粉末冶金氣門閥座材料及熱處理工藝

肖紫圣+羅成+陳叢勝+華建杰

摘要：氣門閥座主要用于與氣門配合控制燃?xì)夂蛷U氣的進(jìn)出。文章介紹了粉末冶金氣門閥座的應(yīng)用及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了其工作環(huán)境及性能要求，并就氣門閥座的材料成分、熱處理工藝及孔隙度與合金元素對(duì)其熱處理過(guò)程的影響等問(wèn)題進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：粉末冶金；氣門閥座材料；孔隙度；合金元素；熱處理工藝 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TK403 文章編號(hào)：1009-2374（2016）35-0097-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.047

氣門閥座是發(fā)動(dòng)機(jī)上的重要部件，其功能是與氣門配合控制燃?xì)夂蛷U氣的進(jìn)出。20世紀(jì)90年代開(kāi)始，得益于粉末冶金獨(dú)特的加工制造技術(shù)，粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門閥座具有材料利用率高、設(shè)計(jì)自由度大等優(yōu)點(diǎn)，適合大批量的生產(chǎn)，因而應(yīng)用十分廣泛。例如，重慶華孚粉末冶金廠已批量生產(chǎn)粉末冶金閥座，取得了可喜的經(jīng)濟(jì)效益。

傳統(tǒng)粉末冶金閥座多采用添加合金元素來(lái)提高其耐磨性，并未進(jìn)行熱處理。燒結(jié)后得到細(xì)片狀珠光體+隱晶馬氏體+粒狀碳化物等組織，高溫時(shí)容易出現(xiàn)硬度下降、粘著、磨蝕等現(xiàn)象，導(dǎo)致磨損嚴(yán)重。本文以熱硬性材料和減磨材料為基體，通過(guò)添加合金元素以及采用熱處理等方式，探究了閥座生產(chǎn)的材料及其強(qiáng)化工藝，為閥座的生產(chǎn)制造提供參考了一定的參考依據(jù)。

1 閥座材料的選用

1.1 閥座成分分析

隨著粉末冶金閥座的不斷開(kāi)發(fā)，閥座選材范圍極大拓寬，筆者總結(jié)目前使用的粉末混合有鐵粉、合金元素粉、預(yù)合金粉、硬質(zhì)相粉、硬脂酸鋅粉等。其中鐵粉常以化合物的形式添加作基體材料，如FeMo；合金元素Cu、Cr、S等形成固溶強(qiáng)化和金屬間化合物；預(yù)混粉可以使某些難以與基體結(jié)合的元素起作用，如WC；硬質(zhì)相粉Mo、Co等起彌散強(qiáng)化；硬脂酸鋅粉提高粉末壓制性。

1.2 閥座材料成分的設(shè)計(jì)

常用閥座配方為低合金預(yù)混粉+高合金硬質(zhì)顆粒+減磨材料，其化學(xué)成分如表1所示：

表1中Mn能提高閥座的淬透性和耐磨性；S能引起活化燒結(jié)、增加密度和改善切削性等；Cu具有很好的固溶強(qiáng)化作用，還能起到活化燒結(jié)，有利于提高密度和強(qiáng)度，并能改善材料的抗腐蝕性；Mo有很強(qiáng)的細(xì)化晶粒作用和有效改善回火脆性；Cr可以有效地改善閥座的抗腐蝕、抗氧化性；V能細(xì)化奧氏體晶粒；C是鐵基材料中應(yīng)用最多的合金元素，含量對(duì)鐵基材料的強(qiáng)韌性起顯著影響。添加Co、WC作為硬質(zhì)顆粒，起彌散強(qiáng)化作用；添加合金元素MoS2改善閥座自潤(rùn)滑性。

2 熔滲處理

熔滲是將粉末坯體與液體金屬接觸或浸在液體金屬內(nèi)，讓坯塊內(nèi)空隙為金屬液填充，冷卻下來(lái)就得到致密材料或零件，這種工藝稱為熔滲。試驗(yàn)時(shí)為減少對(duì)設(shè)備依賴，可將制好的銅環(huán)放置在閥座上，進(jìn)行燒結(jié)，由于銅的熔點(diǎn)比較低，在高溫?zé)Y(jié)環(huán)境下熔化滲入到樣品中，從而完成對(duì)樣品的滲銅處理。粉末冶金零件一般孔隙度為15%～25%（5.9～6.7g/cm3），經(jīng)熔滲處理后，孔隙度可降至2%～5%（7.4～7.6g/cm3）。

3 閥座熱處理分析

3.1 孔隙對(duì)閥座淬透性的影響

粉末冶金閥座屬于燒結(jié)鋼，與致密鋼相比，閥座內(nèi)的孔隙會(huì)降低閥座的導(dǎo)熱性，從而使淬透性變差。圖1形象地表明了粉末冶金熱處理的兩個(gè)重要特征：孔隙率不僅影響淬透性，甚至對(duì)密度也產(chǎn)生重要影響，因而降低了粉末冶金材料的表面硬度。

3.2 孔隙對(duì)碳含量的影響

由于閥座孔隙的存在，燒結(jié)或熱處理過(guò)程中，閥座內(nèi)的碳在高溫下通過(guò)孔隙與氫或氧發(fā)生作用生成甲烷或一氧化碳，使閥座碳含量降低，淬火后產(chǎn)生組織應(yīng)力，裂紋及馬氏體轉(zhuǎn)變不完全，閥座耐磨性降低等缺陷。因此，對(duì)于含有6%以上孔隙的燒結(jié)鋼熱處理要在保護(hù)性氣氛（如添加有甲烷的氮基氣氛、分解氨等）中進(jìn)行。

3.3 合金元素對(duì)熱處理的影響

根據(jù)前面閥座材料成分設(shè)計(jì)，合金元素C的加入可以增加過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，降低其淬火臨界冷卻速率，提高其淬透性；加入Ni、V、Mo等元素能細(xì)化奧氏體晶粒，改善閥座熱處理后的力學(xué)性能，特別是沖擊韌性；加入Mo、Mn、Cr、Cu等元素可以顯著提高閥座的淬透性，Mo、Cr、V等元素還能增加回火穩(wěn)定性；Mn、Cr、P等元素有造成回火脆性作用，但同時(shí)添加少量Cu，可以減弱回火脆性或阻止其產(chǎn)生。

3.4 組織均勻性對(duì)奧氏體化的影響

燒結(jié)鋼組織的重新分布主要依靠擴(kuò)散來(lái)進(jìn)行。由于碳的分布不均勻，燒結(jié)鋼組織均勻性差，奧氏體均勻化的溫度和時(shí)間要比致密鋼高得多。在條件相同的情況下，燒結(jié)鐵基材料達(dá)到完全奧氏體化所需要的時(shí)間大約比相應(yīng)的鍛件長(zhǎng)50%。當(dāng)添加合金元素時(shí)，完全奧氏體化需要更高的溫度或更長(zhǎng)的時(shí)間。

4 熱處理工藝確定

4.1 預(yù)備熱處理

在預(yù)備熱處理階段，退火可以使粉末因制備、存放等引起的粉末氧化物還原。另外，退火中的還原性氣氛可降低碳和其他雜質(zhì)的含量，提高粉末的純度。通常，退火溫度為主要金屬熔點(diǎn)的0.5～0.6倍。有時(shí)為避免顆粒間發(fā)生燒結(jié)，一般采用較低的還原溫度；有時(shí)為了進(jìn)一步提高粉末的純度，退火溫度又有提高，因此，實(shí)際操作中因以所需目標(biāo)配合恰當(dāng)?shù)谋貢r(shí)間進(jìn)行合理選擇。

4.2 最終熱處理

4.2.1 奧氏體化溫度確定。鋼奧氏體化時(shí)，組織轉(zhuǎn)變會(huì)有遲滯現(xiàn)象，需要一定的過(guò)熱度。筆者認(rèn)為：亞共析鋼（致密）在淬火前加熱到Ac3以上某一溫度并保溫一段時(shí)間，而燒結(jié)鋼由于存在空隙，導(dǎo)熱率低以及部分合金元素（Cr、Mo、V等）減慢奧氏體化過(guò)程，延長(zhǎng)保溫時(shí)間會(huì)降低生產(chǎn)效率，同時(shí)增加成本，故多采用提高溫度，一般高出50℃左右，即燒結(jié)鋼加熱溫度應(yīng)高出Ac38℃～100℃。

應(yīng)該注意的是，由于成本與性能的約束，具體奧氏體化溫度應(yīng)與保溫時(shí)間配合選取，保溫時(shí)間長(zhǎng)短視零件形狀和尺寸而定。

4.2.2 淬火方式。對(duì)于鐵基粉末冶金零件，最好是淬于溫油（50℃）中，這是因?yàn)榉勰┮苯鹆慵哂锌紫抖?，淬火冷卻速度太快時(shí)，零件可能開(kāi)裂。

4.2.3 回火。回火是金屬淬火后經(jīng)常使用的熱處理工藝，目的有兩個(gè)：一是消除內(nèi)應(yīng)力，降低材料的脆性；二是使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成要求的組織。

根據(jù)上述對(duì)閥座工作環(huán)境和工作特點(diǎn)分析，需要閥座具有良好的綜合性能，即耐磨和耐沖擊等，反映到力學(xué)性能指標(biāo)為：強(qiáng)硬度高，塑韌性好。故采用500℃～600℃回火溫度效果好。同時(shí)，考慮多次回火消除殘余奧氏體，提高閥座強(qiáng)韌性。

4.2.4 最終熱處理補(bǔ)充。作為金屬熱處理的補(bǔ)充，深冷處理得到了廣泛研究，其作用和機(jī)理的研究已經(jīng)很成熟。只是目前還沒(méi)有形成一定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即不確定零件在淬火后直接進(jìn)行深冷處理，還是淬火+回火（單次或多次）+深冷處理以及深冷處理后是否需要再次回火處理等。不過(guò)，確定的是，深冷處理作為熱處理的延伸，在熱處理過(guò)程中使用均得到了顯著效果。在閥座的制備過(guò)程中，深冷處理尚未見(jiàn)報(bào)道，而深冷處理作為提升零件使用壽命的方法，對(duì)閥座而言，具有很大的研究?jī)r(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)閥座的使用環(huán)境和工作特點(diǎn)，采用W6Mo5Cr4V2粉末為基體，添加Cr、Mo、Si、Ni等硬質(zhì)顆粒對(duì)基體彌散強(qiáng)化；MoS2等減磨材料提高閥座的耐磨性；MnS改善閥座的切削性能，熔滲Cu填充空隙；硬脂酸鋅提高成形性。提高閥座的機(jī)械性能；（2）與致密材料相比，閥座碳分布不均勻，受孔隙度的影響，閥座淬透性差，加入合金元素后得到改善；（3）閥座熱處理工藝，即淬火（油冷）+高溫回火（多次），閥座具有良好的綜合性能；（4）熱處理后，深冷處理作為熱處理補(bǔ)充對(duì)閥座使用壽命提升，具有很大研究?jī)r(jià)值。

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基金項(xiàng)目：2016年度湖北汽車工業(yè)學(xué)院碩士研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介：肖紫圣（1991-），男，湖北漢川人，湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士，研究方向：粉末冶金。

（責(zé)任編輯：蔣建華）