【美】　D.Christopherson　F.Zwein

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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(jī)和汽油機(jī)進(jìn)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(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷

隨著汽油機(jī)的新發(fā)展，氣門座圈需要承受更高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)小型化及與之相關(guān)的高增壓和減少全負(fù)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(dòng)機(jī)低速化導(dǎo)致了特殊的摩擦邊界條件。而在轎車柴油機(jī)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(jìn)一步促使了氣門座圈的磨損。除了氣門座圈在發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)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(dòng)力傳動(dòng)部門已設(shè)計(jì)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?yàn)楦叨茸詣?dòng)化近乎網(wǎng)狀的生產(chǎn)工藝，以及技術(shù)上完全成熟且價(jià)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(jì)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(dú)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(shí)保持碳化形成物的氧化水平[2]，因而合金成分不會(huì)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(shí)，達(dá)到與工具鋼相似的耐久性。

此外，剩余的碳可用于擴(kuò)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(shí)會(huì)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)中已顯示出可有效改善進(jìn)排氣門座圈。這種方案為第2種達(dá)到目標(biāo)提供了1個(gè)良好的起始點(diǎn)，可進(jìn)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(jìn)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(jì)性的氣門座圈產(chǎn)品，并獲得所期望的性能參數(shù)，例如機(jī)械強(qiáng)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(jià)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。基質(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(gè)組分。

圖3　FM-SITD VSR的材料顯微金相組織

3　用戶要求的驗(yàn)證試驗(yàn)

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(rèn)可之前最重要的步驟之一是驗(yàn)證是否滿足用戶要求。其中，最初的模型磨損試驗(yàn)(圖4)在標(biāo)準(zhǔn)化摩擦測定儀[3]上進(jìn)行，從中得出經(jīng)篩選的用于部件試驗(yàn)的潛在對(duì)象。這種試驗(yàn)在接近發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬條件下進(jìn)行，并且與真實(shí)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行測試，并與同類產(chǎn)品進(jìn)行比較，來證明這種材料的可靠性，從而盡可能評(píng)估出該材料在開發(fā)項(xiàng)目中的性能。

(a)

在研發(fā)中采用2種不同的汽油機(jī)機(jī)型(自然吸氣進(jìn)氣道噴射和增壓缸內(nèi)直接噴射)和3種不同的檢驗(yàn)程序(額定功率、交變負(fù)荷和市內(nèi)行駛)及部分采用E25燃料運(yùn)行，在FM-S14A合金氣門座圈與感應(yīng)淬火硬化氮化氣門配對(duì)的工況下進(jìn)行試驗(yàn)。在大多數(shù)試驗(yàn)中，進(jìn)排氣側(cè)都使用FM-S14A合金氣門座圈。試驗(yàn)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(yàn)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(zhǔn)材料，并且比工具鋼的磨損小。從其他發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)方法同樣也已適用于FM-S17D合金在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣側(cè)的試驗(yàn)，它被安裝在升功率為70 kW 的歐6柴油機(jī)機(jī)型氣缸蓋上。試驗(yàn)結(jié)果表明，與當(dāng)前批量生產(chǎn)所使用的高合金材料相比，其具有相當(dāng)耐磨損。

高的合金元素含量或應(yīng)用硬化顆?？赡軙?huì)因切口應(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(gè)斷開的切口。良好的材料組織和加工時(shí)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(shí)予以考慮。

Federal Mogul公司的專家組與刀具制造商在自動(dòng)化加工和分析設(shè)備上對(duì)這種材料的可加工性進(jìn)行了試驗(yàn)。例如在很大的進(jìn)刀和切削速度范圍內(nèi)對(duì)FM-S14A進(jìn)行了試驗(yàn)(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(yàn)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(dāng)?shù)牟牧舷啾龋@種材料加工能擴(kuò)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(shí)使用的潤滑液數(shù)量最少[5]。同時(shí)，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(duì)降低加工成本和環(huán)保型的加工方法做出了貢獻(xiàn)。

圖5　不同發(fā)動(dòng)機(jī)型和試驗(yàn)程序時(shí)氣門座圈的磨損結(jié)果

4　結(jié)論

與不同技術(shù)氣門配對(duì)的耐磨性、燃料相容性、加工時(shí)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(qiáng)的新型材料時(shí)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)和接近批量生產(chǎn)的加工試驗(yàn)，證實(shí)其能滿足所有要求。

5　展望

在進(jìn)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)