粉末冶金氣門座的合金設(shè)計(jì)及組織性能

邢晶

摘 要：粉末冶金氣門座具有高強(qiáng)度、耐磨損的特點(diǎn)，與日本進(jìn)口的粉末冶金氣門座的制作材料進(jìn)行對(duì)比，分析得出，如果用高速球磨機(jī)球研磨超過(guò)24 h，得到的燒結(jié)組織就很均勻。并且在淬火處理后生成馬氏體組織。提高材料的硬度。并通過(guò)加入鈷、鉻、鎳、鉬、硅等合金元素增強(qiáng)材料的耐高溫性、促進(jìn)組織的細(xì)化。用Fe-Al合金來(lái)增加強(qiáng)度的材料，鋁含量是與材料的耐磨性成正比的，但是鋁元素的含量不得超過(guò)1.5%，否則會(huì)造成反效果。

關(guān)鍵詞：鐵基粉末冶金；鐵鋁合金化合物；熱處理工藝；顯微組織；力學(xué)性能；耐磨性

中圖分類號(hào)：TF125.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）24-0009-02

氣門座作為發(fā)動(dòng)機(jī)中一個(gè)主要零件之一，主要是通過(guò)與氣門的相互協(xié)調(diào)作用，在配氣的機(jī)構(gòu)里共同來(lái)起到一個(gè)密封氣缸的作用的。粉末冶金技術(shù)由于它的相對(duì)簡(jiǎn)單性，使得它能夠適用于許多不同情況下的生產(chǎn)要求。本次試驗(yàn)就是通過(guò)參考日本五十鈴公司的氣門閥來(lái)進(jìn)行相關(guān)研究并進(jìn)行開發(fā)的。試驗(yàn)以獲得與之相似的高性能和低成本的粉末冶金的氣門座的材料為目的。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)的基體元素是粉末狀的霧化鐵，并在這一基本元素中通過(guò)適量的添加C、Cr、Co、Si、Ni以及Mo等合金粉來(lái)進(jìn)行強(qiáng)化作用，并使用微粉蠟來(lái)充當(dāng)潤(rùn)滑劑。在本次試驗(yàn)中，通過(guò)進(jìn)行一系列的相關(guān)的性能檢測(cè)和分析得出的最終用于試驗(yàn)的相關(guān)化學(xué)材料的成分，見表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在配置試驗(yàn)用材料的過(guò)程中，將高碳鉻鐵粉（主要成分包括wt%：Si 2.3、Cr 65、C 7.2、S 0.02、P 0.03）作為基準(zhǔn)，如有不足再使用其他粉末予以補(bǔ)足。再通過(guò)粉末的稱量、研磨、球磨、以及壓制來(lái)制作并準(zhǔn)備試樣。首先將制備好的試樣放置在試驗(yàn)用的ZT-18-22型的真空碳管爐中，在處于溫度為200以上800 ℃以下的溫度中燒結(jié)30 min，隨著溫度升到800以上1 200 ℃以下時(shí)燒結(jié)20 min，當(dāng)溫度上升為1 200 ℃時(shí)停止燒結(jié)并保溫一個(gè)小時(shí)再隨之冷卻，在最后進(jìn)行油淬以及回火這一程序之前，再將試樣經(jīng)1 100 ℃保溫30 min：其中回火這一工藝主要分為兩種，將試樣放置在350 ℃下保溫超過(guò)2 h后再將其放置在600 ℃溫度中保溫1 h，最后再將試樣進(jìn)行空冷，這叫低溫回火；而高溫回火工藝是將試樣在650 ℃下保溫1 h，然后進(jìn)行空冷。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 燒結(jié)對(duì)試樣的組織結(jié)構(gòu)的影響

試樣燒結(jié)后可以清晰的看到組織中存在著一些孔隙，但總體組織還是擁有很致密的結(jié)構(gòu)的。經(jīng)過(guò)燒結(jié)之后的材料形成了奧氏體化，它的內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)主要包括奧氏體、晶內(nèi)的以及晶界上分布的碳化物和合金化合物，而正是這些組織中分布的碳化物才能有效的對(duì)材料的耐磨性發(fā)揮良好的促進(jìn)和強(qiáng)化作用。

2.2 壓制的密度對(duì)燒結(jié)過(guò)程所產(chǎn)生的影響

當(dāng)試樣的密度為6.9 g/cm3時(shí)經(jīng)過(guò)燒結(jié)后所產(chǎn)生的孔隙相對(duì)較少，組織結(jié)構(gòu)也較為致密，燒結(jié)頸也隨之長(zhǎng)大，并通過(guò)粉末顆粒間的相互結(jié)晶作用以使其達(dá)到一個(gè)完全融合的狀態(tài)，這就表明在燒結(jié)的過(guò)程里，試樣的燒結(jié)頸已經(jīng)處于一個(gè)基本完成的狀態(tài)。而當(dāng)試樣的密度處于6.6 g/cm3的時(shí)候，當(dāng)試樣經(jīng)過(guò)燒結(jié)，就會(huì)產(chǎn)生很多的孔隙，雖然，燒結(jié)也可以使其達(dá)到一個(gè)合金化的過(guò)程，但是，由于壓制時(shí)的密度不夠，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生大量孔隙，從而使其不能在燒結(jié)的過(guò)程中達(dá)到一個(gè)完好結(jié)合的狀態(tài)。那為什么當(dāng)密度降低的時(shí)候會(huì)對(duì)燒結(jié)的進(jìn)行產(chǎn)生不利呢？主要原因是，密度的增大會(huì)使得磁力線也增加，而在這一增加的過(guò)程中所產(chǎn)生的大量熱量會(huì)對(duì)燒結(jié)產(chǎn)生促進(jìn)作用。

2.3 回火針對(duì)試驗(yàn)樣本的組織結(jié)構(gòu)以及相關(guān)性能所產(chǎn)生

的影響

2.3.1 中溫回火組織特征

將鐵基粉末的冶金材料在350℃的溫度中進(jìn)行保溫2 h，然后在將其放置在550 ℃的溫度中保溫1 h，最后進(jìn)行回火工序所得到的組織，我們稱之為回火索氏體。它們分別是試樣4和試樣5的回火組織，如圖1所示。

通過(guò)對(duì)圖的觀察，我們可以從中得出，經(jīng)過(guò)350 ℃保溫2 h后，再經(jīng)過(guò)550℃保溫回火后的組織體中的細(xì)粒狀的滲碳體的分布，這種組織就是具有高彈性和高屈服性以及柔韌性的回火托氏體。我們可以看到，將試樣進(jìn)行回火之后硬度大部分是處在HRC35～45這一范圍的，見表2。而這一硬度范圍正是與回火托氏體完全一致的。

2.3.2 高溫回火后的相關(guān)組織特性

鐵基粉末冶金材料經(jīng)650 ℃保溫1 h回火后組織均為回火索氏體。試樣經(jīng)過(guò)回火后所形成的金相組織，如圖2所示。從上圖中我們可以得知在材料經(jīng)過(guò)650 ℃溫度保溫1 h后會(huì)產(chǎn)生一些分布在機(jī)體組織上的碳化物的細(xì)小顆粒，而正是因?yàn)榛鼗鹚魇象w的相關(guān)組織形態(tài)和馬氏體的組織形態(tài)具有一定的相似性，所以我們可以得出，粉末冶金材料相對(duì)來(lái)說(shuō)具有良好的回火的穩(wěn)定性這一結(jié)論。經(jīng)過(guò)高溫回火后試樣的洛氏硬度值（HRC）也明顯呈現(xiàn)出一個(gè)降低的狀態(tài)，如表3?；鼗鹗且韵龤堄嗟膴W氏體，清除殘余的應(yīng)力為目的的，將殘余的奧氏體進(jìn)行轉(zhuǎn)化，勢(shì)必會(huì)降低組織體的硬度，但，相反的，組織的穩(wěn)定性卻可以有所增強(qiáng)，從而完善了粉末冶金材料的綜合性能。

2.4 碳的含量對(duì)試驗(yàn)樣本的回火性能所產(chǎn)生的影響

讓材料在經(jīng)過(guò)350 ℃的2 h的保溫后在進(jìn)行600 ℃的1 h的保溫的目的主要是想避開珠光體的400～550 ℃轉(zhuǎn)變溫度，從而讓組織在受熱均勻后直接升至600 ℃，使之成為回火馬氏體。回火這一工序主要是起到一個(gè)提高組織穩(wěn)定性，消除殘余的奧氏體和殘余的內(nèi)應(yīng)力這一作用，它能增強(qiáng)維持工件在使用過(guò)程中的物理形狀及性能，增強(qiáng)使用過(guò)程中的穩(wěn)定性，從上圖可知，因?yàn)榻M織在進(jìn)行回火后孔隙增加，進(jìn)一步完善了組織，不僅保有了硬度，還提升了韌度，測(cè)試得知，材料組織的孔隙處于7.5%～10%這個(gè)范圍，而試樣的硬度則顯示為HRC35范圍左右，而硬度值和材料孔隙率呈現(xiàn)一種反比的關(guān)系，見表4。通過(guò)查閱相關(guān)資料我們可以從中得知，在影響試樣的硬度的相關(guān)因素中，孔隙的形狀對(duì)其影響不大，主要影響因素還是材料的孔隙程度。通過(guò)上表我們可以看出，當(dāng)將試樣經(jīng)過(guò)回火進(jìn)行處理之后，洛氏硬度會(huì)降低，而這一現(xiàn)象的主要原因在前文已經(jīng)進(jìn)行了闡述，因?yàn)橄藲堄嗟膽?yīng)力，重組組織顆粒，降低材料的硬度。

3 結(jié) 語(yǔ)

①在本次試驗(yàn)的條件下，通過(guò)增加鉬、鉻等相關(guān)合金的元素借此來(lái)增加材料自身的高溫硬度，并通過(guò)燒結(jié)使之形成晶內(nèi)和晶界上分布的少量碳化物以及合金化合物從而使材料的耐磨性得以提高。

②在本次實(shí)驗(yàn)中最優(yōu)的合金成分的組合是：5.27Co-2.19Cr-1.69Si-4.0Mo-0.53Ni-0.2C-余Fe。

而在工藝的參數(shù)中最佳為：1 200 ℃溫度中1 h的燒結(jié)，在1 100 ℃的溫度中的油淬火，以及在600 ℃中的回火；回火后檢測(cè)組織的硬度值（HRC）分別是36.3和38。

③如果淬火溫度較低，那么碳化物由于相對(duì)穩(wěn)定性就會(huì)難以溶解，此時(shí)，對(duì)組織的硬度所產(chǎn)生的影響并不大，而當(dāng)溫度的增加，化物的溶解也隨之加快，因此，提高淬火溫度可以一定程度地提高燒結(jié)體的硬度。

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