[发明专利]一种温压-模壁润滑含稀土粉末冶金气门座及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种气门座及其制造方法，具体是一种含稀土铁基粉末冶金发动机气门座及其制造方法。

技术领域

气门与气门座是发动机的重要摩擦副之一，气门座的功能是控制燃气的进入、废气的排出；承受高温环境受气门的冲击、磨损；以及进、排气流的冲蚀、氧化等作用，即在高温服役时，不仅要承受高温冲击，同时还遭受到废气的腐蚀，极易产生磨损、变形、烧损、甚至断裂失效。目前出于环境保护的要求使用的是无铅汽油，失去了铅化物的润滑效果，加剧了气门座的早期磨损，气门座尤其是排气门座的工作条件更加恶劣。气门与气门座圈的运行寿命与可靠性在某种程度上决定了发动机的工作性能、服役寿命与输出功率。气门座是发动机易损零件之一，其正常失效形式为磨损严重时气门下沉量过大、气密性差，其质量和性能直接影响了发动机的油耗、功率、效率、使用寿命。

为了提高气门座和发动机的使用寿命，除了对发动机结构进行优化设计外，另一个重要的途径是合理地调整气门座材料的化学成份，优化制造和热处理工艺，以达到化学成份与制造工艺的最佳配合。气门座材料的选用主要与发动机的工况、大小、冷却方式、燃料等有关，常用的气门座材料包括铸造合金、粉末冶金和锻钢制品三类，与铸造合金气门座相比，粉末冶金气门座具有少、无切削、材料利用率高、设计自由度大和容易满足各类发动机气门座工作特性要求等优点，近年来粉末冶金气门座受到了较高的重视，并出现了许多新的工艺，如温压成形、模壁润滑等。

合金化技术是显著改善和提高铁基粉末冶金材料性能的有效途径之一。温压工艺是采用一次压制/一次烧结工艺制造高密度、高强度粉末冶金结构零件的一项低成本的新技术，已在齿轮、连杆等粉末冶金零件中获得了实际应用。模壁润滑方法可以减少混入内部润滑剂的数量，提高粉末冶金零件的密度，改善其物理、力学性能。将模壁润滑和温压工艺相结合，可使压坯密度大于7.5g/cm³，所得的密度分布更加均匀、脱模压力和磨具的损耗更小，它是温压工艺的一个重要发展方向。将合金化(稀土改性)、温压、模壁润滑三种技术的结合，不仅克服了传统粉末冶金工艺中因密度不高造成的强度、韧性不足等缺陷，还可以显著提高粉末冶金零件的高温性能、抗氧化性、耐磨性和疲劳强度等。

发明专利申请1(公开号CN 1273892A)公开了一种高密度粉末冶金气门座的制造方法，采用水雾化方法制取的含化合碳的预合金粉末，粉末颗粒尺寸小于0.154mm。预合金粉末在雾化制粉时即将碳加入合金中，制得含化合碳的铁基予合金粉末，其具体化学成分为(重量百分比，％)为：C1.0-2.0，Mo2.5-3.5，Ni1.6-2.6，Co9.5-10.5，Mn＜0.5，经压制、烧结，制得预烧结坯。将预烧结坯浸渍石墨酒精溶液后置于加热炉中加热，再放入预热至200-300℃的模具中，在奥氏体+渗碳体组织状态下进行热复压，制得汽车发动机气门座。其密度达到7.5g/cm²以上，硬度达到HRC30以上，既耐磨耐热又耐冲击，适合排气温度高、使用无铅燃料甚至无液压挺柱的汽车发动机排气门座的工作环境。发明专利申请2(公开号CN 1105304A)公开的一种汽、柴油发动机缸盖内的双金属铁基粉末冶金气门座是由铁基粉末A和铁基粉末B两种不同组分的材料压制成型，经烧结而成。粉末A的组成为(重量百分比，％)：C0.7-1.6；Ni0.8-2.7；Cr2.0-4.5；W0.5-1.0；Co4.0-9.0；Mo1.0-5.0；硫磺0.1-0.6；硬脂酸锌0.1-0.9；机油0.2-0.4；其余为Fe，粉末B的组成为(重量，％)：C0.3-1.2；Cr13-22；Ni10-14；Mo1.3-2.7；W0.5-1.0；硫磺0.1-0.6；硬脂酸锌0.1-0.9；机油0.2-0.4；其余为Fe。两种粉末各自经V型混合机混合后，粉末A先置于模具内，定量的粉末B置于粉末A之上，压制成型，并在1000-1360℃下在粉末冶金烧结炉中烧结，工艺流程是：两种粉末分别配料、混合→按顺序置于模具内→压制成型→烧结→机加工(或不加工)→热处理→磨加工→浸油→检验→入库。所得双金属粉末冶金气门座具有自润滑耐磨性能好，不开裂，强度高，使用寿命长，成本低等优点。发明专利申请3(公开号CN 1603580A)公开了一种水冷双燃料三轮、四轮摩托车发动机进气门座，座体为环形柱体状，内孔的一端为锥形孔，由两层铁基金属粉末层即密封面层和底层轴向烧结而成，其中底层的组成及质量百分比(％)为：C0.9-1.4，Cr0.3-1.0，Cu1.0-2.0，余量为Fe；密封面层的组成及质量百分比(％)为：C0.9-1.4，Cr3.0-5.0，Mo3.5-4.5，Cu8.0-12.0，Ni1.0-2.5，Co3.0-6.0，余量为Fe。与传统单一铁基金属粉末层的进气门座相比，该气门座的耐热性、耐磨性、耐腐蚀性均有所提高，有效解决进气门座分体开裂的问题，延长了进气门座的使用寿命。授权发明专利4(授权公告号CN 1120291C)公告了一种粉末冶金复合材料发动机气门导筒，其顶部或顶部表层由材料B构成，其余部份由材料A构成。材料A的组分及其质量百分比(％)如下：Cu 0.5-2，Ni 1-3，Mo 0.5-1，C 0.5-1，NbC5-12，P 0.3-0.6，其余为Fe和不可避免的微量杂质；材料B的组分及其质量百分比(％)如下：Cu2-4，Ni2-4，Mo1-2，C0.5-1.5，NbC10-20，P0.3-0.6％，其余为Fe和不可避免的微量杂质。两种粉末材料过100目筛，然后在二维混料机上干混30-80分钟；将粉末材料A充填于气门导筒阴模型腔内，然后在气门导筒顶部或顶部表层布粉末材料B，在130℃-150℃下以550-700MPa的压力温压成形；将复合成形的气门导筒生坯在四段高温烧结炉上烧结，气门导筒顶部向下放置，高温烧结时间1-2小时，推舟速度20-25分钟/舟，烧结炉各段的温度为：I段300℃-400℃；II段700℃-800℃；III段1250℃-1300℃；IV段650℃-800℃。得到粉末冶金复合材料的气门导筒其顶部硬度55-63HRC，其余部分硬度HRC25-45，σ_b＝800-900MPa，δ＝2.0-3.0％。采用一次压制烧结，不需通过热处理来提高强度和硬度，可降低生产成本约30％以上。经500小时台架考核试验，该粉末冶金复合材料气门导筒顶部磨损接近于零，耐磨性比12CrNi3A钢提高50-100倍。文献1(新材料产业，2007，(1)：59-67)论述了高密度粉末冶金零件最可能采用的制造工艺——温压与模壁润滑技术及工艺参数，采用带电干粉润滑剂喷涂进行模壁润滑的涂敷时间为0.5s左右，可将通常混合于铁基合金粉末中的润滑剂从0.75％减少到0.05％-0.2 5％(质量分数)，同时脱模压力不高于添加0.75％白蜡的混合粉，在620MPa下成型的高。模壁润滑与温压结合时，在生产条件下，可将压坯密度增高到7.30g/cm³。文献2(粉末冶金技术，2007，25(2)：27-31)研究了模壁润滑温压Fe-2Ni-2Cu-1Mo-1C材料在不同的温度和不同时间下烧结行为，模壁润滑采用聚四氟乙烯乳化液润滑，温压温度为120-125℃，压力700MPa，模壁润滑温压的生坯密度为7.38g/cm³，烧结在高温钼丝炉中进行。模壁润滑温压Fe-2Ni-2Cu-1Mo-1C材料的烧结密度随烧结温度升高先增大后降低，烧结膨胀变化趋势刚好相反；烧结密度随着烧结时间的延长先下降随后逐渐提高，烧结尺寸变化趋势刚好相反，烧结体密度在7.30-7.35g/cm³内变化。模壁润滑和温压的结合有利于提高材料的生坯密度和力学性能，抗拉强度和伸长率随着烧结温度(烧结时间)的升高(延长)而增大。