搭配的阀较小的磨损。据称，这种材料适合于需要阀的金属表面与阀座直接接触的应用，如用在内燃机中。尽管Co合金表现出各种性能的良好平衡，Co的价格是这些合金对于汽车应用太昂贵。
详细描述
本发明针对上面所列的所有缺陷，提供了一种具有极好的加工性和高耐热和耐磨损性的压制-烧结合金。
通过提出高强度低碳马氏体基体，细分散碳化物，改善加工性添加剂和填充孔隙的富铜相网络的独特组合，本发明解决了加工性的问题。分散在硬马氏体基体中的硬颗粒的量相对较少，进而减少了合金的成本。
依据本发明，烧结硬化合金具有包含2-5wt％Cr；0-3wt％Mo；0-2wt％Ni且其余的由Fe组成的基体，其中优选这些元素完全预合金化。加入5-25wt％的工具钢以改善耐磨损性和耐热性，并且至少一种改善加工性添加剂选自MnS，CaF或MoS2，用量为1-5wt％。为了显著改善热传导性，通过烧结中的密实体渗透，加入10-25wt％的Cu合金来填充孔隙。Cu的渗透还改善了合金的可加工性。
为了能够更完全理解本发明，给出了一些关键的性能并与现有的典型阀座垫板材料性能进行了对比。在表1中说明了实施例材料的粉末混合物成份，并且在表2中给出了性能
表1：实施例材料的粉末混合物组成
| 材料名称 | Fe或低合金钢wt％ | Cu wt％或渗透 | 工具钢；wt％ | C wt％石墨 | 固体润滑剂wt％ |
| 新材料 | 89.25 | 渗透 | 8.5 | 0.75 | 1.5 |
| 合金A | 49.50 | 渗透 | 49.50 | 0.5 | 0.50 |
| 合金B | 48.37 | - | 48.37 | 0.26 | 3 |
在表1中，Fe代表基体粉末，该粉末用在混合物中，且可以是单一的铁粉末或合金钢粉末。工具钢粉末代表混合物的第二种组分，且其混合作为M2或M3/2类型的工具钢粉末。Cu通过在烧结过程种密实体的渗透加入；石墨和固体润滑剂作为元素粉末加入混合物。
所有粉末都与蒸发形润滑剂混合，在6.8g/cm3压实并在1120℃(2050°F)烧结。烧结后，通过550℃下在空气或氮气气氛中的回火，进行热处理。
处理之后，对每个合金的典型样品的重要性质进行检测。通过对由样品材料生产的2000个阀座垫板的端面切削和横向切削，对加工性进行检测。每50次切削检测一次工具磨损。相对于切削次数绘制磨损曲线，并进行线性回归分析。回归曲线的斜率显示了磨损率，被认为是加工性的标准。另外，在每个加工性测试的最后，测量在垫板侧面切削刃的磨痕深度。磨痕深度也被认为是所测试材料的加工性的表示。
合金耐热磨损性的测试在高温滑动磨损台上获得。将测试材料的细磨矩形棒固定并用氧化铝球在样品的细磨的表面上做往复运动。测试样品在测试过程中保持在450℃。磨痕深度说明了在这些条件下样品的耐磨损性。
通过记录在同一温度下的至少5次读数及平均值，测定不同样品温度下的热硬度。
通过将给定温度下的测得的比热容的值，热扩散性和密度相乘，计算出热导率。
表2总结了该新材料的性能，与现有的阀座垫板材料做比较，现有材料的成份中含有5倍多的工具钢。本发明的材料(“新型合金”)比样品合金加工好2.5到2.7倍，样品合金具有相同的热耐磨损性和非常相近的热硬度。
表2：样品材料的性能
| 性能 | 新型合金 | 阀座材料A | 阀座材料B | |
| 可压缩性(生坯密度@50tsi)；g/m3 | 6.89 | 6.79 | 6.86 | |
| 加工性 | 平均磨损率(μm/切削) | 8.31E-5 | 7.00E-4 | 4.19E-3 |
| 平均磨痕深度(μm) | 38 | 95 | 142 | |
| 抗磨损性(热磨损测试后的平均磨痕体积)；mm3 | 6.29 | 2.71 | 6.51 | |
| 热导率 | Wm-1K-1@RT | 42 | 46 | 32 |
| Wm-1K-@300℃ | 41 | 46 | 27 | |
| Wm-1K-@500℃ | 41 | 44 | 23 | |
| 热硬度 | HR30N@RT | 55 | 66 | 49 |
| HR30N@300℃ | 50 | 62 | 47 | |
| HR30N@500℃ | 39 | 58 | 41 | |
考虑到对于排气阀座垫板最大预期的操作温度大约为350℃，表2所示结果明确说明此新型材料将表现出的性能比阀座材料B好，而且几乎与阀座材料A一样好，然而其展示出比材料A好的多的加工性能。加工性，成本，热导性以及抗磨损性的综合效应使得此材料成为一个取代用于引擎装置，如阀座垫板材料这种昂贵的产品替代品。
明显的，本专利的修改和改变可能是基于上述说明的。所以，需要理解的是，在所附权利要求的范围内，本发明可以不按照具体描述进行实施。本发明由权利要求所限定。
Claims (32)
1.一种用于内燃机的可烧结硬化的粉末金属阀座材料，包括如下的混合物：
构成该混合物的75-90wt％的可烧结硬化的铁粉末；
工具钢粉末；
固体润滑剂；和
在烧结过程中通过渗透添加的铜。
2.权利要求1中的材料，其中工具钢的混合比例是5-25wt％。
3.权利要求1中的材料，其中工具钢选自M2和M3/2工具钢。
4.权利要求1中的材料，其中工具钢由M2工具钢组成。
5.权利要求1中的材料，其中铁粉末与2-5wt％的Cr预合金化。
6.权利要求5中的材料，其中该铁粉末进一步与0-3wt％的Mo和0-2wt％的Ni预合金化。
7.权利要求1中的材料，具有如下组成：
75-90％的与2-5wt％的Cr，0-3wt％的Mo和0-2wt％的Ni预合金化的铁粉末；
5-25wt％的M2工具钢粉末；
1-5wt％的选自MnS，CaF2和MoS2中的一种或多种的固体润滑剂；和
在烧结过程中通过渗透添加的占其余组成10-25wt％的Cu。
8.权利要求7中的混合物，其中铁粉末存在的量为89wt％。
9.权利要求7中的混合物，其中M2工具钢存在的量为8wt％。
10.权利要求7中的混合物，其中固体润滑剂存在的量为3wt％。
11.权利要求7中的混合物，其中Cu存在的量是混合物其余组成的20wt％。
12.权利要求7中的混合物，具有如下组成：
89wt％的铁粉；
8wt％的M2工具钢；
3wt％的固体润滑剂；和
20wt％的渗透的Cu。
13.一种用于内燃机的，具有改善的可加工性、耐磨损性和高热导率的烧结阀座垫板材料，其中所述材料由Cr基可烧结硬化合金粉末、工具钢粉末、固体润滑剂和通过在烧结过程中密实体渗透添加的Cu的混合物组成。
14.权利要求13的材料，其特征在于在常规炉中烧结之后，不加速冷却，微结构完全马氏体化。
15.权利要求13的材料，其特征在于工具钢仅在混合物中的混合比例为5-25％。
16.权利要求13的材料，其特征在于如下的混合物组成：
75-90％的可烧结硬化的铁粉末，该铁粉末与
2-5wt％的Cr、0-2wt％的Ni和0-3wt％的Mo预合金化；
5-25wt％的M2工具钢粉末；
1-5wt％的选自MnS，CaF2，MoS2的固体润滑剂；
10-25wt％的通过在烧结过程中固体坯的渗透而添加的Cu。
17.一种用于内燃机的，具有改善的可加工性、耐磨损性和高热导率的烧结阀座垫板，包括：
可烧结硬化的预合金化或混合的Fe粉的基体，该基体包含2-5wt％的Cr，与一定量工具钢粉末、固体润滑剂和一定量的在烧结过程中渗透加入的Cu混合并烧结。
18.权利要求17的烧结阀座垫板具有的微结构，在烧结后无加速冷却，完全马氏体化。
19.权利要求17的烧结阀座，其中工具钢的混合比例是5-25wt％。
20.权利要求17的烧结阀座，其中所述Fe粉进一步包含0-3wt％的Mo和0-2wt％的Ni。
21.权利要求20的烧结阀座，其中工具钢包含M2工具钢，存在的量为5-25wt％。
22.权利要求21的烧结阀座，其中工具钢存在的量为8wt％。
23.权利要求20的烧结阀座，其中固体润滑剂是选自MnS，CaF2和MoS2中的一种或几种，且存在的量为1-5wt％。
24.权利要求23的烧结阀座，其中固体润滑剂存在的量是3wt％。
25.权利要求20的烧结阀座，其中Cu渗透的量为混合物其它组成的10-25wt％。
26.权利要求25的烧结阀座，其中Cu渗透的量为20wt％。
27.一种制造用于内燃机的烧结粉末金属阀座垫板的方法，该阀座垫板具有良好的加工性、耐磨损性和高的热导率，所述方法包括：
将Cr基可烧结硬化铁粉与工具钢粉末和固体润滑剂混合；
密实化并烧结该混合物；以及
在烧结过程中，用Cu渗透密实体。
28.权利要求27中的方法，其中通过使烧结密实体在烧结后冷却而不淬火，产生完全的马氏体微结构。
29.权利要求27的方法，其中工具钢的加入量为5-25wt％。
30.权利要求27的方法，其中所述混合物由以下成分制备：
75-90wt％的Cr基铁粉；
5-25wt％的M2工具钢；
1-5wt％的固体润滑剂；并
渗透用量为密实体10-25wt％的Cu。
31.权利要求30的方法，其中Cr基铁粉包含与2-5wt％的Cr、0-3wt％的Mo和0-2wt％的Ni结合的，元素混合的或预合金化的Fe粉末。
32.权利要求31的方法，其中Cr基铁粉存在的量为89wt％，M2工具钢存在的量为8wt％，固体润滑剂存在的量为3wt％，且Cu渗透的量为烧结过程中密实体的20wt％。
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