新型气门座圈材料

【美】　D.Christopherson　F.Zwein



零部件

新型气门座圈材料

【美】D.ChristophersonF.Zwein

Federal Mogul公司已为气门座圈开发了1种以粉末冶金为基础的新型材料，采用其合金材料使柴油机和汽油机进排气门座圈具有高承载能力和良好的耐磨性。

气门座圈粉末冶金耐磨性抗氧化性

1　更高的热负荷和机械负荷

随着汽油机的新发展，气门座圈需要承受更高的热负荷和机械负荷，例如在发动机小型化及与之相关的高增压和减少全负荷加浓的情况下，气门座圈处的废气温度提高，所产生的高燃烧压力导致了零件变形较大。此外，在燃油喷射(如采用E25代用燃料)和发动机低速化导致了特殊的摩擦边界条件。而在轿车柴油机上，除了废气温度提高之外，诸如排放和效率方面的要求、废气再循环，以及减少碳烟浓度等方面的原因又进一步促使了气门座圈的磨损。除了气门座圈在发动机上的使用性能之外，原材料成本及制造过程中高效的可加工性对于气门座圈材料在量产中的应用也起着重要的作用。

在这样的背景下，Federal Mogul公司动力传动部门已设计了2种以粉末冶金技术为基础的新型气门座圈材料。特别是因为高度自动化近乎网状的生产工艺，以及技术上完全成熟且价格低廉的组分材料，粉末冶金作为具有竞争力的应用的技术[1]已众所周知。被命名为FM-S14A和FM-S17D的2种粉末冶金合金遵循一般的发展趋势，由合适的合金基质和专门开发的硬化颗粒组成了气门座圈材料，这两种专门开发的硬化颗粒合金是根据气门座圈的要求设计的，从粉末冶金喷涂直至烧结也要考虑到原材料的成本和可获取性。

2　用于新材料的硬化颗粒技术

FM-S14A粉末冶金合金应用了名为LTS(Lean Tool Steel)的Federal Mogul公司硬化颗粒专利技术，并在生产中已使用约2年，其开发要求是比传统工具钢粉末冶金具有更高的耐磨性，研究获得了1种内部开发和生产的高压水喷雾混合钢，不仅含碳量高，并且具有独一无二的结构。

在喷雾工艺的最初阶段，硬化颗粒与熔液(图1)一起开发，其中应用了超过3%的高含碳量，以降低氧在熔液中的溶解性，从而使氧含量在低于喷雾时保持碳化形成物的氧化水平[2]，因而合金成分不会形成氧化物，并在烧结过程中可用于保持快速和完全地形成碳化物。

图1　在高压水喷雾设备中熔液的浇注

用光栅显微镜拍摄的照片(图2)表明了烧结后在工具钢和LTS颗粒中的碳化物的体积份额。LTS中的碳化物的体积大约为50%，而在传统的工具合金钢中的碳化物的体积大约为15%。通过与低合金基质的混合，能使马氏体硬化颗粒组织的高碳化物份额与贝氏体-珠光体基质组织相结合，从而在具有良好可加工性和制造刚性的同时，达到与工具钢相似的耐久性。

此外，剩余的碳可用于扩散到1种或多种混合粉末的混合物中，从而在烧结期间成为潜在的碳贮存器，这就限制了碳在最大程度混合的需求。过量的碳混合有时会导致有害物析出或加大材料的多孔性。虽然2种硬化颗粒都是被高压水喷雾的，但是这种合金与LTS技术完全不同，水喷雾硬化颗粒(WAHP)是Federal Mogul公司开发的第2种专利硬化相技术。

(a)

(b)

(c)

(d)

第1种合金方案在很多发动机试验中已显示出可有效改善进排气门座圈。这种方案为第2种达到目标提供了1个良好的起始点，可进一步优化可加工性性能。为此，硬化颗粒、基质和组分材料的组合在投放市场之前被再次进行修改。若它们具有合适的性能，则合金和硬化颗粒粉末冶金的高压水喷雾工艺就能生产出兼顾可靠性和经济性的气门座圈产品，并获得所期望的性能参数，例如机械强度、耐磨性，以及良好的可加工性，这为成功地开发出用于气门座圈的粉末冶金复合材料制订出关键的规范。

所期望的硬化颗粒方案必须使高合金耐磨组分材料成为粉末冶金复合结构组织的内部，因而要将高的铬和钨含量(20%～30%)、适度的钴和镍含量(3%～7%) 和约2%的碳含量结合起来，而钼因其价格的不稳定性不予考虑，最终考虑到耐久性也剔出了钼。

通过在低合金基质中嵌入如LTS和WAHP的硬化颗粒、正确的热处理，以及为改善摩擦和可加工性混合其他提高工作能力的组分材料，就能使气门座圈具有所期望的特性和必需的工作能力。基质(图3)是材料复合的主要成分，在一定程度上聚合了整个组分。

图3　FM-SITD VSR的材料显微金相组织

3　用户要求的验证试验

在粉末冶金合金经过所有的材料特性和制造性能测试后，在材料认可之前最重要的步骤之一是验证是否满足用户要求。其中，最初的模型磨损试验(图4)在标准化摩擦测定仪[3]上进行，从中得出经筛选的用于部件试验的潜在对象。这种试验在接近发动机的模拟条件下进行，并且与真实的气门接触。由采用不同气门技术的各种结构的发动机试验进行测试，并与同类产品进行比较，来证明这种材料的可靠性，从而尽可能评估出该材料在开发项目中的性能。

(a)

在研发中采用2种不同的汽油机机型(自然吸气进气道喷射和增压缸内直接喷射)和3种不同的检验程序(额定功率、交变负荷和市内行驶)及部分采用E25燃料运行，在FM-S14A合金气门座圈与感应淬火硬化氮化气门配对的工况下进行试验。在大多数试验中，进排气侧都使用FM-S14A合金气门座圈。试验前后都测录气门座圈和接触面的断面，以便能采集气门轴线方向上的组合磨损。

试验结果表明，磨损较小，其分散度也较小(图5)。在这种情况下，此材料超过了与之比较的基准材料，并且比工具钢的磨损小。从其他发动机应用场合获得的结果更充分证明了这样的状况。

这种检验方法同样也已适用于FM-S17D合金在发动机进排气侧的试验，它被安装在升功率为70 kW 的欧6柴油机机型气缸盖上。试验结果表明，与当前批量生产所使用的高合金材料相比，其具有相当耐磨损。

高的合金元素含量或应用硬化颗粒可能会因切口应力集中效应、剥落或折断而导致加工刀具过早失效[4]，从显微金相组织的角度来看，硬化颗粒是1个断开的切口。良好的材料组织和加工时的正确操

作规范可能是解决这些问题的方案，并应该在开发初期和确定工艺时予以考虑。

Federal Mogul公司的专家组与刀具制造商在自动化加工和分析设备上对这种材料的可加工性进行了试验。例如在很大的进刀和切削速度范围内对FM-S14A进行了试验(图6)。最终，在接近批量生产夹具条件下，采用用户批量生产用刀具和切削速度加工了大量的气门座圈。这些试验表明，这种材料在工艺规范相差很大的情况下仍表现得很稳定，因此与耐磨性相当的材料相比，这种材料加工能扩展到可接受的加工参数范围，并已应用于生产，而且加工时使用的润滑液数量最少[5]。同时，与传统的气门座圈用粉末冶金技术相比，这种材料表现出卓越的刀具使用寿命，因此对降低加工成本和环保型的加工方法做出了贡献。

图5　不同发动机型和试验程序时气门座圈的磨损结果

4　结论

与不同技术气门配对的耐磨性、燃料相容性、加工时的刚度和低的总成本是开发气门座圈用粉末冶金合金的研发要求。本文所介绍的粉末冶金技术消除了使用硬化颗粒开发工作能力更强的新型材料时所受到的限制，并专门为这种用途制定了所必需的合金和粉末的生产方案。FM-S14A和FM-S17D这2种材料已完全成熟，并已通过发动机试验和接近批量生产的加工试验，证实其能满足所有要求。

5　展望

在进一步的材料开发中，新型的硬化颗粒材料LTS和WAHP将在包括渗铜在内的各种不同的规范和组合中找出其用途，因此在气门座圈用新型材料方案中将占有一定的份额，而未来还包括涡轮增压器部件等其他方面的应用，在这些应用场合中材料的耐磨性和抗氧化性是十分重要的。

[1] Metal powder industries federation：powder metallurgy-intrinsically sustainable[C]. Internetveröffentlichung， abgerufen am， 2015，27(6).

[2] Beaulieu P. Development of new tool steel powders for high wear resistance and high temperature applications[C]. Dissertation，cole Polytechnique de Montréal， Canada， 2012.

[3] Earle J，Kuiry S.Application note #1002： automotive applications for tribometers[C]. Billerica/MA， USA， 2012.

[4] Christopherson D. Characterization of PM machinability： practical approach and analysis[J]. Powder Metallurgy，2008，44(2)：15-20.

[5] Orset M. Den energiebedarf um 40 prozent reduziert[J]. WB Werkstatt+Betrieb， 2014， 3.

2015-12-7)