本发明涉及汽车发动机配件技术领域，尤其涉及一种高硬度铁基粉末冶金自润滑CNG发动机气门座圈及其制作方法。
背景技术：
压缩天然气(CNG)、液化石油气(LPG)和甲醇等作为内燃机的代用燃料是保护环境和合理利用能源的有效途径。我国天然气资源丰富，作为发动机清洁燃料其市场前景巨大。然而，使用新型能源，汽车零件特别是发动机气门座圈的使用工况会发生变化，对其材料也提出了新的要求。CNG发动机的进、排气门座圈是控制燃气吸入与废气排出的重要工作部件，在高温下经受气流的冲蚀和气门的高频率冲击磨擦，工作条件十分恶劣。一旦气门座圈被冲击磨损，导致气门气密性降低，将大幅度降低发动机效率，以及有害成分气体的大量排放。这就要求CNG发动机气门座圈有更高的耐热性，更高的耐磨性和耐腐蚀性。
常用的气门座圈材料包括铸造合金、锻钢制品和粉末冶金3大类。其中粉末冶金气门座圈因具有少、无切削、材料利用率高、设计自由度大等优点，适合大批量的生产。一般的粉末冶金铁基材料存在低密度和疏松性的缺点，在使用过程中易发生磨损失效，目前，最常用的有两种解决方法： 一是添加合金元素形成硬质相，提高材料的强度和硬度，获得好的耐磨性：二是通过熔渗工艺提高材料的密度和性能。文献《制备工艺对铁基粉末冶金气门座圈致密性和性能的影响》采用烧结、熔渗、热处理制备了高性能铁基粉末冶金气门座圈。研究不同工艺对气门座圈的孔隙变化、致密性、显微组织和力学性能的影响，确定气门座圈致密性的最佳工艺条件。结果表明，采用熔渗或提高烧结温度，可使孔隙的形状趋于球化，大大减少孔隙的数量和大小，明显提高气门座圈的致密性。
由于气门座圈在工作过程中无油润滑，耐候性差，使用寿命短，耐磨长效性差，而目前通过添加硬质颗粒、自润滑添加剂等和采用熔渗新工艺相结合的方式研究很少。文献中仅仅采用熔渗新工艺，方式较为单一，制得的气门座圈胚体韧性差、切割性差、耐温变性低、使用寿命短等。
技术实现要素：
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种高硬度铁基粉末冶金自润滑CNG发动机气门座圈及其制作方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高硬度铁基粉末冶金自润滑CNG发动机气门座圈，由下列重量份的原料制成：铬6.2-6.4、钴4.2-4.4、镍0.7-0.9、钛0.5-0.7、铈0.3-0.5、铜18-19、纳米二硫化钼1.2-1.5、碳化钨0.7-0.9、二氧化锰1-2、甲基三乙氧基硅烷0.4-0.6、硼铁合金粉2.1-2.4、磷酸二氢铝0.2-0.4、聚四氟乙烯粉2-3、铁64-68。
所述的一种高硬度铁基粉末冶金自润滑CNG发动机气门座圈的制作方法，包括以下步骤：
（1）将纳米二硫化钼添加到质量浓度为5-15%的磷酸二氢铝水溶液中，超声分散均匀，加入甲基三乙氧基硅烷加热至50-70℃，搅拌12-24小时喷雾干燥；
（2）将铜粉投入坩埚电阻炉中迅速升温至完全熔化，加入步骤（1）物料超声波搅拌混匀，保温静置20-25分钟，将金属液经气体雾化制粉设备得粒径在100μm以下的铜包覆改性纳米二硫化钼；
（3）将硼铁合金粉、碳化钨于600-700℃高温煅烧20-30分钟，立即放入水中降温至室温超声分散10-15分钟，喷雾干燥，投入适量无水乙醇中，加入二氧化锰、步骤（2）物料研磨40-50分钟，烘干至完全除去无水乙醇，得混合粉体；
（4）将铁粉和铬、钴、镍、钛、铈粉投入混粉机中球磨混合，加入步骤（3）混合粉体、聚四氟乙烯粉加热至50-60℃，搅拌30-40分钟真空干燥，加入到模具中压制成所需形状，得到生坯；
（5）将上述生坯和同样形状的铜片放入推杆炉中，在氢气的保护气氛下于1000-1200℃烧结熔渗1-2小时，用水套冷却方式冷却至室温；
（6）将烧结熔渗完成后的气门座圈置于箱式炉中，加热到600-700℃，保温20-40分钟，油淬至室温，再加热到245-255℃，保温50-70分钟，冷却出料。
本发明的优点是：本发明将改性后的纳米二硫化钼表面覆盖一层铜膜作为固体润滑剂添加到基体材料中，密度差小、物理和力学性能相近，改善了其与基体的浸润性且界面结合强度高，密度显著提高，减少偏析，同时提高了材料的强度和摩擦性能，并且包覆层可以起到保护固体润滑剂免受高温引起的蒸发或氧化的作用；同时本发明还添加二氧化锰、钛、铈等成分，采用烧结、熔渗、热处理工艺改变金属粒子相变，很大程度填充了气门座圈的孔隙，降低气门座圈材料的孔隙率，提高了气门座圈的致密性，从而提升了气门座圈的韧性、耐磨性、热硬性和致密性，本发明产品具有较高的硬度和高温稳定性。
具体实施方式
一种高硬度铁基粉末冶金自润滑CNG发动机气门座圈，由下列重量份的原料制成：铬6.2、钴4.2、镍0.7、钛0.5、铈0.3、铜18、纳米二硫化钼1.2、碳化钨0.7、二氧化锰1、甲基三乙氧基硅烷0.4、硼铁合金粉2.1、磷酸二氢铝0.2、聚四氟乙烯粉2、铁64。
所述的一种高硬度铁基粉末冶金自润滑CNG发动机气门座圈的制作方法，包括以下步骤：
（1）将纳米二硫化钼添加到质量浓度为5-15%的磷酸二氢铝水溶液中，超声分散均匀，加入甲基三乙氧基硅烷加热至50-70℃，搅拌12-24小时喷雾干燥；
（2）将铜粉投入坩埚电阻炉中迅速升温至完全熔化，加入步骤（1）物料超声波搅拌混匀，保温静置20-25分钟，将金属液经气体雾化制粉设备得粒径在100μm以下的铜包覆改性纳米二硫化钼；
（3）将硼铁合金粉、碳化钨于600-700℃高温煅烧20-30分钟，立即放入水中降温至室温超声分散10-15分钟，喷雾干燥，投入适量无水乙醇中，加入二氧化锰、步骤（2）物料研磨40-50分钟，烘干至完全除去无水乙醇，得混合粉体；
（4）将铁粉和铬、钴、镍、钛、铈粉投入混粉机中球磨混合，加入步骤（3）混合粉体、聚四氟乙烯粉加热至50-60℃，搅拌30-40分钟真空干燥，加入到模具中压制成所需形状，得到生坯；
（5）将上述生坯和同样形状的铜片放入推杆炉中，在氢气的保护气氛下于1000-1200℃烧结熔渗1-2小时，用水套冷却方式冷却至室温；
（6）将烧结熔渗完成后的气门座圈置于箱式炉中，加热到600-700℃，保温20-40分钟，油淬至室温，再加热到245-255℃，保温50-70分钟，冷却出料。
利用本发明制得的CNG发动机气门座圈具有如下技术特征：
（1）密度/(g•cm-3)：7.86；
（2）开孔孔隙度/%：0.06；
（3）硬度/HＲC：52；
（4）最大载荷Fmax/kN：2.375；
（5）摩擦系数：0.086。