WC含量對鐵基氣門閥座材料性能的影響

1前言

以往應用在汽油發動機和柴油發動機上的進氣、排氣閥座一直使用鑄造合金材料，例如:南京汽車制造廠生產的ＮＩＤ433柴油發動機的氣門閥座就是這種材料。但是近年來由于發動機的負荷越來越高，致使閥座磨損、腐蝕嚴重，原始的鑄造閥座已無法適應新的使用要求，而粉末冶金氣門閥座材料則是一種比較理想的有很大潛力的新型材料，可有效地防止閥座在高溫條件下使用時出現塌陷。和鑄造法相比，它具有晶粒細小、偏析少、金相組織穩定等特點，還可以在合金中添加其它微量元素，從而能較方便地改善材料的綜合性能。本文采用在水霧化高(Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ)預合金粉末中混入ＷＣ粉的方法，研究了硬質相的加入量對粉末冶金高(Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ)燒結鋼氣門閥座合金的密度、硬度、橫向斷裂強度的影響以及合金熱處理后硬度的變化，用ＳＥＭ研究了合金中碳化物質及ＷＣ硬質相的分布特征。

2試驗原料與設備

2.1試驗原料

用高壓水霧化預合金鋼粉末為基體合金粉末。

高壓水霧化預合金粉末，顆粒形狀為不規則形狀、<100μｍ、松裝密度>2.5ｇ/ｃｍ3。在預合金粉末中加入一定量的液相形成元素:磷鐵(Ｆｅ3Ｐ)粉(含磷15.6%)，石墨粉。磷鐵粉為工業純，<75μｍ;石墨粉為<75μｍ;ＷＣ粉為株洲601廠生產(2～3μｍ)用以上粉末按其含量配制成Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ五種成分的合金粉末。

2.2試驗設備及所用儀器

試驗中所用的設備主要有球磨混料機、油壓機、鉬絲燒結爐、熱處理爐，檢測儀器有6ｋＮ萬能材力試驗機、洛氏硬度計、分析天平、掃描電子顯微鏡(ＳＥＭ)，臺架試驗機為ＢＪ493Ｑ型柴油機。

3試驗內容與方法

3.1ＷＣ含量對燒結材料的性能的影響

ＷＣ含量不同的五種合金粉末，經球磨混料45ｍｉｎ(球料比為3∶1)，采用鋼壓模壓制，單位壓制壓力為650ＭＰａ，分別壓制成兩種壓坯:Ф13ｍｍ×6ｍｍ和6.5ｍｍ×6.5ｍｍ×40ｍｍ。將壓坯在氫氣保護的鉬絲燒結爐中，于1190℃燒結60ｍｉｎ，經水套冷卻出爐。采用排水法(天平精度為0.0001ｇ)，測量燒結合金的密度，每種成分的合金測10個試樣取平均值。用洛氏硬度計測量試樣的硬度(ＨＲＣ)，每個試樣測5個點，每種合金測10個試樣，取平均值。用三點彎曲試驗法(跨距24ｍｍ)在6ｋＮ材力試驗機上，測量燒結試樣的橫向斷裂強度(ＴＲＳ)。試樣經磨床磨成50ｍｍ×50ｍｍ×35ｍｍ統一尺寸，再用1000#砂紙磨平并拋光表面及棱角，經80℃真空烘干4ｈ，測試10個試樣取平均值。

為了觀察ＷＣ粉加入前后燒結合金顯微組織的變化及ＷＣ顆粒在基體中的分布，將燒結合金制備成金相試樣并用5%的硝酸酒精腐蝕后，掃描電鏡觀察ＷＣ是否形成了有利于閥座材料在高溫長時間使用所需的硬質相網狀結構及實際分布情況。

3.2不同ＷＣ含量對合金淬火后硬度的影響

氣門閥座在使用時的硬度要求由于受氣門閥體硬度的限制，一般要求氣門閥座材料的硬度控制在39～42ＨＲＣ范圍內。但是從氣門閥座的生產工藝來看，如果燒結出爐狀態時的硬度低于該硬度范圍，在加工工序安排上，就必須先淬火、回火然后研磨精加工，否則變形問題很難解決。如果合金在燒結出爐狀態時的硬度正好在39～42ＨＲＣ范圍，此時以精車代磨，從生產工藝上看可以省去淬火、回火和研磨工序，這對降低生產成本、控制合金質量十分有利。本文在研究合金硬度時，主要研究目標是在保證燒結出爐狀態時硬度達到39～42ＨＲＣ，而且在淬火、回火工藝下硬度有提高的余地，特別是在350～400℃長期時效狀態下硬度要穩定。為此在試驗中首先要研究ＷＣ含量與合金出爐態硬度的關系并測定試樣在350℃經100ｈ時效過程中硬度的變化。同時研究淬火工藝對合金最終硬度的影響。本文采用兩種淬火、回火工藝:

(1)1000℃保溫20ｍｉｎ后，油淬，然后經500℃回火120ｍｉｎ。

(2)900℃保溫20ｍｉｎ后，油淬，然后經500℃回火120ｍｉｎ。

五種合金，分別測量其在上述熱處理工藝下的硬度變化，從而研究不同的ＷＣ含量對合金淬火、回火后的硬度的影響。

3.3臺架試驗

選取Ａ、Ｃ號合金分別制成ＢＪ493Ｑ柴油機用的進、排氣門閥座，并按標準進行600ｈ可靠性考核試驗。臺架試驗是在ＢＪ493Ｑ柴油機上進行，最終磨損量由各缸的進、排氣閥座磨損量取統計平均值。

試驗條件如下:

1)不帶空氣濾清器，發動機空載。

2)機油外冷卻。

3)樣機經過44ｈ磨合。

4)試驗用油:按ＧＢ252要求的20#輕柴油，15Ｗ/40ＣＤ級柴油機油。

5)水溫80℃±5℃，機油溫度85℃±5℃。

4結果與討論

4.1ＷＣ含量對燒結后材料的性能的影響

五種合金的燒結態密度、理論密度及相對密度。

Ａ、Ｂ、Ｃ三種燒結合金的密度、硬度曲線可以看出:隨著ＷＣ的含量升高，合金的密度、硬度都有所增加，這是因為ＷＣ本身的密度、硬度較基體合金高很多所致。

ＷＣ粉含量對合金橫向斷裂強度的影響。合金的橫向斷裂強度隨ＷＣ粉含量的增加明顯下降，這是因為加入的碳化鎢硬質點相主要集中在合金的晶界處。這些碳化鎢不僅多以網狀或片狀分布在晶界，而且碳化鎢本身較脆，故使合金的最終橫向斷裂強度降低。同時也因相對密度逐漸減少即孔隙度增大所致。

Ａ、Ｂ兩種合金于1190℃燒結45ｍｉｎ后的ＳＥＭ照片。可以看出:Ａ、Ｂ兩種合金燒結后的晶粒度基本相同，這說明ＷＣ的加入并未明顯影響晶粒長大。晶界做局部放大，可以看出:ＷＣ的顆粒形貌已不是加入時的形狀，而是以網狀或片狀聚集在晶界處。經能譜分析可知，原加入的ＷＣ經高溫燒結后其成分已不是純ＷＣ而是復式碳化物了，這種組織有利于形成硬質相的骨架結構。顯然用這種材料制造進、排氣閥座零件時，可以有效防止環形塌陷和磨損。

4.2不同ＷＣ含量對合金淬火后硬度的影響

Ｃ、Ｅ號合金燒結態、淬火回火態的硬度值，可以看出燒結態合金的硬度仍在42～43ＨＲＣ范圍，而且對Ｃ、Ｅ號燒結態合金的測量表明，在(空氣中)350～450℃，長達600ｈ的連續加熱時效過程中，硬度值分別由42ＨＲＣ、43ＨＲＣ增加到425ＨＲＣ、435ＨＲＣ。由此可以認為燒結合金在使用過程中硬度會保持穩定值。

淬火工藝對硬度的影響。由Ｃ號合金在900℃保溫20ｍｉｎ淬火、500℃回火后，硬度只有少量提高。但在1000℃保溫20ｍｉｎ油淬、經500℃回火、合金硬度由44ＨＲＣ提高到62ＨＲＣ。當ＷＣ的質量分數為6.0%時，經1000℃淬火500℃回火，硬度由45ＨＲＣ升到65ＨＲＣ。顯然，燒結合金在900℃保溫20ｍｉｎ淬火，由于合金中奧氏體的均勻化不完全，這樣在淬火時達不到理想馬氏體量，會殘留大量奧氏體，硬度較低。高溫回火后，回火索氏體生成，殘余奧氏體分解，故合金硬度提高不明顯。當ＷＣ的質量分數為6.0%而且經1000℃淬火，合金中奧氏體的均勻化程度有所提高，淬火時馬氏體量也提高，殘余奧氏體量減少，故硬度也有提高。500℃回火后，淬火時馬氏體轉變成回火索氏體，但因ＷＣ量增加，基體合金中有大量的碳化物質點在晶內析出，造成彌散硬化，明顯地提高了基體硬度。

4.3ＷＣ的加入對氣門閥座使用性能的影響

通過600ｈ可靠性試驗考察Ａ、Ｃ號合金氣門閥座的使用性能。

Ａ號合金由于加入ＷＣ硬質點故在600ｈ可靠性試驗后進、排氣閥座的磨損量偏大。但并沒有影響整機的性能。說明Ａ號合金可基本滿足ＢＪ493Ｑ柴油機的要求。Ｃ合金由于加入ＷＣ(4%)硬質點，故在600ｈ可靠性試驗后各閥座磨損量明顯減小，可滿足柴油機使用要求。

5結論

1)隨著ＷＣ含量增加，燒結合金的密度(但相對密度減小)、硬度提高，橫向斷裂強度下降。

2)加入的ＷＣ經燒結后是以網狀或片狀存在于合金的晶界處，有利于形成硬質相的骨架結構，從而可提高氣門閥座材料的高溫使用性能。

3)ＷＣ的加入使合金淬火、回火后的硬度明顯提高。