专利名称：烧结合金阀座及其制造方法
技术领域：
本发明涉及内燃机的阀座。本发明特别涉及一种由具有高耐磨性的铁基烧结合金制造的阀座和一种制造此阀座的方法。
背景技术：
压嵌在发动机气缸盖中的阀座，已用于阻止燃烧气体的泄漏和冷却阀。这些阀座必须具有高耐热性、耐磨性和耐蚀性，同时具有较低的反相侵蚀性能以避免磨损对置的阀门。
对于汽车发动机，近来需要在寿命、功率、气体的排放、燃料的效率等方面加以改善。因此，这些汽车发动机的阀座必须能用于比以前更为恶劣的环境中。所以必须进一步改善该阀座的耐热性和耐磨性。
为了满足这些需求，日本特许公开号为2000-54087的专利申请(以下称作专利文件1)中公开了用于阀座的下述材料一种铁基烧结合金材料，含有作为硬颗粒分散于基质中的Cr-Mo-Si-Co合金颗粒，其含量，以面积计，为10～30％，体积孔隙率为1～10％。制造该种铁基烧结合金材料的方法包括将原材料粉末填充到金属模具中，并压缩该填充粉末以形成生压块的成形步骤，在保护气氛中于900～1200℃加热该生压块以形成初始烧结体的第一烧结步骤，将初始烧结体再压缩以获得再压块或锻造以获得锻造压块的再压缩/锻造步骤，和在保护气氛中于1,000～1,200℃加热再压块或锻造压块的第二烧结步骤。根据专利文件1中公开的技术，可以获得高密度烧结产品，即一种具有改良的高温强度和导热性的铁基烧结合金原料。
特许公开号为2000-160307的日本专利申请(以下称作专利文件2)公开了一种制造适合于阀座嵌入物的粉末冶金元件的方法。该方法包括压模混合粉末以形成基本上为网状的生压块的步骤和烧结该生压块的步骤。该混合粉末含有，以质量计，15～30％的阀门钢粉末，0～10％Ni粉末，0～5％Cu粉末，5～15％铁合金粉末，0～15％工具钢粉末，0.5～5％固体润滑剂，0.5～2.0％石墨和0.3～1.0％原生润滑剂，余量基本为低合金钢粉末。未处理压块的密度为6.7～7.0g/cm3，优选6.8～7.0g/cm3，最优选6.9g/cm3。根据专利文件2公开的技术，具有相对高密度的粉末冶金元件可以通过包括单一压缩步骤的烧结工艺制得。该元件还具有高耐磨性、耐热性、抗蠕变强度、疲劳强度、耐蚀性和机械加工性能。
公开号为61-10644的日本专利(以下称作专利文件3)公开了一种烧结合金阀座，它通过烧结工艺整体成形，具有由表层部分和基层部分组成的双层结构。该表层部分包括一个经常被阀面碰撞的工作面，基层部分与气缸盖压配孔底部相接触。表层部分的孔隙率为5～20％，基层部分的孔隙率为5％或更小。该烧结合金阀座适合于铸铁气缸盖。
在专利文件1公开的技术中，为了获得孔隙率为1～10％的高密度烧结压块，对初始烧结体进行再压缩或锻造的步骤以及第二次烧结步骤是必要的。因此，存在的问题是制造方法复杂，制造成本高。在专利文件3公开的技术中，为了减小基层部分的孔隙率，通过回转锻造工艺将烧结压块进行压缩锻造的步骤和将所得烧结压块进行再烧结的步骤是必要的，因此，存在的问题是制造方法复杂，制造成本高。
另一方面，在专利文件2公开的技术中，具有相对高密度的粉末冶金元件可以通过包括单一成型步骤和单一烧结步骤的方法制得。然而，增大密度的步骤较复杂。因而，存在的问题是制造成本高。
近年来，对于汽油发动机高功率的需求越来越大。因此，在发动机的工作期间，施于阀座的热负荷大大增加，阀施于阀座的冲击荷载也大大增加。
在此条件下，阀和阀座的表面就容易产生粘附磨损，从而不断出现作为滑动面的新表面。因此，存在的问题是阀和阀座会严重磨损。
发明内容
本发明已用来方便地解决上述问题。本发明的目的是提供一个含有铁基烧结合金的阀座和制造此阀座的方法。该阀座可以应付新近的汽油发动机恶劣的工作环境，具有令人满意的高温强度、抗蠕变强度、疲劳强度和耐磨性，并具有令人满意的形成铁氧化物的性能。
为了达到上述目的，发明人集中研究了影响提高阀座耐磨性的各种因素。结果，发明人发现在阀座滑动面形成的铁氧化物的量与新近的内燃机，特别是汽油发动机工作条件下的耐磨性密切相关。该铁氧化物的形成是由于内燃机工作期间产生的热负荷。根据发明人的研究，由于高密度阀座含有非常少的孔，仅有少量依赖于内燃机工作期间产生的热负荷的铁氧化物在阀座滑动面上形成，所以在形成足量的铁氧化物之前，滑动面会产生粘附磨损，从而阀门和阀座严重磨损。从研究结果来看，发明人发现阀座必须具有相对小的密度以阻止在新近汽油发动机工作条件下粘附磨损的发生和提高阀座的耐磨性。而且，发明人发现依赖于烧结压块密度的机械强度对耐磨性有较小的影响。
在此发现的基础上，发明人设计了一个具有由阀安装于其上的第一部分(以下称作阀门座部分)和顶盖安装于其上的第二部分(以下称作顶盖座部分)组成的双层结构的阀座。这些部分含有不同的材料，也就是说，阀门座部分含有阻止粘附磨损发生和具有令人满意的耐磨性的第一铁基烧结合金元件，顶盖座部分含有具备高强度(如高温强度、抗蠕变强度和疲劳强度)的第二铁基烧结合金元件，这些性能对汽油发动机是必须的。阀门座部分的第一铁基烧结合金元件具有相对较小的烧结密度以使微孔保留其中。微孔促进了由于内燃机工作期间产生的热负荷所导致的铁氧化物的形成，因而阻止了粘附磨损的发生，并获得了令人满意的耐磨性。另一方面，顶盖座部分的第二铁基烧结合金元件采用具有满意的可压缩性能的粉末制成，因而即使在相对低的压力下压缩，此合金也具有足以满足汽油发动机所需的高温强度等。
现描述本发明的范围。
根据本发明，压嵌在内燃机气缸盖内的含有铁基烧结合金的阀座包括一个阀门座部分和一个顶盖座部分。阀门座部分和顶盖座部分是通过烧结工艺整体成形的，且形成一个双层结构。该阀门座部分包括体积孔隙率为10～25％，烧结密度为6.1～7.1g/cm3，且含有硬颗粒分散在基体相中的第一铁基烧结合金元件。顶盖座部分包括体积孔隙率为10～20％，烧结密度为6.4～7.1g/cm3的第二铁基烧结合金元件。
在上述阀门座部分，硬颗粒含有选自C、Cr、Mo、Co、Si、Ni、S和Fe中的至少一种，且第一铁基烧结合金元件中的硬颗粒含量，按面积计，为5～40％。
在阀门座部分，基体相和硬颗粒形成基体部分；该基体部分含有，按质量计，10.0～40.0％的选自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W、Si、S和C中的至少一种，按质量计，Ni的含量为2.0～23.0％，Cr含量为0.4～15.0％，Mo含量为3.0～15.0％，Cu含量为0.2～3.0％，Co的含量为3.0～15.0％，V的含量为0.1～0.5％，Mn的含量为0.1～0.5％，W的含量为0.2～6.0％，Si的含量为0.1～1.0％，S的含量为0.1～1.0％，C的含量为0.8～2.0％，余量基本为Fe。第二铁基烧结合金元件的基体相含有，以质量计，0.3～15.0％选自C、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V和Mn中的至少一种，余量基本为Fe。
在阀门座部分和顶盖座部分，第一和第二烧结合金元件还含有，以面积计，0.3～3.5％分散于基体相中的固体润滑剂颗粒。
固体润滑剂颗粒含有至少一种选自硬脂酸锌、硫化物和氟化物。
根据本发明，制造含有铁基烧结合金的阀座的方法包括依次将形成阀门座部分的第一原材料粉末和形成顶盖座部分的第二原材料粉末填充到金属模具中以使第一和第二原材料粉末形成一个双层结构，然后压紧所得的第一和第二原料粉末以形成由所述两层组成的生压块的成形步骤；和在保护气氛中加热所得的生压块以获得具有双层结构的烧结体的烧结步骤。第一原材料粉末含有，以质量计，20～70％的纯铁粉，10～50％的第一铁合金粉末，和5～40％的硬颗粒粉末或还含有相对于100份(以重量计)第一原材料粉末为0.2～3.0份(以重量计)的固体润滑剂粉末。将纯铁粉、第一铁合金粉末和硬颗粒粉末或固体润滑剂颗粒粉末掺合和混合。第一铁合金粉末含有，以质量计，3～30％选自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W和C的至少一种，余量基本为Fe；硬颗粒粉末含有选自C、Cr、Mo、Co、Si、Ni、S和Fe中的至少一种；第二原材料粉末含有，以质量计，85％或更多的纯铁粉末和0.3～15％第二铁合金粉末或还含有，相对于100份(以重量计)第二原材料粉末为0.2～3.0份(以重量计)的固体润滑剂粉末。将纯铁粉和第二铁合金粉末或固体润滑剂颗粒粉末掺合和混合。第二铁合金粉末含有选自C、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V和Mn中的至少一种。调整成形步骤和烧结步骤的条件以使第一铁基烧结合金元件具有6.1～7.1g/cm3的烧结密度和10～25％的体积孔隙率，第二铁基烧结合金元件具有6.4～7.1g/cm3的烧结密度和10～20％的体积孔隙率。
在上述方法中，第一原材料粉末含有，以质量计，0.3～15％合金元素粉末，而不是部分或全部铁合金粉末，合金元素粉末含有选自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W和C中的至少一种。
根据本发明，具有满意的耐磨性和铁氧化物形成性能的阀座可以以低成本方便地制造，从而在工业上取得了很大的进步。本发明的阀座可以经受恶劣的条件，比如内燃机工作时的高温燃烧气体等。
附图简述
图1是示意性地表示根据本发明的阀座结构的垂直剖面图；图2是包括两个光学显微照片的图图2A表示存在于试样1(本发明的一个实施例)阀门座部分的基体部分的光学显微照片，图2B为包含在试样1顶盖座部分的基体相的光学显微照片；图3是包括两个光学显微照片的图图3A表示存在于试样5(本发明的一个实施例)阀门座部分的基体部分的光学显微照片，图3B为包含在试样5顶盖座部分的基体相的光学显微照片；图4是包括两个光学显微照片的图图4A表示存在于试样16(本发明的对比实施例)阀门座部分的基体部分的光学显微照片，图4B为包含在试样16顶盖座部分的基体相的光学显微照片；图5为表示单体钻探磨损试验设备的示意图。
具体实施例方式
图1表示本发明阀座。该阀座包括一个阀门座部分和一个顶盖座部分，其中这些部分含有不同的材料。阀座具有一个由烧结工艺整体成形部分构成的双层结构。在阀座中，阀门座部分由第一铁基烧结合金元件制成，顶盖座部分由第二铁基烧结合金元件制成。
阀门座部分的第一铁基烧结合金元件是一个烧结体，它含有基体相，分散于其中的硬颗粒和微孔。第一铁基烧结合金的体积孔隙率为10～25％，烧结密度为6.1～7.1g/cm3。第一铁基烧结合金还包含分散于基体相中的固体润滑剂颗粒。
微孔影响高温强度、疲劳强度和导热性。如果孔隙率小于10％，强度和热传导性高；然而，在内燃机工作期间由于热负荷的产生而形成的铁氧化物的量不够充分，铁氧化物可有效防止磨损。相反地，如果孔隙率大于25％，室温强度和高温强度则非常低。因此，在本发明中，体积孔隙率限制在10～25％的范围内。此处所用的孔隙率是通过图像分析法确定的。
烧结密度影响强度和导热性。如果烧结密度小于6.1g/cm3，强度非常低。相反地，如果烧结密度大于7.1g/cm3，则在内燃机工作期间由于热负荷的产生而形成的铁氧化物量不够充分。而且，为了增加密度，制造方法变得复杂，从而增加了制造成本。因此，在本发明中，烧结密度限制在6.1～7.1g/cm3的范围。此处所用的烧结密度是通过阿基米德(Archimedes)法确定的。
在阀门座部分中，含有形成基体部分的基体相和硬颗粒的第一铁基烧结合金元件优选含有，以质量计，10.0～40.0％选自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W、C、Si和S的至少一种。按质量计，Ni的含量为2.0～23.0％，Cr的含量为0.4～15.0％，Mo的含量为3.0～15.0％，Cu的含量为0.2～3.0％，Co的含量为3.0～15.0％，V的含量为0.1～0.5％，Mn的含量为0.1～0.5％，W的含量为0.2～6.0％，C的含量为0.8～2.0％，Si的含量为0.1～1.0％，S的含量为0.1～1.0％，余量基本为Fe。
基体相和硬颗粒中含有的Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W、C、Si和S可以增加耐磨性。基体相和硬颗粒可以含有，以质量计，总计10.0～40.0％选自上述元素的至少一种。
Ni除了提高耐磨性外，还可以增加硬度和耐热性。如果Ni含量小于2.0％(以质量计)，不能获得上述的优势。相反地，如果Ni的含量大于23.0％(以质量计)，反相侵蚀性能对于实际应用则又太高。
在基体相和硬颗粒中都含有的Cr除了提高耐磨性外，还可以增加硬度和耐热性。如果Cr含量小于0.4％(以质量计)，不能获得上述的优势。相反地，如果Cr的含量大于15.0％(以质量计)，反相侵蚀性能则又太高。
在基体相和硬颗粒中含有的Mo除了提高耐磨性外，还可以增加硬度和耐热性。如果Mo含量小于3.0％(以质量计)，不能获得上述的优势。相反地，如果Mo的含量大于15.0％(以质量计)，反相侵蚀性能则又太高。
Cu除了提高耐磨性外，还加强了基体相和增加了硬度。如果Cu含量小于0.2％(以质量计)，不能获得上述的优势。相反地，如果Cu的含量大于3.0％(以质量计)，自由Cu就会沉淀，从而导致阀座在工作时粘住阀门。
Co除了提高耐磨性和耐热性外，还可以增强基体相和硬颗粒之间的粘接。如果Co含量小于3.0％(以质量计)，不能获得上述的优势。相反地，如果Co的含量大于15.0％(以质量计)，反相侵蚀性能又太高。
V除了提高耐磨性外，还可以加强基体相和增加硬度。如果V含量小于0.1％(以质量计)，不能获得上述的优势。相反地，如果V的含量大于0.5％(以质量计)，反相侵蚀性能则又太高。
Mn除了提高耐磨性外，还可以加强基体相和增加硬度。如果Mn含量小于0.1％(以质量计)，不能获得上述的优势。相反地，如果Mn的含量大于0.5％(以质量计)，反相侵蚀性能则又太高。
W除了提高耐磨性外，还可以加强基体相和增加硬度。如果W含量小于0.2％(以质量计)，不能获得上述的优势。相反地，如果W的含量大于6.0％(以质量计)，反相侵蚀性能则又太高。
C除了提高耐磨性外，还可以加强基体相和增加烧结期间的分散度。如果C含量小于0.8％(以质量计)，不能获得上述的优势。相反地，如果C的含量大于2.0％(以质量计)，反相侵蚀性能又太高。
Si可以加强基体相和增加耐磨性。如果Si含量小于0.1％(以质量计)，不能获得上述的优势。相反地，如果Si的含量大于1.0％(以质量计)，反相侵蚀性能则又太高。
S可以加强基体相和提高耐磨性。如果S的含量小于0.1％(以质量计)，不能获得上述的优势。相反地，如果S的含量大于1.0％(以质量计)，反相侵蚀性能则又太高。
在第一铁基烧结合金元件中，如果上述元素的总含量小于10.0％(以质量计)，基体的硬度和高温性能对于实际应用太低。该高温性能包括高温强度和抗蠕变性能。相反地，如果其总含量超过40.0％(以质量计)，反相侵蚀性能对于实际应用则又太高。因此，在本发明中，上述元素的总量优选限制在10.0～40.0％(以质量计)的范围。
在第一铁基烧结合金元件的基体相中，除了以上元素，余量基本为Fe.
分散于第一铁基烧结合金基体相中的硬颗粒可以增强耐磨性。在本发明中，硬颗粒的含量为5～40％(按面积计)。如果硬颗粒的含量小于5％，不能获得上述的优势。相反地，如果含量大于40％，反相侵蚀性能对于实际应用则又太高。因此，在本发明中，其含量限制在5～40％的范围。该含量优选10～30％。
在阀门座部分的第一铁基烧结合金元件中，分散于基体相的硬颗粒优选含有选自C、Cr、Mo、Co、Si、Ni、S和Fe中的至少一种。而且，硬颗粒优选具有600～1,200的维氏(Vickers)硬度Hv。如果硬颗粒的硬度小于HV600，耐磨性对于实际应用太低。相反地，如果硬度大于HV1200，韧性太低，因而存在出现破裂或破碎的问题。
硬颗粒包括，例如，Cr-Mo-Co金属间化合物颗粒、Ni-Cr-Mo-Co金属间化合物颗粒、Fe-Mo合金颗粒、Fe-Ni-Mo-S合金颗粒和Fe-Mo-Si合金颗粒。
上述Cr-Mo-Co金属间化合物颗粒含有(以质量计)5.0～20.0％的Cr和10.0～30.0％的Mo，余量基本为Co。Ni-Cr-Mo-Co金属间化合物颗粒含有(以质量计)5.0～20.0％的Ni，15.0～30.0％的Cr，17.0～35.0％的Mo，余量基本为Co。Fe-Mo合金颗粒含有(以质量计)50.0～70.0％的Mo，余量基本为Fe。Fe-Ni-Mo-S合金颗粒含有(以质量计)50.0～70.0％的Ni，20.0～40.0％的Mo，和1.0～5.0％的S，余量基本为Fe。Fe-Mo-Si合金颗粒含有(以质量计)5.0～20.0％的Si和20.0～40.0％的Mo，余量基本为Fe。
阀门座部分的第一铁基烧结合金元件除了硬颗粒外，还可以含有分散于基体相中的固体润滑剂颗粒。固体润滑剂颗粒可以增强机械加工性能和耐磨性，并能降低反相侵蚀性能。固体润滑剂颗粒优选含有选自硫化物(比如MnS或MoS2)和氟化物(比如CaF2)中的至少一种或含有它们的混合物。固体润滑剂颗粒的含量优选0.3～3.5％(以面积计)。如果含量小于0.3％，则由于其含量少而导致机械加工性能太低，因而引起粘结而恶化了耐磨性。相反地，如果含量超过3.5％，此优势饱和，也就是说，此优势与含量不成比例。因此，固体润滑剂颗粒的含量优选限制在0.3～3.5％的范围。
对于阀门座部分的基体相的结构，如果将除了硬颗粒外的基体相面积归一化为100％，则优选珠光体占基体相面积的30～60％，高合金分散相占该面积的40～70％。
另一方面，顶盖座部分的第二铁基烧结合金元件为一烧结体，含有基体相和孔。第二铁基烧结合金的体积孔隙率为10～20％，烧结密度为6.4～7.1g/cm3，而且还可以包括分散于基体相中的固体润滑剂颗粒。
含有的孔的第二铁基烧结合金具有10～20％的孔隙率。孔的总量影响第二铁基烧结合金的强度。如果孔隙率小于10％，强度足够大，然而，增加第二铁基烧结合金密度的烧结步骤较复杂，从而大大增加了其制造成本。相反地，如果孔隙率大于20％，第二铁基粉末合金则具有非常低的强度。因此，在本发明中，该体积孔隙率限制在10～20％的范围。
如上所述，第二铁基烧结合金具有6.4～7.1g/cm3的烧结密度。该烧结密度与第二铁基烧结合金的强度和热传导性密切相关。如果烧结密度小于6.4g/cm3，强度非常低，因而顶盖座部分不能具备所需的强度。相反地，如果烧结密度大于7.1g/cm3，增加密度的步骤则非常复杂，从而大大增加了制造成本。因此，在本发明中，该烧结密度限制在6.4～7.1g/cm3的范围。
在根据本发明阀座的阀门座部分的第二铁基烧结合金中，基体相优选含有0.3～15％(以质量计)选自C、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V和Mn的至少一种，余量基本为Fe。
上述元素可以提高第二铁基烧结合金的强度。如果该元素的总含量小于0.3％(以质量计)，顶盖座部分不能具备所需的强度。相反地，如果元素的总含量大于15％(以质量计)，此优势饱和，也就是说，此优势与含量不成比例。因此，该元素的总含量优选限制在0.3～15％(以质量计)的范围。
在顶盖座部分的第二铁基烧结合金的基体相中，除了上述元素外，余量基本为Fe。
在本发明中，第二铁基烧结合金还可以含有分散于基体相中的固体润滑剂颗粒。固体润滑剂颗粒可以增强第二铁基烧结合金元件的机械加工性能。固体润滑剂颗粒优选含有选自硫化物(比如MnS或MoS2)和氟化物(比如CaF2)中的至少一种或含有它们的混合物。第二铁基烧结合金的基体相中固体润滑剂颗粒的含量优选为0.3～3.5％(以面积计)。如果含量小于0.3％，则由于含量少而导致机械加工性能太低。相反地，如果含量超过3.5％，此优势饱和，也就是说，此优势与含量不成比例了。因此，固体润滑剂颗粒的含量优选限制在0.3～3.5％(以面积计)的范围。
现描述制造本发明阀座的方法。
制备用于形成阀门座部分的第一原材料粉末以获得与第一铁基烧结合金材料基体部分相同的组成，和制备用于形成顶盖座部分的第二原材料粉末以获得与第二铁基烧结合金基体相相同的组成。
第一原材料粉末优选通过混合和捏合下列组分的粉末而制备，以获得与包括基体相和硬颗粒的基体部分相同的组成20～70％的纯铁粉，10～50％的铁合金粉末和相对于第一原材料粉末总量(纯铁粉、铁合金粉末和硬颗粒粉末的总量)的5～40％(以质量计)的硬颗粒粉末。该铁合金粉末含有选自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W和C中的至少一种，这些元素的总含量为3～30％(以质量计)，余量基本为Fe。硬颗粒粉末含有选自C、Cr、Mo、Co、Si、Ni、S和Fe中的至少一种。而且，0.2～3.0份(以重量计)的第一固体润滑剂颗粒粉末可以与100份(以重量计)的第一原材料粉末混合。而且，一种合金元素粉末可以包含在第一原材料粉末中，而不是部分或全部铁合金粉末，其中的合金元素粉末的量相对第一原材料粉末的总量为0.3～15％(以质量计)。该合金元素粉末含有选自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W和C中的至少一种，第一原材料粉末还可含有一种润滑剂，如硬脂酸锌等。
如果第一原材料粉末中的纯铁粉含量小于20％(以质量计)，则可有效提高耐磨性的铁氧化物的量不足，因而耐磨性较低。相反地，如果含量大于70％(以质量计)，则铁氧化物的量充足，然而，第一铁基烧结合金的基体相的硬度不足，因而在铁氧化物还未形成的初始工作阶段，其耐磨性低。
第一原材料粉末含有铁合金粉末是为了提高第一铁基烧结合金基体的硬度和高温强度。如果铁合金粉末的含量小于10％(以重量计)，则不能获得上述优势。相反地，如果含量大于50％(以质量计)，此优势饱和，也就是说，此优势与含量不成比例，因此，如此高的含量不具成本效率。该铁合金粉末含有选自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W、和C中的至少一种，这些元素的总量为3～30％(以质量计)，余量基本为Fe。如果铁合金粉末中这些元素的总量小于3％(以质量计)，则不能获得上述优势。相反地，如果含量大于30％(以质量计)，此优势饱和，也就是说，此优势与含量不成比例，因此，如此高的含量不具成本效率。
根据为了提高基体相的硬度和高温强度的需要，含有选自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W和C中的至少一种的合金元素粉末包含于第一原材料粉末中，而不是部分或整个铁合金粉末。如果合金元素粉末的含量小于0.3％(以质量计)，硬度和高温强度较低，因而耐磨性就不足。相反地，如果含量大于15％(以质量计)，此优势饱和，也就是说，此优势与含量不成比例。
为了提高阀门座部分的耐磨性，含有选自C、Cr、Mo、Co、Si、Ni、S和Fe中的至少一种的硬颗粒粉末包含于第一原材料粉末中。如果硬颗粒粉末的含量小于5％(以质量计)，不能获得上以上优势。相反地，如果含量大于40％(以质量计)，反相侵蚀性能则又太高。
根据为了提高机械加工性能、耐磨性和降低反相侵蚀性能的需要，第一原材料粉末中包含有固体润滑剂颗粒。如果固体润滑剂颗粒粉末的含量相对于100份(以重量计)的第一原材料小于0.2份(以重量计)，机械加工性能和耐磨性低。相反地，如果其含量大于3.0份(以重量计)，此优势饱和，也就是说，此优势与含量不成比例。
将上述的纯铁粉、硬颗粒粉末和铁合金粉末和/或合金元素粉末以预定的比例相互掺合，然后混合和捏合，从而制得阀门座部分的第一原材料粉末。第一原材料粉末还可以含有预定量的固体润滑剂颗粒粉末。
另一方面，用于顶盖座部分的第二原材料粉末优选通过掺合和混合纯铁粉和合金元素粉末制备，以获得与顶盖座部分基体相相同的组成。纯铁粉的含量优选85％(以质量计)或更多。含有选自C、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V和Mn中的至少一种的合金元素粉末含量优选0.3～15％(以质量计)。而且，0.2～3.0份(以重量计)的固体润滑剂颗粒粉末可以加入到100份(以重量计)的第二原材料粉末中。
如果第二原材料粉末中的纯铁粉含量小于85％(以质量计)，第二原材料粉末的可压缩性低，也就是说，第二原材料粉末形成的生压块具有较小的密度；因此，烧结密度就小，因而，顶盖座部分的强度不足以用于内燃机的阀座。
为了提高第二铁基烧结合金基体的强度，第二组分粉末中含有合金元素粉末，该合金元素粉末含有选自C、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、和Mn中的至少一种。如果合金粉末含量小于0.3％(以质量计)，此优势不足。相反地，如果其含量大于15％(以质量计)，此优势与含量则不成比例。
第二原材料粉末和第一原材料粉末一样优选含有上述固体润滑剂粉末。该固体润滑剂颗粒粉末用于提高顶盖座部分机械加工性能、耐磨性和降低反相侵蚀性能。如果固体润滑剂粉末的含量相对于100份(以重量计)第二原材料粉末小于0.2份(以重量计)，机械加工性能和耐磨性低。相反地，如果其含量超过3.0份(以重量计)，此优势饱和，也就是说，此优势与含量不成比例。
将第一原材料粉末和第二原材料粉末依次填充到金属模具中以形成一个双层结构。所得的粉末经过被压模机压缩的成形步骤以形成一个生压块。然后将该生压块在保护气氛(比如真空或氨分解而得的气体)中优选于1,000～1,200℃加热进行烧结步骤以获得烧结体。所得的烧结体通过切削和碾磨工艺机加工形成具有预定尺寸和形状的用于内燃机的阀座。
在本发明中，优选调节成形步骤和烧结步骤的条件以使阀门座部分的烧结密度为6.1～7.1g/cm3，体积孔隙率为10～25％。在成形步骤中，为了获得这样的密度，用于形成阀门座部分的部分生压块优选具有6.2～7.3g/cm3的密度。如果阀门座部分的烧结密度和孔隙率控制在上述范围内，顶盖座部分的烧结密度和孔隙率也可控制在预定范围内。
将纯铁粉、硬颗粒粉末和铁合金粉末和/或合金元素粉末以表1所示的比例混合，这些粉末的种类示于表1。而且，将预定量(以重量计份数)的固体润滑剂颗粒加入到100份(以重量计)的纯铁粉、硬颗粒粉末和铁合金粉末和/或合金元素粉末的混合物中，将所得混合物混合，然后捏合。从而得到用于制备阀门座部分的第一原材料粉末和用于制备顶盖座部分的第二原材料粉末。除了固体润滑剂颗粒粉末外，纯铁粉、硬颗粒粉末和铁合金粉末和/或合金元素粉末均用质量百分数来表示。样品18为一个对比实施例，不含固体润滑剂颗粒粉末。
表1
(*)铁合金粉末 (**)硬颗粒粉末(维氏硬度)类型A1.0Cr-0.5Mn-0.3Mo-余量Fe 类型aCr-Mo-Co金属间化合物(950)类型B3.0Cr-0.2Mo-余量Fe 类型bNi-Cr-Mo-Co金属间化合物(1100)类型C4.0Ni-1.5Cu-0.5Mo-余量Fe 类型cFe-Mo硬颗粒(1100)类型D1.5C-12Cr-1Mo-1V-余量Fe(SKD11) 类型dFe-Ni-Mo-S硬颗粒(600)类型E0.8C-4Cr-5Mo-2V-6W-余量Fe(SKH51)类型F1.2C-4Cr-3Mo-10W-3V-10Co-余量Fe(SKH57)(***)固体润滑剂颗粒粉末类型IMnS类型IICaF2(****)相对于总重量为100份时含有纯铁粉、铁合金粉末，合金元素粉末和硬颗粒粉末的原材料粉末的重量份数(1)VSS表示阀门座部分(2)HSS表示顶盖-座部分表1(续)
(*)铁合金粉末 (**)硬颗粒粉末(维氏硬度)类型A1.0Cr-0.5Mn-0.3Mo-余量Fe类型aCr-Mo-Co金属间化合物(950)类型B3.0Cr-0.2Mo-余量Fe 类型bNi-Cr-Mo-Co金属间化合物(1100)类型C4.0Ni-1.5Cu-0.5Mo-余量Fe类型cFe-Mo硬颗粒(1100)类型D1.5C-12Cr-1Mo-1V-余量Fe(SKD11) 类型dFe-Ni-Mo-S硬颗粒(600)类型E0.8C-4Cr-5Mo-2V-6W-余量Fe(SKH51)类型F1.2C-4Cr-3Mo-10W-3V-10Co-余量Fe(SKH57)(***)固体润滑剂颗粒粉末类型IMnS类型IICaF2(****)相对于总重量为100份的含有纯铁粉、铁合金粉末，合金元素粉末和硬颗粒粉末的原材料粉末的重量份数(1)VSS表示阀门座部分(2)HSS表示顶盖-座部分依次将每种第一原材料粉末和第二原材料粉末(混合粉末)填充到金属模具中以形成一个双层结构。然后用压模机压缩该所得粉末，从而形成一个生压块。该生压块的密度通过改变压缩条件进行调节。
该生压块在保护气氛(氨分解所得的气体)中于1,000～1,200℃烧结10～30分钟，从而得到一个烧结体(一种铁基烧结合金)。
试样从所得的烧结体上切取。并对试样测量烧结体的孔隙率和密度及其基体部分的组成。该孔隙率通过图像分析系统利用每个具有一抛光表面的试样进行测定。阀门座部分和顶盖座部分的密度采用阿基米德(Archimedes)法分别测定。
由烧结体得到的试样通过切削或碾磨工艺机加工成具有33mm外径、29mm内径和6.0mm厚的阀座。对阀座分别进行为了测定耐磨性的单体钻探磨损试验和为了测定铁氧化物含量的氧化试验。
(1)单体钻探磨损试验(为测定耐磨性的试验)单体钻探磨损试验采用如图5所示的试验设备进行。将阀座1压嵌在与气缸盖相配的夹具2中。当阀座1和阀门4用安装在试验设备上的加热器3并利用LPG和气体加热时，曲柄带动阀门4上下移动。根据阀门的沉陷量确定其磨损度。试验条件描述如下试验温度400℃(在阀座表面)试验周期9.0小时凸轮转速3000rpm阀门转速20rpm弹簧负荷35kgf(345N)(在设置步骤中)阀门材料SUH35升程9.0mm(2)氧化试验(为确定铁氧化物量的试验)每一阀座分为一个阀门座部分和顶盖座部分，对两者进行充分清洗和去油污。所得阀门座部分为一个试验的样品，放置于一炉内，从而在下述条件下对阀门座部分进行热处理加热温度500℃加热时间10、20或30分钟加热气氛空气气氛测定所得阀门座部分的重量，从而确定其由于氧化导致的重量增加，用重量百分数表示。根据以下公式计算其增加量由于氧化导致的增加量(％)＝{(热处理试样的重量)-(未进行热处理试样的重量)}×100/(未进行热处理试样的重量)。
所得结果示于表2。
表2
(1)VSS表示阀门座部分(2)HSS表示顶盖座部分表2(续)
(1)VSS表示阀门座部分(2)HSS表示顶盖座部分在样品1-12号、21号、22号中(本发明实施例)，阀座磨损范围为11到17μm，其反力杆件即阀的磨损范围为6～15μm，而且，在预定的时间内和预定的温度下由于氧化导致的重量增加很大。这就意味着阀座具有令人满意的耐磨性和铁氧化物形成性能。相反地，在样品13-20号中(不在本发明范围内的对比实施例)，其阀座磨损范围为25～55μm，其反力杆件即阀的磨损范围为20～58μm，也就是，与实施例的阀座相比，其耐磨性更低，反相侵蚀性能更高。而且由于氧化导致的重量增加也不同，且不大。这意味着对比实施例的阀座不具备令人满意的耐磨性和铁氧化物形成性能。
所得阀座的示例结构示于图2至4。
图2包括两个光学显微照片图2A表示样品1(本发明实施例)的阀门座部分的基体部分的结构，图2B表示样品1顶盖座部分的基体相的结构。
图3包括两个光学显微照片图3A表示样品5(本发明实施例)的阀门座部分的基体部分的结构，图3B表示样品5顶盖座部分的基体相的结构。
图4包括两个光学显微照片图4A表示样品16(本发明对比实施例)的阀门座部分的基体部分的结构，图4B表示样品16顶盖座部分的基体相的结构。
权利要求
1.一种压嵌在内燃机气缸盖内、含有铁基烧结合金的阀座，其包括阀门座部分；和顶盖座部分，其中的阀门座部分和顶盖座部分通过烧结工艺整体成形，且形成一个双层结构。阀门座部分包括体积孔隙率为10～25％，烧结密度为6.1～7.1g/cm3，且含有硬颗粒分散在基体相中的第一铁基烧结合金，顶盖座部分包括体积孔隙率为10～20％，烧结密度为6.4～7.1g/cm3的第二铁基烧结合金。
2.根据权利要求1的阀座，其中的硬颗粒含有选自C、Cr、Mo、Co、Si、Ni、S和Fe中的至少一种，且该硬颗粒在第一铁基烧结合金中的含量，以面积计，为5～40％。
3.根据权利要求1或2的阀座，其中的基体相和硬颗粒构成基体部分，该基体部分含有，以质量计，10.0～40.0％选自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W、C、Si和S中的至少一种，以质量计，Ni的含量为2.0～23.0％，Cr的含量为0.4～15.0％，Mo的含量为3.0～15.0％，Cu的含量为0.2～3.0％，Co的含量为3.0～15.0％，V的含量为0.1～0.5％，Mn的含量为0.1～0.5％，W的含量为0.2～％.0％，C的含量为0.8～2.0％，Si的含量为0.1～1.0％，S的含量为0.1～1.0％，余量基本为Fe；第二铁基烧结合金的基体相含有，以质量计，0.3～15.0％选自C、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V和Mn中的至少一种，余量基本为Fe。
4.根据权利要求1-3任一项的阀座，其中的第一和第二铁基烧结合金还含有，以面积计，0.3～3.5％分散在基体相中的固体润滑剂颗粒。
5.根据权利要求4的阀座，其中的固体润滑剂颗粒含有选自硫化物和氟化物中的至少一种。
6.一种制造含铁基烧结合金的阀座的方法，包括依次将形成阀门座部分的第一原材料粉末和形成顶盖座部分的第二原材料粉末填充到金属模具中以使第一和第二原材料粉末形成一个双层结构，然后压紧所得的第一和第二原料粉末以形成一个由两层组成的生压块的成形步骤；和在保护气氛中加热所得生压块以获得具有双层结构的烧结体的烧结步骤，其中第一原材料粉末含有，以质量计，20～70％的纯铁粉，10～50％的第一铁合金粉末，和5～40％的硬颗粒粉末，或还含有相对于100重量份第一原材料粉末为0.2～3.0重量份的固体润滑剂颗粒粉末，将纯铁粉、第一铁合金粉末和硬颗粒粉末或固体润滑剂颗粒粉末掺合和混合，第一铁合金粉末含有，以质量计，3～30％选自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W和C的至少一种，余量基本为Fe；硬颗粒粉末含有选自C、Cr、Mo、Co、Si、Ni、S和Fe中的至少一种；第二原材料粉末含有，以质量计，85％或更多的纯铁粉末和0.3～15％第二铁合金粉末，或还含有相对于100重量份第二原材料粉末为0.2～3.0重量份的固体润滑剂颗粒粉末，将纯铁粉和第二铁合金粉末或固体润滑剂颗粒粉末掺合和混合；第二铁合金粉末含有选自C、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V和Mn中的至少一种；调整成形步骤和烧结步骤的条件以使第一铁基烧结合金具有6.1～7.1g/cm3的烧结密度和10～25％的体积孔隙率，第二铁基烧结合金具有6.4～7.1g/cm3的烧结密度和10～20％的体积孔隙率。
7.根据权利要求6的方法，其中第一原材料粉末含有，以质量计，0.3～15％合金元素粉末，而不是部分或整个铁合金粉末，该合金元素粉末含有选自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W和C中的至少一种。
全文摘要
一种压嵌在内燃机气缸盖内，含有一种铁基烧结合金的阀座包括一个阀门座部分和一个顶盖座部分。阀门座部分和顶座部位通过烧结工艺整体成形，且形成一个双层结构。阀门座部分包括一个体积孔隙率为10～25％，烧结密度为6.1～7.1g/cm
文档编号C22C38/00GK1517518SQ20041000240
公开日2004年8月4日 申请日期2004年1月9日 优先权日2003年1月10日
发明者佐藤贤一, 垣内新, 高桥辉夫, 石田正雄, 桶谷裕之, 之, 夫, 雄 申请人:日本活塞环株式会社, 本田技研工业株式会社