一种温压-模壁润滑含稀土粉末冶金气门座及其制造方法

专利名称：：一种温压-模壁润滑含稀土粉末冶金气门座及其制造方法
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l(公开号CN1273892A)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Cl.0-2.0,Mo2.5-3.5,Nil.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。C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/cii^以上，硬度达到肌C30以上，既耐磨耐热又耐沖击，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CN1105304A)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，%):CO.7-1.6;Ni0.8-2.7;Cr2.0-4.5;歡5-1.0;Co4.0-9.0;Mo1,0-5.0;硫碌O.1-0.6;硬脂酸锌O.1-0.9;机油O.2-0.4;其余为Fe,粉末B的组成为(重量，%):C0.3-1.2;Crl3-22;Nil0-14;Mol.3-2.7;W0.5-1.0;硫磺O.1-0.6;石更脂酸锌O.1-0.9;机油O.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1000-136(TC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—检验一入库。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CN1603580A)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4i^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CO.9-1.4,Cr0.3-1.0,Cul.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,Nil.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CN1120291C)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Cu0.5-2,Ni1-3,Mo0.5-1,C0.5-1，NbC5-12，P0.3-0.6,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,Mol-2,CO.5-1.5，NbClO-20,P0.3—0.6%,其余为Fe和不可避免的^t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;f莫型腔内，然后在气门导筒顶部或顶部表层布粉末材料B，在130。C-15(TC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。C-400°C;H段70(TC-800°C;ffl段125(TC-130(TC;IV段650。C-800°C。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,cjb=800-900MPa,5=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-IOO倍。文献l(新材料产业，2007,(1):59-67)论述了高密度粉末冶金零件最可能釆用的制造工艺一一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%-0.25%(质量分数)，同时脱模压力不高于添加O.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-lMo-1C材料在不同的温度和不同时间下烧结行为，模壁润滑釆用聚四氟乙烯乳化液润滑，温压温度为120-125。C，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-lMo-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/cm'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。发明专利申请1是采用普通粉末冶金方法制造发动机气门座，发明专利申请2和3是关于双金属粉末冶金气门座材质及传统粉末冶金制备工艺流程的，非模壁润滑-温压工艺。而且，都不同程度地存在成本4交高、致密性不理想、抗腐蚀性能差等问题。授权发明专利4则是关于材质、要求与气门座不同的粉末冶金复合材料的气门导筒的。文献1概述了用温压与模壁润滑技术制造高密度粉末冶金零件的工艺及参数；文献2研究的是模壁润滑温压对特定Fe-2Ni-2Cu-lMo-lC材料的烧结行为，都不是针对特定材质、工作条件、性能和制备工艺要求的发动机气门座的。而且，上述粉末冶金气门座与其它零件的化学组成里均不含稀土元素，无稀土改性的内容。
发明内容本发明提供了一种温压-模壁润滑含稀土粉末冶金气门座及其制造方法，所述的含稀土铁基粉末冶金发动机气门座具有耐磨损、抗氧化、耐高温的等特征，且制造方法简单、操作方便。本发明的技术方案为一种温压-模壁润滑含稀土粉末冶金气门座，其特征在于所述的气门座的化学組成按质量百分比包括有镍0-0.5、碳0.5-2.0、铬3-5、钼4-6、钨5-7、钡1-3、稀土0.1-0.2、润滑剂0.15-0.25、粘结剂0.15-0.25,其余为还原Fe粉。所述的含稀土铁基粉末冶金发动机气门座，其特征在于所述的稀土选用稀土金属Ce、La、Y或其中两种或两种以上的混合物，或者稀土氧化物Ce203、La203、丫203或其中两种或两种以上的混合物；所述的润滑剂选用润滑油；所述的粘结剂选用聚乙烯基吡咯烷酮。所述的含稀土铁基粉末冶金发动机气门座，其特征在于所述的还原Fe粉的化学组成按质量百分比包括有铁大于99%、碳小于0.02%、氧小于0.20%、酸不溶物小于0.20%，松装比为3.0-3.2g/cm3。所述的温压-模壁润滑含稀土粉末冶金气门座的制造方法，其特征在于包括以下步骤(1)、根据气门座圏的化学组分的要求，将铁基合金粉末过100目的筛进行筛分，然后将筛分后粒度小于100目的铁基合金粉末、润滑剂和粘结剂进行混合，混合时间为30-80分钟；(2)、用静电模壁润滑装置在气门座阴模型腔内进行模壁润滑；(3)、将混合均匀的原料组分充填于气门座阴模型腔内进行温压成型，得气门座生坯，温压成型的温度为130-15(TC,压力为500-900MPa;(4)、将成型后的气门座生坯和铜片放入推杆炉中，在氢气的保护气氛下烧结气门座生坯使用铜片熔渗，然后保温l-2小时，烧结熔渗温度为1100-1220'C，时间为l-2h;(5)、将烧结熔渗完成后的气门座置于箱式炉中，加热到865-875°C,保温20-40分钟，然后油淬至室温，再加热到245-255°C,保温50-70分钟，静止冷却，得成品。所述的温压-模壁润滑含稀土粉末冶金气门座的制造方法，其特征在于所述的静电模壁润滑装置的静电电压控制在10KV以下；推杆炉中，烧结熔渗时，所述的铜片放置于气门座生坯的工作面上，且铜片的截面尺寸与气门座生坯的工作面尺寸相等。润滑油采用日本;^村润滑油MRIOO。与不含稀土的传统粉末冶金工艺得到的气门座、铸造合金气门座等相比，本发明的有益效果体现在1、稀土有细化晶粒、促进烧结、固溶强化、改变碳化物形态、提高耐磨性等作用；还可以与氧、硫形成稀土化合物，降低夹杂物对粉末冶金气门座力学性能特别是冲击韧性的不利影响；2、本发明采用了温压-模壁润滑工艺，烧结体密度达到7.4-7.5g/cm3，获得了具有高性能的发动机气门座，保证了气门座具有高的强度、硬度和耐磨性；3、制造方法简单，节省大量的机械加工工时，节约材料，降低生产成本约30%以上；4、通过热处理，提高了气门座的强度、硬度和耐磨性等性能；5、本发明所述的气门座，抗拉强度739MPa,冲击韧性10.4J/cm2,热处理后其工作面硬度为40-50HRC,每片硬度差小于3HRC,经1000小时耐磨台架考核试验，磨损接近于零，耐磨性比传统粉末冶金气门座提高2-5倍；6、热处理后硬度可达到HRC41-48,耐磨台架实验转速n-2000r/min,温度为70(TC电加热，1000小时后气门下沉量小于0.35mm，因此，与无稀土粉末冶金气门座及其它粉末冶金工艺相比，本发明所述的气门座具有优异的高致密性、高耐磨性和高温力学性能。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>具体实施例方式实施例1:一种温压-模壁润滑含稀土粉末冶金气门座的化学组成按重量百分比包括有镍O-O.5、碳0.5-2.0%、铬3-5、钼4-6、鴒5-7%、钡1-3%、混合稀土(Ce+La)0.1%、润滑剂0.15-0.25%、粘结剂0.15-0.25%,其余为还原Fe粉。温压-模壁润滑含稀土粉末冶金气门座的制造方法(1)、按气门座圈的化学组分要求，将铁基合金粉末过GB6003规定的100目的筛进行筛分，然后将筛分后粒度小于100目的铁基合金粉末、润滑剂和粘结剂在二维混料机上进行混合，混合时间为40分钟；(2)、用静电模壁润滑装置在气门座阴模型腔内进行模壁润滑；(3)、将混合后的原料充填于气门座阴模型腔内进行温压成型，得气门座坯料，静电模壁润滑装置的静电电压控制在10KV以下，温压成型的温度为130。C,压力为600MPa;(4)、将成型后的气门座坯料和铜片放入6温区推杆炉中，在氢气的保护气氛下烧结气门座生坯使用铜片熔渗，然后保温1.5小时，烧结熔渗温度为1100-1220。C,时间为lh;(5)、将烧结熔渗完成后的气门座坯料置于箱式炉中，加热到870。C,保温30分钟，然后油淬至室温，再加热到25(TC，保温60分钟，静止冷却，得成品。热处理后硬度可达到服C42-45,耐磨台架实验转速n=2000r/min，温度为700。C电加热，1000小时后气门下沉量为0.3mm。实施例2:一种温压-模壁润滑含稀土粉末冶金气门座的化学组成按重量百分比包括有镍O-O.5、碳0.5-2.0%、铬3-5、钼4-6、鴒5-7%、钡1-3%、稀土金属YO.15%、润滑剂0.15-0.25%、粘结剂0.15-0.25%,其余为还原Fe粉。制造方法同实施例1。热处理后硬度可达到HRC42-48,耐磨台架实验转速n=2000r/min,温度为700。C电加热，1000小时后气门下沉量为0.32鹏。实施例3:一种温压-模壁润滑含稀土粉末冶金气门座的化学组成按重量百分比包括有镍O-O.5、碳0.5-2.0%、铬3-5、钼4-6、鴒5-7%、钡1-3%、稀土氧化物La2030.2°/"润滑剂0.15-0.25%、粘结剂0.15-0.25°/。，其余为还原Fe粉。制造方法同实施例1。热处理后硬度可达到HRC41-48，耐磨台架实验转速n=2000r/min，温度为70(TC电加热,1000小时后气门下沉量为0.35mm。权利要求1、一种温压-模壁润滑含稀土粉末冶金气门座，其特征在于所述的气门座的化学组成按质量百分比包括有镍0-0.5、碳0.5-2.0、铬3-5、钼4-6、钨5-7、钡1-3、稀土0.1-0.2、润滑剂0.15-0.25、粘结剂0.15-0.25，其余为还原Fe粉。2、根据权利要求1所述的温压-模壁润滑含稀土粉末冶金气门座，其特征在于所述的稀土选用稀土金属Ce、La、Y或其中两种或两种以上的混合物，或者稀土氧化物CeA、La203、丫203或其中两种或两种以上的混合物；所述的润滑剂选用润滑油；所述的粘结剂选用聚乙烯基吡咯烷酮。3、根据权利要求1所述的温压-模壁润滑含稀土粉末冶金气门座，其特征在于所述的还原Fe粉的化学组成按质量百分比包括有铁大于99%、碳小于0.02%、氧小于0.20%、酸不溶物小于0.20%,松装比为3.0-3.2g/cm3。4、根据权利要求1所述的温压-模壁润滑含稀土粉末冶金气门座的制造方法，其特征在于包括以下步骤(1)、根据气门座圏的化学组分的要求，将铁基合金粉末过100目的筛进行筛分，然后将筛分后粒度小于100目的铁基合金粉末、润滑剂和粘结剂进行混合，混合时间为30-80分钟；(2)、用静电模壁润滑装置在气门座阴模型腔内进行模壁润滑；(3)、将混合均匀的原料组分充填于气门座阴模型腔内进行温压成型，得气门座生坯，温压成型的温度为130-150°C，压力为500-900MPa;(4)、将成型后的气门座生坯和铜片放入推杆炉中，在氢气的保护气氛下烧结气门座生坯使用铜片熔渗，然后保温1-2小时，烧结熔渗温度为1100-1220°C,时间为l-2h;(5)、将烧结熔渗完成后的气门座置于箱式炉中，加热到865-875°C,保温20-40分钟，然后油淬至室温，再加热到245-255°C,保温50-70分钟，静止冷却，得成品。5、根据权利要求1所述的温压-模壁润滑含稀土粉末冶金气门座的制造方法，其特征在于所述的静电模壁润滑装置的静电电压控制在10KV以下；推杆炉中，烧结熔渗时，所述的铜片放置于气门座生坯的工作面上，且铜片的截面尺寸与气门座生坯的工作面尺寸相等。全文摘要本发明公开了一种温压-模壁润滑含稀土粉末冶金气门座及其制造方法，气门座的化学组成按重量百分比包括有镍0-0.5、碳0.5-2.0％、铬3-5、钼4-6、钨5-7％、钡1-3％、稀土0.1-0.2％、润滑剂0.15-0.25％、粘结剂0.15-0.25％，其余为还原Fe粉。稀土选用稀土Ce、La、Y，或其中两种或两中以上的混合物或稀土氧化物Ce₂O₃、La₂O₃、Y₂O₃。制造方法包括有配料混合、模壁润滑、温压成形、烧结熔渗、热处理等步骤。本发明所述的气门座的压缩性和成形性较好，生坯不出现层裂，烧结体密度达到7.4-7.5g/cm³，制造方法简洁，节省大量的机械加工工时，节约材料，降低生产成本约30％以上，且组织均匀、密度高，热处理后硬度可达到HRC41-48，耐磨台架实验转速n＝2000r/min，温度为700℃电加热，1000小时后气门下沉量小于0.35mm。文档编号F01L3/02GK101634238SQ20091014474公开日2010年1月27日申请日期2009年8月31日优先权日2009年8月31日发明者戴泽玉,春袁申请人:桐城市汽车部件有限公司