粉末冶金气门座的合金设计及组织性能

邢晶

摘 要：粉末冶金气门座具有高强度、耐磨损的特点，与日本进口的粉末冶金气门座的制作材料进行对比，分析得出，如果用高速球磨机球研磨超过24 h，得到的烧结组织就很均匀。并且在淬火处理后生成马氏体组织。提高材料的硬度。并通过加入钴、铬、镍、钼、硅等合金元素增强材料的耐高温性、促进组织的细化。用Fe-Al合金来增加强度的材料，铝含量是与材料的耐磨性成正比的，但是铝元素的含量不得超过1.5%，否则会造成反效果。

关键词：铁基粉末冶金；铁铝合金化合物；热处理工艺；显微组织；力学性能；耐磨性

中图分类号：TF125.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）24-0009-02

气门座作为发动机中一个主要零件之一，主要是通过与气门的相互协调作用，在配气的机构里共同来起到一个密封气缸的作用的。粉末冶金技术由于它的相对简单性，使得它能够适用于许多不同情况下的生产要求。本次试验就是通过参考日本五十铃公司的气门阀来进行相关研究并进行开发的。试验以获得与之相似的高性能和低成本的粉末冶金的气门座的材料为目的。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本实验的基体元素是粉末状的雾化铁，并在这一基本元素中通过适量的添加C、Cr、Co、Si、Ni以及Mo等合金粉来进行强化作用，并使用微粉蜡来充当润滑剂。在本次试验中，通过进行一系列的相关的性能检测和分析得出的最终用于试验的相关化学材料的成分，见表1。

1.2 实验方法

在配置试验用材料的过程中，将高碳铬铁粉（主要成分包括wt%：Si 2.3、Cr 65、C 7.2、S 0.02、P 0.03）作为基准，如有不足再使用其他粉末予以补足。再通过粉末的称量、研磨、球磨、以及压制来制作并准备试样。首先将制备好的试样放置在试验用的ZT-18-22型的真空碳管炉中，在处于温度为200以上800 ℃以下的温度中烧结30 min，随着温度升到800以上1 200 ℃以下时烧结20 min，当温度上升为1 200 ℃时停止烧结并保温一个小时再随之冷却，在最后进行油淬以及回火这一程序之前，再将试样经1 100 ℃保温30 min：其中回火这一工艺主要分为两种，将试样放置在350 ℃下保温超过2 h后再将其放置在600 ℃温度中保温1 h，最后再将试样进行空冷，这叫低温回火；而高温回火工艺是将试样在650 ℃下保温1 h，然后进行空冷。

2 实验结果与分析

2.1 烧结对试样的组织结构的影响

试样烧结后可以清晰的看到组织中存在着一些孔隙，但总体组织还是拥有很致密的结构的。经过烧结之后的材料形成了奥氏体化，它的内部的组织结构主要包括奥氏体、晶内的以及晶界上分布的碳化物和合金化合物，而正是这些组织中分布的碳化物才能有效的对材料的耐磨性发挥良好的促进和强化作用。

2.2 压制的密度对烧结过程所产生的影响

当试样的密度为6.9 g/cm3时经过烧结后所产生的孔隙相对较少，组织结构也较为致密，烧结颈也随之长大，并通过粉末颗粒间的相互结晶作用以使其达到一个完全融合的状态，这就表明在烧结的过程里，试样的烧结颈已经处于一个基本完成的状态。而当试样的密度处于6.6 g/cm3的时候，当试样经过烧结，就会产生很多的孔隙，虽然，烧结也可以使其达到一个合金化的过程，但是，由于压制时的密度不够，势必会产生大量孔隙，从而使其不能在烧结的过程中达到一个完好结合的状态。那为什么当密度降低的时候会对烧结的进行产生不利呢？主要原因是，密度的增大会使得磁力线也增加，而在这一增加的过程中所产生的大量热量会对烧结产生促进作用。

2.3 回火针对试验样本的组织结构以及相关性能所产生

的影响

2.3.1 中温回火组织特征

将铁基粉末的冶金材料在350℃的温度中进行保温2 h，然后在将其放置在550 ℃的温度中保温1 h，最后进行回火工序所得到的组织，我们称之为回火索氏体。它们分别是试样4和试样5的回火组织，如图1所示。

通过对图的观察，我们可以从中得出，经过350 ℃保温2 h后，再经过550℃保温回火后的组织体中的细粒状的渗碳体的分布，这种组织就是具有高弹性和高屈服性以及柔韧性的回火托氏体。我们可以看到，将试样进行回火之后硬度大部分是处在HRC35～45这一范围的，见表2。而这一硬度范围正是与回火托氏体完全一致的。

2.3.2 高温回火后的相关组织特性

铁基粉末冶金材料经650 ℃保温1 h回火后组织均为回火索氏体。试样经过回火后所形成的金相组织，如图2所示。从上图中我们可以得知在材料经过650 ℃温度保温1 h后会产生一些分布在机体组织上的碳化物的细小颗粒，而正是因为回火索氏体的相关组织形态和马氏体的组织形态具有一定的相似性，所以我们可以得出，粉末冶金材料相对来说具有良好的回火的稳定性这一结论。经过高温回火后试样的洛氏硬度值（HRC）也明显呈现出一个降低的状态，如表3。回火是以消除残余的奥氏体，清除残余的应力为目的的，将残余的奥氏体进行转化，势必会降低组织体的硬度，但，相反的，组织的稳定性却可以有所增强，从而完善了粉末冶金材料的综合性能。

2.4 碳的含量对试验样本的回火性能所产生的影响

让材料在经过350 ℃的2 h的保温后在进行600 ℃的1 h的保温的目的主要是想避开珠光体的400～550 ℃转变温度，从而让组织在受热均匀后直接升至600 ℃，使之成为回火马氏体。回火这一工序主要是起到一个提高组织稳定性，消除残余的奥氏体和残余的内应力这一作用，它能增强维持工件在使用过程中的物理形状及性能，增强使用过程中的稳定性，从上图可知，因为组织在进行回火后孔隙增加，进一步完善了组织，不仅保有了硬度，还提升了韧度，测试得知，材料组织的孔隙处于7.5%～10%这个范围，而试样的硬度则显示为HRC35范围左右，而硬度值和材料孔隙率呈现一种反比的关系，见表4。通过查阅相关资料我们可以从中得知，在影响试样的硬度的相关因素中，孔隙的形状对其影响不大，主要影响因素还是材料的孔隙程度。通过上表我们可以看出，当将试样经过回火进行处理之后，洛氏硬度会降低，而这一现象的主要原因在前文已经进行了阐述，因为消除了残余的应力，重组组织颗粒，降低材料的硬度。

3 结 语

①在本次试验的条件下，通过增加钼、铬等相关合金的元素借此来增加材料自身的高温硬度，并通过烧结使之形成晶内和晶界上分布的少量碳化物以及合金化合物从而使材料的耐磨性得以提高。

②在本次实验中最优的合金成分的组合是：5.27Co-2.19Cr-1.69Si-4.0Mo-0.53Ni-0.2C-余Fe。

而在工艺的参数中最佳为：1 200 ℃温度中1 h的烧结，在1 100 ℃的温度中的油淬火，以及在600 ℃中的回火；回火后检测组织的硬度值（HRC）分别是36.3和38。

③如果淬火温度较低，那么碳化物由于相对稳定性就会难以溶解，此时，对组织的硬度所产生的影响并不大，而当温度的增加，化物的溶解也随之加快，因此，提高淬火温度可以一定程度地提高烧结体的硬度。

参考文献：

[1] 杨学明.内燃机气门座材料的开发与应用[J].武汉汽车工业大学学报，1998，（3）.

[2] 李绍忠.高性能烧结合金钢阀座的研制和应用[J].汽车工艺与材料，1993，（3）.

[3] 郭占哲.烧结材料气门座[J].汽车工艺与材料，1992，（7）.

[4] 李明威.铁基粉末冶金材料感应烧结过程研究[M].南京：南京理工大学，2012.