铝合金发动机汽缸体用氮化硼粉末的研究

铝合金发动机汽缸体用氮化硼粉末的研究

近年来，用同样的方法生产的汽车零件量显著增加。粉末冶金技术的一项优势是能够制造近终形产品。然而,在一些场合,当需要公差精密或零件的形貌特征用常规粉末冶金工艺(压制与烧结)无法制造时,需要进行某些切削加工。主轴承盖就属于这一类产品,供应方和最终用户都需要进行一些切削加工。在供应方现场需要进行2项切削加工作业:镗孔(钻孔)与磨削。较大的挑战是,在最终用户现场需要进行在线双-金属材料(粉末冶金轴承盖和发动机的铝合金汽缸体)钻孔作业。在第一次将铸铁轴承盖转换成粉末冶金轴承盖时,对这个重要的汽车零件已进行了许多改进与设计工作。此后,将几种轴承盖从铸铁件转换成了粉末冶金件。为了使粉末冶金轴承盖对最终用户更有吸引力,下一步是使粉末冶金轴承盖最佳化。为此,这项工作的焦点集中在,除了为支撑较高的发动机荷载所要求的必要强度和用粉末冶金法容易制造外,还要研发具有高水平切削性的廉价材料。研发是分几步进行的:选择材料,切削性试验,冶金评价,静态与疲劳强度试验及制造工艺改进。对轴承盖的主要要求是,既要切削性优异,又要疲劳强度较高。在研制阶段考虑了几种混合粉。如文献所指出的,发现选择的粉末冶金材料的切削性可与当今用于制造零件的铸铁相比拟。将各种球铁与铸铁零件转换为最终形或近终形粉末冶金零件时,采用这种材料可提高材料利用率,而且可消除或减少粗切削加工作业。另外,使粉末冶金零件生产方与最终用户方比较容易进行某些切削加工作业。最后的结果,对于供应方与客户方双方是显而易见的:大幅度节约。1烧结体强度的提高在对应用的需要进行考察之后,对研制的材料配方,选择了ATOMET29M作为基本铁粉牌号。图1示添加0.5%MnS的ATOMET29和ATOMET29M的烧结体强度与用推力指数表示的切削性性状。可以看出,ATOMET29M的切削加工性状优良,而且烧结体的强度仍可与添加MnS的ATOMET29相比较。ATOMET29M的切削性的改进,和1990年QMP开发的一种产品,即颗粒很细的六方氮化硼(BN)的存在相关。BN在低于1800℃的温度下,于还原气氛气体中是惰性的。和大多数其他粉末冶金切削性强化剂相反,BN无毒性,从而对健康无害。另外,在烧结时,不会产生任何排放物。BN在烧结零件中的存在产生了几种有趣特性,这些特性都可增高切削加工效率。BN的六方片状结晶结构很像石墨,这可促使形成有利于切削性的适用显微组织,同时保持良好的烧结体强度。添加BN可防止刀具切削面在低碳钢上擦伤,而且可减小切削高强度材料时刀具-切屑界面的摩擦。和其他切削性强化剂不同,烧结适当时,通过利用BN不但可改进切削性,而且并不一定会减低烧结体的强度。这种意外的性状,除ATOMET29M的BN含量低与制造工艺外,还和BN的化学性能相关。实际上,BN颗粒一般皆被封闭在铁粉颗粒的孔隙中,因此,在烧结时它与颗粒间的界面是隔离的。虽然,烧结时BN不会扩散到铁中,但在冷却时它会影响奥氏体的再结晶。BN以铁素体促进剂的作用而闻名,但在缓慢冷却速率下可使之形成比率较高的铁素体,因此烧结体的强度略微减低。这种作用是能预测的,而且,其和870℃与700℃间的冷却速率直接相关。如同在图2中所看到的,冷却速率为100℃/min时,BN的存在并不影响FC-0205材料的烧结体强度,但却可减低30%的推力。冷却速率较慢时,烧结体的强度略微减小(于40℃/min下,减低5%),这可用铁素体含量较高的显微组织来说明。添加铜于以ATOMET29或ATOMET29M为基粉的混合粉中可增高粉末冶金零件的强度,而对切削性的性状没有重大影响。如同在关于含有以MnS作为切削强化剂的ATOMET29的图3中所看到的,添加2%Cu时,可显著增高烧结体的强度,而推力指数几乎没有变化。实际上,为兼具高强度与良好切削性,最可取的是增加铜而不是碳的含量。可是,由于有BN存在,为进一步改进强度,而对切削性的影响又最小,在ATOMET29M配方中可采用较高的含碳量。2表面金属性能的提高利用选择的由ATOMET29M与2.0%Cu,0.6%石墨(相当于烧结体含碳量的0.5%)组成的材料制造的轴承盖,在发动机厂进行的切削加工试验得到的结果良好,但却因为在两腿侧面产生了一些微小裂纹(见图4)而未能通过发动机试验。为提高强度,将含Cu量从2.0%增高到了2.5%,而将石墨含量从0.6%增高到了0.8%(这相当于烧结体含碳量的0.65%)。由这个新的混合粉配方(以下,将之称为“改性粉末-MP”)制成的材料强度较高,而切削性却没有显著减低。生产工艺的改进有助于材料的力学性能进一步提高(以下,称之为“改性粉末与工艺-MPP”)。零件生产工艺的改进在于减低整个轴承盖的密度梯度与显微组织均一化,从而得到较高强度。表1示材料的静态力学性能值。这些结果都是用在和轴承盖相同的条件下制造的犬骨状试件试验测定得到的。可以看出,由于铜与碳的含量增高,极限拉伸强度增高18%和屈服强度增高15%。通过进一步改进生产工艺参数,极限拉伸强度与屈服强度还能进一步分别增高16%(共计37%)与17%(共计35%)。轴承盖的显微组织主要是珠光体-铁素体。表2中列出了关于轴承盖的一些冶金特性的测定值。典型显微组织示于图5。用起始粉末制造的轴承盖的显微组织从一端到另一端不均一。50%以上铁素体位于心部,而且,在烧结时置于陶瓷板上一端(“底面”)铁素体的含量较高。轴承盖“底”端比“顶”端的冷却速率慢。这可以说明在“底”端形成的先共析体铁素体较多这个事实。如表2所示,硬度低,而且,从一端到另一端的变化大于25%。在用改性粉末制造轴承盖的场合,观察到了类似性状,但范围较小。此外,在烧结时置于陶瓷板上一端铁素体含量较高(见图5b),但硬度仍比由起始粉末制造的轴承盖高(见表2)。由于混入粉末中的石墨含量较高,形成的珠光体较多。在心部和在“底”端表面形成的显微组织几乎没有差别,但是,如图5b所示,从“顶”端到“底”端仍然有一些差异。由于显微组织的这种差异,从一端到另一端测定的硬度也不同。由“改性粉末与工艺”(MPP)制造的轴承盖,其二端的显微组织几乎一样,见图5c。当和由OP与MP制造的轴承盖进行比较时,在轴承盖“顶”端与“底”端几乎都形成了一层全部为珠光体的显微组织,而心部的铁素体含量要少得多。如表2所示,二端表面与心部的硬度都较高。3试验结果考虑过用几种材料制造轴承盖。大范围的切削试验表明,为这种应用选择的起始材料,其切削性和当今用于轴承盖的铸造材料相似。用装备仪表的钻削装置评价了起始材料与改性材料二者的切削性,这种装置系由大功率加压钻床和能在切削过程中及时测定推力与扭矩二者的装备组成。使用的切削刀具是经发黑处理的高速钢钻头,其螺旋角为118°。在试验前,钻头都进行过标准化检验。这种方法是,在由FC-0205制造的密度为6.8g/cm3的盘上,于进刀量0.12mm/r与切削速度2200r/min下,钻2个深25.4mm的孔。为了试验合格,每1支钻头的推力与扭矩都必须位于20支钻头的平均计算植的±5%以内。切削试验是在转速2260r/min与进刀量0.127mm/r下进行的。为了加速试验没有用冷却剂,而是在轴承盖上钻了深19mm(0.75英寸)的孔。试验了由起始粉末与改性粉末2种材料制造的轴承盖。推力与扭矩的测量结果总结于图6中。如所示,改性粉末所需推力略高于起始粉末(约11%),而改性粉末所需平均扭矩稍低于起始粉末的平均值(约1.5%)。为了总结切削力(推力与扭矩)的作用,可用下式计算合力R:式中:F为推力,φ为螺旋角,M为扭矩,D为钻头直径。图7示用方程(1)计算的合力图。如图所示,改性粉末所需合力略高于起始粉末(约8%)。可是,切削性的略微减低,在很大程度上为强度的增高所补偿(见表1)。4拉伸强度试验的结果与分析为了评价轴承盖的压溃强度,从而证明材料与生产工艺改进对强度的影响,设计与制造了图8示的简单装置。将轴承盖失效时的载荷作为压溃强度。图9的示图总结了轴承盖压溃强度试验的结果。如图所示,经过对材料与生产工艺的改进,轴承盖的强度在不断地增高。为了进一步比较轴承盖的强度,设计了如图10所示的简单拉伸强度试验夹具。如箭头所示,施加于轴承盖两腿的拉伸载荷一直到失效为止。将失效载荷作为轴承盖的拉伸强度予以记录。图10中还示出了这些试验结束后,得到的典型失效方式。这些试验结果都支持用MPP材料制造的轴承盖看来似乎比由OP材料制造的轴承盖强度高(约17%)这一事实。5u3000疲劳试验L6主轴承盖在使用时,其荷载对垂直轴的角度为10°。认为该载荷是沿180°弧长均一分布。对每1只垂直螺栓施加的预加载扭矩为47lbf·ft(lbf·ft=4.45N×30.48cm)。为评价轴承盖的疲劳强度,设计与制造了图11所示的试验夹具。如图所示,和在使用时一样,施加的载荷对垂直轴的角度为10°,但载荷只是沿52.5°弧长分布。为了确保将试验载荷施加于轴承盖,用4只螺栓取代2只螺栓,而且,预加载扭矩用60lbf·ft取代47lbf·ft施加于4只中的每只垂直螺栓上。试验是于室温,在控制载荷下,于MTS伺服液压机上,在由应力比r=0组成的负载循环下进行的。将在运转107个循环后,没有出现任何裂纹迹象的试样认为是圆满结束。用阶梯法来确定疲劳极限。图12示疲劳试验后,开裂的轴承盖。用箭头指出了一般开始出现裂纹的部位,而且裂纹在继续向内径拱顶扩展。在大多数试验中,完成107个循环后,在轴承盖两侧都观察到了长3.175～6.35mm的裂纹。图13示采用阶梯法的疲劳试验结果。表3中列出了计算的疲劳极限。如表所示,由OP材料制造的轴承盖疲劳强度较低。如上所述,使用MP材料的同时改进生产工艺(减低密度梯度与显微组织较均一)时,可获得较高的疲劳强度(约44%),而且分散较小(4701bs替代6671bs)。如同已讨论过的,对材料与生产工艺改进后,静态力学强度约可增高35%(见表1)。用这种方法制造的轴承盖顺利地通过了GM于140%使用载荷下进行的闷头(bulkhead)疲劳试验。此外,生产了数以百万件计的这种轴承盖。这些轴承盖正在用于图14示的4.2LL6载重汽车发动机中,4.2LL6发动机用于ChevroletTrailBrazer,GMCEnvoy,及BuickRainier。所有这些汽车都称做中型SUV(运动休旅车)。6对从铸件制备工艺的改进1)成功地开发了GML64.2L发动机的主轴承盖。轴承盖不但可满足切削性和强度二者的要求,而且通过了于140%使用载荷下的发