本發(fā)明涉及汽車發(fā)動機(jī)配件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高硬度鐵基粉末冶金自潤滑CNG發(fā)動機(jī)氣門座圈及其制作方法。
背景技術(shù)：
壓縮天然氣(CNG)、液化石油氣(LPG)和甲醇等作為內(nèi)燃機(jī)的代用燃料是保護(hù)環(huán)境和合理利用能源的有效途徑。我國天然氣資源豐富，作為發(fā)動機(jī)清潔燃料其市場前景巨大。然而，使用新型能源，汽車零件特別是發(fā)動機(jī)氣門座圈的使用工況會發(fā)生變化，對其材料也提出了新的要求。CNG發(fā)動機(jī)的進(jìn)、排氣門座圈是控制燃?xì)馕肱c廢氣排出的重要工作部件，在高溫下經(jīng)受氣流的沖蝕和氣門的高頻率沖擊磨擦，工作條件十分惡劣。一旦氣門座圈被沖擊磨損，導(dǎo)致氣門氣密性降低，將大幅度降低發(fā)動機(jī)效率，以及有害成分氣體的大量排放。這就要求CNG發(fā)動機(jī)氣門座圈有更高的耐熱性，更高的耐磨性和耐腐蝕性。
常用的氣門座圈材料包括鑄造合金、鍛鋼制品和粉末冶金3大類。其中粉末冶金氣門座圈因具有少、無切削、材料利用率高、設(shè)計(jì)自由度大等優(yōu)點(diǎn)，適合大批量的生產(chǎn)。一般的粉末冶金鐵基材料存在低密度和疏松性的缺點(diǎn)，在使用過程中易發(fā)生磨損失效，目前，最常用的有兩種解決方法： 一是添加合金元素形成硬質(zhì)相，提高材料的強(qiáng)度和硬度，獲得好的耐磨性：二是通過熔滲工藝提高材料的密度和性能。文獻(xiàn)《制備工藝對鐵基粉末冶金氣門座圈致密性和性能的影響》采用燒結(jié)、熔滲、熱處理制備了高性能鐵基粉末冶金氣門座圈。研究不同工藝對氣門座圈的孔隙變化、致密性、顯微組織和力學(xué)性能的影響，確定氣門座圈致密性的最佳工藝條件。結(jié)果表明，采用熔滲或提高燒結(jié)溫度，可使孔隙的形狀趨于球化，大大減少孔隙的數(shù)量和大小，明顯提高氣門座圈的致密性。
由于氣門座圈在工作過程中無油潤滑，耐候性差，使用壽命短，耐磨長效性差，而目前通過添加硬質(zhì)顆粒、自潤滑添加劑等和采用熔滲新工藝相結(jié)合的方式研究很少。文獻(xiàn)中僅僅采用熔滲新工藝，方式較為單一，制得的氣門座圈胚體韌性差、切割性差、耐溫變性低、使用壽命短等。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的就是為了彌補(bǔ)已有技術(shù)的缺陷，提供一種高硬度鐵基粉末冶金自潤滑CNG發(fā)動機(jī)氣門座圈及其制作方法。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
一種高硬度鐵基粉末冶金自潤滑CNG發(fā)動機(jī)氣門座圈，由下列重量份的原料制成：鉻6.2-6.4、鈷4.2-4.4、鎳0.7-0.9、鈦0.5-0.7、鈰0.3-0.5、銅18-19、納米二硫化鉬1.2-1.5、碳化鎢0.7-0.9、二氧化錳1-2、甲基三乙氧基硅烷0.4-0.6、硼鐵合金粉2.1-2.4、磷酸二氫鋁0.2-0.4、聚四氟乙烯粉2-3、鐵64-68。
所述的一種高硬度鐵基粉末冶金自潤滑CNG發(fā)動機(jī)氣門座圈的制作方法，包括以下步驟：
（1）將納米二硫化鉬添加到質(zhì)量濃度為5-15%的磷酸二氫鋁水溶液中，超聲分散均勻，加入甲基三乙氧基硅烷加熱至50-70℃，攪拌12-24小時(shí)噴霧干燥；
（2）將銅粉投入坩堝電阻爐中迅速升溫至完全熔化，加入步驟（1）物料超聲波攪拌混勻，保溫靜置20-25分鐘，將金屬液經(jīng)氣體霧化制粉設(shè)備得粒徑在100μm以下的銅包覆改性納米二硫化鉬；
（3）將硼鐵合金粉、碳化鎢于600-700℃高溫煅燒20-30分鐘，立即放入水中降溫至室溫超聲分散10-15分鐘，噴霧干燥，投入適量無水乙醇中，加入二氧化錳、步驟（2）物料研磨40-50分鐘，烘干至完全除去無水乙醇，得混合粉體；
（4）將鐵粉和鉻、鈷、鎳、鈦、鈰粉投入混粉機(jī)中球磨混合，加入步驟（3）混合粉體、聚四氟乙烯粉加熱至50-60℃，攪拌30-40分鐘真空干燥，加入到模具中壓制成所需形狀，得到生坯；
（5）將上述生坯和同樣形狀的銅片放入推桿爐中，在氫氣的保護(hù)氣氛下于1000-1200℃燒結(jié)熔滲1-2小時(shí)，用水套冷卻方式冷卻至室溫；
（6）將燒結(jié)熔滲完成后的氣門座圈置于箱式爐中，加熱到600-700℃，保溫20-40分鐘，油淬至室溫，再加熱到245-255℃，保溫50-70分鐘，冷卻出料。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：本發(fā)明將改性后的納米二硫化鉬表面覆蓋一層銅膜作為固體潤滑劑添加到基體材料中，密度差小、物理和力學(xué)性能相近，改善了其與基體的浸潤性且界面結(jié)合強(qiáng)度高，密度顯著提高，減少偏析，同時(shí)提高了材料的強(qiáng)度和摩擦性能，并且包覆層可以起到保護(hù)固體潤滑劑免受高溫引起的蒸發(fā)或氧化的作用；同時(shí)本發(fā)明還添加二氧化錳、鈦、鈰等成分，采用燒結(jié)、熔滲、熱處理工藝改變金屬粒子相變，很大程度填充了氣門座圈的孔隙，降低氣門座圈材料的孔隙率，提高了氣門座圈的致密性，從而提升了氣門座圈的韌性、耐磨性、熱硬性和致密性，本發(fā)明產(chǎn)品具有較高的硬度和高溫穩(wěn)定性。
具體實(shí)施方式
一種高硬度鐵基粉末冶金自潤滑CNG發(fā)動機(jī)氣門座圈，由下列重量份的原料制成：鉻6.2、鈷4.2、鎳0.7、鈦0.5、鈰0.3、銅18、納米二硫化鉬1.2、碳化鎢0.7、二氧化錳1、甲基三乙氧基硅烷0.4、硼鐵合金粉2.1、磷酸二氫鋁0.2、聚四氟乙烯粉2、鐵64。
所述的一種高硬度鐵基粉末冶金自潤滑CNG發(fā)動機(jī)氣門座圈的制作方法，包括以下步驟：
（1）將納米二硫化鉬添加到質(zhì)量濃度為5-15%的磷酸二氫鋁水溶液中，超聲分散均勻，加入甲基三乙氧基硅烷加熱至50-70℃，攪拌12-24小時(shí)噴霧干燥；
（2）將銅粉投入坩堝電阻爐中迅速升溫至完全熔化，加入步驟（1）物料超聲波攪拌混勻，保溫靜置20-25分鐘，將金屬液經(jīng)氣體霧化制粉設(shè)備得粒徑在100μm以下的銅包覆改性納米二硫化鉬；
（3）將硼鐵合金粉、碳化鎢于600-700℃高溫煅燒20-30分鐘，立即放入水中降溫至室溫超聲分散10-15分鐘，噴霧干燥，投入適量無水乙醇中，加入二氧化錳、步驟（2）物料研磨40-50分鐘，烘干至完全除去無水乙醇，得混合粉體；
（4）將鐵粉和鉻、鈷、鎳、鈦、鈰粉投入混粉機(jī)中球磨混合，加入步驟（3）混合粉體、聚四氟乙烯粉加熱至50-60℃，攪拌30-40分鐘真空干燥，加入到模具中壓制成所需形狀，得到生坯；
（5）將上述生坯和同樣形狀的銅片放入推桿爐中，在氫氣的保護(hù)氣氛下于1000-1200℃燒結(jié)熔滲1-2小時(shí)，用水套冷卻方式冷卻至室溫；
（6）將燒結(jié)熔滲完成后的氣門座圈置于箱式爐中，加熱到600-700℃，保溫20-40分鐘，油淬至室溫，再加熱到245-255℃，保溫50-70分鐘，冷卻出料。
利用本發(fā)明制得的CNG發(fā)動機(jī)氣門座圈具有如下技術(shù)特征：
（1）密度/(g?cm-3)：7.86；
（2）開孔孔隙度/%：0.06；
（3）硬度/HＲC：52；
（4）最大載荷Fmax/kN：2.375；
（5）摩擦系數(shù)：0.086。