粉末冶金氣門閥座材料及熱處理工藝

肖紫圣+羅成+陳叢勝+華建杰

摘要：氣門閥座主要用于與氣門配合控制燃氣和廢氣的進出。文章介紹了粉末冶金氣門閥座的應用及國內外研究現狀，分析了其工作環境及性能要求，并就氣門閥座的材料成分、熱處理工藝及孔隙度與合金元素對其熱處理過程的影響等問題進行了討論。

關鍵詞：粉末冶金；氣門閥座材料；孔隙度；合金元素；熱處理工藝 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK403 文章編號：1009-2374（2016）35-0097-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.047

氣門閥座是發動機上的重要部件，其功能是與氣門配合控制燃氣和廢氣的進出。20世紀90年代開始，得益于粉末冶金獨特的加工制造技術，粉末冶金技術生產的發動機氣門閥座具有材料利用率高、設計自由度大等優點，適合大批量的生產，因而應用十分廣泛。例如，重慶華孚粉末冶金廠已批量生產粉末冶金閥座，取得了可喜的經濟效益。

傳統粉末冶金閥座多采用添加合金元素來提高其耐磨性，并未進行熱處理。燒結后得到細片狀珠光體+隱晶馬氏體+粒狀碳化物等組織，高溫時容易出現硬度下降、粘著、磨蝕等現象，導致磨損嚴重。本文以熱硬性材料和減磨材料為基體，通過添加合金元素以及采用熱處理等方式，探究了閥座生產的材料及其強化工藝，為閥座的生產制造提供參考了一定的參考依據。

1 閥座材料的選用

1.1 閥座成分分析

隨著粉末冶金閥座的不斷開發，閥座選材范圍極大拓寬，筆者總結目前使用的粉末混合有鐵粉、合金元素粉、預合金粉、硬質相粉、硬脂酸鋅粉等。其中鐵粉常以化合物的形式添加作基體材料，如FeMo；合金元素Cu、Cr、S等形成固溶強化和金屬間化合物；預混粉可以使某些難以與基體結合的元素起作用，如WC；硬質相粉Mo、Co等起彌散強化；硬脂酸鋅粉提高粉末壓制性。

1.2 閥座材料成分的設計

常用閥座配方為低合金預混粉+高合金硬質顆粒+減磨材料，其化學成分如表1所示：

表1中Mn能提高閥座的淬透性和耐磨性；S能引起活化燒結、增加密度和改善切削性等；Cu具有很好的固溶強化作用，還能起到活化燒結，有利于提高密度和強度，并能改善材料的抗腐蝕性；Mo有很強的細化晶粒作用和有效改善回火脆性；Cr可以有效地改善閥座的抗腐蝕、抗氧化性；V能細化奧氏體晶粒；C是鐵基材料中應用最多的合金元素，含量對鐵基材料的強韌性起顯著影響。添加Co、WC作為硬質顆粒，起彌散強化作用；添加合金元素MoS2改善閥座自潤滑性。

2 熔滲處理

熔滲是將粉末坯體與液體金屬接觸或浸在液體金屬內，讓坯塊內空隙為金屬液填充，冷卻下來就得到致密材料或零件，這種工藝稱為熔滲。試驗時為減少對設備依賴，可將制好的銅環放置在閥座上，進行燒結，由于銅的熔點比較低，在高溫燒結環境下熔化滲入到樣品中，從而完成對樣品的滲銅處理。粉末冶金零件一般孔隙度為15%～25%（5.9～6.7g/cm3），經熔滲處理后，孔隙度可降至2%～5%（7.4～7.6g/cm3）。

3 閥座熱處理分析

3.1 孔隙對閥座淬透性的影響

粉末冶金閥座屬于燒結鋼，與致密鋼相比，閥座內的孔隙會降低閥座的導熱性，從而使淬透性變差。圖1形象地表明了粉末冶金熱處理的兩個重要特征：孔隙率不僅影響淬透性，甚至對密度也產生重要影響，因而降低了粉末冶金材料的表面硬度。

3.2 孔隙對碳含量的影響

由于閥座孔隙的存在，燒結或熱處理過程中，閥座內的碳在高溫下通過孔隙與氫或氧發生作用生成甲烷或一氧化碳，使閥座碳含量降低，淬火后產生組織應力，裂紋及馬氏體轉變不完全，閥座耐磨性降低等缺陷。因此，對于含有6%以上孔隙的燒結鋼熱處理要在保護性氣氛（如添加有甲烷的氮基氣氛、分解氨等）中進行。

3.3 合金元素對熱處理的影響

根據前面閥座材料成分設計，合金元素C的加入可以增加過冷奧氏體的穩定性，降低其淬火臨界冷卻速率，提高其淬透性；加入Ni、V、Mo等元素能細化奧氏體晶粒，改善閥座熱處理后的力學性能，特別是沖擊韌性；加入Mo、Mn、Cr、Cu等元素可以顯著提高閥座的淬透性，Mo、Cr、V等元素還能增加回火穩定性；Mn、Cr、P等元素有造成回火脆性作用，但同時添加少量Cu，可以減弱回火脆性或阻止其產生。

3.4 組織均勻性對奧氏體化的影響

燒結鋼組織的重新分布主要依靠擴散來進行。由于碳的分布不均勻，燒結鋼組織均勻性差，奧氏體均勻化的溫度和時間要比致密鋼高得多。在條件相同的情況下，燒結鐵基材料達到完全奧氏體化所需要的時間大約比相應的鍛件長50%。當添加合金元素時，完全奧氏體化需要更高的溫度或更長的時間。

4 熱處理工藝確定

4.1 預備熱處理

在預備熱處理階段，退火可以使粉末因制備、存放等引起的粉末氧化物還原。另外，退火中的還原性氣氛可降低碳和其他雜質的含量，提高粉末的純度。通常，退火溫度為主要金屬熔點的0.5～0.6倍。有時為避免顆粒間發生燒結，一般采用較低的還原溫度；有時為了進一步提高粉末的純度，退火溫度又有提高，因此，實際操作中因以所需目標配合恰當的保溫時間進行合理選擇。

4.2 最終熱處理

4.2.1 奧氏體化溫度確定。鋼奧氏體化時，組織轉變會有遲滯現象，需要一定的過熱度。筆者認為：亞共析鋼（致密）在淬火前加熱到Ac3以上某一溫度并保溫一段時間，而燒結鋼由于存在空隙，導熱率低以及部分合金元素（Cr、Mo、V等）減慢奧氏體化過程，延長保溫時間會降低生產效率，同時增加成本，故多采用提高溫度，一般高出50℃左右，即燒結鋼加熱溫度應高出Ac38℃～100℃。

應該注意的是，由于成本與性能的約束，具體奧氏體化溫度應與保溫時間配合選取，保溫時間長短視零件形狀和尺寸而定。

4.2.2 淬火方式。對于鐵基粉末冶金零件，最好是淬于溫油（50℃）中，這是因為粉末冶金零件具有孔隙度，淬火冷卻速度太快時，零件可能開裂。

4.2.3 回火。回火是金屬淬火后經常使用的熱處理工藝，目的有兩個：一是消除內應力，降低材料的脆性；二是使殘余奧氏體轉變成要求的組織。

根據上述對閥座工作環境和工作特點分析，需要閥座具有良好的綜合性能，即耐磨和耐沖擊等，反映到力學性能指標為：強硬度高，塑韌性好。故采用500℃～600℃回火溫度效果好。同時，考慮多次回火消除殘余奧氏體，提高閥座強韌性。

4.2.4 最終熱處理補充。作為金屬熱處理的補充，深冷處理得到了廣泛研究，其作用和機理的研究已經很成熟。只是目前還沒有形成一定的行業標準，即不確定零件在淬火后直接進行深冷處理，還是淬火+回火（單次或多次）+深冷處理以及深冷處理后是否需要再次回火處理等。不過，確定的是，深冷處理作為熱處理的延伸，在熱處理過程中使用均得到了顯著效果。在閥座的制備過程中，深冷處理尚未見報道，而深冷處理作為提升零件使用壽命的方法，對閥座而言，具有很大的研究價值。

5 結語

（1）根據閥座的使用環境和工作特點，采用W6Mo5Cr4V2粉末為基體，添加Cr、Mo、Si、Ni等硬質顆粒對基體彌散強化；MoS2等減磨材料提高閥座的耐磨性；MnS改善閥座的切削性能，熔滲Cu填充空隙；硬脂酸鋅提高成形性。提高閥座的機械性能；（2）與致密材料相比，閥座碳分布不均勻，受孔隙度的影響，閥座淬透性差，加入合金元素后得到改善；（3）閥座熱處理工藝，即淬火（油冷）+高溫回火（多次），閥座具有良好的綜合性能；（4）熱處理后，深冷處理作為熱處理補充對閥座使用壽命提升，具有很大研究價值。

參考文獻

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基金項目：2016年度湖北汽車工業學院碩士研究生創新基金資助項目。

作者簡介：肖紫圣（1991-），男，湖北漢川人，湖北汽車工業學院材料科學與工程學院碩士，研究方向：粉末冶金。

（責任編輯：蔣建華）