一种铁基粉末冶金气门阀座及其制造工艺制造技术

一种内燃机用铁基粉末冶金气门阀座，其成分为：碳０．５～１．５％、钨２～６％、钼１～６％、钴１．２～５％、铬１．５～４％、铜１０～２１％、钒１～４％、锰０．３～１．５％，其余为铁。按上述配比混合，压制成型，烧结后的性能：硬度ＨＲＣ４０－４５，密度７．５１－８．１３ｇ／ｃｍ↑［３］，导热系数１０．７５６－１１．０３２ｃａｌ／ｃｍ．ｃ°．ｓｅｃ。特别适用于无铅汽油条件下使用，耐磨性大大超过铸铁合金和目前市售的铁基粉末冶金阀座，使用寿命长，其工艺简单可靠，且制造成本低。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于一种内燃机用铁基粉末冶金气门阀座及其工艺，它是通过采用多元少量的合金化原则，对铁基气门阀座的材料组成成分进行合理调整和工艺优化，从而使该气门阀座具有高密度、高强度，以及高蠕变温度，因而在高温工作状态下具有高硬度和良好的耐磨性能。众所周知，二十世纪九十年代中期以前，我国通用的汽车、摩托车等内燃机使用的气门阀座，是采用铸铁合金材料制造的，当时国内内燃机使用的是含铅汽油，由于这种油料中所含的铅在燃烧后产生铅化合物，能够对气门阀座起到良好的润滑作用，从而减少了气门阀对其阀座的磨损，因此能保证气门阀与阀座之间的密封，使发动机能正常工作。但是近年来，我国为了加强生态环境保护，改善大气质量，尤其是城市的空气质量，国家有关部门强调，要严格控制机动车尾气的排放，禁止使用含铅汽油，因为铅对人体和环境是有害元素。近年来，国内已逐步开始使用无铅汽油，今后将不再为机动车辆提供含铅汽油，这样便对内燃机的气门阀座的耐磨性能提出了更高的要求，如果仍使用铸铁合金气门阀座，则阀座容易磨损，使用寿命不长，气门阀与阀座之间由于严重磨损而产生缝隙，使气门阀与阀座之间的工作面不能保持良好的吻合，从而使气缸的进气、排气不正常，直接降低了内燃机的输出功率，当气门阀座磨损严重时，将导致内燃机不能正常工作。目前国内汽车、摩托车等内燃机生产厂家，由于无铅汽油的使用，对气门阀座耐磨等性能提出了更高要求。二十世纪九十年代中期前，国内对内燃机气门阀座的耐磨性要求一直没有引起足够的重视，其原因主要是因为当时国产汽油是含铅的。到九十年代末期，由于国家对生态环境保护，尤其是对空气质量改善的高度重视，于是便下决心排除环境污染源，其中空气的主要污染源便是机动车辆排放的尾气，而使用无铅汽油能大大减少机动车辆尾气排放的污染物，因此今后我国将全面禁止内燃机使用含铅汽油，一律使用无铅汽油。在使用含铅汽油条件下的铸铁合金气门阀座，其材料硬度一般为(HRC)32～40(高铬铸铁合金硬度HR36～46)。若将铸铁合金气门阀座在无铅汽油条件下使用，则耐磨性大幅度降低，甚至根本无法使用。因此，目前国内汽车发动机等生产厂家所需的气门阀座，靠进口铁基粉末冶金阀座或成本高、耐磨性低的高铬铸铁合金阀座。因为国内尚无在高温工作条件下具有高硬度、耐磨性良好的粉末冶金气门阀座提供。日本1992年5月25月公告的一项专利“内燃机用铁基粉末冶金阀座的制造方法”(平4-31014)，公布了其阀座的铁基合金粉末的组成成分及其重量百分配比为C:0.1～0.8％、Cr:1～5％、Ni:0.5～2％、Co:2～8％、Nb:0.2～2％、Si:0.3～1％，其余为铁和不可避免的杂质，还公布了其配合辅料组成成分及重量百分配比为石墨0.4～0.8％、钼4～15％、硼及磷中的一种或二种0.1～1％，将上述铁基合金粉末和配合辅料一同压制成型，然后在真空或还原性气体中进行烧结，于1150～1250℃中保持30～60分钟，另外还必须进行热处理，即在600～800℃中保持60～90分钟，该专利实施例的检测结果为密度7.35～7.7g/cm3、硬度HRC42～50，经磨耗实验100小时，实验条件为阀体加热到900℃、转速为2500转/分、阀座负荷30kg、阀座的磨耗深度为30～60μm。这种气门阀座的硬度虽然较高，但它是靠热处理工艺来实现的，从理论上讲，阀座是在700～750℃的高温环境下工作，工作时的实际硬度会降低，故耐磨性能亦会降低；同时加工工艺比较复杂，制造成本高。美国1993年6月22日公告的一项专利“内燃机阀座用烧结铁基合金”(专利号5221321)公布了阀座的铁基合金的组成成分及重量百分配比为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％，其余为Fe；但其选料比较苛刻，Cr来自Fe-Cr合金粉、Mo来自Fe-Mo合金粉、S来自Fe-S合金粉。此专利所述的工艺是将合金粉混合压实成型后，在氢气中1000～1200℃下烧结60～120分钟，再置氮气中于1000°～1200℃下渗氮15～30分钟，再于850°～900℃保温20～60分钟，然后置于油中冷却；又在550°～700℃下保温60～120分钟，再在空气中冷却，据称此方法加工的阀座，其密度为7.75～7.9g/cm3，硬度为HV351～376(相当于HRC35.7～38.4)。该专利虽然通过了渗氮和二次时效处理，但硬度仍不高，同时工艺太复杂，增加了产品成本。本专利技术的目的是提供一种含碳、钨、钼、钴、铬、铜、钒、锰的铁基粉末冶金气门阀座，使其密度、硬度，尤其是在高温工作环境下的硬度、耐磨性能获得显著提高；使它既在常温下具有高硬度，又能在高温工作环境下具有高硬度、高导热性、高耐磨性，提供一种适用于以无铅汽油为燃料的内燃机配套的高硬度、耐磨性能优异的、长寿命和制造成本低廉的铁基粉末冶金气门阀座，从而能取代传统的铸铁合金气门阀座和耐磨性能低、使用寿命短的粉末冶金气门阀座，确保内燃机在使用无铅汽油条件下的正常工作，降低用户使用气门阀座的费用。本专利技术的目的是这样实现的即采用多元少量的合金化原则，合理调整添加元素及它们的重量百分配比、优化工艺。在铁粉中加入少量或微量的碳、钨、钼、钴、铬、铜、钒、锰合金元素，形成复合相金属材料。在铁粉中加入碳、钨、铝、铬，在材料中主要形成碳化物硬质点，从而提高了材料的高温耐磨性；加入钒、钴、锰，主要提高材料的高温强度；加入铜，主要提高材料的韧性和导热性以及致密性；从而使材料的高温强度、硬度、导热性、韧性等综合性能获得显著改善，因此大大提高了阀座的耐磨性，同时又大大增强了材料的抗氧化和耐腐蚀性，故阀座的使用寿命也获得显著提高。本专利技术的具体做法是在铁粉中加入下列按重量百分配比的合金粉末碳0.5～1.5％、钨2～6％、钼1～6％、钴1.2～5％、铬1.5～4％、铜10～21％、钒1～4％、锰0.3～1.5％。上述合金粉的粒度分别为铁粉100目以下，其余合金粉末200目以下。然后将上述粉末混合，在6ton/cm2压力下一次压制成型，在还原性气氛或真空中1050～1200℃下烧结60～90分钟即可。经上述工艺处理后的粉末冶金气门阀座能保证其综合性能得到充分改善和提高，实践证明，按本专利技术提供的组成成分、重量百分配比及其工艺要求而制造的铁基粉末冶金气门阀座，其主要性能较以往的铸铁合金气门阀座和粉末冶金气门阀座有显著的提高，取得了比较理想的效果，主要包括一、主要性能参数1、其密度由本专利技术前的7.75～7.9g/cm3提高到7.51～8.13g/cm3。2、其硬度由本专利技术前的(不通过渗氮和热处理工艺)HRC25～40提高到HRC40～45。3、其导热系数由本专利技术前的9.863～10.737cal/cm.c°.sec提高到10.756～11.032cal/cm.c°.sec。二、耐磨性能和使用寿命将本专利技术提供的气门阀座和铸铁合金材料及国内外铁基粉末冶金材料制造成同一规格的气门阀座，装配于同一CF4G27型汽油发动机上(发动机功率120马力、扭矩22kg/m、转速4200～4500转/分)。经强化实验110小时，发现本专利技术的阀座的耐磨性相当于铸铁合金材料和国本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内燃机用铁基粉末冶金气门阀座，其中含有碳、铬、钼、钴、铜，其特征在于它还含有钨、钒、锰。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾佑鑫，曾兆晖，谢明星，
申请(专利权)人：曾佑鑫，曾兆晖，谢明星，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]