粉末冶金高速钢在汽车零件——气门座圈中的应用.pdf

第 2 9卷第 2期 2 0 1 1年 4月 粉末 冶金 技 术 Powde r M e t al l ur g y Te c h nol og y Vo l _ 2 9．No ． 2 Ap r ．2 01 1 粉末冶金高速钢在汽车零件 气门座圈中的应用 Ro s s i J ． L ． S a l g a d o L ． ，J e s u s F i l h o E． S ． ， J e s u s E． R． B ． ， Amb r o z i o F i l h o F． ，S a n t o s J ． C． ， C o l o s i o M． A． 1 I n s t i t u t o d e P e s q u i s a s E n e r g 6 t i c a s e N u c l e a r e s - I P E N P o w d e r P r o c e s s i n g C e n t r e - C P P ， P ． O． Bo x 1 1 0 4 9 一 C E P 0 5 4 2 2 9 7 0 一 S a 0 P a u l o ， 巴西 2 G e n e r a l Mo t o r s d o B r a s i l Ma t e r i a l s a n d F a s t e n i n g E n g i n e e r i n g ， P ． O． B o x 1 9 7 - C E P 0 9 5 0 1 - 9 7 0 ． S a o C a e t a n o d o S u 1 ． S P， 巴西 摘要 这篇文章介绍 了关 于高速钢 用于气 门座 圈 的情 况。评定 了两 种材料 一种 是研 发 的高速 钢 M3 ／ 2 粉 、 F e 粉及 N b C的混合粉制造的材料 ； 一种是为 了比较 ， 由 F e ． c o合金制造 的气 门座 圈。用 S E M对 研制 的气 门座圈的显微组织进行了鉴定。对研发的高速钢的物理 一 力学性能将分别介绍密度、 硬度、 径向压溃强度及 切削加工性 。 关键词 粉末冶金 ； 高速钢 ； 汽 车零 件 ； 气 门座 圈 P／M h i g h- s p e e d s t e e l a p pl i c a t i o n i n a u t o mo t i v e c o m p o n e nt s - v a l v e s e a t i ns e r t s Ro s s i J ． L．S a l g a d o L． ， J e s u s Fi l h o E． S ． ，J e s u s E． R． B． ， Amb r o z i o F i l h o F． ， S a n t o s J ． C． ”． Co l o s i o M ． A． ’ 1 I n s t i t u t o d e P e s q u i s a s E n e r g 6 t i c a s e N u c l e a r e s I P E N P o w d e r P r o c e s s i n g C e n t r e C P P． P． O．Bo x 1 1 0 49一 CEP 0 54 22 9 70- S a o Pa u l o Br a z i l 、 2 G e n e r a l M o t o r s d o B r a s i l M a t e ri a l s a n d F a s t e n i n g E n g i n e e r i n g ， P ． O ． B o x 1 9 7 一 C E P 0 9 5 0 1 ． 9 7 0 ． S a o C a e t a n o d o S u 1 ． S P B r a z i l Ab s t r a c t Thi s wo r k pr e s e n t s a s p e c t s r e l a t e d t o h i g h s p e e d s t e e l s f o r v a l v e s e a t i n s e r t s a pp l i c a t i o n ．Two t y p e s o f ma t e r i a l s we r e e v a l ua t e d， o n e ma d e o n pu r po s e hi g h s p e e d s t e el M3／ 2 mi x e d wi t h i r o n p o wd e r a n d ni o b i u m c a r b i d e a n d a n o t h e r v a l v e s e a t i n s e rt ma de o f Fe Co a l l o y， for c o mpa ris o n． Th e mi c r o s t r u c t ur e o f t h e ma d e o n p ur p o s e v a l v e s e a t i ns e r t wa s e v a l u a t e d b y s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y． The ph y s i c a l a nd me c h a n i c a l pr o p e rti e s o f t h e h i g h- s pe e d s t e e l s s t ud i e d a r e pr e s e n t e d i n t e r ms o f d e ns i fic a t i o n， h a r dn e s s， r a di a l me c h a n i c al s t r e n g t h a n d ma c hi n i n g． Ke y wo r dsp o wd e r me t a l l ur g y； hi g h- s p e e d s t e e l ； a ut o mo t i v e c o mp o n e n t s； v a l v e s e a t i n s e rts 根据商业与工业的观点 ， 不得使用未弄清楚 的 冶金材料。涉及到成本与环境法规的制造与技术要 求 ， 可能会决定研究路线 ， 及可能要对材料进行多次 调整 ， 以制备出理想的冶金材料 。整个研究团队， 往 往将材料或合金 的研究 目标缩小为 以替代为 目标 。 也就是鉴于 c o价格高， 要替代 c o或 由于生态学的 缘故 ， 要替代 P b 卜 。鉴于这种情况 ， 粉末冶金 的 应用在不断扩大 。利用粉末冶金工艺生产的零件 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 0 粉末冶金技术 2 0 1 1年 4月 成本低廉 ， 易于高合金化及改进显微组织控制 。 气门与气 门座圈组件部件关系到燃烧室密封性 能 ， 其它零件是活塞环与垫圈，。对气 门座组件 的一 项重要要求是耐磨性 ， 这必须 是一种在 高温 与化学 侵蚀环境下的耐磨性。燃烧室环境的特点是力学应 力高、 磨损 、 腐蚀及高温烧蚀。气门座圈在用铸铁到 铝青铜的范围内的一些材料制 造。现在 ， 排气气 门 座圈大部分是采用粉 末冶金方 法 由高合 金钢制 造 的。发动机进气 门零件 的工况较不严苛 ， 可使用其 它材料制造 ， 诸如铁 一钼合金 。一些合金为改进摩 擦性能与热导率 ， 可能分别用含浸法或熔渗技术添 加 以铅或铜。 排气 门座的工况严酷 。研发集中于用较简便 的 生产工艺与价格较低的原料制造新材料。鉴于其高 温性能 ， 认为高速钢是这项应用 的一种有希望 的替 代材料 。其它的附带与重要特性是 耐蚀 氧化 性 好 、 热导率高及切削性好 。 这项研究 的主要 目标之一是 ， 寻找一种替代价 格昂贵的钴 一 钢合金和能降低 烧结温度的材料⋯。 降低高速钢的烧结温度 ， 使着可使用粉末冶金产业 通常用的设 备 ， 即最 高温度 为 1 1 5 0 ℃ 的连 续烧结 炉。用高速钢替代较常用的钻 一钢合金 ， 以减低原 料 成本 。 1 试 验 表 1中列出了选择的粉末混合料的组成 。使用 的基粉是雾化 M3 ／ 2高速钢粉 ， 中等粒度 4 5 m。将 N b C粉添加于 M3 ／ 2粉与纯 F e粉 的混合料 中。用 熔渗 C u烧结 ， 以增高 M3 ／ 2基材料 的密度。在本文 中将这种材料称做 ME系材料 。 表 1 粉末 混合 料的名义组成 质量分数 T a b l e 1 P o wd e r s mi x n o mi n a l c o mp o s i t i o n wt ． ％ ％ 壁望 ME 4 0． 5 0 4 4 ． 2 5 4 O ． 5 O一4 4． 2 5 0 ． 5～1 ． 0 1 01 5 1 ． 0 3 ． 0 于 7 0 0～ 9 0 0 MP a 下 ， 将 咖 3 1 ． 8 mm 2 4 ． 7 m m 7 ra m的生坯模压到相对密度约为 8 0 ％。烧结是用推 杆炉 ， 于氢气氛中进行 的。烧结温度范围为1 1 3 0 1 1 7 0 ℃ ， 保温 4 0 m i n 。图 1为 P o w d e r P r o c e s s i n g C e n t r e C P P开发的粉末冶金高速钢气门座圈 。环形试 样的特性有流体静压密度、 硬度 、 径 向压溃强度及切 削性。用 S E M鉴定了显微组织。 为 了进行切削试验 ， 用将 1 0个气 门座圈摞置的 方法制备 了 2个长 6 0 mm和直径为 3 1 ． 7 5 m m 的试 样 。使用的刀具是 由添加碳化钛的氧化铝基陶瓷制 造 的 。刀 片 与 刀 杆 的 特 征 如 图 2所 示 横 向 坡 角 T 0 。 ； 横 向后角 1 1 。 ； 位置角度 9 0 。 。 图 1 P o wd e r P r o c e s s i n g C e n t r e C P P用 粉末 台 金 法制造的高速钢气 门座 圈 Fi g ．1 Hi g h s p e e d s t e e l s v a l v e s e a t i ns e r t s ma d e b y P／M Po wde r P r o c e s s i ng Ce nt r e CPP[ ⋯C 个 个 ⋯C 图 2 使 用的刀 片与刀杆 的几何形状详 细图解 F i g ． 2 Ge o me t r i c de t a i l s i l l u s t r a t i o n o f t he u s e d i n s e r t s a nd t o o l ho l de r s 使用的是数控 C N C 车床。为进行试验 ， 开发 ‘ 了 C N C车床的数字语言程序。为切削掉一层材料 ， 程序考虑 了粗切削程序块 ； 一旦将这一层材料切削 掉 ， 常 规 程 序 考 虑 的是 鉴 定 刀具 磨 损 的 定 时 停 车 。 切削试样的切削深度 P 、 进给量 ， 及刀尖半 径 r 分 别为 0 ． 6 5 m m、 0 ． 0 9 mm ／ 转及 0 ． 4 m m； 采 用 的恒定切削速度 为 l O O m ／ m i n 。用连 接于刀杆的应 变规测定主切向切削力。为分析磨损进行 了 3次停 车。每一次停车后 ， 都将刀片从刀杆上取下 ， 鉴定后 面磨损 V ， 并用体视光学显微镜进行记录。试验 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷第 2期 R o s s i J ． L ． S a l g a d o L ． 等 粉末 冶金高速钢在汽车零件气 门座 圈中的应 用 1 5 3 3 用 陶瓷 刀具 进 行 的初 步 切 削 试 验 表 明 ， M E 系材料与 F e ． c o合金的切削特性相当。从切削加工 的观点来看 ， 认为 切削碎屑形 状表明 ， 和 F e c o合 金相 比， ME系材料属于韧性较高的材料。 参考文献 [ 1 ]S a l g a d o L，A mb r o z i o F i l h o F，L e a l N e t o R M，e t a 1 ．P ／ M h i g h s p e e d s t e e l s f o r v a l v e s e a t ins e r t a p p l i c a t i o n ． S AE S p e c i a l P u b l i c a t i o n S p 一 1 61 0 P o wd e r e d Me t a l P e rfo r ma n c e Ap p l i c a t i o n s ， 2 0 01 63 3 [ 2 ]S a k a i M．S e l f - l u b ri c a t io n t y p e P ／ M m a t e r i a l s for t h e l e a d f r e e v a l v e s e a 1 ． S AE I n t e r n a t i o n a l Pa p e r S e r ie s No ． 2 0 0 00 l一03 9 5 [ 3 ]T h e P M s t r u c t u r a l p a r t s i n d u s t r y p a s t g r o w t h a n d f u t u r e p r o s p e c t s ． Me t a l Po wd e r Re p o rt． 1 9 9 9 2 1 4 [ 4 ]Wh i t t a k e r D ．P r o c e s s e c o n o m i c a n d t e c h n o l o g i c a l a d v a n c e s i n P ／ M a u t o m o t i v e p a r t s ．P o w t e r Me t a l l ，1 9 9 8 ， 3 4 4 5 3 6 2 [ 5 ]My e r s K．H a r d w a r i n g i r o n - b a s e a l l o y i s s o ft o n t h e p o c k e t ．Ma t e ri a l s W o r l d．1 9 9 9 67 5 5 [ 6 】S a l g a d o L ，A mb r o z i o F i l h o F，A r a u j o E G，e t a 1 ．T h e p o w d e r me t a l l u r g y a n d t h e a u t o mo t i v e i n d u s t ry．Ma q u i n a s e Me t a l s ， 2 0 01 ， 4 2 6 8 49 9 [ 7 ]J e s u s E R B ．T h e o b t a i n i n g ， m a c h i n i n g a n d w e a r o f m e t a l m a t ri x c o mp o s i t e s p r o c e s s e d b y p o wd e r me t a l l u r g y ． MSc ，Di s s e r t a t i o n， I P EN／US P，B r a z i l ，1 9 9 8 2 2 7 2 [ 8 j I S O ／ D I S 3 6 8 5 - T o o l l i f e t e s t i n g w i th s i n g l e p o i n t t u rni n g t o o l s ． I n t e r n a t i o n al O r g a n i z a t i o n f o r St a n d a r d i z a t i o n， 1 9 9 3 译 自 A d v a n c e s i n P o w d e r M e t a l l u r g y P a r t i c u l a t e Ma t e r i a l s ， 2 0 0 2 2 8 8 9 4 韩凤 麟 译 上接 第 1 4 8页 [ 3 3 ]D e n g X i n ． Mi c r o s t r u c t u r e ／ h a r d n e s s r e l a t i o n s h i p i n a d u al c o mp o s i t e ． J o u r na l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e Le t t e r s ，2 0 0 2， 2 1 7 0 77 0 9 [ 3 4 ]F a n g Z ．F r a c t u r e r e s i s t a n t s u p e r h a r d m a t e ri a l s a n d h a r d me t als c o mp o s i t e wi t h f u n c t i o n a l l y d e s i g n e d mi c r o s t rn e t u r e ． I n t e r n a tio n a l J o u r n a l o f Re f r a c t o r y Me t a l s＆ Ha r d Ma t e r i als ， 2 0 01， 1 9 4 5 3 4 5 9 [ 3 5 ]L i a n g D a h B e n ．C o mp o s i t i o n s h a v i n g e n h a n c e d w e ar r e s i s t a n c e U S ， 7 1 2 8 7 7 3 B 2． 2 0 0 6一l 03 1 [ 3 6 ]F u mi y u k i O ．C e me n t e d c ar b i d e J P， 2 0 0 61 0 4 5 4 0 A ． 2 0 0 6 0 4 2 0 [ 3 7 ]S l u t z D ．Mi c r o w a v e s i n t e r i n g U S ， A p p l 2 0 0 7 ／ 0 1 5 1 7 6 9 AI ． 2 0 0 7 0 7一o 5 [ 3 8 ]L i a n g D a hB e n ．T h e r ma l f a t i g u e a n d s h o c k r e s i s t a n t ma t e ri a l for e a r t h b o rin g b i t s US， 61 9 7 0 8 4 B1 ． 2 0 0 10 30 6 [ 3 9 ]L i a n g D a h - B e n ．F r a c t u r e a n d we a r r e s i s t a n t c o mp o u n d s a n d r o c k b i t s US． 7 0 3 6 6 1 4 B2． 2 0 0 6 0 5 0 2 [ 4 0 ]L i a n g D a h B e n ．F r a c t u r e a n d we a r r e s i s t a n t c o mp o u n d s a n d r o c k b i t s US．Ap p l 2 0 0 6 ／ 02 5 4 8 2 8 A1 ． 2 0 0 6 1 1一I 6 [ 4 1 ]L i a n g D a h B e n ． F r a c t u r e a n d w e a r r e s i s t a n t r o c k b i t s U S ， 6 6 5 5 4 7 8 B 2． 2 0 0 31 2 0 2 [ 4 2]A k e r ma n J ． C e me n t e d c a r b i d e b o d y w i t h i m p rov e d h i g h t e mp e r a t u r e a n d t h e r mo me c h a n i c a l p r o p e r t i e s US，Ap p l 2 0 0 2 ／ 0 1 4 8 3 2 6 A1 ． 2 0 0 2一l 0 一l 7 [ 4 3 ]A k e r ma n J ． C e me n t e d c a r b i d e b o d y w i t h i mp r o v e d h i g h t e mp e r a t u r e a n d t h e r mo me c h a n i c al p r o p e r t i e s US， 6 6 9 2 6 9 0 B 2． 2 00 4 一U 2 一l 7 [ 4 4 ]K e a r B H．T fi p h a s i c c o m p o s i t e a n d me t h o d fo r m a k i n g s a m e U S ， 6 2 1 4 0 7 9 B1 ． 2 0 01一O 4一 l 0 [ 4 5 ]B r a n d r u p Wo g n s e n H S R ．D i a mo n d i mp r e g n a t e d h a r d ma t e ri a l US． 5 7 23 1 7 7．1 9 9 8 0 30 3 [ 4 6 ]B h u k h a n w a l a P ． Me t a l c a r b i d e c o m p o s i t e WO，0 3 ／ 0 5 7 9 3 6 A1 ． 2 0 030 7 1 7 [ 4 7 ]Mo r i g u c h i H ． S i n t e r i n g b e h a v i o r a n d p r o p e r t i e s o f d i a mo n d ／ c e me n t e d c a r b i d e s ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Re f r a c t o ry Me t a l s ＆ H a r d Ma t e ri a l s， 2 0 0 7 ， 2 5 3 2 3 7 2 4 3 [ 4 8 ]K u m a r A ．H i g h s t r e n g t h t u n g s t e n c a r b i d e ma t e ri a l for u s e i n e a rt h b o rin g b i t s US． 5 28 1 2 6 0 ． 1 99 4 一O12 5 [ 4 9 ]L i a n g D a h B e n ． R o c k b i t w i t h c o b a l t a l l o y c e m e n t e d t u n g s t e n c a r b i d e i n s e r t s US， 5 3 0 5 8 40 ． 1 9 9 40 42 6 [ 5 O ]H e i n r i c h H W．A r o t a ry e a r t h s t r a t a p e n e t r a t i n g t o o l w i t h a c e r m e t i n s e rt h a v i n g a Co - Ni - F e b i n d e r W O 。 9 9 ／ 1 0 5 5 2． 1 9 9 9一O 3一O 4 [ 5 1 ]L i s o v s k y A F ．S o me s p e c u l a t i o n s o n a n i n c r e a s e o f WC C o c e me n t e d c a r b i d e s e r v i c e l i f e u n d e r d y n a mic l o a d s ． I n t e r n a t i o n al J o u r n a l o f Re f r a c t o ry Me t a l s＆ Ha r d Ma t e r i a l s ， 2 0 0 3， 21 6 36 7 [ 5 2 ]K o n y a s h i n 1 ．Ha r d me t a l ， i n p a r t i c u l a r f o r c u t t i n g s t o n e ， c o n c r e t e ， a n d a s p h a l t US．Ap p l 2 0 0 6 ／ 0 0 9 3 8 5 9 A1 ．2 0 0 6一O 5 0 4 [ 5 3 ]K o n y a s h i n I ， S c h a f e r F ．N o v e l u l tr a - c o a r s e h a r d m e t al g r a d e s w i t h r e i n f o r c e d b i n d e r for mi n i n g a n d c o n s t r u c t i o n ． I n t e r n a ti o n a l J o u r n a l o f Re f r a c t o r y Me t a l s＆ Ha r d Ma t e r i a l s ，2 0 0 5， 2 3 2 2 5 2 3 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m