[发明专利]冶金粉末组合物及生产方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种铁基粉末。特别地，本发明涉及一种适于生产耐磨产 品如阀座嵌件(valve seat insert，VSI)的粉末以及由所述粉末制成的元件。

背景技术

高耐磨性产品被广泛应用，并且人们一直需要与现有产品相比更加廉 价而具有相同或更好性能的产品。仅仅是阀座嵌件，每一年就会生产超过 1,000,000,000个元件。

高耐磨性产品的制造可基于例如粉末如铁或铁基粉末，包含碳化物 形式的碳。

碳化物非常坚硬并具有高熔点，这些特点使它们在许多应用中有高耐 磨性。这种耐磨性常常使得碳化物成为钢如高速钢(HSS)中的理想组分， 该钢需要高耐磨性，如用于钻头，车床，阀座嵌件等的钢。

燃烧机中的VSI是一个嵌到操作中阀与缸顶接触处的环。VSI用于限 制缸顶上阀造成的磨损。这通过在VSI中使用耐磨性优于缸顶材料的材 料实现，且不会磨损阀。用于VSI的材料是铸造材料，或更常见的是压 制和烧结的PM材料。

用粉末冶金法生产阀座嵌件使得VSI的组成非常灵活，并得到极具 成本效益的产品。制造PM阀座嵌件的方法开始于制备一种混合物，该混 合物包含最终元件所需的所有成分。该粉末混合物最常包括铁或低合金粉 末作为最终元件中的基体，并包括基本合金元素如C、Cu、Ni、Co等等， 该基本合金元素应较低或较高程度地扩散到基体材料中，并提高强度和硬 度。可以加入包含碳化物的其它硬相材料和类似相以提高合金的耐磨性。 还常见的是加入可机械加工性增强剂以在机械加工成品时减少工具磨损， 以及加入固体润滑剂以在发动机工作时协助润滑。此外，在所有待压制混 合物(press ready mix)中加入蒸发润滑剂，以协助压实及经压实的元件的 弹出。由Powder Metallurgy生产的一种已知VSI材料是基于高速钢粉末 作为含碳化物的基体材料。所用的所有粉末通常颗粒尺寸小于180μm。混 合物的平均颗粒尺寸通常为50到100μm，以使得混合物流动并促进生产。 该合金和润滑剂添加剂很多情况下颗粒尺寸细于基体粉末，以改善合金元 素在粉末混合物以及成品中的分布。

然后将该粉末混合物送入具有VSI环形状的工具腔。施加 400-900MPa的轴向压力，得到密度为6.4-7.3g/cm³的近网状金属VSI元 件。在有些情况下使用双重压实以减少昂贵合金元素的使用。双重压实中 使用两种不同的粉末混合物。一种比较昂贵，其具有卓越的耐磨性，形成 面向阀的VSI磨损表面，而另一种成本较低，使元件达到所需高度。压 实之后，各个颗粒仅通过冷焊松散地结合，并需要随后的烧结操作以使得 各个颗粒扩散到一起并分散合金元素。烧结通常在1120℃至1150℃之间 进行，但可以使用高达1300℃的温度，这在通常基于氮气和氢气的还原 性气氛中进行。烧结过程中或之后，可将铜浸润在元件的孔中以增加硬度 和强度，同时改善导热性和耐磨性。很多情况下随后进行热处理以达到最 终性能。为了达到所需的VSI的几何精度，将其机械加工到需要的尺寸。 最后的机械加工很多情况下在VSI安装在缸顶中之后进行。进行最后机 械加工是为了得到VSI和反向阀的轮廓并且具有小的尺寸变化。

例如在涉及包含具有细分散的碳化物的工具钢粉末的粉末混合物的 美国专利6679932和涉及不锈钢粉末的美国专利5856625中公开了具有高 耐磨性的传统铁基粉末实例。

W、V、Mo、Ti和Nb是形成强碳化物的元素，其使这些元素特别有 利于生产耐磨产品。Cr是另一种形成碳化物的元素。但是这些常规的形 成碳化物的金属大部分是昂贵的，从而导致产生不适用的高价产品。因此， 粉末冶金工业中需要价格相对便宜的铁基粉末或高速钢，其对于例如阀座 等的应用具有充分的耐磨性。

由于铬相比其它应用于高耐磨性传统粉末和硬相的此类金属便宜很 多，并且是更容易得到的形成碳化物的金属，因此用铬作为主要的形成碳 化物的金属将是非常理想的。这样一来，该粉末以及由此得到的压实产品 可以更廉价地生产。

普通高速钢的碳化物通常相当小，但是依照本发明，现在出人意料地 发现用于例如阀座应用的具有相等优越耐磨性的粉末可以通过以铬作为 主要的形成碳化物的金属来获得，只要存在足够量的大碳化物，并由较少 量的较细且较硬的碳化物支持。

发明概述