新型氣門座圈材料

【美】　D.Christopherson　F.Zwein

?

零部件

新型氣門座圈材料

【美】D.ChristophersonF.Zwein

Federal Mogul公司已為氣門座圈開發(fā)了1種以粉末冶金為基礎(chǔ)的新型材料，采用其合金材料使柴油機和汽油機進排氣門座圈具有高承載能力和良好的耐磨性。

氣門座圈粉末冶金耐磨性抗氧化性

1　更高的熱負荷和機械負荷

隨著汽油機的新發(fā)展，氣門座圈需要承受更高的熱負荷和機械負荷，例如在發(fā)動機小型化及與之相關(guān)的高增壓和減少全負荷加濃的情況下，氣門座圈處的廢氣溫度提高，所產(chǎn)生的高燃燒壓力導(dǎo)致了零件變形較大。此外，在燃油噴射(如采用E25代用燃料)和發(fā)動機低速化導(dǎo)致了特殊的摩擦邊界條件。而在轎車柴油機上，除了廢氣溫度提高之外，諸如排放和效率方面的要求、廢氣再循環(huán)，以及減少碳煙濃度等方面的原因又進一步促使了氣門座圈的磨損。除了氣門座圈在發(fā)動機上的使用性能之外，原材料成本及制造過程中高效的可加工性對于氣門座圈材料在量產(chǎn)中的應(yīng)用也起著重要的作用。

在這樣的背景下，F(xiàn)ederal Mogul公司動力傳動部門已設(shè)計了2種以粉末冶金技術(shù)為基礎(chǔ)的新型氣門座圈材料。特別是因為高度自動化近乎網(wǎng)狀的生產(chǎn)工藝，以及技術(shù)上完全成熟且價格低廉的組分材料，粉末冶金作為具有競爭力的應(yīng)用的技術(shù)[1]已眾所周知。被命名為FM-S14A和FM-S17D的2種粉末冶金合金遵循一般的發(fā)展趨勢，由合適的合金基質(zhì)和專門開發(fā)的硬化顆粒組成了氣門座圈材料，這兩種專門開發(fā)的硬化顆粒合金是根據(jù)氣門座圈的要求設(shè)計的，從粉末冶金噴涂直至燒結(jié)也要考慮到原材料的成本和可獲取性。

2　用于新材料的硬化顆粒技術(shù)

FM-S14A粉末冶金合金應(yīng)用了名為LTS(Lean Tool Steel)的Federal Mogul公司硬化顆粒專利技術(shù)，并在生產(chǎn)中已使用約2年，其開發(fā)要求是比傳統(tǒng)工具鋼粉末冶金具有更高的耐磨性，研究獲得了1種內(nèi)部開發(fā)和生產(chǎn)的高壓水噴霧混合鋼，不僅含碳量高，并且具有獨一無二的結(jié)構(gòu)。

在噴霧工藝的最初階段，硬化顆粒與熔液(圖1)一起開發(fā)，其中應(yīng)用了超過3%的高含碳量，以降低氧在熔液中的溶解性，從而使氧含量在低于噴霧時保持碳化形成物的氧化水平[2]，因而合金成分不會形成氧化物，并在燒結(jié)過程中可用于保持快速和完全地形成碳化物。

圖1　在高壓水噴霧設(shè)備中熔液的澆注

用光柵顯微鏡拍攝的照片(圖2)表明了燒結(jié)后在工具鋼和LTS顆粒中的碳化物的體積份額。LTS中的碳化物的體積大約為50%，而在傳統(tǒng)的工具合金鋼中的碳化物的體積大約為15%。通過與低合金基質(zhì)的混合，能使馬氏體硬化顆粒組織的高碳化物份額與貝氏體-珠光體基質(zhì)組織相結(jié)合，從而在具有良好可加工性和制造剛性的同時，達到與工具鋼相似的耐久性。

此外，剩余的碳可用于擴散到1種或多種混合粉末的混合物中，從而在燒結(jié)期間成為潛在的碳貯存器，這就限制了碳在最大程度混合的需求。過量的碳混合有時會導(dǎo)致有害物析出或加大材料的多孔性。雖然2種硬化顆粒都是被高壓水噴霧的，但是這種合金與LTS技術(shù)完全不同，水噴霧硬化顆粒(WAHP)是Federal Mogul公司開發(fā)的第2種專利硬化相技術(shù)。

(a)

(b)

(c)

(d)

第1種合金方案在很多發(fā)動機試驗中已顯示出可有效改善進排氣門座圈。這種方案為第2種達到目標提供了1個良好的起始點，可進一步優(yōu)化可加工性性能。為此，硬化顆粒、基質(zhì)和組分材料的組合在投放市場之前被再次進行修改。若它們具有合適的性能，則合金和硬化顆粒粉末冶金的高壓水噴霧工藝就能生產(chǎn)出兼顧可靠性和經(jīng)濟性的氣門座圈產(chǎn)品，并獲得所期望的性能參數(shù)，例如機械強度、耐磨性，以及良好的可加工性，這為成功地開發(fā)出用于氣門座圈的粉末冶金復(fù)合材料制訂出關(guān)鍵的規(guī)范。

所期望的硬化顆粒方案必須使高合金耐磨組分材料成為粉末冶金復(fù)合結(jié)構(gòu)組織的內(nèi)部，因而要將高的鉻和鎢含量(20%～30%)、適度的鈷和鎳含量(3%～7%) 和約2%的碳含量結(jié)合起來，而鉬因其價格的不穩(wěn)定性不予考慮，最終考慮到耐久性也剔出了鉬。

通過在低合金基質(zhì)中嵌入如LTS和WAHP的硬化顆粒、正確的熱處理，以及為改善摩擦和可加工性混合其他提高工作能力的組分材料，就能使氣門座圈具有所期望的特性和必需的工作能力?；|(zhì)(圖3)是材料復(fù)合的主要成分，在一定程度上聚合了整個組分。

圖3　FM-SITD VSR的材料顯微金相組織

3　用戶要求的驗證試驗

在粉末冶金合金經(jīng)過所有的材料特性和制造性能測試后，在材料認可之前最重要的步驟之一是驗證是否滿足用戶要求。其中，最初的模型磨損試驗(圖4)在標準化摩擦測定儀[3]上進行，從中得出經(jīng)篩選的用于部件試驗的潛在對象。這種試驗在接近發(fā)動機的模擬條件下進行，并且與真實的氣門接觸。由采用不同氣門技術(shù)的各種結(jié)構(gòu)的發(fā)動機試驗進行測試，并與同類產(chǎn)品進行比較，來證明這種材料的可靠性，從而盡可能評估出該材料在開發(fā)項目中的性能。

(a)

在研發(fā)中采用2種不同的汽油機機型(自然吸氣進氣道噴射和增壓缸內(nèi)直接噴射)和3種不同的檢驗程序(額定功率、交變負荷和市內(nèi)行駛)及部分采用E25燃料運行，在FM-S14A合金氣門座圈與感應(yīng)淬火硬化氮化氣門配對的工況下進行試驗。在大多數(shù)試驗中，進排氣側(cè)都使用FM-S14A合金氣門座圈。試驗前后都測錄氣門座圈和接觸面的斷面，以便能采集氣門軸線方向上的組合磨損。

試驗結(jié)果表明，磨損較小，其分散度也較小(圖5)。在這種情況下，此材料超過了與之比較的基準材料，并且比工具鋼的磨損小。從其他發(fā)動機應(yīng)用場合獲得的結(jié)果更充分證明了這樣的狀況。

這種檢驗方法同樣也已適用于FM-S17D合金在發(fā)動機進排氣側(cè)的試驗，它被安裝在升功率為70 kW 的歐6柴油機機型氣缸蓋上。試驗結(jié)果表明，與當前批量生產(chǎn)所使用的高合金材料相比，其具有相當耐磨損。

高的合金元素含量或應(yīng)用硬化顆?？赡軙蚯锌趹?yīng)力集中效應(yīng)、剝落或折斷而導(dǎo)致加工刀具過早失效[4]，從顯微金相組織的角度來看，硬化顆粒是1個斷開的切口。良好的材料組織和加工時的正確操

作規(guī)范可能是解決這些問題的方案，并應(yīng)該在開發(fā)初期和確定工藝時予以考慮。

Federal Mogul公司的專家組與刀具制造商在自動化加工和分析設(shè)備上對這種材料的可加工性進行了試驗。例如在很大的進刀和切削速度范圍內(nèi)對FM-S14A進行了試驗(圖6)。最終，在接近批量生產(chǎn)夾具條件下，采用用戶批量生產(chǎn)用刀具和切削速度加工了大量的氣門座圈。這些試驗表明，這種材料在工藝規(guī)范相差很大的情況下仍表現(xiàn)得很穩(wěn)定，因此與耐磨性相當?shù)牟牧舷啾?，這種材料加工能擴展到可接受的加工參數(shù)范圍，并已應(yīng)用于生產(chǎn)，而且加工時使用的潤滑液數(shù)量最少[5]。同時，與傳統(tǒng)的氣門座圈用粉末冶金技術(shù)相比，這種材料表現(xiàn)出卓越的刀具使用壽命，因此對降低加工成本和環(huán)保型的加工方法做出了貢獻。

圖5　不同發(fā)動機型和試驗程序時氣門座圈的磨損結(jié)果

4　結(jié)論

與不同技術(shù)氣門配對的耐磨性、燃料相容性、加工時的剛度和低的總成本是開發(fā)氣門座圈用粉末冶金合金的研發(fā)要求。本文所介紹的粉末冶金技術(shù)消除了使用硬化顆粒開發(fā)工作能力更強的新型材料時所受到的限制，并專門為這種用途制定了所必需的合金和粉末的生產(chǎn)方案。FM-S14A和FM-S17D這2種材料已完全成熟，并已通過發(fā)動機試驗和接近批量生產(chǎn)的加工試驗，證實其能滿足所有要求。

5　展望

在進一步的材料開發(fā)中，新型的硬化顆粒材料LTS和WAHP將在包括滲銅在內(nèi)的各種不同的規(guī)范和組合中找出其用途，因此在氣門座圈用新型材料方案中將占有一定的份額，而未來還包括渦輪增壓器部件等其他方面的應(yīng)用，在這些應(yīng)用場合中材料的耐磨性和抗氧化性是十分重要的。

[1] Metal powder industries federation：powder metallurgy-intrinsically sustainable[C]. Internetver?ffentlichung， abgerufen am， 2015，27(6).

[2] Beaulieu P. Development of new tool steel powders for high wear resistance and high temperature applications[C]. Dissertation，cole Polytechnique de Montréal， Canada， 2012.

[3] Earle J，Kuiry S.Application note #1002： automotive applications for tribometers[C]. Billerica/MA， USA， 2012.

[4] Christopherson D. Characterization of PM machinability： practical approach and analysis[J]. Powder Metallurgy，2008，44(2)：15-20.

[5] Orset M. Den energiebedarf um 40 prozent reduziert[J]. WB Werkstatt+Betrieb， 2014， 3.

2015-12-7)