（材料学专业论文）汽车发动机用气门挺柱粉末冶金铁基材料的研制.pdf

摘要 本论文以发动机用气门挺柱为应用背景，研究了成分为 f e 一1 5 0 r 一0 5 m c r 2 c u - c 、f e 一1 3 0 r 一1 m o 一2 c u - c 和f e 一4 c r 一1 l m o 一2 c u c 的 三种粉末冶金铁基材料，分别称为低合金烧结钢、高铬烧结钢和高钼 烧结钢。 研究了混料方式及时间、烧结温度、碳含量、烧结方式以及热处 理工艺对材料性能的影响。结果表明：粉末冶金低合金烧结钢的制备 宜采用普通v 型混料桶混料。碳含量为0 8 1 2 ，烧结温度为 1 2 8 0 1 3 0 0 。c 时的样品物理力学性能最优。微波烧结低碳合金钢，在 降低温度的同时，可大幅缩短烧结时间，且制品具有良好的力学性能； 微波烧结制品的孔隙减小，力学性能有较大幅度提高。粉末冶金低合 金烧结钢淬火后硬度急剧上升，抗弯强度迅速减小。 研究了烧结温度、碳含量及热处理对高铬、高钼铁基材料性能的 影响。结果表明：在一定温度范围内，高铬、高钼铁基合金可实现烧 结致密化，适宜的液相烧结温度随碳含量增加而降低。1 2 4 0 烧结的 2 0 c 高铬合金和1 5 c 的高钼合金综合性能最优，前者达9 7 理论 密度，硬度为4 2 h r c ，抗弯强度为1 6 2 5 m p a ；后者达9 6 理论密度， 硬度为4 7 h r c ，抗弯强度为1 6 6 5 m p a 。高c 高合金铁基材料的烧结硬 度较高，但是网状碳化物给材料带来了很大的脆性。 研究了组织、硬度、成分和密度对粉末冶金烧结钢耐磨性的影响。 结果表明：烧结态高合金烧结钢的硬度很高，耐磨性好。热处理后， 高合金烧结钢硬度稳定，耐磨性有所提高；低合金烧结钢硬度急剧提 高，耐磨性增加，与4 5 钢磨损性能相当。粉末冶金烧结钢的磨损以 磨粒磨损为主。 关键词：粉末冶金，烧结钢，显微组织，耐磨性 a b s t r a c t i nt h i sr e s e a r c h ，t h r e ek i n d so fs i n t e r e ds t e e l sw i t hd i f f e r e n tc o n t e n t o fa l l o y i n ge l e m e n t sw e r es t u d i e do nt h eb a s i so fv a l v el i f l e r , t h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n o fw h i c ha r ef e 1 5 c r - o 5 m o - 2 c u c 、 f e 1 3 c r - i m o 2 c u - ca n df e - 4 c r - i i m o - 2 c u - cr e s p e c t i v e l y t h ef i r s to n e i sak i n do fs i n t e r e ds t e e lw i t hl o wa l l o y , w h i l et h es e c o n do n ei sak i n do f s i n t e r e ds t e e lw i t hh i 曲c ra n dcc o n t e n t , t h et h i r do n ec o n t a i n sh i 曲m o o p t i c a lm i e r o s t m c t u r e ，x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p i c ( s e m ) w e r eu s e dt oa n a l y s i st h el i q u i df o r m i n gt e m p e r a t u r e ， p h a s ec o m p o s i t i o na n d 也em i c r o s t r u c t u r e 1 1 l ee f f e c to fm i x e rs t y l ea n dt i m e ，s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，c a r b i d e ， s i n t e r i n gs t y l ea n dh e a tt r e a t m e n to n m a t e r i a lp r o p e r t i e sw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc o m m o r lv - m i x e rm i x i n gs u i t e dw i t ht h e p r o d u c t i o no fp ml o wa l l o ys i n t e r e d - s t e e l i tw a sb e s tt h a tt h es a m p l eo f 0 8 - 1 2 ca n d1 2 8 0 1 3 0 0 s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e m i c r o w a v e s i n t e r i n gc a nn o to n l yr e d u c es i n t e r i n gt e m p e r a t u r ea n ds h o r t e ns i n t e r i n g t i m ei nl a r g er a n g e ，b u ta l s od e c r e a s ep o r ea n di n c r e a s ed e n s i t y , h a r d n e s s ， b e n d i n gs t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t hi nl a r g er a n g e ，c o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a lv a c u u ms i n t e r i n g t h ee 行b c to fs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e c a r b i d ea n dh e a tt r e a t m e n to n h i 曲a l l o ym a t e r i a lp r o p e r t i e sw a si n v e s t i g a t e d t l er e s u l t ss h o w e dt h a t r a i s i n gs i n t e r i n gt e m p e r a t u r ea n dc a r b o nc o n t e n tc a ne n h a n c e t h e d e n s i f i c a t i o no fh i g ha l l o ym a t e r i a lw i t hh i g hc o n t e n to fc a r b i d ef o r m i n g e l e m e n t s l i q u i dp h a s es i n t e r i n gt e m p e r a t u r ew o u l dd e c r e a s ew h e n c a r b i d ei n c r e a s e t h ed e n s i t yr e a c h e d9 7 t h e o r yd e n s i t y , m o r e o v e rt h e h a r d n e s sa n dt r sw e r e4 2 h r ca n d1 6 2 5 田ab v2 0 ch i g h - c rs i n t e r e d s t e e la t1 2 4 0 s i n t e r i n g t h ed e n s i t y , h a r d n e s sa n dt r sw e r e9 6 4 7 h f t ca n d1 6 6 5 m p ab y1 5 ch i g h - m os i n t e r e ds t e e la t1 2 4 0 s i n t e r i n g c a r b i d en e t w o r kp r e s e n ti nt h em i c r o s t r u c t u r e ，b u tt h i sk i n do f c a r b i d ei sd e t r i m e n t a lt ot h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h ee f f e c to fm i c r o s t r u c t u r e ，h a r d n e s s ，c o m p o s i t i o na n dd e n s i t yo n m a t e r i a la b r a s i o np r o p e r t i e sw a si n v e s t i g a t e d n l er e s u l t ss h o w e dt h a t s i n t e r e dh i g h - a l l o yp mm a t e r i a lh a dh i g hh a r d n e s sa n dg o o da b r a s i o n p r o p e r t y a f t e rh e a t - t r e a t e d , t h eh a r d n e s so fh i 曲a l l o ym a t e r i a lk e p t s t a b l e ，b u tt h eh a r d n e s si n c r e a s e dr a p i d l ya n da b r a s i o np r o p e r t yw a s i m p r o v e d ，f u r t h e r m o r ei tc o u l db ei ns t e a do f4 5s t e e l t h ea b r a s i o no f p ms i n t e r e ds t e e lw a sm a i n l yo f g r a i na b r a s i o n k e yw o r d s ：p o w d e rm e t a l l u r g y , s i n t e r e ds t e e l ，m i c r o s t r u c t u r e ， a b r a s i o np r o p e r t y i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导师蒯帆丛年螂 硕士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 国内外铁基粉末冶金结构零件的发展 烧结铁基粉末冶金结构零件是粉末冶金工业中产量最大、应用面最广的一类 产品，这类零件在二次世界大战时才崭露头角，在六十年代以后得到了飞速发展。 碳是铁基材料中使用最多的合金元素，烧结f e = c 合金又称为烧结钢。烧结 钢的性能是由其成分和组织所决定的。由于碳含量的变化，会使f c - c 合金呈现 不同的组织状况，因而使材料获得不同的力学性能。 铁基粉末冶金材料的发展大致经过了四个阶段。第二次世界大战前，铁基粉 末冶金材料的力学性能相当于普通铸铁，抗拉强度只有1 5 0 2 0 0 m p a ，而且零 件形状简单1 1 1 。5 0 年代左右，铜、镍等合金元素应用于粉末冶金材料。由于铜具 有固溶强化和减摩作用，可提高材料的强度、硬度和耐磨性；镍以羰基粉的形式 加入到f e - c 和e 。- c c u 系列当中，烧结钢的力学性能达到了可锻铸铁的水平， 抗拉强度达到4 0 0 m p a 。6 0 年代中期，由于铁粉质量显著提高，n i c u - m o 三元 预扩散合金铁粉出现，合金元素m o 既可进一步增高强度，又可以提高烧结合金 的淬透性，使抗拉强度达到6 0 0 m p a ，热处理后达l 0 0 0 1 1 0 0 m p a 。7 0 年代末期， c r 、m n 、v 等合金元素在烧结钢生产中应用，经二次压制二次烧结并热处理后， 抗拉强度达到1 4 0 0 m p a 。烧结并经锻造热处理后，抗拉强度可达1 8 0 0 1 9 0 0 m p a ， 相当于优质合金钢。 随着烧结结构零件制造技术的发展和密度的增高，为满足各项性能的要求， 逐步采用了合金元素n i 、m o 、c r 、m n 、p 、s i 等。例如，气门导管通常是用普 通灰铸铁或含硼或其它元素的特殊铸铁制造的，由于对性能好、价格低廉的气门 导管的需求在增长，为此发展了烧结气门导管。其材料组成为 f e 4 5 c u - 0 5 s n - o 2 5 p 2 0 c ，烧结密度6 5 9 c m 3 ，硬度7 5 h r b ，抗拉强度4 0 0 m p a w 。 烧结气门导管由于可进行固体润滑和含油润滑，耐磨性显著增高，产品质量非常 稳定；由于成品率提高，生产成本约降低2 5 。 近年来，人们对烧结铁基结构零件的性能要求越来越高，例如，随着高性能 汽车发动机的发展，对进、排气门座、凸轮轴等重要零件的耐热、耐磨等性能提 出了更高的要求1 3 1 ，于是需要开发和研制高合金粉末冶金钢。 铁基粉末冶金结构零件起源于含油轴承，并在汽车工业中得到了广泛的应 用，随即推广到其它工业部门。汽车用高性能结构零件所用材料目前仍以钢铁材 料为主，其中可用于粉末冶金的结构材料主要是铁系、低合金钢系、不锈钢系等， 硕士学位论文第一章文献综述 其用量大。由于粉末冶金技术是种节能环保、产品性能优异、精度高且稳定、 适合大批量生产的少、无切削的高效金属成形工艺，故倍受世界汽车工业界的重 视，美国的福特、通用，日本的丰田，马自达、本田等企业均有自己的粉末冶金 事业部。 汽车工业的蓬勃发展必将极大地带动粉末冶金工业的发展，因为在国外粉末 冶金制品的7 0 8 0 用于汽车工业。而且，随着我国加入w t o ，经济日益国 际化，为扩大我国粉末冶金产品出口提供了现实的机遇。目前汽车用粉末冶金件 累计已超过1 0 0 种，高性能铁基粉末冶金件已经相当普遍地应用于传动装置、发 动机等各个方面。从使用量看，2 0 0 1 年每部美国汽车中的粉末冶金件重达1 6 k g ， 2 0 0 5 年，粉末冶金零件在北美汽车中所占比重已增加到每辆车1 9 5 k g ，而在欧 洲车与日本车中，粉末冶金所占的比重分别为8 9 8 k g 与7 9 8 k g 。而我国目前每 部汽车使用的粉末冶金零部件仅为3 k g 6 k g 左右。从使用比例看，2 0 0 2 年中国 粉末冶金零件产量为2 6 5 万吨，用于汽车的粉末冶金零件为1 0 9 万吨，即使用 了4 1 ，而美国和加拿大为7 0 ，欧洲为8 0 ，日本为8 4 。 从我国整个粉末冶金应用领域看，2 0 0 5 年粉末冶金国内总需求量达到了8 6 7 万吨，市场份额为4 0 亿元左右。而目前世界仅粉末冶金结构件总需求量已达n 6 0 万吨，销售收入可达2 1 0 亿元，我国产量仅占5 左右。我国近年来铁基粉末冶金 零件产量正在快速增长( 见表1 1 ) ，2 0 0 2 年铁基结构件比上一年增长3 9 1 。到 2 0 0 5 年国内铁基粉末冶金件产量达到6 8 万吨，市场容量为3 2 亿元左右【4 】。 表1 - 1 近年来我国铁基粉末冶金零件产量统计( 单位：t ) t a b l e l - 1t h eo u t p u to f p mi r o n - b a s e dp a r t sr e c e n ty e a r si nc h i n a 1 2 粉末冶金耐磨材料 金属磨损是造成机械零件失效的主要原因之一。统计资料表明，在失效的机 械零件中，大约有7 5 8 0 9 6 为机械磨损嘲。在科学技术高速发展的今天，对机械设 备的耐用性、可靠性和精度都提出了更高的要求。因此，提高金属材料的抗磨损 能力，研制新型抗磨合金具有很重要的意义。 2 硕士学位论文第一章文献综述 烧结铁基耐磨材料在一些国家如日本、德国、英国、意大利等已作了大量的研究 工作，在国内也作了一些工作”l 。有的研究成果已在实际中得到应用，如用作发 动机中的排气阀座和摇臂镶块材料。烧结铁基耐磨材料主要是借鉴于传统的铸锭 冶金耐磨材料的成分，采用铬、钼、锰、钒等能显著提高材料硬度和耐磨性的元 素，加入铜、磷等元素以便能在较低温度下实现液相烧结，获得高密度的材料。此 外，还常加入高硬度的第二相粒子以增强材料的耐磨性。 1 2 1 国内外对材料耐磨性研究简史和现状 磨损是普遍存在的现象，是造成材料与能源消耗的重要原因。磨损问题的重 要性十分突出，它在国民经济发展中占有举足轻重的地位。国内外技术人员十分 重视磨损基本理论研究，最终目的是防止和减少磨损。 磨损是材料三种主要失效形式之一，由于在生产生活中存在的广泛性，给国 民经济带来的损失极其巨大。如美国1 9 8 1 年公布的数字，每年由于磨损而造成的 损失高达1 0 0 0 亿美元，其中材料消耗约为2 0 0 亿美元，相当于材料年产量的7 。 前苏联由于磨损造成的损失，每年约为1 2 0 1 4 0 亿卢布嘲。前联邦德国技术科学 部估测，磨损造成的损失每年达i 0 0 亿马克。据估计，仅磨粒磨损每年就使工业 国家损失国民生产总值的1 4 。磨粒磨损在整个磨损中占5 0 ，那么粗略的估 计，磨损给工业国带来的损失可达国民生产总值的2 8 。在我国，磨损也造成 巨大的损失。据1 9 8 1 年对五个工业部门的估算，磨损件造成的钢铁消耗即达9 5 万吨( 其中冶金矿山4 5 万吨，采煤1 3 万吨，发电站1 3 万吨，建材工业1 2 万吨，农 业机械1 2 万吨) 。 在设计和制造设备与机械零件时，围绕能否将零件的表面硬度作为机械设 备可靠性和机械零件使用寿命的判据这一问题，4 0 年代，苏联mm xpymeb 用x 4 一b 磨损试验机对几十种材料的耐磨性进行了研究。他所提出的金属材料原 始硬度与耐磨性的关系，磨料硬度和材料硬度比值与材料耐磨性的关系，证明了 硬度高的材料其耐磨性能好。他的试验装置、实验技术和结果直到今天还是从事 磨损研究人员的理论与实验技术的基础。5 0 年代美国的h s a v e y 、6 0 年代英国的 r cd r i c h a r d s o n 和美国的j l a s s e n - b a r s s 也都进行了这方面的研究，而且注意 到零件表面的磨后硬度对材料耐磨性的影响。美国e r a b i n o w i c z 提出了磨损的简 化模型和数学表达式。他们都认为材料的硬度或磨后硬度是判断材料耐磨性最重 要的参数。 材料硬则韧性差，在某种程度上提高了零件耐磨性，但不能确保机械设备的 安全运行。7 0 年代，联邦德国z u m 6 a h r 根据断裂力学模型计算了临界载荷与磨损 表面硬度、磨粒尺寸、摩擦系数、材料断裂韧性及有利于裂纹扩展的组织参数一 平均自由程等参数的关系。美国c l i m a x 钼公司也进行了这方面的研究，他们测 硕士学位论文 第一章文献综述 定了几十种铸铁材料的k 。值，发现铸铁这类脆性材料要根据零件服役和工况条件 来定，所以到目前为止还只能在保证零件不断裂的条件下，提高零件材料的硬度 能在一定程度上提高其耐磨性n 帕。德国大众汽车公司s a n t a n a 汽车和日本日立粉 末冶金( 株) 汽车阀座材料中添加有c r 、m o 、c o 、n i 、v 、w 等合金元素，并在基 体弥散分布着金属化合物作为硬质相，经试验发现，硬质点的含量越高，耐磨性 越好“1 。 目前我国尚缺乏全面统计的数字，但各方面的报导表明，由于我国技术水平 的限制，材料耐磨性较差，我国大量基础零件的磨损寿命普遍大幅度低于国外先 进产品的水平，多数机械零件寿命( 甚至许多整机寿命) 为国外同类产品使用寿 命的一半，有的甚至是其十分之一。因磨损使精度下降、报废的设备数量也很惊 人。因此直接间接的经济损失也是十分惊人的。 对于材料耐磨性，我国也进行了大量的研究。夏继皋等人“2 1 研究了粉末冶金 材料的耐磨性能与材料的碳含量、密度、加添的合金元素、润滑条件等因素的关 系。刘喜明等人“”通过对摩擦磨损过程中马氏体相变的研究得出了摩擦诱发马氏 体相变有利于提高材料的耐磨性。邢建东等人“”对碳含量0 8 2 2 9 4 的f e 一2 0 o r 合金进行了8 0 0 下的高温磨损试验，得出结论：增加碳含量将有益于提高 8 0 0 下材料的耐磨性。 1 2 2 粉末冶金技术在耐磨材料上的应用 由于零件实际的服役条件、失效方式是比较复杂的，为了使材料的力学性能 很好地满足零件的工作要求，必须全力找出零件的主要失效抗力指标作为解决矛 盾的主要依据。 根据上述情况，不可能配制出一种能在各种不同用途中都能使用的通用材 料，因此必须研制出在具体工作条件下使用的各种不同的材料。以往广泛采用的、 用铸造方法制造的耐磨材料的工艺，在许多情况下，对于制造符合特殊工作条件 要求的材料是无能为力的。鉴于以上原因，迫切需要研制新材料，使之满足需要， 而粉末冶金技术具有很大潜力。 如针织机平面凸轮每分钟承受三万多次冲击和擦过负荷，原用c r l 2 m o v 、高 速钢或轴承钢制造，由于形状复杂，加工费用高，后来试用烧结钢材料f e c u n i 弋 合金，密度为7 o g c m 3 ，热处理后硬度为4 2 h r c ，经过近4 年装机对比使用试验， 其耐磨性能与c r l 2 m o v 的相同，也就是说用普通烧结钢可以获得与优质模具钢相 同的使用性能，如果采用更好的烧结钢材其使用性能将更为优良。 广泛应用的内燃机凸轮轴，国外多采用冷激铸铁，凸轮的工作部位系白口铁。 近年来，日本丰田汽车改用钢管和粉末冶金凸轮片组合烧结而成。压制前粉末的 组成( ) 为c r 2 5 - 7 5 ；c 2 7 ；m n o 1 - 3 0 ：p o 2 - 0 8 ：c u l 0 - 5 0 ；s i o 5 - 2 o ； 4 硕士学位论文第一章文献综述 m 0 0 - 3 0 ；f e 其余。压制后密度为6 1 9 e m s 左右，烧结后为7 6 3g c m 3 。由钢管与 粉末冶金凸轮组合烧结而成的空心凸轮轴，不仅降低了重量( 2 6 ) ，减少了昂 贵的磨削加工，而且凸轮的耐磨性能可提高7 倍。 粉末冶金技术可以通过成分和孔隙度的变化来制造零件，填满润滑油的孔隙 起了贮油器的作用，确保了白润滑效果。对于在苛刻条件下( 在高温、高速、高 压条件下及腐蚀介质中) 工作的轴承，越来越多地采用基体合金化的方法，因为 合金化可提高材料的高温强度及热稳定性，可提高材料的耐蚀性和承载能力“”。 1 3 高合金铁基烧结材料 高合金铁基材料主要用于制备耐热性、耐磨性要求高的机械零件，如气门 阀座( v a l v es e a t ) 、间隙调整片( s p a c ea d j u s t m e n t ) 、摇臂镶块( r o c k e ra r mt i p ) 等。烧 结高合金铁基材料是一类比较理想的有很大潜力的材料。随着使用条件越来越严 酷，对这些零件的耐热、耐磨性及其经济性提出了越来越高的要求。合金铸铁是 使用最早的高合金铁基材料。由于其显微组织中粗大的共晶碳化物组织影响了材 料的性能，将逐步被粉末冶金材料替代。粉末高速钢的显微组织细小、力学性能 优异，是优良的耐磨材料，但是它的生产成本高，因此主要用作刀具材料，开发 低成本的粉末高速钢以用作普通的耐磨件亟待研究。 从制备工艺上看，高合金铁基烧结材料有以下三种：基体强化型、硬质相 强化型、熔渗型。基体强化型材料是通过在烧结铁基合金中添加一定量的c r 、 n i 、c o 、c u 、p 等固溶强化元素，并通过增加材料的致密度，控制材料的基体 组织，达到强化基体的目的，但是随着使用要求越来越苛刻( 使用温度提高和润 滑性变差) ，基体强化型材料很难满足要求了因此高合金铁基材料研究的重点 是硬质相强化型和熔渗型合金。 1 3 1 硬质相强化型铁基合金 硬质相强化型材料中基体和碳化物共同决定了材料的耐磨性。碳化物和基体 相互提供保护，碳化物保护基体不被犁削，基体则保护碳化物不剥落。硬质相强 化型烧结合金是一种新型的颗粒增强材料。作为硬质相的硬颗粒可以是碳化物 ( w c 、m 0 2 c 、v c 、s i c 、c r 3 0 2 、n b c 、t i c ) t 阍、氧化物( a 1 2 0 3 ) t m ，氮化物o 嘲 等。s i c 、c r 3 0 2 在烧结过程中易溶于基体，不能作为独立的硬质颗粒保留下来【”。 w c 、b i 0 2 c 和v c 可与基体发生反应生成新的碳化物相，如m 6 c 和m c 型碳化 物。n b c 、t i c 在烧结时是热力学稳定性的，适合于制备铁基材料。a 1 2 0 3 是一 种离子键陶瓷，它的表面电子被束缚而带电，很难被金属润湿，在烧结的时候要 加入粘结剂唧l 。 金属间化合物( c o - c r - m o - s i 、f e - m o 、c r - m o w 、c o - m o 、c r - w ) 是一类新型 硕士学位论文第一章文献综述 的硬颗粒，它们的熔点和硬度要比其它的碳化物颗粒低，其优点是颗粒和基体的 性质差别没其它硬颗粒大，与基体的界面相容性较好。金属间化合物增强铁基材 料是以含c r 、m o ，c o 、n i 、v 、w 等合金元素的耐热钢为基体，并在此基体上 以f e - m o 、c o m o s i 、c o - c r - m o - s i 、c o m o 或c r - w 等金属日j 化合物作为硬颗 粒。表l - 2 是日本生产的硬质相强化型烧结钢中基体和硬质相的成分。 n a o s h ii s h i h a r a 等研制了一类含1 0 c o - m o s i 、f e - m o 硬质相的高合金烧结 钢( 1 群) ，密度只有6 8 9 c m 3 1 2 ”，由于c o - c r - m o - s i 硬质相是一种钻基硬颗粒，成 本高，因此有必要研究无c o 耐磨合金。日本东洋工业株式会社研制了不含c o 的阀座烧结材料( 5 扔，含3 1 5 的硬质颗粒( f e c r - s i c ) 。a k i r af u j i k i 也选用了 无c o 的硬质相f e m o s i 来制备一种新的耐磨材料，这种硬质相的硬度和 c o - c r - m o s i 的硬度相当，材料的化学成分为：c f e m o ) - 1 5 ( f e - c r - c ) 一1 0 ( f e m o s i ) - 0 6 5 c ，硬度达6 0 h r a ，密度为7 0g c m 3 l 。 表1 - 2 硬质相强化型烧结钢的基体和硬质相的化学成分j ：! ! ! ! ! ! ：! ! ! 巴i ! 型2 垩巴! 翌! ! 堕：! 坐堡! ! ! ! 翌! ! 坐! 型! p ! 坚 编号基体硬质颗粒 硬质相强化型合金的制备关键是合理选择基体、硬颗粒的类型和烧结温度。 若基体和硬颗粒的性质差别过大，会造成硬颗粒的剥落。若烧结温度过高，会使 硬颗粒中的合金元素大量向基体中扩散，达不到强化效果，但合金元素的扩散能 使基体合金化。基体和硬颗粒中元素的相互扩散会造成基体硬度、硬颗粒硬度及 基体和硬颗粒的界面发生变化。基体中的c 与硬颗粒中的m o 、w 反应生成b t 6 c 型碳化物。基体由于c 的减少，热处理后会由马氏体变为贝氏体或铁素体，造 成硬度下降。硬颗粒一方面由于m o 、w 与基体反应生成m 6 c 型碳化物使硬度 增加，另一方面由于m o 、w 含量减少使硬度降低，最终的硬度由这两方面控制。 在硬颗粒和基体之间由于原子的扩散会形成扩散层，轻微的原子扩散有利于颗粒 和基体之间结合强度的提高。f e c r - c 的添加一方面可作为硬质相，另一方面 f e - c r - c 中c r 的扩散固溶强化基体，提高基体的硬度和抗氧化性。使用f e m o 合金可生成m o 的碳化物，能够提高硬度，并且在高温使用时硬度的下降较小。 6 硕士学位论文第一章文献综述 但是m o 含量不宜过高，否则径向压溃强度会由于析出的m o 的碳化物过多而下 降，最佳的m o 含量为3 5 2 4 1 。 1 3 2 熔渗型铁基合金 高合金铁基材料的密度往往不高，这影响了其使用性能，常把颗粒强化和熔 渗工艺结合起来。在颗粒强化烧结合金中将作为高温润滑剂的p b 或可以提高热 传导性的c u 等金属浸渗到基体的孔隙中起到减磨作用，它可以提高材料的密度， 从而提高材料的力学性能，此外熔渗铜可以促进合金元素的扩散，从而使材料的 合金化程度得到改善。用p b 熔渗相对较困难，一是因为p b 很容易蒸发，二是 铅蒸汽有剧毒，三是铅的密度大，容易分布不均匀瞄l 。c u 的熔渗效果更好，因 为c u 的熔点高，在服役温度下的热膨胀系数小，c u 和c u 的氧化物都是良好的 润滑剂，容易制备高强度烧结件，还可以提高材料在高温工作时的导热性和改善 耐腐蚀性，铜含量为1 5 2 5 。 美国一家公司开发出一种基体组织中有弥散分布的硬质相，且熔渗铜合金的 材料 2 6 1 。合金成分为：1 肚1 5 c 、0 8 2 3 n i 、3 5 7 5 c r 、0 3 加7 m o 、1 3 - - 3 3 w 、 5 0 8 o c o 、余f e ，材料中含有8 - 1 4 的c c r - w - c o 蹦硬质相的成分为：2 0 , - - 3 0 c 、 7 0 - 1 5 c o 、1 5 - 2 5 w 、1 0 - 8 0 f e 、余c r ) 和低碳f e - m o 硬质相。日本三菱金属公 司的n i i g a t ep l a n t 研制了一种双层阀座 2 7 1 。被浸材料为： f e - t m o 1 5 c r - 0 5 n b l c o i c ，当c u 含量达到2 5 时，c u 达到饱和，密度和硬度 达到最大。k h a n a t a 等开发了一种熔渗型烧结合金，不仅在基体中弥散分布 c o - m o 硬质相，而且孔隙中填充以c u 合金。成分为：f e - l n i - 3 c r - 7 m o - 1 c 一1 5 c u ， 密度达7 9 9 c m 3 ，回火态硬度为2 8 0 h v ，显微组织见图1 - l ( a ) 。图1 - 1 是国内 研制的一种以c o - c r - m o - s i 作硬质相的合金 2 8 1 ，与图1 - l ( a ) 有相似之处。 图1 - 1 硬质相强化+ 熔渗型铁基合金i ”捌 f i g t 一1m i c r o s t r u c t u r e o f i n f i l t r a t e d a l l o y w i t h d i f f e r e n t h a r d p h a s e ( a ) - c o - m o ；( b ) c o - c r - m o - s i 日本a k i r af u j i l d 等在研究磨损机理的基础上开发了新的熔渗型烧结合金， 7 硕士学位论文第一章文献综述 合金的化学成分如表i - 6 所示。 对硬质相强化型合金( 1 # ) ，基体中含f e m o 和f e ：- c r - m o - c o 硬颗粒，在无 润滑剂的场合会发生严重的磨损。用p b 进行熔渗( 2 # ) 可用在无润滑的场合，富 c o 索氏体基体耐磨性好，且有p b 充当润滑剂，但是使用温度不能太高，原因是 材料中的p b 和燃油中的p b 一道趋向于在表面形成p b 的沉积物，沉积物使热的 传递受阻，导致材料的温度升高，造成熔渗的p b 膨胀，破坏晶界，造成分层现 象，加速了磨损。4 # 把富c o 基体( f e 6 5 c o 1 2 n i - 1 5 m o - 0 6 c ) 、硬颗粒 ( c o - 2 8 m o 8 5 c r - 2 5 s i ) 和p b 熔渗结合，用作无p b 高性能内燃机阀座。 此外，传统的烧结钢在使用熔渗技术来提高密度时，会出现c u 的分布不均 匀，在渗入c u 的区域首先发生塑性变形的问题。使用了沉淀强化技术。把c u 粉和基体粉末一道混合，c u 在烧结过程中完全扩散到基体中并均匀分布，冷却 时在基体中析出c u 颗粒1 2 9 l 。 表1 3 熔渗型气门座材料【3 0 】 ! i ! ! ! ! ：j b ! 翌! ! 型曼2 巴p ! ! 垡! 唑匹! ! ! ! ! ! 塑! 型堡! ! 壁 种类合金元素 d e 璐时 f ec oc r l #b a lo 60 4 2 #b a l5 0 3 #b a l 4 #b a l1 21 2 1 3 3 高合金显微组织中碳化物的类型 袁卜4 几种典型的碳化物成分( a t x ) p 1 删 1 a b l e t - 4c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f s e v e r a lc a r b i d e s 碳化物 wm oc rvc of e m 6 c 4 6 0 1 6 0 3 23 84 32 7 m c 2 1 2 0 77 3 4 2 61 72 5 7 c r 2 3 c 6 245 08 - 3 7 m x6 21 34 47 20 16 2 m s c ( 富f e c r 相) 1 2 62 12 6 15 8 - 5 3 4 m 2 c 3 6 3 1 07 71 4 7 1 0 7 表l _ 4 是几种碳化物的成分。理想的粉末高速钢显微组织是由嚷硬的马氏体 基体上均匀分布细小的合金碳化物构成。主要的碳化物类型有m 6 c 、m c 和 m 2 3 c 6 ( 代表金属元素) 。m 6 c 型碳化物富m o 、w ，为复杂面心立方结构，它的 组成可分为a 3 8 3 c 、a 2 8 4 c 、a 4 8 2 c 型，a 主要是过渡族金属f c 、c r 、c o 、v ， b 是原子半径较大的m o 、w 等；m c 型碳化物富v ，属于n a c i 型结构的间隙 相，面心立方结构，晶体结构特点是金属原子组成面心立方晶格，碳原子填充到 8 锄卵 眈 侮 c们：宝 弛 坫 博 饥 如 晰协” = !艄m 们如 硕士学位论文第一章文献综述 八面体孔隙之中；m 2 3 c 6 型碳化物富c r ，还有富f e - c r 相和针状m 2 c 型碳化物。 m 2 c 是六方结构，单胞中有九个原子，a = o 2 9 5 n m ，c = o 4 6 7 n m 。 图卜2 粉末高速铜中的碳化物形貌p 删 f i g l - 2m o r p h o l o g y o f s e v e r a lk i n d so f c a r b i d e si ns i n t e r e dh i g hs p e e ds t e e l ( a ) - l d e a lc m b i d e s ；( b ) - m 2 c ；( c ) - l v l 6 c ：( d ) - m 3 c 骨骼状m 6 c 型共晶、针状m 2 c 共晶、m 3 c 共晶和网状碳化物是有害的显微 组织。图l - 2 ( a ) 是较理想的一次m 6 c 和m c 型碳化物 3 5 1 ，图1 2 是针状m 2 c 型碳化物 3 6 1 ，图l - 2 ( e ) 是骨骼状m 6 c 共晶 3 7 1 ，图1 - 2 ( d ) 中有m 3 c 型碳化物f 3 8 1 。 m 6 c 型共晶碳化物是在烧结温度过高的时候形成的。此时c r 、m o 向晶界偏 析，使晶问液相达到共晶成分，通过反应l y + m 6 c 在晶界上形成m 6 c 型碳化 物。m 6 c 呈弯曲条状或骨骼状与其形成机理有关。m 6 c 的生长属于小平面相的 侧面扩展长大 3 9 1 ，生长速度较奥氏体慢，必须通过不断分枝和改变方向才不会 被奥氏体生长超过并包围，最后长成黑白相间的骨骼状。1 r 基体呈黑色，m 6 c 呈 白色。初生m 6 c 是从液相中直接析出的( l - - m 6 c ) ，呈块状，而不是骨骼状。 针状m 2 c 常在高m o 高c 的合金中出现，是在非平衡凝固条件下从液相中 析出的( l p m 2 c ) 。m 2 c 靠搭桥的方式与奥氏体在液相中交替形核长大 4 0 i 。由 于碳化物的生长被奥氏体包围，所以形成短而宽的小片状碳化物，这就是羽毛状 m 2 c 。这种针状的碳化物组织分布不均匀，与基体之间常常有间隙存在，容易在 碳化物的边界萌生裂纹，损害了材料的力学性能，有必要改变碳化物的尺寸和分 9 硕士学位论文 第一章文献综述 布，从而提高材料的力学性能和耐磨性。为了改善针状碳化物的形貌，可以进行 退火处理或是通过改变成分来抑制针状碳化物的生长。 富f e c r 相和网状碳化物是在c 含量过高( 超过t e 点) 或烧结温度过高时 形成的【4 。c s w r i g h t 认为富f e c r 相是m 3 c 型碳化物。它的形成机理是：位 于t e 点右边的成分在温度降到t e 时，不是所有的液相都凝固，液相在冷却过程 中通过四相区( l + y + m 6 c + m 3 c ) 发生三元共晶反应l y + m 6 c + m 3 c ，生成了 富f e c r 相。当成分点位于t e 点左边时，在达到t e 点之前，所有的液相都凝 固，就不会出现富f e c r 相。 1 4 汽车发动机用气门挺柱材料的现状 1 4 1 气门挺柱的基本情况 1 4 1 1 气门挺柱使用的工作环境 图1 - 3 典型气门装配图 f i g l 3t h ea s s e m b l yd i r e c t i o no f t y p i c a lv a l v el i k - r 挺柱是凸轮的从动件，其功用是将来自凸轮的运动和作用力传给推杆或气 门，同时还承受凸轮所施加的侧向力，并将其传给机体或气缸盖。 挺柱工作时，其底面与凸轮接触。由于接触面积小，接触应力较大，因此摩 擦和磨损都相当严重。挺柱体产生磨损和剥落主要是两个方面的原因，外因指挺 柱体工作条件( 如所受的压力、润滑、凸轮质量和所接触的情况) ，内因指挺柱 体的几何尺寸和内部质量。此外，在凸轮不变方向的侧向力作用下，还加重了起 导向作用的挺柱侧表面与挺柱孔的偏磨。因此，挺柱工作面应该耐磨损并应得到 良好的润滑m 1 。 i o 硕士学位论文 第一章文献综述 1 4 1 2 气门挺柱制造材料及分类 图1 - 4 国外主要机械气门挺柱产品 f i g l - 4t h ep r o d u c t so f m a j o rv a l v el i f t e r 表1 - 5 为常用汽车气门挺柱的主要尺寸。 表卜5 常用车型气门挺柱尺寸 t ，山l e 5t h em e a s u r e m e n t so f c o m m o nv a l v el i f t e r 为使挺柱能承受应力，耐磨蚀和经久耐用，除尽量设法使磨耗的因素减少外， 材料选择也极为重要。一股来说，铸铁浇制的凸轮轴，应使用钢制的挺柱；表面 渗碳淬硬的钢制凸轮轴，却应使用铸铁的挺柱。如果以材料和制造方法的不同来 分，有铸铁( 镍铬合金铸铁和冷激合金铸铁) 挺柱、焊接式挺柱、熔接面挺柱和 硕七学位论文第一章文献综述 钢( 碳钢、合金钢) 挺柱四种。这些挺柱各有优点，应根据需要及成本来选择。 挺柱分为机械挺柱和液挺柱两大类，每一类中又有平面挺柱和滚子挺柱等多 种结构。机械挺柱由于结构简单，质量轻，在中、小型发动机中应用比较广泛。 在配气机构中预留气门间隙将使发动机工作时配气机构产生撞击和噪声。为了消 除这一弊端，有些发动机尤其是轿车发动机采用液力挺柱，借以实现零气门间隙。 液力挺柱结构复杂，加工精度高，磨损后无法调整只能更换，且还未被广泛采用， 故尚未大量生产。 1 4 2 气门挺柱的制造和质量要求 1 4 2 1 气门挺柱的制造方法m l 挺柱的制造方法因采用的材料不同而异。铸铁挺柱浇铸成型后，座部用激冷 法硬化，然后经机械加工即为成品。钢制挺柱