1前言

以往应用在汽油发动机和柴油发动机上的进气、排气阀座一直使用铸造合金材料,例如:南京汽车制造厂生产的ＮＩＤ433柴油发动机的气门阀座就是这种材料。但是近年来由于发动机的负荷越来越高,致使阀座磨损、腐蚀严重,原始的铸造阀座已无法适应新的使用要求,而粉末冶金气门阀座材料则是一种比较理想的有很大潜力的新型材料,可有效地防止阀座在高温条件下使用时出现塌陷。和铸造法相比,它具有晶粒细小、偏析少、金相组织稳定等特点,还可以在合金中添加其它微量元素,从而能较方便地改善材料的综合性能。本文采用在水雾化高(Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ)预合金粉末中混入ＷＣ粉的方法,研究了硬质相的加入量对粉末冶金高(Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ)烧结钢气门阀座合金的密度、硬度、横向断裂强度的影响以及合金热处理后硬度的变化,用ＳＥＭ研究了合金中碳化物质及ＷＣ硬质相的分布特征。

2试验原料与设备

2.1试验原料

用高压水雾化预合金钢粉末为基体合金粉末。

高压水雾化预合金粉末,颗粒形状为不规则形状、<100μｍ、松装密度>2.5ｇ/ｃｍ3。在预合金粉末中加入一定量的液相形成元素:磷铁(Ｆｅ3Ｐ)粉(含磷15.6%),石墨粉。磷铁粉为工业纯,<75μｍ;石墨粉为<75μｍ;ＷＣ粉为株洲601厂生产(2～3μｍ)用以上粉末按其含量配制成Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ五种成分的合金粉末。

2.2试验设备及所用仪器

试验中所用的设备主要有球磨混料机、油压机、钼丝烧结炉、热处理炉,检测仪器有6ｋＮ万能材力试验机、洛氏硬度计、分析天平、扫描电子显微镜(ＳＥＭ),台架试验机为ＢＪ493Ｑ型柴油机。

3试验内容与方法

3.1ＷＣ含量对烧结材料的性能的影响

ＷＣ含量不同的五种合金粉末,经球磨混料45ｍｉｎ(球料比为3∶1),采用钢压模压制,单位压制压力为650ＭＰａ,分别压制成两种压坯:Ф13ｍｍ×6ｍｍ和6.5ｍｍ×6.5ｍｍ×40ｍｍ。将压坯在氢气保护的钼丝烧结炉中,于1190℃烧结60ｍｉｎ,经水套冷却出炉。采用排水法(天平精度为0.0001ｇ),测量烧结合金的密度,每种成分的合金测10个试样取平均值。用洛氏硬度计测量试样的硬度(ＨＲＣ),每个试样测5个点,每种合金测10个试样,取平均值。用三点弯曲试验法(跨距24ｍｍ)在6ｋＮ材力试验机上,测量烧结试样的横向断裂强度(ＴＲＳ)。试样经磨床磨成50ｍｍ×50ｍｍ×35ｍｍ统一尺寸,再用1000#砂纸磨平并抛光表面及棱角,经80℃真空烘干4ｈ,测试10个试样取平均值。

为了观察ＷＣ粉加入前后烧结合金显微组织的变化及ＷＣ颗粒在基体中的分布,将烧结合金制备成金相试样并用5%的硝酸酒精腐蚀后,扫描电镜观察ＷＣ是否形成了有利于阀座材料在高温长时间使用所需的硬质相网状结构及实际分布情况。

3.2不同ＷＣ含量对合金淬火后硬度的影响

气门阀座在使用时的硬度要求由于受气门阀体硬度的限制,一般要求气门阀座材料的硬度控制在39～42ＨＲＣ范围内。但是从气门阀座的生产工艺来看,如果烧结出炉状态时的硬度低于该硬度范围,在加工工序安排上,就必须先淬火、回火然后研磨精加工,否则变形问题很难解决。如果合金在烧结出炉状态时的硬度正好在39～42ＨＲＣ范围,此时以精车代磨,从生产工艺上看可以省去淬火、回火和研磨工序,这对降低生产成本、控制合金质量十分有利。本文在研究合金硬度时,主要研究目标是在保证烧结出炉状态时硬度达到39～42ＨＲＣ,而且在淬火、回火工艺下硬度有提高的余地,特别是在350～400℃长期时效状态下硬度要稳定。为此在试验中首先要研究ＷＣ含量与合金出炉态硬度的关系并测定试样在350℃经100ｈ时效过程中硬度的变化。同时研究淬火工艺对合金最终硬度的影响。本文采用两种淬火、回火工艺:

(1)1000℃保温20ｍｉｎ后,油淬,然后经500℃回火120ｍｉｎ。

(2)900℃保温20ｍｉｎ后,油淬,然后经500℃回火120ｍｉｎ。

五种合金,分别测量其在上述热处理工艺下的硬度变化,从而研究不同的ＷＣ含量对合金淬火、回火后的硬度的影响。

3.3台架试验

选取Ａ、Ｃ号合金分别制成ＢＪ493Ｑ柴油机用的进、排气门阀座,并按标准进行600ｈ可靠性考核试验。台架试验是在ＢＪ493Ｑ柴油机上进行,最终磨损量由各缸的进、排气阀座磨损量取统计平均值。

试验条件如下:

1)不带空气滤清器,发动机空载。

2)机油外冷却。

3)样机经过44ｈ磨合。

4)试验用油:按ＧＢ252要求的20#轻柴油,15Ｗ/40ＣＤ级柴油机油。

5)水温80℃±5℃,机油温度85℃±5℃。

4结果与讨论

4.1ＷＣ含量对烧结后材料的性能的影响

五种合金的烧结态密度、理论密度及相对密度。

Ａ、Ｂ、Ｃ三种烧结合金的密度、硬度曲线可以看出:随着ＷＣ的含量升高,合金的密度、硬度都有所增加,这是因为ＷＣ本身的密度、硬度较基体合金高很多所致。

ＷＣ粉含量对合金横向断裂强度的影响。合金的横向断裂强度随ＷＣ粉含量的增加明显下降,这是因为加入的碳化钨硬质点相主要集中在合金的晶界处。这些碳化钨不仅多以网状或片状分布在晶界,而且碳化钨本身较脆,故使合金的最终横向断裂强度降低。同时也因相对密度逐渐减少即孔隙度增大所致。

Ａ、Ｂ两种合金于1190℃烧结45ｍｉｎ后的ＳＥＭ照片。可以看出:Ａ、Ｂ两种合金烧结后的晶粒度基本相同,这说明ＷＣ的加入并未明显影响晶粒长大。晶界做局部放大,可以看出:ＷＣ的颗粒形貌已不是加入时的形状,而是以网状或片状聚集在晶界处。经能谱分析可知,原加入的ＷＣ经高温烧结后其成分已不是纯ＷＣ而是复式碳化物了,这种组织有利于形成硬质相的骨架结构。显然用这种材料制造进、排气阀座零件时,可以有效防止环形塌陷和磨损。

4.2不同ＷＣ含量对合金淬火后硬度的影响

Ｃ、Ｅ号合金烧结态、淬火回火态的硬度值，可以看出烧结态合金的硬度仍在42～43ＨＲＣ范围,而且对Ｃ、Ｅ号烧结态合金的测量表明,在(空气中)350～450℃,长达600ｈ的连续加热时效过程中,硬度值分别由42ＨＲＣ、43ＨＲＣ增加到425ＨＲＣ、435ＨＲＣ。由此可以认为烧结合金在使用过程中硬度会保持稳定值。

淬火工艺对硬度的影响。由Ｃ号合金在900℃保温20ｍｉｎ淬火、500℃回火后,硬度只有少量提高。但在1000℃保温20ｍｉｎ油淬、经500℃回火、合金硬度由44ＨＲＣ提高到62ＨＲＣ。当ＷＣ的质量分数为6.0%时,经1000℃淬火500℃回火,硬度由45ＨＲＣ升到65ＨＲＣ。显然,烧结合金在900℃保温20ｍｉｎ淬火,由于合金中奥氏体的均匀化不完全,这样在淬火时达不到理想马氏体量,会残留大量奥氏体,硬度较低。高温回火后,回火索氏体生成,残余奥氏体分解,故合金硬度提高不明显。当ＷＣ的质量分数为6.0%而且经1000℃淬火,合金中奥氏体的均匀化程度有所提高,淬火时马氏体量也提高,残余奥氏体量减少,故硬度也有提高。500℃回火后,淬火时马氏体转变成回火索氏体,但因ＷＣ量增加,基体合金中有大量的碳化物质点在晶内析出,造成弥散硬化,明显地提高了基体硬度。

4.3ＷＣ的加入对气门阀座使用性能的影响

通过600ｈ可靠性试验考察Ａ、Ｃ号合金气门阀座的使用性能。

Ａ号合金由于加入ＷＣ硬质点故在600ｈ可靠性试验后进、排气阀座的磨损量偏大。但并没有影响整机的性能。说明Ａ号合金可基本满足ＢＪ493Ｑ柴油机的要求。Ｃ合金由于加入ＷＣ(4%)硬质点,故在600ｈ可靠性试验后各阀座磨损量明显减小,可满足柴油机使用要求。

5结论

1)随着ＷＣ含量增加,烧结合金的密度(但相对密度减小)、硬度提高,横向断裂强度下降。

2)加入的ＷＣ经烧结后是以网状或片状存在于合金的晶界处,有利于形成硬质相的骨架结构,从而可提高气门阀座材料的高温使用性能。

3)ＷＣ的加入使合金淬火、回火后的硬度明显提高。