高韧性铁基粉末冶金气门座的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高韧性铁基粉末冶金气门座，由以下质量百分比的原料制成：石墨为1.7?2.6%，铬粉为1.4?1.5%，钴粉为4.5?4.8%，铝粉为1.6?1.8%，硅粉为1.56?1.77%，锆粉为0.4?0.7%，铌粉为1.3?1.41%，铪粉为0.13?0.21%，助剂为4.0?5.0%，余量为铁粉。本发明的铁基粉末冶金气门座在保证良好具有的耐蚀、耐高温和耐磨性能外，还具有优秀的力学性能和稳定性，使铁基粉末冶金气门座具有良好的合金性能和结构稳定性能，防止气门座因高硬度而发生脆性断裂。
【专利说明】
高韧性铁基粉末冶金气门座
技术领域
[0001] 本发明涉及发动机零部件制造领域，特别涉及一种高韧性铁基粉末冶金气门座。
【背景技术】
[0002] 气门座是汽车发动机中重要零部件，在发动机的配气机构中，气门座与气门协调 配合共同对气缸起到密封的作用。随着汽车快速发展，气门座在工作中受到多种力(机械冲 击、高温气体的冲刷和腐烛、灰尘的磨损、冷热应力交替）的共同作用，非常容易产生形状变 化、高温烧损，甚至产生断裂。在使用的传统的耐热钢或特种合金铸铁气门座，会利用燃烧 铅汽油时，燃烧气体中的P、S所产生的含铅化合物附在气门座的外表面，从而起到润滑、减 摩的作用。然而，由于含铅汽油在燃烧时所释放的Pb、s等物质与金属共同作用易产生高温 腐烛导致气门座被破坏，并污染环境，所以含铅汽油已基本被停止使用。这样气门座在工作 过程中就会因为没有铅化物充当润滑剂的作用，从而减少了气门座在使用过程中的寿命， 这样就会很容易的产生"气门下沉"甚至失效等问题，使发动机的动力性会严重下降，发动 机的性能以及整车的质量都会受到严重的影响。
[0003] 有鉴于此，具有优良的耐高温性能、良好的耐磨性能和耐蚀性能的材质成为延长 气门座使用寿命的关键之一。为此人们开始研究开发粉末冶金气门座材料，这主要是因为 粉末冶金技术简单，而且能够满足不同的生产要求。目前，国外许多发达国家已经开始采用 粉末冶金生产发动机气门座，由于我国对于粉末冶金制造气门阀座的生产工艺并不成熟， 正处于探索与研发阶段，因此，若能得到性能优异，制造成本相对较低的粉末冶金气门座材 料是技术人员的研究方向。
【发明内容】
[0004] 本发明的发明目的在于:针对上述存在的问题，提供一种高韧性铁基粉末冶金气 门座，使铁基粉末冶金气门座在保证良好具有的耐蚀、耐高温和耐磨性能外，还具有优秀的 力学性能和稳定性，使铁基粉末冶金气门座具有良好的合金性能和结构稳定性能，防止气 门座因高硬度而发生脆性断裂。
[0005] 本发明采用的技术方案如下：一种高韧性铁基粉末冶金气门座，由以下质量百分 比的原料制成:石墨为1.7-2.6%，铬粉为1.4-1.5%，钴粉为4.5-4.8%，铝粉为1.6-1.8%， 硅粉为1.56-1.77 %，锆粉为0.4-0.7 %，铌粉为1.3-1.41 %，铪粉为0.13-0.21 %，助剂为 4.0-5.0%，余量为铁粉。
[0006] 上述原料配方中，石墨、铬粉、钴粉和硅粉是粉末冶金气门座中的常用元素，铝粉 的加入能与铁在烧结过程中形成铁铝合金，铁铝合金在室温和高温环境下具有良好的耐蚀 性和抗氧化性，可以此来代替价格昂贵的镍元素，降低气门座的原料成本;铌能提高铁基粉 末冶金气门座的力学性能，能明显提高铁基粉末冶金气门座的抗压强度，铌在烧结后发生 冶金反应，夺取合金内的氧元素并均匀地分布在基体中，对铁基粉末冶金气门座的结构组 织无影响，是一种良好的增强元素;锆能细化铁基粉末冶金气门座的结构组织，促进细晶的 生成，阻止晶粒的长大，增加钉扎位错，稳定亚结构，宏观上提高了材料的硬度和抗拉强度， 同时，错还能与铁在基体形成FeZr3相，降低合金材料的孔隙率，弥补粉末冶金材料孔隙率 高的缺点，另外，锆还能与钛形成低熔点的ZrTi，ZrTi在组织内均匀扩散，相互搭接形成具 有一定强度和塑性的Zr-Ti骨架，其他合金颗粒填充其间，增强了材料的韧性和密度;铪能 与碳形成稳定的碳化物，坚硬的铪碳化物能增强气门座的耐磨性能，同时在铪颗粒表面能 形成比其碳化物更稳定的氧化物Hf〇2,同铌的作用一样，也能起到夺取氧元素以达到净化 晶界的目的，另外，铪的碳化物还能减缓MC型碳化物分解成脆性M23C6相，进而稳定材料的 合金性能。进一步，所述助剂由下列质量百分比的原料制成:60-70%的润滑剂、15-20%的 纳米级二氧化钛和15-20 %的氧化锌。
[0007] 进一步，所述润滑剂为镍包二硫化钼，。
[0008] 进一步，所述石墨为鳞片状石墨，粒径为55-75μπι。
[0009] 进一步，考虑到原料粒径对粉末冶金材料的影响，所述铁粉为100-130μπι粒径的雾 化铁粉，铬粉、钴粉、铝粉、铋粉、硅粉、锆粉、铌粉和铪粉的粒径均为75-100μπι。
[0010] 作为优选，一种高韧性铁基粉末冶金气门座，由以下质量百分比的原料制成:石墨 为2.2 %，铬粉为1.4 %，钴粉为4.5 %，铝粉为1.8 %，硅粉为1.77 %，锆粉为0.6 %，铌粉为 1.36%，铪粉为0.18%，助剂为4.8%，余量为铁粉;所述助剂由下列质量百分比的原料制 成:65 %的润滑剂、18 %的纳米级二氧化钛和17 %的氧化锌，所述润滑剂为镍包二硫化钼， 所述石墨为鳞片状石墨，粒径为55-75μπι，所述铁粉为100-130μπι粒径的雾化铁粉，铬粉、钴 粉、铝粉、铋粉、硅粉、锆粉、铌粉和铪粉的粒径均为75-100μπι。
[0011] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：在原有的基础配方 上，通过添加铝、铌和锆等合金元素，来降低气门座的空隙度，提高致密度，细化组织晶粒， 提升抗压和抗拉强度，使气门座的合金性能和力学性能得到明显提高，而铪的加入不仅能 提尚气门座的耐磨性，还能提尚气门座的初性，在一定程度上，提尚气门座的弹性、抗弯和 抗剪性能，缓解气门座因硬度过高而产生的脆性断裂，促进气门座的稳定性，因此，本发明 的铁基粉末冶金气门座在保证良好具有的耐蚀、耐高温和耐磨性能外，还具有优秀的力学 性能和稳定性，通过实验测出，本发明的铁基粉末冶金气门座的硬度值达到60-75HRC，径向 压溃强度达到886-952MPa，抗拉强度达到1203-1260MPa，韧性达到8.1-8.6MPa · ml/2，材料 的致密度达到98.2-98.7%，按照超速耐久试验机规范，对本发明的气门座进行超速耐久试 验后，没有发生明显的下沉现象，说明本发明内的气门座的耐磨性能良好。
【具体实施方式】
[0012]下面结合实施例，对本发明作详细的说明。
[0013] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0014] 实施例一
[0015] -种高韧性铁基粉末冶金气门座，由以下质量百分比的原料制成:石墨为1.9%， 铬粉为1.46 %，钴粉为4.7 %，铝粉为1.69 %，硅粉为1.61 %，锆粉为0.6 %，铌粉为1.38 %， 铪粉为0.13%，助剂为4.3%，余量为铁粉;所述助剂由下列质量百分比的原料制成:66%的 润滑剂、17%的纳米级二氧化钛和17%的氧化锌，所述润滑剂为镍包二硫化钼，所述石墨为 鳞片状石墨，粒径为55-75μπι。
[0016] 考虑到原料粒径对粉末冶金材料的影响，所述铁粉为100-130μπι粒径的雾化铁粉， 铬粉、钴粉、铝粉、铋粉、硅粉、锆粉、铌粉和铪粉的粒径均为75-100μπι。
[0017] 上述气门座的制备方法包括以下步骤：
[0018]步骤一、原材料准备，分别按质量取石墨为1.9%，络粉为1.46%，钴粉为4.7 %，错 粉为1.69 %，硅粉为1.61 %，锆粉为0.6 %，铌粉为1.38 %，铪粉为0.13 %，助剂为4.3 %，余 量为铁粉，将上述各组分置于高速球磨机中进行混粉研磨lh，高速球磨机转速为450rad/ min，然后置于高速混合机中混合均匀，得到初级混料；
[0019] 步骤二、设计压制模具，用硬脂酸锌酒精溶液润滑压制模具的内腔，然后将混合料 倒入已设计好的模具内，安装上冲模，使冲模的上表面保持水平，安装完成后，将模具放入 粉末压片机中进行压制成型，压制压力为238MPa，压制速度为lmm/min，保压时间为8min，得 到压坯件；
[0020] 步骤三、将得到的压坯件放入真空烧结炉中进行真空烧结，其中，真空度不低于 1.0 X 10-3Pa，真空烧结炉先升温至250 °C，升温速率为90 °C/h，烧结2h，然后升温至900 °C， 升温速率为l〇〇〇°C/h，保温lh，再升温至1200°C，升温速率为1200°C/h，保温2-3h，然后再降 温至500°C，保温lh，最后随炉冷却至室温，得到半成品；
[0021] 步骤四、将得到的半成品置于热处理炉中并加热至1100°C，保温lh，然后油淬至 600-800 °C (油淬后的温度不易掌控，但应在600-800 °C内），保温0.5h，再油淬至室温，得到 淬火件；
[0022] 步骤五、将得到的半成品置于热处理炉中并加热至1100°C，保温lh，然后油淬至 600-800°C，保温lh，再油淬至室温，得到淬火件；
[0023]步骤六、将得到的淬火件再次放入热处理炉中并加热至660°C，保温lh，最后空冷 至室温，得到回火件；
[0024]步骤七、将得到的回火件进行打磨和精整，在去离子水中进行超声清洗，干燥； [0025]步骤八、步骤七完成后，将清洗后的回火件放入真空浸油机内进行浸润滑油处理， 处理时间为7h，得到成品。
[0026]为了消除压坯件内残留的气体、水分和表面的硬脂酸锌酒精溶液，压坯件在进行 真空烧结前，先将压坯件置于烘干炉中进行l〇〇°C保温烘干3h，以减少气孔的产生。
[0027]实施例二
[0028] -种高韧性铁基粉末冶金气门座，由以下质量百分比的原料制成:石墨为1.7%， 铬粉为1.5 %，钴粉为4.8 %，铝粉为1.6 %，硅粉为1.56 %，锆粉为0.4 %，铌粉为1.3 %，铪粉 为0.21%，助剂为4.0%，余量为铁粉;所述助剂由下列质量百分比的原料制成:60%的润滑 剂、20%的纳米级二氧化钛和20%的氧化锌，所述润滑剂为镍包二硫化钼，所述石墨为鳞片 状石墨，粒径为55-75μπι，所述铁粉为100-130μπι粒径的雾化铁粉，铬粉、钴粉、铝粉、铋粉、硅 粉、锆粉、铌粉和铪粉的粒径均为75-100μπι。
[0029] 上述气门座的制备方法包括以下步骤：
[0030] 步骤一、原材料准备，分别按质量取石墨为1.7%，铬粉为1.5%，钴粉为4.8%，铝 粉为1.6 %，硅粉为1.56 %，锆粉为0.4 %，铌粉为1.3 %，铪粉为0.21 %，助剂为4.0 %，余量 为铁粉，将上述各组分置于高速球磨机中进行混粉研磨2h，高速球磨机转速为450rad/min， 然后置于高速混合机中混合均匀，得到初级混料；
[0031]步骤二、设计压制模具，用硬脂酸锌酒精溶液润滑压制模具的内腔，然后将混合料 倒入已设计好的模具内，安装上冲模，使冲模的上表面保持水平，安装完成后，将模具放入 粉末压片机中进行压制成型，压制压力为230MPa，压制速度为lmm/min，保压时间为8min，得 到压坯件；
[0032]步骤三、将得到的压坯件置于烘干炉中进行100°C保温烘干4h，；
[0033]步骤四、将烘干后的压坯件放入真空烧结炉中进行真空烧结，其中，真空度不低于 1.0 X 10-3Pa，真空烧结炉先升温至250 °C，升温速率为90 °C/h，烧结2h，然后升温至900 °C， 升温速率为1000°C/h，保温lh，再升温至1200°C，升温速率为1200°C/h，保温2h，然后再降温 至500°C，保温2h，最后随炉冷却至室温，得到半成品；
[0034]步骤五、将得到的半成品置于热处理炉中并加热至1100°C，保温lh，然后油淬至 600-800°C，保温lh，再油淬至室温，得到淬火件；
[0035]步骤六、将得到的淬火件再次放入热处理炉中并加热至660°C，保温lh，最后空冷 至室温，得到回火件；
[0036]步骤七、将得到的回火件进行打磨和精整，在去离子水中进行超声清洗，干燥； [0037]步骤八、步骤七完成后，将清洗后的回火件放入真空浸油机内进行浸润滑油处理， 处理时间为8h，得到成品。
[0038] 实施例三
[0039] -种高韧性铁基粉末冶金气门座，由以下质量百分比的原料制成:石墨为2.2%， 铬粉为1.4 %，钴粉为4.5 %，铝粉为1.8 %，硅粉为1.77 %，锆粉为0.6 %，铌粉为1.36 %，铪 粉为0.18%，助剂为4.8%，余量为铁粉;所述助剂由下列质量百分比的原料制成:65%的润 滑剂、18%的纳米级二氧化钛和17%的氧化锌，所述润滑剂为镍包二硫化钼，所述石墨为鳞 片状石墨，粒径为55-75μπι，所述铁粉为100-130μπι粒径的雾化铁粉，铬粉、钴粉、铝粉、铋粉、 硅粉、锆粉、铌粉和铪粉的粒径均为75-100μπι。
[0040] 上述气门座的制备方法包括以下步骤：
[0041 ]步骤一、原材料准备，分别按质量取石墨为2.2%，铬粉为1.4%，钴粉为4.5%，铝 粉为1.8%，硅粉为1.77%，锆粉为0.6%，铌粉为1.36%，铪粉为0.18 %，助剂为4.8%，余量 为铁粉，将上述各组分置于高速球磨机中进行混粉研磨lh，高速球磨机转速为450rad/min， 然后置于高速混合机中混合均匀，得到初级混料；
[0042]步骤二、设计压制模具，用硬脂酸锌酒精溶液润滑压制模具的内腔，然后将混合料 倒入已设计好的模具内，安装上冲模，使冲模的上表面保持水平，安装完成后，将模具放入 粉末压片机中进行压制成型，压制压力为245MPa，压制速度为lmm/min，保压时间为8min，得 到压坯件；
[0043]步骤三、将得到的压坯件置于烘干炉中进行100°C保温烘干3h;
[0044]步骤四、将烘干后的压坯件放入真空烧结炉中进行真空烧结，其中，真空度不低于 1.0 X 10-3Pa，真空烧结炉先升温至250 °C，升温速率为90 °C/h，烧结2h，然后升温至900 °C， 升温速率为1000°C/h，保温lh，再升温至1200°C，升温速率为1200°C/h，保温2h，然后再降温 至500°C，保温2h，最后随炉冷却至室温，得到半成品；
[0045]步骤五、将得到的半成品置于热处理炉中并加热至1100°C，保温0.5-lh，然后油淬 至600-800°C (油淬后的温度不易掌控，但应在600-800 °C内），保温0.5h，再油淬至室温，得 到淬火件；
[0046]步骤六、将得到的淬火件再次放入热处理炉中并加热至660°C，保温lh，最后空冷 至室温，得到回火件；
[0047]步骤七、将得到的回火件进行打磨和精整，在去离子水中进行超声清洗，干燥； [0048]步骤八、步骤七完成后，将清洗后的回火件放入真空浸油机内进行浸润滑油处理， 处理时间为8h，得到成品。
[0049] 实施例四
[0050] -种高韧性铁基粉末冶金气门座，由以下质量百分比的原料制成:石墨为2.6%， 铬粉为1.4 %，钴粉为4.5 %，铝粉为1.8 %，硅粉为1.56 %，锆粉为0.7 %，铌粉为1.41 %，铪 粉为0.21%，助剂为5.0%，余量为铁粉;所述助剂由下列质量百分比的原料制成:70%的润 滑剂、15%的纳米级二氧化钛和15%的氧化锌，所述润滑剂为镍包二硫化钼，所述石墨为鳞 片状石墨，粒径为55-75μπι，所述铁粉为100-130μπι粒径的雾化铁粉，铬粉、钴粉、铝粉、铋粉、 硅粉、锆粉、铌粉和铪粉的粒径均为75-100μπι。
[0051 ]上述气门座的制备方法包括以下步骤：
[0052]步骤一、原材料准备，分别按质量取石墨为2.6%，铬粉为1.4%，钴粉为4.5%，铝 粉为1.8 %，硅粉为1.56 %，锆粉为0.7 %，铌粉为1.41 %，铪粉为0.21 %，助剂为5.0 %，余量 为铁粉，将上述各组分置于高速球磨机中进行混粉研磨2h，高速球磨机转速为450rad/min， 然后置于高速混合机中混合均匀，得到初级混料；
[0053]步骤二、设计压制模具，用硬脂酸锌酒精溶液润滑压制模具的内腔，然后将混合料 倒入已设计好的模具内，安装上冲模，使冲模的上表面保持水平，安装完成后，将模具放入 粉末压片机中进行压制成型，压制压力为250MPa，压制速度为lmm/min，保压时间为8min，得 到压坯件；
[0054]步骤三、将得到的压坯件置于烘干炉中进行100°C保温烘干4h，；
[0055] 步骤四、将烘干后的压坯件放入真空烧结炉中进行真空烧结，其中，真空度不低于 1.0 X 10-3Pa，真空烧结炉先升温至250 °C，升温速率为90 °C/h，烧结2h，然后升温至900 °C， 升温速率为1000°C/h，保温lh，再升温至1200°C，升温速率为1200°C/h，保温3h，然后再降温 至500°C，保温lh，最后随炉冷却至室温，得到半成品；
[0056] 步骤五、将得到的半成品置于热处理炉中并加热至1100°C，保温lh，然后油淬至 600-800 °C (油淬后的温度不易掌控，但应在600-800 °C内），保温0.5h，再油淬至室温，得到 淬火件；
[0057]步骤六、将得到的淬火件再次放入热处理炉中并加热至660°C，保温lh，最后空冷 至室温，得到回火件；
[0058]步骤七、将得到的回火件进行打磨和精整，在去离子水中进行超声清洗，干燥； [0059]步骤八、步骤七完成后，将清洗后的回火件放入真空浸油机内进行浸润滑油处理， 处理时间为8h，得到成品。
[0060]将上述各实施例得到的成品分别取试样试验，通过WDW-200型微机控制电子万能 试验机、断裂韧性试验机和洛式硬度计测定试样的抗拉强度和径向压溃强度、韧性和硬度， 然后利用阿基米德原理测其致密度，得到下表：
[0062] 按照超速耐久试验规范，将各实施例得到的成品在试验台架上全速全负荷试验， 试验转速为6000r/min，功率为65KW，最大扭矩150N · m，磨合23h，外特性试验2h，强化试验 300h，总运行325h，检测结果为，磨损在允许公差范围内，气门座未出现明显的下沉现象，耐 磨性合格。
[0063] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种高韧性铁基粉末冶金气门座，其特征在于，由以下质量百分比的原料制成:石墨 为 1.7-2.6%，铬粉为 1.4-1.5%，钴粉为 4.5-4.8%，铝粉为 1.6-1.8%，硅粉为 1.56-1.77%，锆粉 为0.4-0.7%，铌粉为1.3-1.41%，铪粉为0.13-0.21%，助剂为4.0-5.0%，余量为铁粉。2. 如权利要求1所述的高韧性铁基粉末冶金气门座，其特征在于，所述助剂由下列质量 百分比的原料制成:60-70%的润滑剂、15-20%的纳米级二氧化钛和15-20%的氧化锌。3. 如权利要求2所述的高韧性铁基粉末冶金气门座，其特征在于，所述润滑剂为镍包二 硫化钼。4. 如权利要求1所述的高韧性铁基粉末冶金气门座，其特征在于，所述石墨为鳞片状石 墨，粒径为55-75μπι。5. 如权利要求1所述的高韧性铁基粉末冶金气门座，其特征在于，所述铁粉为100_130μ m粒径的雾化铁粉，铬粉、钴粉、铝粉、铋粉、硅粉、锆粉、铌粉和铪粉的粒径均为75-100μπι。6. 如权利要求1所述的高韧性铁基粉末冶金气门座，其特征在于，由以下质量百分比的 原料制成:石墨为2.2%，铬粉为1.4%，钴粉为4.5%，铝粉为1.8%，硅粉为1.77%，锆粉为0.6%， 铌粉为1.36%，铪粉为0.18%，助剂为4.8%，余量为铁粉;所述助剂由下列质量百分比的原料 制成:65%的润滑剂、18%的纳米级二氧化钛和17%的氧化锌，所述润滑剂为镍包二硫化钼，所 述石墨为鳞片状石墨，粒径为55-75μπι，所述铁粉为100-130μπι粒径的雾化铁粉，铬粉、钴粉、 铝粉、铋粉、硅粉、锆粉、铌粉和铪粉的粒径均为75-100μπι。
【文档编号】C22C38/02GK106077609SQ201610423782
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月15日 公开号201610423782.9, CN 106077609 A, CN 106077609A, CN 201610423782, CN-A-106077609, CN106077609 A, CN106077609A, CN201610423782, CN201610423782.9
【发明人】张荣斌
【申请人】张荣斌