新型氣門座圈材料

【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了1種以粉末冶金為基礎的新型材料，采用其合金材料使柴油機和汽油機進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　更高的熱負荷和機械負荷

隨著汽油機的新發展，氣門座圈需要承受更高的熱負荷和機械負荷，例如在發動機小型化及與之相關的高增壓和減少全負荷加濃的情況下，氣門座圈處的廢氣溫度提高，所產生的高燃燒壓力導致了零件變形較大。此外，在燃油噴射(如采用E25代用燃料)和發動機低速化導致了特殊的摩擦邊界條件。而在轎車柴油機上，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，以及減少碳煙濃度等方面的原因又進一步促使了氣門座圈的磨損。除了氣門座圈在發動機上的使用性能之外，原材料成本及制造過程中高效的可加工性對于氣門座圈材料在量產中的應用也起著重要的作用。

在這樣的背景下，Federal Mogul公司動力傳動部門已設計了2種以粉末冶金技術為基礎的新型氣門座圈材料。特別是因為高度自動化近乎網狀的生產工藝，以及技術上完全成熟且價格低廉的組分材料，粉末冶金作為具有競爭力的應用的技術[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展趨勢，由合適的合金基質和專門開發的硬化顆粒組成了氣門座圈材料，這兩種專門開發的硬化顆粒合金是根據氣門座圈的要求設計的，從粉末冶金噴涂直至燒結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

FM-S14A粉末冶金合金應用了名為LTS(Lean Tool Steel)的Federal Mogul公司硬化顆粒專利技術，并在生產中已使用約2年，其開發要求是比傳統工具鋼粉末冶金具有更高的耐磨性，研究獲得了1種內部開發和生產的高壓水噴霧混合鋼，不僅含碳量高，并且具有獨一無二的結構。

在噴霧工藝的最初階段，硬化顆粒與熔液(圖1)一起開發，其中應用了超過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保持碳化形成物的氧化水平[2]，因而合金成分不會形成氧化物，并在燒結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-珠光體基質組織相結合，從而在具有良好可加工性和制造剛性的同時，達到與工具鋼相似的耐久性。

此外，剩余的碳可用于擴散到1種或多種混合粉末的混合物中，從而在燒結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。過量的碳混合有時會導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技術完全不同，水噴霧硬化顆粒(WAHP)是Federal Mogul公司開發的第2種專利硬化相技術。

(a)

(b)

(c)

(d)

第1種合金方案在很多發動機試驗中已顯示出可有效改善進排氣門座圈。這種方案為第2種達到目標提供了1個良好的起始點，可進一步優化可加工性性能。為此，硬化顆粒、基質和組分材料的組合在投放市場之前被再次進行修改。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出兼顧可靠性和經濟性的氣門座圈產品，并獲得所期望的性能參數，例如機械強度、耐磨性，以及良好的可加工性，這為成功地開發出用于氣門座圈的粉末冶金復合材料制訂出關鍵的規范。

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合結構組織的內部，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%的碳含量結合起來，而鉬因其價格的不穩定性不予考慮，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(圖3)是材料復合的主要成分，在一定程度上聚合了整個組分。

圖3　FM-SITD VSR的材料顯微金相組織

3　用戶要求的驗證試驗

在粉末冶金合金經過所有的材料特性和制造性能測試后，在材料認可之前最重要的步驟之一是驗證是否滿足用戶要求。其中，最初的模型磨損試驗(圖4)在標準化摩擦測定儀[3]上進行，從中得出經篩選的用于部件試驗的潛在對象。這種試驗在接近發動機的模擬條件下進行，并且與真實的氣門接觸。由采用不同氣門技術的各種結構的發動機試驗進行測試，并與同類產品進行比較，來證明這種材料的可靠性，從而盡可能評估出該材料在開發項目中的性能。

(a)

在研發中采用2種不同的汽油機機型(自然吸氣進氣道噴射和增壓缸內直接噴射)和3種不同的檢驗程序(額定功率、交變負荷和市內行駛)及部分采用E25燃料運行，在FM-S14A合金氣門座圈與感應淬火硬化氮化氣門配對的工況下進行試驗。在大多數試驗中，進排氣側都使用FM-S14A合金氣門座圈。試驗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。

試驗結果表明，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材料，并且比工具鋼的磨損小。從其他發動機應用場合獲得的結果更充分證明了這樣的狀況。

這種檢驗方法同樣也已適用于FM-S17D合金在發動機進排氣側的試驗，它被安裝在升功率為70 kW 的歐6柴油機機型氣缸蓋上。試驗結果表明，與當前批量生產所使用的高合金材料相比，其具有相當耐磨損。

高的合金元素含量或應用硬化顆粒可能會因切口應力集中效應、剝落或折斷而導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個斷開的切口。良好的材料組織和加工時的正確操

作規范可能是解決這些問題的方案，并應該在開發初期和確定工藝時予以考慮。

Federal Mogul公司的專家組與刀具制造商在自動化加工和分析設備上對這種材料的可加工性進行了試驗。例如在很大的進刀和切削速度范圍內對FM-S14A進行了試驗(圖6)。最終，在接近批量生產夾具條件下，采用用戶批量生產用刀具和切削速度加工了大量的氣門座圈。這些試驗表明，這種材料在工藝規范相差很大的情況下仍表現得很穩定，因此與耐磨性相當的材料相比，這種材料加工能擴展到可接受的加工參數范圍，并已應用于生產，而且加工時使用的潤滑液數量最少[5]。同時，與傳統的氣門座圈用粉末冶金技術相比，這種材料表現出卓越的刀具使用壽命，因此對降低加工成本和環保型的加工方法做出了貢獻。

圖5　不同發動機型和試驗程序時氣門座圈的磨損結果

4　結論

與不同技術氣門配對的耐磨性、燃料相容性、加工時的剛度和低的總成本是開發氣門座圈用粉末冶金合金的研發要求。本文所介紹的粉末冶金技術消除了使用硬化顆粒開發工作能力更強的新型材料時所受到的限制，并專門為這種用途制定了所必需的合金和粉末的生產方案。FM-S14A和FM-S17D這2種材料已完全成熟，并已通過發動機試驗和接近批量生產的加工試驗，證實其能滿足所有要求。

5　展望

在進一步的材料開發中，新型的硬化顆粒材料LTS和WAHP將在包括滲銅在內的各種不同的規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用，在這些應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)