粉末冶金氣門座的合金設計及組織性能

邢晶

摘 要：粉末冶金氣門座具有高強度、耐磨損的特點，與日本進口的粉末冶金氣門座的制作材料進行對比，分析得出，如果用高速球磨機球研磨超過24 h，得到的燒結組織就很均勻。并且在淬火處理后生成馬氏體組織。提高材料的硬度。并通過加入鈷、鉻、鎳、鉬、硅等合金元素增強材料的耐高溫性、促進組織的細化。用Fe-Al合金來增加強度的材料，鋁含量是與材料的耐磨性成正比的，但是鋁元素的含量不得超過1.5%，否則會造成反效果。

關鍵詞：鐵基粉末冶金；鐵鋁合金化合物；熱處理工藝；顯微組織；力學性能；耐磨性

中圖分類號：TF125.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）24-0009-02

氣門座作為發動機中一個主要零件之一，主要是通過與氣門的相互協調作用，在配氣的機構里共同來起到一個密封氣缸的作用的。粉末冶金技術由于它的相對簡單性，使得它能夠適用于許多不同情況下的生產要求。本次試驗就是通過參考日本五十鈴公司的氣門閥來進行相關研究并進行開發的。試驗以獲得與之相似的高性能和低成本的粉末冶金的氣門座的材料為目的。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本實驗的基體元素是粉末狀的霧化鐵，并在這一基本元素中通過適量的添加C、Cr、Co、Si、Ni以及Mo等合金粉來進行強化作用，并使用微粉蠟來充當潤滑劑。在本次試驗中，通過進行一系列的相關的性能檢測和分析得出的最終用于試驗的相關化學材料的成分，見表1。

1.2 實驗方法

在配置試驗用材料的過程中，將高碳鉻鐵粉（主要成分包括wt%：Si 2.3、Cr 65、C 7.2、S 0.02、P 0.03）作為基準，如有不足再使用其他粉末予以補足。再通過粉末的稱量、研磨、球磨、以及壓制來制作并準備試樣。首先將制備好的試樣放置在試驗用的ZT-18-22型的真空碳管爐中，在處于溫度為200以上800 ℃以下的溫度中燒結30 min，隨著溫度升到800以上1 200 ℃以下時燒結20 min，當溫度上升為1 200 ℃時停止燒結并保溫一個小時再隨之冷卻，在最后進行油淬以及回火這一程序之前，再將試樣經1 100 ℃保溫30 min：其中回火這一工藝主要分為兩種，將試樣放置在350 ℃下保溫超過2 h后再將其放置在600 ℃溫度中保溫1 h，最后再將試樣進行空冷，這叫低溫回火；而高溫回火工藝是將試樣在650 ℃下保溫1 h，然后進行空冷。

2 實驗結果與分析

2.1 燒結對試樣的組織結構的影響

試樣燒結后可以清晰的看到組織中存在著一些孔隙，但總體組織還是擁有很致密的結構的。經過燒結之后的材料形成了奧氏體化，它的內部的組織結構主要包括奧氏體、晶內的以及晶界上分布的碳化物和合金化合物，而正是這些組織中分布的碳化物才能有效的對材料的耐磨性發揮良好的促進和強化作用。

2.2 壓制的密度對燒結過程所產生的影響

當試樣的密度為6.9 g/cm3時經過燒結后所產生的孔隙相對較少，組織結構也較為致密，燒結頸也隨之長大，并通過粉末顆粒間的相互結晶作用以使其達到一個完全融合的狀態，這就表明在燒結的過程里，試樣的燒結頸已經處于一個基本完成的狀態。而當試樣的密度處于6.6 g/cm3的時候，當試樣經過燒結，就會產生很多的孔隙，雖然，燒結也可以使其達到一個合金化的過程，但是，由于壓制時的密度不夠，勢必會產生大量孔隙，從而使其不能在燒結的過程中達到一個完好結合的狀態。那為什么當密度降低的時候會對燒結的進行產生不利呢？主要原因是，密度的增大會使得磁力線也增加，而在這一增加的過程中所產生的大量熱量會對燒結產生促進作用。

2.3 回火針對試驗樣本的組織結構以及相關性能所產生

的影響

2.3.1 中溫回火組織特征

將鐵基粉末的冶金材料在350℃的溫度中進行保溫2 h，然后在將其放置在550 ℃的溫度中保溫1 h，最后進行回火工序所得到的組織，我們稱之為回火索氏體。它們分別是試樣4和試樣5的回火組織，如圖1所示。

通過對圖的觀察，我們可以從中得出，經過350 ℃保溫2 h后，再經過550℃保溫回火后的組織體中的細粒狀的滲碳體的分布，這種組織就是具有高彈性和高屈服性以及柔韌性的回火托氏體。我們可以看到，將試樣進行回火之后硬度大部分是處在HRC35～45這一范圍的，見表2。而這一硬度范圍正是與回火托氏體完全一致的。

2.3.2 高溫回火后的相關組織特性

鐵基粉末冶金材料經650 ℃保溫1 h回火后組織均為回火索氏體。試樣經過回火后所形成的金相組織，如圖2所示。從上圖中我們可以得知在材料經過650 ℃溫度保溫1 h后會產生一些分布在機體組織上的碳化物的細小顆粒，而正是因為回火索氏體的相關組織形態和馬氏體的組織形態具有一定的相似性，所以我們可以得出，粉末冶金材料相對來說具有良好的回火的穩定性這一結論。經過高溫回火后試樣的洛氏硬度值（HRC）也明顯呈現出一個降低的狀態，如表3。回火是以消除殘余的奧氏體，清除殘余的應力為目的的，將殘余的奧氏體進行轉化，勢必會降低組織體的硬度，但，相反的，組織的穩定性卻可以有所增強，從而完善了粉末冶金材料的綜合性能。

2.4 碳的含量對試驗樣本的回火性能所產生的影響

讓材料在經過350 ℃的2 h的保溫后在進行600 ℃的1 h的保溫的目的主要是想避開珠光體的400～550 ℃轉變溫度，從而讓組織在受熱均勻后直接升至600 ℃，使之成為回火馬氏體。回火這一工序主要是起到一個提高組織穩定性，消除殘余的奧氏體和殘余的內應力這一作用，它能增強維持工件在使用過程中的物理形狀及性能，增強使用過程中的穩定性，從上圖可知，因為組織在進行回火后孔隙增加，進一步完善了組織，不僅保有了硬度，還提升了韌度，測試得知，材料組織的孔隙處于7.5%～10%這個范圍，而試樣的硬度則顯示為HRC35范圍左右，而硬度值和材料孔隙率呈現一種反比的關系，見表4。通過查閱相關資料我們可以從中得知，在影響試樣的硬度的相關因素中，孔隙的形狀對其影響不大，主要影響因素還是材料的孔隙程度。通過上表我們可以看出，當將試樣經過回火進行處理之后，洛氏硬度會降低，而這一現象的主要原因在前文已經進行了闡述，因為消除了殘余的應力，重組組織顆粒，降低材料的硬度。

3 結 語

①在本次試驗的條件下，通過增加鉬、鉻等相關合金的元素借此來增加材料自身的高溫硬度，并通過燒結使之形成晶內和晶界上分布的少量碳化物以及合金化合物從而使材料的耐磨性得以提高。

②在本次實驗中最優的合金成分的組合是：5.27Co-2.19Cr-1.69Si-4.0Mo-0.53Ni-0.2C-余Fe。

而在工藝的參數中最佳為：1 200 ℃溫度中1 h的燒結，在1 100 ℃的溫度中的油淬火，以及在600 ℃中的回火；回火后檢測組織的硬度值（HRC）分別是36.3和38。

③如果淬火溫度較低，那么碳化物由于相對穩定性就會難以溶解，此時，對組織的硬度所產生的影響并不大，而當溫度的增加，化物的溶解也隨之加快，因此，提高淬火溫度可以一定程度地提高燒結體的硬度。

參考文獻：

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