專利名稱：一種內(nèi)燃機(jī)用鐵基粉末冶金氣門閥座及其工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種內(nèi)燃機(jī)用鐵基粉末冶金氣門閥座及其工藝，它是通過采用多元少量的合金化原則，對鐵基氣門閥座的材料組成成分進(jìn)行合理調(diào)整和工藝優(yōu)化，從而使該氣門閥座具有高密度、高強(qiáng)度，以及高蠕變溫度，因而在高溫工作狀態(tài)下具有高硬度和良好的耐磨性能。
眾所周知，二十世紀(jì)九十年代中期以前，我國通用的汽車、摩托車等內(nèi)燃機(jī)使用的氣門閥座，是采用鑄鐵合金材料制造的，當(dāng)時國內(nèi)內(nèi)燃機(jī)使用的是含鉛汽油，由于這種油料中所含的鉛在燃燒后產(chǎn)生鉛化合物，能夠?qū)忾T閥座起到良好的潤滑作用，從而減少了氣門閥對其閥座的磨損，因此能保證氣門閥與閥座之間的密封，使發(fā)動機(jī)能正常工作。
但是近年來，我國為了加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，改善大氣質(zhì)量，尤其是城市的空氣質(zhì)量，國家有關(guān)部門強(qiáng)調(diào)，要嚴(yán)格控制機(jī)動車尾氣的排放，禁止使用含鉛汽油，因為鉛對人體和環(huán)境是有害元素。近年來，國內(nèi)已逐步開始使用無鉛汽油，今后將不再為機(jī)動車輛提供含鉛汽油，這樣便對內(nèi)燃機(jī)的氣門閥座的耐磨性能提出了更高的要求，如果仍使用鑄鐵合金氣門閥座，則閥座容易磨損，使用壽命不長，氣門閥與閥座之間由于嚴(yán)重磨損而產(chǎn)生縫隙，使氣門閥與閥座之間的工作面不能保持良好的吻合，從而使氣缸的進(jìn)氣、排氣不正常，直接降低了內(nèi)燃機(jī)的輸出功率，當(dāng)氣門閥座磨損嚴(yán)重時，將導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)不能正常工作。
目前國內(nèi)汽車、摩托車等內(nèi)燃機(jī)生產(chǎn)廠家，由于無鉛汽油的使用，對氣門閥座耐磨等性能提出了更高要求。二十世紀(jì)九十年代中期前，國內(nèi)對內(nèi)燃機(jī)氣門閥座的耐磨性要求一直沒有引起足夠的重視，其原因主要是因為當(dāng)時國產(chǎn)汽油是含鉛的。到九十年代末期，由于國家對生態(tài)環(huán)境保護(hù)，尤其是對空氣質(zhì)量改善的高度重視，于是便下決心排除環(huán)境污染源，其中空氣的主要污染源便是機(jī)動車輛排放的尾氣，而使用無鉛汽油能大大減少機(jī)動車輛尾氣排放的污染物，因此今后我國將全面禁止內(nèi)燃機(jī)使用含鉛汽油，一律使用無鉛汽油。在使用含鉛汽油條件下的鑄鐵合金氣門閥座，其材料硬度一般為(HRC)32～40(高鉻鑄鐵合金硬度HR36～46)。若將鑄鐵合金氣門閥座在無鉛汽油條件下使用，則耐磨性大幅度降低，甚至根本無法使用。因此，目前國內(nèi)汽車發(fā)動機(jī)等生產(chǎn)廠家所需的氣門閥座，靠進(jìn)口鐵基粉末冶金閥座或成本高、耐磨性低的高鉻鑄鐵合金閥座。因為國內(nèi)尚無在高溫工作條件下具有高硬度、耐磨性良好的粉末冶金氣門閥座提供。
日本1992年5月25月公告的一項專利“內(nèi)燃機(jī)用鐵基粉末冶金閥座的制造方法”(平4-31014)，公布了其閥座的鐵基合金粉末的組成成分及其重量百分配比為C:0.1～0.8％、Cr:1～5％、Ni:0.5～2％、Co:2～8％、Nb:0.2～2％、Si:0.3～1％，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)，還公布了其配合輔料組成成分及重量百分配比為石墨0.4～0.8％、鉬4～15％、硼及磷中的一種或二種0.1～1％，將上述鐵基合金粉末和配合輔料一同壓制成型，然后在真空或還原性氣體中進(jìn)行燒結(jié)，于1150～1250℃中保持30～60分鐘，另外還必須進(jìn)行熱處理，即在600～800℃中保持60～90分鐘，該專利實施例的檢測結(jié)果為密度7.35～7.7g/cm3、硬度HRC42～50，經(jīng)磨耗實驗100小時，實驗條件為閥體加熱到900℃、轉(zhuǎn)速為2500轉(zhuǎn)/分、閥座負(fù)荷30kg、閥座的磨耗深度為30～60μm。這種氣門閥座的硬度雖然較高，但它是靠熱處理工藝來實現(xiàn)的，從理論上講，閥座是在700～750℃的高溫環(huán)境下工作，工作時的實際硬度會降低，故耐磨性能亦會降低；同時加工工藝比較復(fù)雜，制造成本高。
美國1993年6月22日公告的一項專利“內(nèi)燃機(jī)閥座用燒結(jié)鐵基合金”(專利號5221321)公布了閥座的鐵基合金的組成成分及重量百分配比為C:0.4～2％、Cr:0.5～5％、Mo:5～15％、Ni:0.2～2％、Co:0.4～2％、Cu:8～20％、S:0.01～0.5％，其余為Fe；但其選料比較苛刻，Cr來自Fe-Cr合金粉、Mo來自Fe-Mo合金粉、S來自Fe-S合金粉。此專利所述的工藝是將合金粉混合壓實成型后，在氫氣中1000～1200℃下燒結(jié)60～120分鐘，再置氮?dú)庵杏?000°～1200℃下滲氮15～30分鐘，再于850°～900℃保溫20～60分鐘，然后置于油中冷卻；又在550°～700℃下保溫60～120分鐘，再在空氣中冷卻，據(jù)稱此方法加工的閥座，其密度為7.75～7.9g/cm3，硬度為HV351～376(相當(dāng)于HRC35.7～38.4)。該專利雖然通過了滲氮和二次時效處理，但硬度仍不高，同時工藝太復(fù)雜，增加了產(chǎn)品成本。
本發(fā)明的目的是提供一種含碳、鎢、鉬、鈷、鉻、銅、釩、錳的鐵基粉末冶金氣門閥座，使其密度、硬度，尤其是在高溫工作環(huán)境下的硬度、耐磨性能獲得顯著提高；使它既在常溫下具有高硬度，又能在高溫工作環(huán)境下具有高硬度、高導(dǎo)熱性、高耐磨性，提供一種適用于以無鉛汽油為燃料的內(nèi)燃機(jī)配套的高硬度、耐磨性能優(yōu)異的、長壽命和制造成本低廉的鐵基粉末冶金氣門閥座，從而能取代傳統(tǒng)的鑄鐵合金氣門閥座和耐磨性能低、使用壽命短的粉末冶金氣門閥座，確保內(nèi)燃機(jī)在使用無鉛汽油條件下的正常工作，降低用戶使用氣門閥座的費(fèi)用。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的即采用多元少量的合金化原則，合理調(diào)整添加元素及它們的重量百分配比、優(yōu)化工藝。在鐵粉中加入少量或微量的碳、鎢、鉬、鈷、鉻、銅、釩、錳合金元素，形成復(fù)合相金屬材料。在鐵粉中加入碳、鎢、鋁、鉻，在材料中主要形成碳化物硬質(zhì)點，從而提高了材料的高溫耐磨性；加入釩、鈷、錳，主要提高材料的高溫強(qiáng)度；加入銅，主要提高材料的韌性和導(dǎo)熱性以及致密性；從而使材料的高溫強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)熱性、韌性等綜合性能獲得顯著改善，因此大大提高了閥座的耐磨性，同時又大大增強(qiáng)了材料的抗氧化和耐腐蝕性，故閥座的使用壽命也獲得顯著提高。
本發(fā)明的具體做法是在鐵粉中加入下列按重量百分配比的合金粉末碳0.5～1.5％、鎢2～6％、鉬1～6％、鈷1.2～5％、鉻1.5～4％、銅10～21％、釩1～4％、錳0.3～1.5％。上述合金粉的粒度分別為鐵粉100目以下，其余合金粉末200目以下。然后將上述粉末混合，在6ton/cm2壓力下一次壓制成型，在還原性氣氛或真空中1050～1200℃下燒結(jié)60～90分鐘即可。
經(jīng)上述工藝處理后的粉末冶金氣門閥座能保證其綜合性能得到充分改善和提高，實踐證明，按本發(fā)明提供的組成成分、重量百分配比及其工藝要求而制造的鐵基粉末冶金氣門閥座，其主要性能較以往的鑄鐵合金氣門閥座和粉末冶金氣門閥座有顯著的提高，取得了比較理想的效果，主要包括一、主要性能參數(shù)1、其密度由本發(fā)明前的7.75～7.9g/cm3提高到7.51～8.13g/cm3。
2、其硬度由本發(fā)明前的(不通過滲氮和熱處理工藝)HRC25～40提高到HRC40～45。
3、其導(dǎo)熱系數(shù)由本發(fā)明前的9.863～10.737cal/cm.c°.sec提高到10.756～11.032cal/cm.c°.sec。
二、耐磨性能和使用壽命將本發(fā)明提供的氣門閥座和鑄鐵合金材料及國內(nèi)外鐵基粉末冶金材料制造成同一規(guī)格的氣門閥座，裝配于同一CF4G27型汽油發(fā)動機(jī)上(發(fā)動機(jī)功率120馬力、扭矩22kg/m、轉(zhuǎn)速4200～4500轉(zhuǎn)/分)。經(jīng)強(qiáng)化實驗110小時，發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的閥座的耐磨性相當(dāng)于鑄鐵合金材料和國內(nèi)外相關(guān)粉末冶金材料制造的閥座的2～10倍。
三、由于本發(fā)明組成成分、重量百分配比合理、工藝簡單可靠、制造成本低廉、經(jīng)濟(jì)效益好。
本發(fā)明的實施例說明如下實施例1粉末冶金氣門閥座組成成分、重量百分配比為碳0.6％、鎢3.5％、鉬6％、鈷4％、鉻2.5％、銅18％、釩3.5％、錳0.55％，其余為鐵。
實施例2粉末冶金氣門閥座組成成分、重量百分配比為碳0.95％、鎢5.5％、鉬4.5％、鈷5％、鉻4％、銅20％、釩1％、錳1.1％，其余為鐵。
將上述二種不同重量百分配比的合金粉末分別混合后，經(jīng)6ton/cm2壓力下一次壓制成型，在真空中1120℃燒結(jié)60分鐘即可。
經(jīng)上述工藝處理后，按實施例1制造的氣門閥座，其主要性能參數(shù)為密度8.01g/cm3，硬度HRC43，導(dǎo)熱系數(shù)11.015cal/cm.c°.sec；按實施例2制造的氣門閥座，其主要性能參數(shù)為密度8.10g/cm3，硬度HRC45，導(dǎo)熱系數(shù)11.030cal/cm.c°.sec。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機(jī)用鐵基粉末冶金氣門閥座，其中含有碳、鉻、鉬、鈷、銅，其特征在于它還含有鎢、釩、錳。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的氣門閥座，其特征在于所含組成成分的最佳重量百分配比為碳0.5～1.5％、鎢2～6％、鉬1～6％、鈷1.2～5％、鉻1.5～4％、銅10～21％、釩1～4％、錳0.3～1.5％，其余為鐵。
3.據(jù)權(quán)利要求1所述的氣門閥座，其特征在于所含組成成分的重量百分配比為碳0.6％、鎢3.5％、鉬6％、鈷4％、鉻2.5％、銅18％、釩3.5％錳0.55％、，其余為鐵。
4.據(jù)權(quán)利要求1所述的氣門閥座，其特征在于所含組成成分的重量百分配比為碳0.95％、鎢5.5％、鉬4.5％、鈷5％、鉻4％、銅20％、釩1％、錳1.1％，其余為鐵。
5.一種獲得上述鐵基粉末冶金氣門閥座的工藝，其特征在于將合金粉末混合，在6ton/cm2壓力下一次壓制成型，在還原性氣氛或真空中1050-1200℃下燒結(jié)60～90分鐘。
全文摘要
一種內(nèi)燃機(jī)用鐵基粉末冶金氣門閥座,其成分為:碳0.5～1.5%、鎢2～6%、鉬1～6%、鈷1.2～5%、鉻1.5～4%、銅10～21%、釩1～4%、錳0.3～1.5%,其余為鐵。按上述配比混合,壓制成型,燒結(jié)后的性能:硬度HRC40－45,密度7.51－8.13g/cm
文檔編號C22C1/04GK1324957SQ0011345
公開日2001年12月5日 申請日期2000年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月24日
發(fā)明者曾佑鑫, 曾兆暉, 謝明星 申請人:曾佑鑫, 曾兆暉, 謝明星