龐世松

摘 要：粉末冶金產(chǎn)品用金屬粉末（或金屬粉末和非金屬粉末混合物）作為原料，經(jīng)壓制和燒結(jié)，及后工序處理制成各種產(chǎn)品;是一種多孔性結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，對(duì)于內(nèi)部微觀孔隙要求，本文以發(fā)動(dòng)機(jī)粉末冶金氣門導(dǎo)管失效分析為引子，探討對(duì)粉末冶金氣門導(dǎo)管微觀孔隙的認(rèn)知。

關(guān)鍵詞：氣門導(dǎo)管 粉末冶金 孔隙 孔隙率

Discussion on Powder Metallurgy Porosity of Engine Valve Guide

Pang Shisong

Abstract：Powder metallurgy products use metal powder （or a mixture of metal powder and non-metal powder） as raw materials， which are pressed， sintered， and post-processed to produce various products; it is a porous structure product， which requires internal microscopic pores. In this paper， the failure analysis of the engine powder metallurgy valve guide is used as an introduction to discuss the understanding of the microscopic pores of the powder metallurgy valve guide.

Key words：valve guide， powder metallurgy， porosity， porosity

1 引言

粉末冶金技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用廣泛。汽車產(chǎn)品采用粉末冶金工藝，具備成本低廉、生產(chǎn)效率高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座圈、氣門導(dǎo)管等產(chǎn)品已經(jīng)大批量使用粉末冶金成型工藝，是一種成熟的工藝技術(shù)。本文通過(guò)一例氣門導(dǎo)管失效分析，研究粉末冶金孔隙形成原理、生產(chǎn)控制、優(yōu)化必要性，通過(guò)實(shí)例數(shù)據(jù)分析，探討氣門導(dǎo)管內(nèi)部微觀孔隙標(biāo)準(zhǔn)，為產(chǎn)品提供理論參考依據(jù)。

2 問(wèn)題提出

某型發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)故障，拆解后活塞及缸蓋燃燒室嚴(yán)重?zé)g，其中一件氣門導(dǎo)管斷裂。失效照片見圖1、圖2：

斷裂氣門導(dǎo)管硬度、密度、金相、材料成分、尺寸等檢測(cè)數(shù)據(jù)合格;失效斷口掃描電鏡1000倍檢測(cè)，圖3斷口宏觀位置A區(qū)和B區(qū)現(xiàn)粉末冶金燒結(jié)頸[1]偏少，其中最大未燒結(jié)直徑達(dá)105um，未燒結(jié)位置見圖4、圖5黃色虛線框，簡(jiǎn)稱孔隙。初步懷疑孔隙存在，降低了氣門導(dǎo)管強(qiáng)度，引起隱性裂紋，導(dǎo)致斷裂。

3 粉末冶金孔隙形成原理及大小標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定

查日本SMF系列、美國(guó)MPIF系列粉末冶金相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并未明確產(chǎn)品內(nèi)部微觀孔隙大小要求。分析孔隙大小影響，首要找找出孔隙的理論根據(jù)及形成原理，主要與以下方面相關(guān)：

①粉末冶金產(chǎn)品密度

理論上粉末冶金產(chǎn)品密度能達(dá)純鐵密度7.87g/cm3，則孔隙消失。從圖6實(shí)驗(yàn)室壓力-密度試驗(yàn)曲線中看出，粉末冶金產(chǎn)品密度是無(wú)法達(dá)到純鐵要求的，且密度越大，單位密度增加需要壓力增加越大。本文中發(fā)動(dòng)機(jī)氣門導(dǎo)管密度標(biāo)準(zhǔn)是6.3-6.8g/cm3，足可見孔隙存在比率。

②粉末冶金產(chǎn)品孔隙形成過(guò)程

工藝過(guò)程：混粉-壓制-燒結(jié)?？紫缎纬膳c粉末顆粒大小、壓制力度/密度大小、燒結(jié)熔合等有關(guān)。無(wú)數(shù)細(xì)小金屬粉末經(jīng)壓制、燒結(jié)得到產(chǎn)品，圖7、圖8是壓制、燒結(jié)過(guò)程圖示。

圖7圖顯示，壓制前粉末因“拱橋效應(yīng)”存在大孔洞，持續(xù)加壓后開始縮小，拱橋孔洞消失，但細(xì)小顆粒間間隙最終無(wú)法徹底消除，如圖中C圖所示。

圖8顯示，粉末燒結(jié)顆粒之間產(chǎn)生原子擴(kuò)散、固溶、化合和熔焊，致使壓坯收縮并強(qiáng)化。部分孔隙被燒結(jié)熔合金屬、潤(rùn)滑劑等填充，由于燒結(jié)溫度未達(dá)到金屬熔融溫度，無(wú)法將孔隙全部填充?？紫渡俨糠殖錆M，大部分縮小，最終產(chǎn)品仍存在孔隙（如圖中紅圈部位所示）。

氣門導(dǎo)管生產(chǎn)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示。產(chǎn)品成型壓力機(jī)壓制后，當(dāng)毛坯成型密度為6.8g/cm3時(shí)，孔隙率為12～13%，其中連通孔隙占總孔隙的90～95%，封閉孔隙占5～10%。毛坯高溫?zé)Y(jié)，基體發(fā)生充分?jǐn)U散，孔隙球化，更多的連通孔隙被封閉形成封閉孔隙，燒結(jié)后產(chǎn)品的孔隙率在13～15%范圍;連通孔隙約占總孔隙面積的80～85%。因此，孔隙是粉末冶金產(chǎn)品固有特性，現(xiàn)行工藝無(wú)法徹底根除。

③粉末冶金孔隙大小標(biāo)準(zhǔn)

孔隙形成過(guò)程中，孔隙大小與粉末顆粒直徑大小、壓制過(guò)程、燒結(jié)融合等有關(guān)系。幾何理論上孔隙最大間隙為3個(gè)接觸顆粒接觸點(diǎn)直徑圓（如圖9中藍(lán)色圓直徑），綜合考慮燒結(jié)融合，壓制顆粒干涉，不同直徑顆粒隨機(jī)結(jié)合，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示最大孔隙大小可控制在最大顆粒直徑≤ФDX80%。

失效氣門導(dǎo)管孔隙大小，生產(chǎn)過(guò)程控制數(shù)據(jù)如下：

1.粉末顆粒大小控制

1.1 原粉粒度控制：原粉末80%以上粒度直徑<150μm;直徑在150～212μm粒度≤12%;微量元素粒度直徑在212～250μm之間。

1.2 篩粉：為防止粉末結(jié)球，生產(chǎn)線混合室使用250um網(wǎng)篩對(duì)所有粉末進(jìn)行篩選。

2.生產(chǎn)過(guò)程微觀孔隙檢測(cè)

根據(jù)幾何理論，最小孔隙為≤144um，綜合生產(chǎn)工藝，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)按≤200um。每抽查批次成品各10件，對(duì)斷口截面1000倍掃描電鏡觀察斷口，孔隙數(shù)據(jù)見表1，藍(lán)色數(shù)據(jù)為最大孔隙：

數(shù)據(jù)表明，孔隙大小控制符合設(shè)定要求，失效導(dǎo)管孔隙105um，也符合標(biāo)準(zhǔn)要求?？紫稛o(wú)法避免，但孔隙大小可以控制在一定標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。