專利名稱：：一種溫壓-模壁潤滑含稀土粉末冶金氣門座及其制造方法
技術領域：
：本發明涉及一種氣門座及其制造方法，具體是一種含稀土鐵基粉末冶金發動機氣門座及其制造方法。
技術領域：
氣門與氣門座是發動機的重要摩擦副之一，氣門座的功能是控制燃氣的進入、廢氣的排出；承受高溫環境受氣門的沖擊、磨損；以及進、排氣流的沖蝕、氧化等作用，即在高溫服役時，不僅要承受高溫沖擊，同時還遭受到廢氣的腐蝕，極易產生磨損、變形、燒損、甚至斷裂失效。目前出于環境保護的要求使用的是無鉛汽油，失去了鉛化物的潤滑效果，加劇了氣門座的早期磨損，氣門座尤其是排氣門座的工作條件更加惡劣。氣門與氣門座圈的運行壽命與可靠性在某種程度上決定了發動機的工作性能、服役壽命與輸出功率。氣門座是發動機易損零件之一，其正常失效形式為磨損嚴重時氣門下沉量過大、氣密性差，其質量和性能直接影響了發動機的油耗、功率、效率、使用壽命。為了提高氣門座和發動機的使用壽命，除了對發動機結構進行優化設計外，另一個重要的途徑是合理地調整氣門座材料的化學成份，優化制造和熱處理工藝，以達到化學成份與制造工藝的最佳配合。氣門座材料的選用主要與發動機的工況、大小、冷卻方式、燃料等有關，常用的氣門座材料包括鑄造合金、粉末冶金和鍛鋼制品三類，與鑄造合金氣門座相比，粉末冶金氣門座具有少、無切削、材料利用率高、設計自由度大和容易滿足各類發動機氣門座工作特性要求等優點，近年來粉末冶金氣門座受到了較高的重視，并出現了許多新的工藝，如溫壓成形、模壁潤滑等。合金化技術是顯著改善和提高鐵基粉末冶金材料性能的有效途徑之一。溫壓工藝是采用一次壓制/一次燒結工藝制造高密度、高強度粉末冶金結構零件的-—一項低成本的新技術，已在齒輪、連桿等粉末冶金零件中獲得了實際應用。模壁潤滑方法可以減少混入內部潤滑劑的數量，提高粉末冶金零件的密度，改善其物理、力學性能。將模壁潤滑和溫壓工藝相結合，可使壓坯密度大于7.5g/cm3,所得的密度分布更加均勻、脫模壓力和磨具的損耗更小，它是溫壓工藝的一個重要發展方向。將合金化(稀土改性)、溫壓、模壁潤滑三種技術的結合，不僅克服了傳統粉末冶金工藝中因密度不高造成的強度、韌性不足等缺陷，還可以顯著提高粉末冶金零件的高溫性能、抗氧化性、耐磨性和疲勞強度等。發明專利申請l(公開號CN1273892A)公開了一種高密度粉末冶金氣門座的制造方法，采用水霧化方法制取的含化合碳的預合金粉末，粉末顆粒尺寸小于0.154mm。預合金粉末在霧化制粉時即將碳加入合金中，制得含化合碳的鐵基予合金粉末，其具體化學成分為(重量百分比，％)為Cl.0-2.0,Mo2.5-3.5,Nil.6-2.6,Co9.5-10.5，Mn<0.5,經壓制、燒結，制得預燒結坯。將預燒結坯浸漬石墨酒精溶液后置于加熱爐中加熱，再放入預熱至200-300。C的模具中，在奧氏體+滲碳體組織狀態下進行熱復壓，制得汽車發動機氣門座。其密度達到7.5g/cii^以上，硬度達到肌C30以上，既耐磨耐熱又耐沖擊，適合排氣溫度高、使用無鉛燃料甚至無液壓挺柱的汽車發動機排氣門座的工作環境。發明專利申請2(公開號CN1105304A)公開的一種汽、柴油發動機缸蓋內的雙金屬鐵基粉末冶金氣門座是由鐵基粉末A和鐵基粉末B兩種不同組分的材料壓制成型，經燒結而成。粉末A的組成為(重量百分比，%):CO.7-1.6;Ni0.8-2.7;Cr2.0-4.5;歡5-1.0;Co4.0-9.0;Mo1,0-5.0;硫碌O.1-0.6;硬脂酸鋅O.1-0.9;機油O.2-0.4;其余為Fe,粉末B的組成為(重量，%):C0.3-1.2;Crl3-22;Nil0-14;Mol.3-2.7;W0.5-1.0;硫磺O.1-0.6;石更脂酸鋅O.1-0.9;機油O.2-0.4;其余為Fe。兩種粉末各自經V型混合機混合后，粉末A先置于模具內，定量的粉末B置于粉末A之上，壓制成型，并在1000-136(TC下在粉末冶金燒結爐中燒結，工藝流程是兩種粉末分別配料、混合—按順序置于模具內—壓制成型—燒結—機加工(或不加工)-熱處理—磨加工—浸油—檢驗一入庫。所得雙金屬粉末冶金氣門座具有自潤滑耐磨性能好，不開裂，強度高，使用壽命長，成本低等優點。發明專利申請3(公開號CN1603580A)公開了一種水冷雙燃料三輪、四輪摩托車發動機進氣門座，座體為環形柱體狀，內孔的一端為錐形孔，由兩層4i^金屬粉末層即密封面層和底層軸向燒結而成，其中底層的組成及質量百分比(％)為CO.9-1.4,Cr0.3-1.0,Cul.0-2.0，余量為Fe;密封面層的組成及質量百分比(％)為C0.9-1.4,Cr3.0-5.0,Mo3.5-4.5,Cu8.0—12.0,Nil.0—2.5,Co3.0-6.0,余量為Fe。與傳統單一鐵基金屬粉末層的進氣門座相比，該氣門座的耐熱性、耐磨性、耐腐蝕性均有所提高，有效解決進氣門座分體開裂的問題，延長了進氣門座的使用壽命。授權發明專利4(授權公告號CN1120291C)公告了一種粉末冶金復合材料發動機氣門導筒，其頂部或頂部表層由材料B構成，其余部份由材料A構成。材料A的組分及其質量百分比(％)如下Cu0.5-2,Ni1-3,Mo0.5-1,C0.5-1，NbC5-12，P0.3-0.6,其余為Fe和不可避免的微量雜質；材料B的組分及其質量百分比(％)如下Cu2-4，Ni2-4,Mol-2,CO.5-1.5，NbClO-20,P0.3—0.6%,其余為Fe和不可避免的^t量雜質。兩種粉末材料過100目篩，然后在二維混料機上干混30-80分鐘；將粉末材料A充填于氣門導筒陰;f莫型腔內，然后在氣門導筒頂部或頂部表層布粉末材料B，在130。C-15(TC下以550-700MPa的壓力溫壓成形；將復合成形的氣門導筒生坯在四段高溫燒結爐上燒結，氣門導筒頂部向下放置，高溫燒結時間1-2小時，推舟速度20-25分鐘/舟，燒結爐各段的溫度為I段300。C-400°C;H段70(TC-800°C;ffl段125(TC-130(TC;IV段650。C-800°C。得到粉末冶金復合材料的氣門導筒其頂部硬度55-63HRC,其余部分硬度HRC25-45,cjb=800-900MPa,5=2.0-3.0%。采用一次壓制燒結，不需通過熱處理來提高強度和硬度，可降低生產成本約30%以上。經500小時臺架考核試驗，該粉末冶金復合材料氣門導筒頂部磨損接近于零，耐磨性比12CrNi3A鋼提高50-IOO倍。文獻l(新材料產業，2007,(1):59-67)論述了高密度粉末冶金零件最可能釆用的制造工藝一一溫壓與模壁潤滑技術及工藝參數，采用帶電干粉潤滑劑噴涂進行模壁潤滑的涂敷時間為0.5s左右，可將通常混合于鐵基合金粉末中的潤滑劑從0.75%減少到0.05%-0.25%(質量分數)，同時脫模壓力不高于添加O.75%白蠟的混合粉，在620MPa下成型的高。模壁潤滑與溫壓結合時，在生產條件下，可將壓坯密度增高到7.30g/cm3。文獻2(粉末冶金技術，2007,25(2):27-31)研究了模壁潤滑溫壓Fe-2Ni-2Cu-lMo-1C材料在不同的溫度和不同時間下燒結行為，模壁潤滑釆用聚四氟乙烯乳化液潤滑，溫壓溫度為120-125。C，壓力700MPa,模壁潤滑溫壓的生坯密度為7.38g/cm3,燒結在高溫鉬絲爐中進行。模壁潤滑溫壓Fe-2Ni-2Cu-lMo-1C材料的燒結密度隨燒結溫度升高先增大后降低，燒結膨脹變化趨勢剛好相反；燒結密度隨著燒結時間的延長先下降隨后逐漸提高，燒結尺寸變化趨勢剛好相反，燒結體密度在7.30-7.35g/cm'內變化。模壁潤滑和溫壓的結合有利于提高材料的生坯密度和力學性能，抗拉強度和伸長率隨著燒結溫度(燒結時間)的升高(延長)而增大。發明專利申請1是采用普通粉末冶金方法制造發動機氣門座，發明專利申請2和3是關于雙金屬粉末冶金氣門座材質及傳統粉末冶金制備工藝流程的，非模壁潤滑-溫壓工藝。而且，都不同程度地存在成本4交高、致密性不理想、抗腐蝕性能差等問題。授權發明專利4則是關于材質、要求與氣門座不同的粉末冶金復合材料的氣門導筒的。文獻1概述了用溫壓與模壁潤滑技術制造高密度粉末冶金零件的工藝及參數；文獻2研究的是模壁潤滑溫壓對特定Fe-2Ni-2Cu-lMo-lC材料的燒結行為，都不是針對特定材質、工作條件、性能和制備工藝要求的發動機氣門座的。而且，上述粉末冶金氣門座與其它零件的化學組成里均不含稀土元素，無稀土改性的內容。
發明內容本發明提供了一種溫壓-模壁潤滑含稀土粉末冶金氣門座及其制造方法，所述的含稀土鐵基粉末冶金發動機氣門座具有耐磨損、抗氧化、耐高溫的等特征，且制造方法簡單、操作方便。本發明的技術方案為一種溫壓-模壁潤滑含稀土粉末冶金氣門座，其特征在于所述的氣門座的化學組成按質量百分比包括有鎳0-0.5、碳0.5-2.0、鉻3-5、鉬4-6、鎢5-7、鋇1-3、稀土0.1-0.2、潤滑劑0.15-0.25、粘結劑0.15-0.25,其余為還原Fe粉。所述的含稀土鐵基粉末冶金發動機氣門座，其特征在于所述的稀土選用稀土金屬Ce、La、Y或其中兩種或兩種以上的混合物，或者稀土氧化物Ce203、La203、丫203或其中兩種或兩種以上的混合物；所述的潤滑劑選用潤滑油；所述的粘結劑選用聚乙烯基吡咯烷酮。所述的含稀土鐵基粉末冶金發動機氣門座，其特征在于所述的還原Fe粉的化學組成按質量百分比包括有鐵大于99%、碳小于0.02%、氧小于0.20%、酸不溶物小于0.20%，松裝比為3.0-3.2g/cm3。所述的溫壓-模壁潤滑含稀土粉末冶金氣門座的制造方法，其特征在于包括以下步驟(1)、根據氣門座圏的化學組分的要求，將鐵基合金粉末過100目的篩進行篩分，然后將篩分后粒度小于100目的鐵基合金粉末、潤滑劑和粘結劑進行混合，混合時間為30-80分鐘；(2)、用靜電模壁潤滑裝置在氣門座陰模型腔內進行模壁潤滑；(3)、將混合均勻的原料組分充填于氣門座陰模型腔內進行溫壓成型，得氣門座生坯，溫壓成型的溫度為130-15(TC,壓力為500-900MPa;(4)、將成型后的氣門座生坯和銅片放入推桿爐中，在氫氣的保護氣氛下燒結氣門座生坯使用銅片熔滲，然后保溫l-2小時，燒結熔滲溫度為1100-1220'C，時間為l-2h;(5)、將燒結熔滲完成后的氣門座置于箱式爐中，加熱到865-875°C,保溫20-40分鐘，然后油淬至室溫，再加熱到245-255°C,保溫50-70分鐘，靜止冷卻，得成品。所述的溫壓-模壁潤滑含稀土粉末冶金氣門座的制造方法，其特征在于所述的靜電模壁潤滑裝置的靜電電壓控制在10KV以下；推桿爐中，燒結熔滲時，所述的銅片放置于氣門座生坯的工作面上，且銅片的截面尺寸與氣門座生坯的工作面尺寸相等。潤滑油采用日本;^村潤滑油MRIOO。與不含稀土的傳統粉末冶金工藝得到的氣門座、鑄造合金氣門座等相比，本發明的有益效果體現在1、稀土有細化晶粒、促進燒結、固溶強化、改變碳化物形態、提高耐磨性等作用；還可以與氧、硫形成稀土化合物，降低夾雜物對粉末冶金氣門座力學性能特別是沖擊韌性的不利影響；2、本發明采用了溫壓-模壁潤滑工藝，燒結體密度達到7.4-7.5g/cm3，獲得了具有高性能的發動機氣門座，保證了氣門座具有高的強度、硬度和耐磨性；3、制造方法簡單，節省大量的機械加工工時，節約材料，降低生產成本約30%以上；4、通過熱處理，提高了氣門座的強度、硬度和耐磨性等性能；5、本發明所述的氣門座，抗拉強度739MPa,沖擊韌性10.4J/cm2,熱處理后其工作面硬度為40-50HRC,每片硬度差小于3HRC,經1000小時耐磨臺架考核試驗，磨損接近于零，耐磨性比傳統粉末冶金氣門座提高2-5倍；6、熱處理后硬度可達到HRC41-48,耐磨臺架實驗轉速n-2000r/min,溫度為70(TC電加熱，1000小時后氣門下沉量小于0.35mm，因此，與無稀土粉末冶金氣門座及其它粉末冶金工藝相比，本發明所述的氣門座具有優異的高致密性、高耐磨性和高溫力學性能。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>具體實施例方式實施例1:一種溫壓-模壁潤滑含稀土粉末冶金氣門座的化學組成按重量百分比包括有鎳O-O.5、碳0.5-2.0%、鉻3-5、鉬4-6、鴒5-7%、鋇1-3%、混合稀土(Ce+La)0.1%、潤滑劑0.15-0.25%、粘結劑0.15-0.25%,其余為還原Fe粉。溫壓-模壁潤滑含稀土粉末冶金氣門座的制造方法(1)、按氣門座圈的化學組分要求，將鐵基合金粉末過GB6003規定的100目的篩進行篩分，然后將篩分后粒度小于100目的鐵基合金粉末、潤滑劑和粘結劑在二維混料機上進行混合，混合時間為40分鐘；(2)、用靜電模壁潤滑裝置在氣門座陰模型腔內進行模壁潤滑；(3)、將混合后的原料充填于氣門座陰模型腔內進行溫壓成型，得氣門座坯料，靜電模壁潤滑裝置的靜電電壓控制在10KV以下，溫壓成型的溫度為130。C,壓力為600MPa;(4)、將成型后的氣門座坯料和銅片放入6溫區推桿爐中，在氫氣的保護氣氛下燒結氣門座生坯使用銅片熔滲，然后保溫1.5小時，燒結熔滲溫度為1100-1220。C,時間為lh;(5)、將燒結熔滲完成后的氣門座坯料置于箱式爐中，加熱到870。C,保溫30分鐘，然后油淬至室溫，再加熱到25(TC，保溫60分鐘，靜止冷卻，得成品。熱處理后硬度可達到服C42-45,耐磨臺架實驗轉速n=2000r/min，溫度為700。C電加熱，1000小時后氣門下沉量為0.3mm。實施例2:一種溫壓-模壁潤滑含稀土粉末冶金氣門座的化學組成按重量百分比包括有鎳O-O.5、碳0.5-2.0%、鉻3-5、鉬4-6、鴒5-7%、鋇1-3%、稀土金屬YO.15%、潤滑劑0.15-0.25%、粘結劑0.15-0.25%,其余為還原Fe粉。制造方法同實施例1。熱處理后硬度可達到HRC42-48,耐磨臺架實驗轉速n=2000r/min,溫度為700。C電加熱，1000小時后氣門下沉量為0.32鵬。實施例3:一種溫壓-模壁潤滑含稀土粉末冶金氣門座的化學組成按重量百分比包括有鎳O-O.5、碳0.5-2.0%、鉻3-5、鉬4-6、鴒5-7%、鋇1-3%、稀土氧化物La2030.2°/"潤滑劑0.15-0.25%、粘結劑0.15-0.25°/。，其余為還原Fe粉。制造方法同實施例1。熱處理后硬度可達到HRC41-48，耐磨臺架實驗轉速n=2000r/min，溫度為70(TC電加熱,1000小時后氣門下沉量為0.35mm。權利要求1、一種溫壓-模壁潤滑含稀土粉末冶金氣門座，其特征在于所述的氣門座的化學組成按質量百分比包括有鎳0-0.5、碳0.5-2.0、鉻3-5、鉬4-6、鎢5-7、鋇1-3、稀土0.1-0.2、潤滑劑0.15-0.25、粘結劑0.15-0.25，其余為還原Fe粉。2、根據權利要求1所述的溫壓-模壁潤滑含稀土粉末冶金氣門座，其特征在于所述的稀土選用稀土金屬Ce、La、Y或其中兩種或兩種以上的混合物，或者稀土氧化物CeA、La203、丫203或其中兩種或兩種以上的混合物；所述的潤滑劑選用潤滑油；所述的粘結劑選用聚乙烯基吡咯烷酮。3、根據權利要求1所述的溫壓-模壁潤滑含稀土粉末冶金氣門座，其特征在于所述的還原Fe粉的化學組成按質量百分比包括有鐵大于99%、碳小于0.02%、氧小于0.20%、酸不溶物小于0.20%,松裝比為3.0-3.2g/cm3。4、根據權利要求1所述的溫壓-模壁潤滑含稀土粉末冶金氣門座的制造方法，其特征在于包括以下步驟(1)、根據氣門座圏的化學組分的要求，將鐵基合金粉末過100目的篩進行篩分，然后將篩分后粒度小于100目的鐵基合金粉末、潤滑劑和粘結劑進行混合，混合時間為30-80分鐘；(2)、用靜電模壁潤滑裝置在氣門座陰模型腔內進行模壁潤滑；(3)、將混合均勻的原料組分充填于氣門座陰模型腔內進行溫壓成型，得氣門座生坯，溫壓成型的溫度為130-150°C，壓力為500-900MPa;(4)、將成型后的氣門座生坯和銅片放入推桿爐中，在氫氣的保護氣氛下燒結氣門座生坯使用銅片熔滲，然后保溫1-2小時，燒結熔滲溫度為1100-1220°C,時間為l-2h;(5)、將燒結熔滲完成后的氣門座置于箱式爐中，加熱到865-875°C,保溫20-40分鐘，然后油淬至室溫，再加熱到245-255°C,保溫50-70分鐘，靜止冷卻，得成品。5、根據權利要求1所述的溫壓-模壁潤滑含稀土粉末冶金氣門座的制造方法，其特征在于所述的靜電模壁潤滑裝置的靜電電壓控制在10KV以下；推桿爐中，燒結熔滲時，所述的銅片放置于氣門座生坯的工作面上，且銅片的截面尺寸與氣門座生坯的工作面尺寸相等。全文摘要本發明公開了一種溫壓-模壁潤滑含稀土粉末冶金氣門座及其制造方法，氣門座的化學組成按重量百分比包括有鎳0-0.5、碳0.5-2.0％、鉻3-5、鉬4-6、鎢5-7％、鋇1-3％、稀土0.1-0.2％、潤滑劑0.15-0.25％、粘結劑0.15-0.25％，其余為還原Fe粉。稀土選用稀土Ce、La、Y，或其中兩種或兩中以上的混合物或稀土氧化物Ce<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>。制造方法包括有配料混合、模壁潤滑、溫壓成形、燒結熔滲、熱處理等步驟。本發明所述的氣門座的壓縮性和成形性較好，生坯不出現層裂，燒結體密度達到7.4-7.5g/cm<sup>3</sup>，制造方法簡潔，節省大量的機械加工工時，節約材料，降低生產成本約30％以上，且組織均勻、密度高，熱處理后硬度可達到HRC41-48，耐磨臺架實驗轉速n＝2000r/min，溫度為700℃電加熱，1000小時后氣門下沉量小于0.35mm。文檔編號F01L3/02GK101634238SQ20091014474公開日2010年1月27日申請日期2009年8月31日優先權日2009年8月31日發明者戴澤玉,春袁申請人:桐城市汽車部件有限公司