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1 前言
传统的内燃机,为了控制燃料流入气缸和燃烧的废气从气缸中排出,有一气门(或阀)系统。进气与排气阀都关闭时,缸盖就处于气密性状态,这时密
封面就是阀座。内燃机阀系统(图1)工作条件十分严酷。气门头部温度一般高达800～1000℃,同时燃烧废气具有强腐蚀性。气门借助弹簧处于闭合的密
封位置,这时弹簧对阀座施加很高的载荷。气门开闭时,通常都进行转动,从而气门与阀座表面发生摩擦作用。
多年来,缸盖一直是由灰铸铁制造的。但是,近年来,由于高功率发动机、涡轮增压发动机、ＬＰＧ(液化石油气)发动机、无铅汽油发动机,以及可
使用多种燃料的发动机的开发与应用,铸铁缸盖已不适用。如图2所示,燃料改用无铅汽油时,铸铁缸盖阀座部分磨损急剧增大[1]。因此,阀座部分必须用特
种材料制造的镶圈来补强,这种镶圈就是通常所谓的“阀座圈”(ＶａｌｖｅＳｅａｔＲｉｎｇ),其典型形状与尺寸公差见图3。
另一方面,为减轻缸盖重量,增高导热性,改用铝合金缸盖者日益增多。铝合金缸盖必须镶装阀座圈。40多年前,大量的轿车汽油发动机就已经采用铝合
金缸盖了[2]。同期开始研究与开发粉末冶金阀座圈。现在,大批量生产的内燃机都已在使用特制的粉末冶金阀座圈。
进入90年代以后,我国汽车工业的发展,特别是国家规定汽车发动机必须改用无铅汽油之后,粉末冶金阀座圈合金的研制与生产,成为我国粉末冶金
零件生产企业的一个热门课题。在我国的粉末冶金技术期刊中,对粉末冶金阀座圈材料已有一些报道[3,4]。为便于对汽车发动机用粉末冶金阀座合金有兴
趣者较系统地了解这种“特制”烧结合金的进展,笔者撰写了本文。
2 气门(阀)下沉
为增高汽油的辛烷值,抑制发动机爆震,一般汽油中都添加有四乙基铅(0 2%～0 8%)作为抗爆剂。含铅汽油在汽车发动机运转的燃烧过程中,
其中的铅将形成含铅微粒与气态铅随尾气排放到大气中,污染环境,严重危害人身健康。为此,世界各国先后都对汽车排放的废气规定了严格的排放标准。
因此,汽车工业不得不改用无铅汽油、ＬＰＧ(液化石油气)、ＣＮＧ(压缩天然气)等燃料。
但一般发动机不经任何改进就换改用无铅汽油时,阀座将产生异常磨损,引起燃烧气体窜气以及“气门下沉”现象。从而,导致发动机气缸密封性差,
输出功率大幅度下降,油耗增大,排放的废气中碳氧化合物、碳氢化合物及氮氧化合物等有害气体成分增多,对环境的污染加剧。图2清楚地表明,汽油的
含Ｐｂ量减小时,排气门阀座的磨损量增大。
已证实,当使用含铅汽油时,添加于汽油中的四乙基铅在发动机燃烧室中燃烧时生成铅氧化物或铅的化合物。沉积在气门或阀座表面的这些燃烧产
物,在高温下起润滑膜的作用,阻止气门与阀座粘着。
可是,采用无铅汽油时,不会形成这种润滑膜,气门与阀座在高温、氧化气氛下直接接触,从而加速粘着磨损。
3 对阀座圈材料提出的技术要求
鉴于汽车发动机中的阀座,特别是排气门阀座,是在高温、高冲击载荷、热腐蚀性气体冲刷下工作的状况,对阀座材料提出的技术要求主要是要具有
优异的高温耐磨性、耐蚀性及高温稳定性,热膨胀系数必须与缸盖材料匹配及力学性能较高。
3.1 耐磨性
影响阀座磨损的因素各种各样,错综复杂,很难进行分析,但其磨损机理有些都是密切相关的。阀座的磨损机理可概括为以下几种[5]:
因气门冲击产生的疲劳磨损;
因气门旋转产生的磨粒磨损;
因气门头部弯曲产生的磨粒磨损;
与气门的粘着磨损;
排出气体造成的腐蚀磨损。
由于发动机使用的燃料和工况不同,其主要磨损机理也不同。如文献[1]认为,使用无铅汽油时,阀座的磨损主要是与气门的粘着磨损。但文献[5]认
为,阀座的磨损主要是气门旋转产生的磨粒磨损。其根据是,发动机运行后,用光学显微镜观察到气门与阀座表面都在气门的旋转方向出现磨损痕迹,见图4。
3.2 耐蚀性
特别是排气门阀座,必须能承受排出之高温废气的冲刷腐蚀作用。当前,由于使用燃料的多样化,在选用阀座材料时,必须考虑到材料在不同工况
下的耐蚀性。如文献[6]报道,在基础成分为:1 4%～2 1%Ｃ、12%～16%Ｃｒ、2%～3%Ｍｏ及少量Ｖ的合金中,添加不同量的Ｔｉ、Ｎｂ,用坩埚法进行了氧化铅
高温腐蚀试验。试验结果表明氧化铅对该合金有很强的腐蚀作用。这就是说,对于使用有铅汽油的发动机来说,燃烧产物中的铅氧化物,对于阀座既有腐蚀作用,又有减摩作用。
3.3 耐热性
阀座,特别是高功率发动机中的排气门阀座经常处于高温、高压、强腐蚀等严酷工况下,工作温度一般高达500～800℃,因此,阀座于高温下应具有良好的耐热性。耐热性是
包括热稳定性与抗热性的一个综合概念。热稳定性是指在高温下对氧化作用的稳定性,而抗热性则指在高温下对机械载荷的抗力。
3.4 热膨胀系数
气门阀座圈一般都是以过盈紧配合镶装于气缸盖上的。鉴于气缸盖与气门阀座的冷热交变,必须使阀座圈的热胀冷缩和气缸盖相匹配,以免阀座圈产生松动、脱落。因此,选
用的阀座圈材料的膨胀系数应与缸盖材料相近。
4 粉末冶金阀座圈合金的设计与试验
粉末冶金阀座圈合金是依据其使用工况专门设计、制造的。关于这种烧结合金,迄今还没有行业标准,也没有国家与国际标准,都是由粉末冶金生产企业依据发动机生产厂的要
求,合作研制、开发的。研制与开发的流程见图5。
4.1 材料设计
4.1.1 化学组成
选择阀座圈合金的化学成分都是根据发动机的使用工况专门设计的。这类烧结合金的合金元素含量现在趋向于分为低、中、高三类。鉴于阀座圈的主要功能是耐磨,一般使用的合金元素都是些固溶强化元素或碳化物形
成元素,诸如Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ等。为改进材料的高温性能,有的还添加有Ｃｏ。
为了赋予材料以自润滑性,在材料中还往往添加铅合金粉与铜合金粉。合金元素都是以纯金属粉、预合金粉或母合金粉的形式加入粉末混合料中,用传统粉末冶金工艺生产的。
表1列出了一些典型铁基粉末冶金阀座圈合金的化学组成,表2示日本日产汽车(株)发动机阀座材料的化学组成与应用。
4.1.2 制造工艺
阀座圈通常用传统粉末冶金工艺制造。将铁粉、合金元素粉、预合金粉、硬质相粉、石墨粉、硬脂酸锌粉等混合均匀后,压制成图3示之形状的压坯,于1150～1260℃下,在保护气氛中进行烧结。烧结件的密度
应不低于85%理论密度。为增高烧结件的密度,可将之浸渗以铅或熔渗以铜合金,或在混合粉中添加以Ｐ、Ｂ、ＣｕＰ合金等进行液相烧结,或采用粉末锻造、二次压制—二次烧结、冷锻工艺生产。
4.2 基础试验基础
试验包括烧结材料试样的耐磨性试验与强度试验。
4.2.1 Ｏｇｏｓｈｉ型磨损试验
烧结材料试样的耐磨性是依据比磨耗量进行评定的。比磨耗量(Ｗｓ)是用图6所示的Ｏｇｏｓｈｉ型磨损试验机测定的。Ｗｓ的计算式如下:
Ｗｓ=9.8Ｂｂ/38ｒＰｌ 式中:
Ｗｓ-比磨耗量,ｍｍ3/(ｍｍ·Ｎ);
Ｂ-磨轮厚度,ｍｍ;
Ｐ-载荷,Ｋｇｆ;
ｒ-磨轮半径,ｍｍ;
ｂ-磨痕宽度,ｍｍ;
ｌ-滑动距离,ｍｍ。
图7示几种烧结合金的比磨耗量的比较。可以看出烧结合金Ｇ的耐磨性最好。
4.2.2 材料强度试验
烧结合金的强度是用径向压溃评定的。为评价烧结合金的抗热性,径向压溃试验必须于高温下进行。图8示一些烧结合金的高温压溃强度试验结果。
最后,测定烧结合金试样的表面硬度、金相组织,以断定烧结合金试样是否符合设计要求。只有符合设计要求的烧结合金,才能进行发动机模拟试验。
4.3 模拟试验
烧结合金试样的模拟试验应包括循环加热试验与磨损模拟试验。这些试验都是在模拟发动机工况的条件下进行的。
4.3.1 循环加热试验
阀座圈镶装后,其从缸盖中脱出的载荷和阀座圈合金的蠕变强度密切相关。蠕变强度是金属材料在高温载荷长期作用下对塑性变形的抗力。为评价阀座圈
合金的蠕变强度,需进行循环加热试验。图9示循
环加热试验方法示意图。合金的蠕变强度增高时,其脱出载荷增大。
4.3.2 磨损模拟试验
为评价阀座圈合金在实际使用条件下的耐磨性,必须进行模拟磨损试验。模拟磨损试验机的示意图见图10与图11。利用图11示之试验机试验时,气门的动作是
由液压伺服系统控制的。气门落座后,通过弹簧施加落座力。用轻油燃烧器加热气门与阀座,以尽量模拟排出气体的组成。用冷却水冷却阀座。用热偶测定距材料
表面1ｍｍ深处阀座的温度。测试条件是通过阀座温度、落座速度及落座力来改变的。
图10示之模拟磨损试验机是日本日产汽车(株)设计的。这种试验机可改变试验用的燃烧系统。在一定时间内,通过气门顶部的高度可测出磨耗量的增加量,从
而可判定阀座合金是否适用于某种特定的燃料系统。
最后,将通过上述各种测试的烧结阀座合金,装于实际应用的发动机上进行长时间高负荷耐久试验,观察其实际使用状况,以判定该合金能否用作制造该型号发动机的阀座材料。
5 已开发的粉末冶金阀圈座合金
当前,汽车发动机使用的燃料有含铅汽油、无铅汽油、柴油、液化石油气(ＬＰＧ)、压缩天然气(ＣＮＧ)等,按功率发动机又有大、小之分。为适应不同的燃料与发动机工况,开
发了多种粉末冶金阀座圈合金。表3示韩国粉末冶金公司(ＫＰＭ)生产的内燃机阀座圈材料的化学组成、物理性能及用途。下面仅对汽车工业已大量应用的粉末冶金阀座圈合金的生产工艺与性能予以扼要评价。
5.1 用于无铅汽油发动机的自润滑烧结阀座圈合金
5.1.1 文献[1]报道过一种用于无铅汽油发动机的自润滑烧结阀座圈合金。这种烧结合金是以铬钢为基体,铅与低熔点玻璃为润滑剂,用粉末锻造工艺生产的。图12为其制造工艺流程。
这种合金的基体原料粉是由铁粉、铬铁粉(约45%Ｃｒ)、石墨粉及硬脂酸锌粉组成。铬铁粉是用粉碎Ｆｅ-Ｃｒ或Ｆｅ-Ｃｒ-Ｎｉ合金的σ相制成的。润滑剂为金属铅与ＰｂＯ-Ｂ2Ｏ3-Ｐ2Ｏ5或ＺｎＯ组成的低熔点玻璃。
图13示铅与低熔点玻璃在高温下的润滑性。可以看出,从室温至350℃左右,Ｐｂ是一种有效润滑剂;当温度高于350℃左右时,玻璃的润滑较有效。因此,将Ｐｂ与玻璃混合使用时,润滑性在较宽的温度范围内比较稳定、有效。
耐磨性试验表明,这种烧结合金的耐磨性和碳化物的分散程度、孔隙度、材料组成及玻璃的软化温度密切相关。图14示合金的磨损量与孔隙度的关系。由之可看出,孔隙度为10%～15%左右时,合金的磨损量最小。为获得最佳
孔隙度,制造这种阀座圈合金采用了粉末锻造工艺。
这种烧结阀座圈合金的化学组成与密度见表4,其物理性能见表5。
由这种烧结合金制造的阀座圈,在无Ｐｂ汽油、ＬＰＧ及柴油发动机中都进行过耐久试验。图15示在无Ｐｂ汽油发动机中耐久试验的结果。由之可看出,自润滑烧结合金的耐磨性优于普通铸铁,奥氏体类(Ｄ种)合金的耐磨
性最好。Ｃｏ与Ｗ都能强化α类烧结合金的耐磨性。
图16与图17分别示自润滑烧结合金阀座圈在柴油发动机中耐久试验的结果和在ＬＰＧ公共汽车发动机中对使用寿命的比较试验结果。由前者可看出,这种烧结合金阀座圈完全可以替代柴油机中使用的表面涂覆
Ｓｔｅｌｌｉｔｅ合金的阀座圈;从后者可看出,这种烧结阀座圈合金的使用寿命比一般铸钢高1 5～2倍。
5.1.2 意大利Ｆｉａｔ研究中心的Ｉ Ａｍａｔｏ等[10]曾研制成功二种适用于无铅汽油发动机的粉末冶金排气门阀座圈合金。这二种烧结合金是马氏体时效钢ＳＴ-109和铬钢ＳＴ-111。
ＳＴ-109烧结合金的基体成分是:Ｆｅ-18%Ｎｉ-11%Ｃｏ-7%Ｍｏ-0 7%Ｔｉ。在其中添加有5%的ＷＣ-ＴｉＣ(80∶20)。
ＳＴ-109烧结合金的生产工艺是,将基体组成的粉末混合物在Ｈ2气氛下预烧结1ｈ,之后粉碎成粉末。将ＷＣ-ＴｉＣ粉添加于基体组成的混合粉中,混合均匀。于压力约800ＭＰａ下压制成形。在1250℃下,于保护气氛中烧结2ｈ。
烧结后,为析出金属间化合物,增高合金硬度,必须进行时效处理。在空气中,于温度470℃下,时效处理1 5ｈ。
ＳＴ-111烧结合金的基体成分是:Ｆｅ-5%Ｃｒ-2%Ｎｉ-0 5%Ｍｏ-0 5%Ｃ。铬是以Ｆｅ-Ｃｒ合金σ相状态粉末加入的。合金中添加有4%ＣａＦ2作为固体润滑剂。这种合金是在露点为-45℃的氢气中,于1250℃下烧结的。烧结件
的密度约为80%理论密度。因此,烧结后,将烧结合金试样在氩气氛中,于950℃下热压1ｈ。ＳＴ-111合金的最终密度高达95%理论密度。
切削试验表明,ＳＴ-111烧结合金的切削性与铸铁相似。ＳＴ-109烧结合金的切削性稍差。这可能是由于ＳＴ-111烧结合金中含有ＣａＦ2所致。
在一台1300ｍＬ的水冷式4缸无铅汽油发动机上,在压缩比8 5,发动机速度4000～7000ｒ/ｍｉｎ,油温110～125℃,使用无铅汽油的条件下,对铸铁、烧结马氏体时效钢(ＡＣ-28、ＳＴ-109)、烧结铬钢(ＳＴ-99、ＳＴ-111、
ＳＴ-112、ＳＴ-113、ＳＴ-114)、普通马氏体时效钢(ＳＴ-110)制造的阀座圈进行了400ｈ耐久试验。试验结果见图18。可以看出,大部分粉末冶金阀座圈的耐磨性都比铸铁的好。特别是ＳＴ-109与ＳＴ-111烧结合金的使
用性能优异,并且在400ｈ的耐久试验后末发见气门烧蚀,适于用作无铅汽油发动机的排气门阀座材料。
5.1.3 日本日立粉末冶金(株)和日产汽车(株)以Ｆｅ-6 5%Ｃｏ-1 5%Ｎｉ-1 5%Ｍｏ-Ｃ为基体材料,用Ｃｏ-28%Ｍｏ-8 5%Ｃｒ-2 5%Ｓｉ为硬质颗粒,用二次压制一次烧结工艺制作的烧结钢Ｄ
(化学组成:Ｆｅ-12%Ｃｏ-1 2%Ｃｒ-5 0%Ｍｏ-1 2%Ｎｉ-18%Ｐｂ-0 6%Ｃ;密度:8 2ｇ/ｃｍ3;硬度:60ＨＲＡ),已用作无铅汽油高性能发动机的排气阀座圈材料[12]。但是,这种烧结钢Ｄ不适合用作含铅汽油的排气阀座圈材料。
5.1.4 ＴｏｈｒｕＮａｋａｔａ等[5]基于阀座圈的磨损主要是气门旋转所致,通过增高烧结合金的磨粒磨损抗力,有效地改进了烧结阀座圈合金的使用性能,研制成功三种适用于无铅汽油发动机的烧结阀座圈合金。
这三种烧结阀座圈合金都属于硬质颗粒弥散硬化合金类。它们的化学成分与密度、硬度分别见表6与表7。它们的生产工艺流程见图19。
在实际的汽油与柴油发动机台架上,对烧结合金Ａ、Ｂ和耐热铸铁(其中含3%Ｃｒ和0 9%Ｍｏ)排气阀座圈进行了对比磨损试验。试验条件见表8。试验结果分别见图20、图21及图22。
由图20与图21可看出,在使用无铅汽油的条件下,烧结合金Ａ、Ｂ的耐磨性和总的挺杆间隙减小都明显优于耐热铸铁阀座。这还意味着,添加于烧结合金中的弥散硬质颗粒没有磨损气门。
图22仅只给出了挺杆间隙的数据。其表明,在柴油机的试验条件下,烧结合金Ｂ的使用性能优于耐热铸铁阀座,当然,其中也包括对气门的磨损。
5.1.5 无钴烧结阀座圈合金。钴是一种稀缺且昂贵的金属。为减低烧结阀座圈合金的生产成本,ＴｏｈｒｕＮａｋａｔａ等[5]研制出了无钴烧结合金(即5 1 4中的合金Ｃ)。这是一种以铜与钨替代烧结合金Ａ中的钴、钒及硅
为基体,添加以弥散Ｆｅ-Ｍｏ合金硬质颗粒组成的弥散硬化型烧结合金。在汽油发动机台架上,对烧结合金Ｃ进行了评价。试验条件如下:
发 动 机 1400ｍＬ;4缸
燃 料 无铅汽油
发动机转速 6000ｒ/ｍｉｎ(ｍａｘ)
负 荷 满负荷
气门表面 无Ｓｔｅｌｌｉｔｅ合金
发动机台架试验结果示于图23与图24。由于耐热铸铁阀座圈已为烧结合金Ａ取代,因此,在这个试验中,改用了以烧结合金Ａ作为对比基准。由图23与图24可看出,烧结合金Ｃ的使用性能可与烧结合金Ａ相比拟。这就是,无钴
烧结合金Ｃ和有钴烧结合金Ａ的使用性能大体上相同,比耐热铸铁阀座的使用性能优异得多。
5.2 用于ＬＰＧ发动机的烧结合金阀座圈
为减少汽车发动机排放的废气对环境的污染,采用ＬＰＧ的发动机在日益增多。与一般汽油发动机相比,ＬＰＧ发动机阀座的温度较高且润滑性更差。为适应ＬＰＧ发动机的工况,日本日立粉末冶金(株)和日产汽车(株)合作开发了用于ＬＰＧ发动机的烧结阀座圈合金[11]。
他们研究了二种基体材料:
(1)Ｆｅ-3%Ｃｒ-0 3%Ｍｏ-0 3%Ｖ;和
(2)Ｆｅ-6 5%Ｃｏ-1 5%Ｎｉ-1 5%Ｍｏ。
还研究了二种硬质相材料:
(3)Ｃｏ-28%Ｍｏ-8 5%Ｃｒ-2 5%Ｓｉ;和
(4)Ｎｉ-32%Ｍｏ-12%Ｃｒ-2 5%Ｓｉ。
试样的制造工艺是在基体原料粉与硬质相粉末的混合粉中添加0 85%石墨粉、0 8%硬脂酸锌粉,混合均匀,压制成形,在1473Ｋ下于分解氨中烧结30ｍｉｎ,烧结件密度为6 9ｇ/ｃｍ3。然后,于0 8ＭＰａ氮气压力下,将一些烧结件浸渍以液态铅;将另外一些烧结件在分解氨中,于1413Ｋ下熔渗铜30ｍｉｎ。
在阀座温度为523Ｋ的模拟发动机上进行的试验表明,当阀座材料中不含添加的硬质相颗粒时,基体材料(2)的耐磨性优于基体材料(1)。添加有硬质相颗粒者耐磨性最好。浸渍以铅增强耐磨性,而熔渗Ｃｕ实际上减低耐磨性。
根据试验结果,研制成功一种烧结阀座圈合金。其生产工艺是在基体材料粉末(2)中添加15%硬质相粉、0 8%硬脂酸锌粉、0 85%石墨粉,混合均匀,压制成形,在分解氨中,于1073Ｋ下预烧结30ｍｉｎ,进行冷锻,再在分解氨中,于1473Ｋ下烧结30ｍｉｎ,最后浸渍以Ｐｂ。增加冷锻工序,是为了增高材料密度,改进材料强度。图25示新研制的烧结合金的径向压溃强度与温度的关系。图26示新研制的烧结阀座合金的耐久性与阀座的磨耗试验结果。
5.3 用于柴油发动机的烧结阀座圈合金
5.3.1 为满足高性能发动机发展的需要,Ｍ Ｏｎｏｄａ等[8]研制成功一种液相烧结阀座圈合金,并且已实际用于柴油发动机中。这种烧结合金的基体为Ｆｅ耐久性与阀座的磨耗试验结果-Ｃｒ-Ｃ合金,在基体中均匀弥散有硬质颗粒与润滑合金,从而使之具有高的耐磨性。
这类烧结合金的化学组成与密度、硬度见表9。
表9中Ａ～Ｇ都是液相烧结合金。Ａ、Ｂ及Ｃ仅只含Ｃｒ量不同,从而研究了含Ｃｒ量对合金性能的影响。合金Ｄ、Ｅ、Ｆ及Ｇ中分别添加有二种硬质颗粒,Ｆｅ-Ｍｏ二元合金与Ｆｅ-Ｃｒ-Ｃ三元合金,用于改进合金的耐磨性。ＳＶＳ37与ＳＶＳ37Ｉ都是已在使用的烧结阀座合金。
表9中的液相烧结合金都是在真空中,于1200～1250℃的温度下烧结的。ＳＶＳ37Ｉ是在烧结后,于吸热性煤气中,在1130℃下进行熔渗Ｃｕ的。图7(见上期刊登的本文上半部分)示试制的烧结合金与ＳＶＳ37Ｉ合金的Ｏｇｏｓｈｉ磨损试验结果。
由图7可看出,在合金Ａ、Ｂ及Ｃ中,合金Ｃ的耐磨性最好。至于添加硬质颗粒的影响,以添加Ｆｅ-Ｃｒ-Ｃ合金硬质颗粒者的耐磨性最好。
图8(见上期刊登的本文上半部分)示表9所列合金的高温压溃强度。液相烧结合金的强度,除合金Ｇ外,都比常用的ＳＶＳ37与ＳＶＳ37Ｉ合金高。
根据上述试验结果,选择了合金Ｃ、Ｅ及Ｇ,并以ＳＶＳ37Ｉ作为基准,进行了循环加热与模拟磨损性能试验。图27示模拟磨损试验后,气门顶部高度的增大。试验结果表明,合金Ｇ的耐磨性比ＳＶＳ37Ｉ高达4倍。图28示模拟磨损试验后气门的投影图。图28表明,合金Ｃ与Ｇ对气门几乎没有什么磨损。
这项研究结果表明,液相烧结合金Ｇ是一种耐磨性优异的阀座圈合金。
5.3.2 英国ＢｒｉｃｏＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ公司是世界上最主要的阀座圈生产厂家。该公司生产的粉末冶金与铸造阀座圈合金在柴油机上平行试验的结果见表10。
5.3.3 通常,设计的阀座圈材料的耐磨性都是用实际的发动机耐久试验来进行评定的,但这种试验时间长,费用昂贵。Ｋ Ｈａｎａｔａ等[9]对于评价柴油发动机排气门阀座材料的使用性能研究出了一种新的评价方法。这种方法是进行多变量分析,同时集中研究硬度与磨损间的关系。这里的磨损是指模拟磨损试验的磨损。Ｋ Ｈａｎａｔａ等用这种方法研制出了一种用于柴油机的排气门阀座烧结合金。新研制的烧结合金的化学组成与硬度见表12。图29示新研制的烧结合金的显微组织。图30示模拟磨损试验结果。由之可看出,在200℃、300℃及400℃下,新研制的烧结合金的耐磨性比Ｓｔｅｌｌｉｔｅ-1、Ｃ-1、Ｄ-1、Ｄ-3都好。在发动机的实际运转中,在较宽的温度范围内耐磨性稳定是很重要的。
新研制的烧结合金在实际的柴油发动机上的耐久试验表明,其试验结果与模拟磨损试验结果相同。和Ｓｔｅｌｌｉｔｅ合金相比,用作柴油机的排气门阀座圈,新研制的烧结合金具有很高的耐磨性。
5.4 用于大功率发动机的无钴、无铅烧结阀座圈合金[13]
日本住友电工(株)开发了一种用于大功率发动机的、价格低廉、无公害的、无钴、无铅烧结Ｆｅ Ｃｒ Ｃ阀座圈合金。
当前使用的大部分阀座圈,特别是用于大功率发动机的,都是由含钴和/或铅的烧结合金制造的。加入钴是为了改进高温耐磨性,添加铅可改进烧结合金使用时的润滑性。但是,它们的缺点是钴稀缺、昂贵,以及铅在生产、使用及回收时对环境都需要采取特殊保护措施。
新研制的这种烧结阀座圈合金,是由含细弥散硬质碳化铬的Ｆｅ Ｃｒ Ｃ合金基体、Ｆｅ Ｃｒ硬质相颗粒及润滑剂ＣａＦ2组成。
ＣａＦ2是一种固体润滑剂,可有效地减小阀座圈合金和精切削时加工刀具的磨损。Ｆｅ Ｃｒ硬质相颗粒与Ｆｅ Ｃｒ Ｃ合金基体组合可形成理想的界面结合强度,从而可避免硬质颗粒脱落。
5.5 复合阀座圈
在由烧结合金或铸铁制造阀座圈时,它们都是由同一材料制造的。鉴于在非摩擦部分,使用的也是昂贵的高级材料,原料的浪费、损失太大,另一方面为制作兼具烧结合金的耐磨性与钢的耐热性二者特点的阀座圈材料,日本活塞环(株)开发了复合阀座圈[14～16]。
复合阀座圈是一类由与气门的接触面(以下称为阀座面)为耐磨的烧结合金,其余部分(以下称为基材)为低级烧结合金或钢材通过固相烧结形成的复合材料制品。对阀座材料要求的特性是耐磨性耐热-耐氧化性、耐蚀性、高强度-高弹性等。选材时,必须考虑到对偶件气门的材质、发动机类型、使用的燃料、热负荷等。
复合阀座圈有二种,一为二层烧结阀座圈,一为复合烧结阀座圈,见图31。表13示复合阀座圈的化学组成。表14示阀座圈材料的物理-力学性能表15示复合阀座圈的微观组织。
5.5.1 二层烧结阀座圈
这是一种以昂贵的高耐久性烧结合金为阀座面材料,用价廉的、高强度材料为基材,通过固相烧结,使二者一体化制成的阀座圈。图32示二层烧结阀座圈的接合面的形貌。
5.5.2 复合烧结阀座圈
这是一种主要用于柴油发动机的阀座圈。因为柴油机多采用铸铁缸盖,同时热负荷高,因此,采用一般烧结合金阀座圈时,由于热膨胀系数不同,可能发生阀座圈脱落的问题。为此,开发了以烧结合金为阀座面材料和用钢材作基材的复合烧结阀座圈。这种阀座圈是用一种独特方法压制成形,通过烧结合金阀座面材料中的成分进行钎焊而结合为一体的。图33示这种阀座圈的接合面的形貌。
复合烧结阀座圈比二层烧结阀座圈生产率低,价格高。为此,开发了烧结锻造阀座圈。采用烧结锻造技术的目的在于增高材料密度,使材料的热特性与强度接近一般钢材,避免阀座圈脱落,以便烧结锻造制作的二层烧结阀座圈能够用于柴油机的铸铁缸盖之中。
5.6 机械锁紧烧结阀座圈[17]
当前,阀座圈的设计通常都是将阀座圈置于液氮中冷却,以使阀座圈外径缩小,有时,将铝缸盖进行加热,以使装阀座圈的埋头孔胀大。将冷却的阀座圈镶装于缸盖的埋头孔中,回复到室温后,胀大的阀座圈就被冷缩的缸盖箍紧,形成严密的紧配合。
为减低生产成本,改进阀座的导热性及降低气门的温度,英国ＭａｎｇａｎｅｓｅＢｒｏｎｚｅ公司开发了一种机械锁紧烧结阀座圈,见图34。这种烧结阀座圈具有以下三个特点:
·有一能与缸盖埋头孔自由配合的导向直径;
·有一固位槽;
·有一锁紧环。
将导向直径置于埋头孔中,然后在阀座圈顶部施加压力(图35)。将锁紧环压入铝缸盖中时,就开始将铝逐渐挤压充填到固位槽中。将阀座圈全部压入缸盖中时,固位槽中也将充满了铝(图36),形成一正压锁紧机构。
机械锁紧烧结阀座圈的主要好处是,镶装时不再需要液氮冷却和加热缸盖。附带的好处有,可将现在用的阀座圈高度减小一半,改进阀座的导热性,降低气门的温度,以及增高燃料油气的混合效率。
为试验机械锁紧阀座圈,ＭａｎｇａｎｅｓｅＢｒｏｎｚｅ公司开发了一系列烧结合金,其中包括以410不锈钢为基的合金和铜合金熔渗工具钢。它们的化学成分、密度及硬度见表16。
为减低生产成本,ＭａｎｇａｎｅｓｅＢｒｏｎｚｅ公司开发了不进行熔渗,以及在低于1150℃的温度下,可烧结到高密度的烧结工具钢合金。
5.7 烧结工具钢基阀座圈合金
1980年,Ｂｒｉｃｏ公司利用Ｐｏｗｄｒｅｘ公司研制的合金钢粉,在世界上首先开发了烧结高速钢阀座圈。
为开发机械锁紧烧结阀座圈,ＭａｎｇａｎｅｓｅＢｒｏｎｚｅ公司较系统地研究过用于制造进气门阀座圈的材料,这是以Ｍ3/2(Ｍ3Ｃｌａｓｓ2)工具钢为基的烧结合金[18]。他们通过混入铁粉、铜基合金熔渗及添加碳或磷之类合金化元素,改进合金的烧结性,从而将合金的烧结温度降低到1150℃以下,以减低合金的生产成本。
该公司选用Ｍ3/2工具钢粉作为原料粉。像Ｍ3/2之类的工具钢,通常都是在真空炉中,于高温(～1240℃,取决于材料的组成)下烧结的。可是,工业生产用的连续式网带烧结炉,其烧结温度都不得高于1150℃。为适应工业生产用烧结设备的限制,研究了改进工具钢基合金的烧结性的可能性。试验是循以下三条途径进行的:
在工具钢粉中混入一般的低合金钢粉或钢粉,以改进混合粉的压缩性与烧结性,并减低原料费用;
用铜基合金熔渗工具钢基体,通过增高合金的最终密度,改进工具钢的烧结性;
为改进工具钢粉的烧结性,在其中添加以碳或磷之类的合金化添加剂。
试验用粉末混合物的化学组成见表17。表18示试验材料的压制态与烧结态密度。
由表18可看出,在Ｍ3/2工具钢粉中混入50%铁粉时,材料ＲＨＡ的烧结密度没有明显增高。
进行熔渗试验时,选用的熔渗剂为Ｃｕ 0 9Ｎｉ0 9Ｍｎ 5 0Ｆｅ 1 3Ｚｎ合金。为有助于熔渗和保证工具钢基体的含碳量具有适当水平,添加了1%石墨粉。为稳定组织,增高硬度,将烧结合金于1050℃下固溶处理后,在油中淬火,并于600℃下回火。烧结合金处理后的硬度为78ＨＲＡ。表16中的材料ＳＶＦ125就是铜合金熔渗的烧结工具钢基合金。由表18知,其于1120℃下烧结时的烧结密度已高达7 50ｇ/ｃｍ3。
由ＳＶＦ125合金制作的机械锁紧阀座圈装在2000ｃ ｃ 的ＲｏｖｅｒＭｏｎｔｅｇｏＭＧ发动机缸盖上,运行46690ｋｍ后,检验表明,装于缸盖中的阀座圈没有松动或微振磨损的迹象。未见磨损证明了这种机械锁紧阀座圈是可用的。
为简化生产工艺,减低生产成本,试验研究了用添加碳、磷之类合金添加剂制作化学组成大体上和ＳＶＦ125合金相同的烧结合金。为改进工具钢的烧结性和采用一次压制-烧结工艺,将铁粉、石墨及铜-磷合金粉混入工具钢粉中,采用的粉末组合见表17中的ＲＨＡＦ、ＲＨＢＦ、ＲＡＦ、ＲＢＦ、ＱＢＦ、ＱＣＦ、ＩＡＦ,其烧结密度见表18。
将ＣｕＰ粉末加于50:50工具钢粉-铁粉混合粉(ＲＨＢＦ)中时,烧结时未发生明显的致密化。可是,将ＣｕＰ粉添加于工具钢粉(ＲＢＦ)中时,烧结合金的密度显著增高,见表18。进一步的工作表明,通过精心调整含碳量,ＲＢＦ合金的最终烧结密度和试样ＱＢＦ与ＱＣＦ一样,可达到接近100%理论密度。表19示于1150℃下烧结的ＲＢＦ合金的烧结密度因压制密度改变之变化。
对于许多应用,不一定需要达到100%理论密度。表20为测定的ＩＡＦ合金烧结温度与烧结密度的关系。于1100℃下烧结就大体上达到了铜合金熔渗工具钢合金的同样密度。
5.8 用于进气门阀座圈的烧结合金[12,19]
进气门阀座的最高工作温度约为350℃、阀座圈温度约为250℃。在此温度下,在进气门与阀座圈表面不大可能形成氧化物,特别是使用无Ｐｂ汽油时,有时由于进气门和阀座圈产生金属接触,可能会导致后者严重磨损。
表21示汽油发动机中使用的进气门烧结阀座圈合金。
烧结钢Ａ是制造进气门阀座圈的一种基体材料,其中含有Ｆｅ Ｍｏ金属间化合物与Ｆｅ Ｃｒ Ｍｏ Ｃｏ硬质颗粒,但不含润滑剂,也未进行过浸渗处理。因此,不适用于无Ｐｂ汽油发动机。为此,开发了用于无Ｐｂ汽油发动机的进气门阀座圈烧结钢Ｂ。
烧结钢Ｂ的基体为富Ｃｏ索氏体并进行过浸渗铅处理,成功地用于了有铅与无铅汽油发动机的进气门阀座圈。但用于高性能有铅汽油发动机时,进气门阀座圈的磨损相当大。
研究发现,烧结钢Ｂ制造的进气门阀座圈用于高性能汽油发动机时,阀座圈表面产生剥落性磨损并形成一些沉积物。这是由于烧结钢Ｂ与汽油中的铅和除铅剂化合生成的表面沉积物(见表22)所致。这些沉积物阻碍热传导,致使阀座圈中蓄积大量热量,导致阀座圈温度升高与浸渗的Ｐｂ体积胀大。结果孔隙间界被破坏,产生表面剥落性磨损。
根据上述研究结果,开发了用于进气门阀座圈的烧结钢Ｃ。烧结钢Ｃ是利用真空烧结,通过瞬时液相烧结法制成的。其中含有均匀沉积的碳化钼,以及作为润滑剂的铜。由烧结钢Ｃ制造的进气门阀座圈迄今仍用于日本日产汽车(株)的以ＶＱ发动机为首的许多有铅与无铅汽油发动机中[19]。
6 结束语
从上述不难看出,汽车发动机粉末冶金阀座圈合金是一类只能用粉末冶金技术生产的“定制合金”制品。所谓“定制合金”是指依据“量体裁衣”原则,根据发动机的具体使用工况“特制”的合金。
(1)粉末冶金阀座圈合金是一类无行业标准、无国家标准、无国际标准的“定制合金”。这是一类高密度、高合金、耐磨、耐蚀、耐热烧结合金,而不是用一般粉末冶金工艺制造的常规粉末冶金制品。
(2)粉末冶金阀座圈合金都是依据发动机功率大小、所用燃料等具体工况,按一定程序,由粉末冶金与发动机生产企业共同合作开发的。例如,开发的适用于无铅汽油发动机的阀座圈合金,就很可能不宜用于ＬＰＧ发动机。
(3)依据发动机的工况和使用的燃料,现已开发出适用于有铅汽油、无铅汽油、ＬＰＧ、ＣＮＧ、柴油,以及功率大小不同的发动机的粉末冶金阀座圈合金。现在汽车发动机中使用的阀座圈合金,90%以上是用粉末冶金技术生产的。
(4)粉末冶金阀座圈合金是一类高合金高密度材料,因此,大多是用2Ｐ2Ｓ(二次压制-二次烧结)、冷锻、粉末锻造、液相烧结等工艺生产的。
(5)粉末冶金阀座圈合金的发展趋向是不用或少用钴,不用铅作润滑剂。
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