一种耐磨损高硬度粉末冶金气门座的制备方法与流程

本发明涉及一种耐磨损高硬度粉末冶金气门座的制备方法，属于冶金技术领域。

背景技术：

气门座是汽车发动机配气机构中的重要部件，它与气门组成一对重要密封磨擦付，发动机工作时，气门座受到气门冲击，高温（530～870℃）燃烧气体的冲刷、腐蚀、以及燃烧产物、空气中灰尘的磨损，另外还受到热冷应力交替作用，它极易产生变形、烧损，甚至断裂，因此不但要求气门座材料耐磨、耐腐蚀、抗高温，还要求一定径向压溃强度。

发动机气门和气门座处于严酷的热力、化学和机械力状况下工作，其承受着高应力（发动机最高燃烧压力可达20mpa）、高工作温度（气门头低平面中心达870℃）和腐蚀环境（高温燃气侵蚀、硫化、v2q5）腐蚀和氧化作用。

根据上述气门座的工作环境，为保证其工作可靠性和使用寿命，在不同的工作环境和燃用不同燃料的情况下，必须尽快开发研究新材料和新工艺。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题，提供一种耐磨损高硬度粉末冶金气门座的制备方法，本发明大大提高了基材的表面显微硬度，膜的致密度高，强度和耐磨性能好，且可延长使用寿命。

本发明的目的是这样实现的，一种耐磨损高硬度粉末冶金气门座的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①选择经过高压水雾化低合金粉末为基础粉末，在自动粉末成型机上进行压制成型，得到气门座生坯；

②将压制成型的气门座生坯置入推杆式烧结炉，在氨分解气氛中进行烧结，烧结温度1100-1500℃，烧结时间50-60分钟，得到气门座预烧结坯；采用铜溶浸工艺，使气门座预烧结坯密度≥7.6g/㎝³，气门座预烧结坯硬度hrc≥35；所述气门座预烧结坯包括以下组分：c：0.7-1.2wt%，cr：0.3-1.2wt%，mo：0.5-1.6wt%，ni：0.4-1.5wt%，co：0.2-0.5wt%，cu：10-16wt%，纳米fe：0.1-0.3wt%，余量为fe；

③将制得的气门座预烧结坯置入多弧离子镀aip设备进行涂层处理，将多弧离子镀aip设备的炉内温度控制在100-300℃，采用多弧离子镀多层纳米膜制备工艺，在气门座预烧结坯工作表面生成纳米膜涂层，得到耐磨损高硬度粉末冶金气门座。

所述耐磨损高硬度粉末冶金气门座的纳米膜表面显微硬度，即hv（0.050）为1500-3000，纳米膜总厚6-25um，纳米膜共计11-21层，纳米膜基结合力为≥40n。

步骤③中，气门座预烧结坯置在多弧离子镀aip设备的炉内，炉内温度控制在100-300℃，阴极材料采用钛、铬，反应气体为氮气和碳氢化合物气体，真空室接地作阳极，真空室内采用真空弧光放电，在阴极材料表面产生多弧光辉点，使阴极材料蒸发，形成原子和离子；在电场作用下，原子和离子高速轰击气门座预烧结坯工作表面，与此同时，高真空室通入反应气体，即可在气门座预烧结坯工作表面生成多元多层纳米膜涂层。

步骤③中，纳米膜涂层为单层膜氮化铬、氮化钛相间层叠而成的多元多层纳米膜涂层，具有12个靶位。

本发明方法先进科学，通过本发明，提供的一种耐磨损高硬度粉末冶金气门座的制备方法，应用多弧离子镀（aip）设备，将炉内温度限于小于300℃的工作条件下，采用《多弧离子镀多层纳米膜制备技术》，在气门座表面生成由氮化铬和氮化钛相间层叠而成的多元多层纳米膜（11-21层）形成的耐磨层。

本发明所应用的多弧离子镀（aip）设备，为中科院力学所研制。该设备可制备单层膜（tin、crn），具有12个靶位，并采用计算机控制系统（plc+i控机），转速可平衡调节的工件转动系统，以及过滤阴极电弧工作方式，以保证涂层细密、均匀，将“多弧离子镀多层纳米膜制备技术”应用到气门座上，系物理气相沉积技术：集电子物理、材料、真空控制技术于一体的高新技术。一种耐磨损高硬度粉末冶金气门座制备时，包括以下步骤：

①首先选择经过高压水雾化低合金粉末为基础粉末，再添加合金粉，经过混料机40-50分钟混合均匀，在自动粉末成型机上进行压制成型；

②将压制成型的气门座生坯置入推杆式烧结炉，在氨分解气氛中进行烧结，烧结温度1100-1500℃，烧结时间50-60分钟；采用铜溶浸工艺；所述烧结坯包括以下组分（wt%）：c：0.7-1.2，cr：0.3-1.2，mo：0.5-1.6，ni：0.4-1.5，co：0.2-0.5，cu：10-16，纳米fe：0.1-0.3，余量为fe；③将制得的气门座预烧结坯置入多弧离子镀aip设备进行涂层处理，将炉内温度控制在100-300℃，阴极材料采用钛、铬金属，反应气体为氮气，真空室接地作阳极，真空室内采用真空弧光放电，在阴极材料表面产生多弧光辉点，使阴极材料蒸发，形成原子和离子；在电场作用下，原子和离子高速轰击气门座工作表面，与此同时，高真空室通入反应气体，即可在气门座工作表面生成多元多层纳米膜涂层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）涂层tin和crn膜层交替生成（至少11层，对气门座同一基材，膜的显微硬度随着镀膜层数增多而增大，也可以为双数层），膜层总厚度可达6-25um,大大提高了基材的表面显微硬度，其磨损量在各种温度下，均可远远低于传统的粉末冶金（p/m）材料的磨损量。

（2）涂层结构采用多元多层纳米级薄膜层—层间及膜—基间有很高的结合力。纳米膜基结合力≥40n。

（3）设计多层纳米级薄膜最外层为氮化铬膜层。经研究和实验表明，其摩擦系数在低温时略高于传统的粉末冶金（p/m）材料的摩擦系数，而在高温下低于传统的粉末冶金（p/m）材料的摩擦系数，对于粉末冶金气门座所处工况条件，具有十分重要意义。

（4）tin和crn涂层有着十分看好耐磨性和耐熔磨损性能。tin涂层的耐磨损是传统的粉末冶金（p/m）材料的6-7倍，耐熔性为传统的粉末冶金（p/m）材料的2-3倍。而本专利采用tin和crn相间层叠而成的多元多层纳米膜（11-21层）形成的耐磨层。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图中：1气门座预烧结坯基体、2预处理层、3多元多层纳米膜耐磨层。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

一种耐磨损高硬度粉末冶金气门座的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①选择经过高压水雾化低合金粉末为基础粉末，在自动粉末成型机上进行压制成型，得到气门座生坯；

②将压制成型的气门座生坯置入推杆式烧结炉，在氨分解气氛中进行烧结，烧结温度1100-1500℃，烧结时间50-60分钟，得到气门座预烧结坯；采用铜溶浸工艺，使气门座预烧结坯密度≥7.6g/㎝³，气门座预烧结坯硬度hrc≥35；所述气门座预烧结坯包括以下组分：c：0.7-1.2wt%，cr：0.3-1.2wt%，mo：0.5-1.6wt%，ni：0.4-1.5wt%，co：0.2-0.5wt%，cu：10-16wt%，纳米fe：0.1-0.3wt%，余量为fe；

③将制得的气门座预烧结坯置入多弧离子镀aip设备进行涂层处理，将多弧离子镀aip设备的炉内温度控制在100-300℃，采用多弧离子镀多层纳米膜制备工艺，在气门座预烧结坯工作表面生成氮化铬、氮化钛相间层叠而成的多元多层纳米膜涂层，得到耐磨损高硬度粉末冶金气门座。

进一步的，步骤①中，选择经过高压水雾化低合金粉末为基础粉末，再添加合金粉，经过混料机40-50分钟混合均匀，在自动粉末成型机上进行压制成型，得到气门座生坯。步骤③中，所述耐磨损高硬度粉末冶金气门座的纳米膜表面显微硬度，即hv（0.050）为1500-3000，纳米膜总厚6-25um，纳米膜共计11-21层，纳米膜基结合力为≥40n。步骤③中，气门座预烧结坯置在多弧离子镀aip设备的炉内，炉内温度控制在100-300℃，阴极材料采用钛、铬，反应气体为氮气和碳氢化合物气体，真空室接地作阳极，真空室内采用真空弧光放电，在阴极材料表面产生多弧光辉点，使阴极材料蒸发，形成原子和离子；在电场作用下，原子和离子高速轰击气门座预烧结坯工作表面，与此同时，高真空室通入反应气体，即可在气门座预烧结坯工作表面生成氮化铬、氮化钛相间层叠而成的多元多层纳米膜涂层。步骤③中，纳米膜涂层为单层膜tin或crn，具有12个靶位。

结合附图1所述，本发明在粉末冶金气门座预烧结坯基体1表面采用气体氮化形成预处理层2，再在多弧离子镀设备中涂覆由tin和crn相互层叠而形成，分层模厚为200-500nm，硬度为1500-3000hv，总厚度为6-25μm，纳米膜基结合力≥40n，比现有传统的粉末冶金（p/m）材料的耐磨性提高6-7倍。多元多层纳米膜耐磨层3的第一层或最外层涂覆氮化铬层。

本发明提供的耐磨损高硬度粉末冶金气门座能够满足高速柴油机的工况要求。产品薄膜多层化及添加其它合金元素，其特点为，具有优良的结合强度、表面硬度、耐磨性和抗高温抗氧化性能。产品的主要用途：轻型车用高速柴油机发动机配套需要，与传统的粉末冶金（p/m）材料相比，具有节能、环保等特点，通过本发明还有最大的特点，采用低合金粉末，价格仅为高合金材料的1/2，采用本发明工艺生产的产品，不仅提高了产品耐磨性能，深受主机厂欢迎，而且大幅度降低生产成本，提高了市场竞争力。