粉末冶金氣門導管材料研究

李賢斌，方明紅，裴學宏，華建杰

東風汽車零部件(集團)有限公司東風粉末冶金公司，湖北武漢 442700

0 引言

氣門導管是汽車發動機氣門的導向裝置，對氣門起導向作用，并使氣門桿上的熱量經氣門導管傳給汽缸蓋。

氣門導管制造方法主要有鑄造和粉末冶金兩種工藝。鑄造材料主要是以析出碳化物和石墨相提供了材料的耐磨性、熱硬度和熱傳導性，由于鑄造法成分易偏析、合金化限制等本身工藝上的局限性，不能更進一步地提高材料的熱傳導能力,尤其如何使材料本身具備自潤滑特性，在工藝上不具備操控性。而由于粉末冶金材料成分具有可以“隨意”配制的工藝特點，為了改善材料的導熱性，在材料中加入銅，其范圍可在5%～50%任意調整；為了提高材料的耐磨性，可在材料基體中添加硬質顆粒成分，并使顆粒保持原有的性能和特征；更為獨特的是，在材料中添加金屬性型或非金屬型的固體潤滑劑，如氧化物、復合化合物、有機化合物等，可使材料獲得自潤滑性能，大幅提高減摩性能，從而降低了氣閥與氣門導管之間的摩擦力，提高了耐磨性。

某11 L大功率發動機在國Ⅳ及以上排放要求的發動機試驗結果表明，鑄造灰鐵氣門導管存在磨損顯著超限現象(超限值5倍以上)，可見現有鑄鐵材料性能難以滿足要求，且改進空間有限。因此，文中利用粉末冶金氣門導管材料成分可設計自由度高的工藝優勢，根據不同的發動機工況需求來定向開發相匹配的各種材料，將極大地提高粉末冶金在該行業的應用前景。

1 氣門導管工況分析

1.1 工況參數

氣閥最大相對滑動速度為2.8 m/s；與氣閥桿直徑間隙：進氣為0.04～0.07 mm，排氣為0.06～0.09 mm；對偶材料：進氣閥桿部材料9Cr18Mo2V，排氣閥桿部材料5Cr9Si3(兩者桿部表面均鍍鉻EP.Cr6，鍍鉻層深0.008～0.015 mm，表面粗糙度0.4 mm)；工作溫度為150～450 ℃；潤滑介質：熱氣流和15W40機油。

1.2 導管的安裝位置及性能要求

導管的安裝位置及導管形狀如圖1所示。其性能要求如下：高耐磨性、高抗腐蝕性、高熱傳導性、優良機械性能及優良機加工性能。

圖1 導管的安裝位置及導管形狀

2 材料體系確定

2.1 6種配方的化學成分分析

根據產品特點，為滿足氣門導管的物理-力學性能，文中選擇6種配方進行試驗，6種配方的化學成分分析結果見表1。由表1可以看出，6種配方中的C、MoS、CaF、MnS的質量分數范圍相同。

表1 6種配方的化學成分分析結果 單位:%

2.2 配方各成分的性能作用

2.2.1 MoS的特性及作用

MoS為黑色有光澤的粉末，相對密度為4.80 g/cm，熔點為1 185 ℃，450 ℃升華，1 370 ℃開始分解，1 600 ℃分解為金屬鉬和硫。在空氣中加熱到315 ℃時開始被氧化，一般情況下摩擦因數為0.03～0.06?；瘜W穩定性和熱穩定性好，與一般金屬表面不產生化學反應，低溫范圍(空氣中：-280 ℃，真空中：-198 ℃)。

MoS不同于石墨，它的摩擦因數低(0.03～0.06)，不是吸附膜或氣體所致，潤滑性是它本身所固有的。

2.2.2 CaF的特性及作用

CaF為白色超細粉末，相對密度為3.18 g/cm，熔點為1 360 ℃，具有片層狀結構。主要功能有：①可作固體潤滑劑:改善壓制性，減小脫模力，毛坯表面光滑延長模具使用壽命;②可作易切削劑:改善制品的切削性能，延長切削刀具使用壽命，提高制品表面光潔度；增加生產速率，節省加工費用。

2.2.3 MnS的特性及作用

MnS為六方晶體，軸方向強度低，具有片層狀結構，熔點高達1 610 ℃，相對于氟化鈣具有更高的熱穩定性，相對密度為3.99 g/cm，是提高粉末冶金材料切削性能的專用添加劑。

2.2.4 Mo的作用

Mo是一種灰色的過渡金屬。金屬呈銀灰色，為體心立方晶體結構，熔點為2 617 ℃，沸點為4 612 ℃，密度為10.22 g/cm。鉬和鎢性質十分相似，具有高溫強度好、硬度高、密度大、抗腐蝕能力強、熱膨脹系數小、良好的導電和導熱等特性。

2.2.5 Cr的作用

Cr為銀白色金屬，質極硬，耐腐蝕。密度為7.20 g/cm，熔點為(1 857±20)℃，沸點為2 672 ℃。在高溫下被水蒸氣所氧化，在1 000 ℃下被一氧化碳所氧化，Cr具有很高的耐腐蝕性。

2.2.6 Cu的作用

Cu是燒結鋼中常用的合金元素，Cu在1 083 ℃時熔化，產生液相，促進燒結過程，并且Cu對Fe起固溶強化作用，用以提高材料強度，因為Cu能夠過早地產生液相，所以能夠有利于燒結初期Cu的均勻分布，從而改善Cu擴散的起始條件。

3 材料工藝試驗

粉末基礎性能測試結果見表2。

表2 粉末基礎性能測試結果

由表2可以看出：含Fe-Mo合金及Cr合金的粉末壓制性略差，這是由于元素Mo、Cr固溶在Fe粉末顆粒里，有固溶強化作用，粉末顆粒較硬，不利于壓制；采用專用混料黏結劑，使得細顆粒(石墨、二硫化鉬、硫化錳、氟化鈣等)均勻黏結在Fe顆粒表面，在防止偏析方面起到良好效果(一般要求碳偏析不大于5%)。

4 材料性能試驗

4.1 材料強度性能試驗

表3為導管材料基礎性能試驗結果。

表3 導管材料基礎性能試驗結果

由表3可以看出：

(1)HT37(鑄鐵)硬度遠高于粉末冶金材料，但其抗拉強度、屈服強度、壓潰強度(值)遠低于粉末冶金材料，其延伸率略低于粉末冶金材料。

(2)粉末冶金含Cr材料4#及6#配方的硬度、抗拉強度及值略高一些，其中硬度高于其他配方40HRB，其他性能未見明顯優勢。

(3)粉末冶金低Cu材料1#及2#配方的硬度及值略低，其他性能未見明顯差異。

(4)粉末冶金高Cu材料3#及5#配方的硬度略低，強度及值略高，其他性能未見明顯差異。

(5)粉末冶金含Fe-Mo成分的配方硬度低于Cr材料，高于其他材料。

4.2 金相試驗

1#～6#的試樣未侵蝕形貌和試樣基體組織如圖2—7所示。

如圖2a所示，1#試樣未侵蝕形貌為：孔隙+灰色合金相+銅相；如圖2b所示，1#試樣侵蝕后的基體組織形貌為：細針狀馬氏體+片狀珠光體+灰色合金相+銅相?；w顯微硬度(0.1HV)為:537、443、491(馬氏體)；241、299、255(珠光體)。

圖2 1#試樣的未侵蝕形貌和基體組織形貌

如圖3a所示，2#試樣未侵蝕形貌為：孔隙+灰色合金相+銅相；如圖3b所示，2#試樣侵蝕后的基體組織形貌為：片狀珠光體+細針狀馬氏體+灰色塊狀合金相+銅相?；w顯微硬度(0.1HV)為：447、400、497(馬氏體)；269、255、293(珠光體)。

圖3 2#試樣的未侵蝕形貌和基體組織形貌

如圖4a所示，3#試樣未侵蝕形貌為：孔隙+灰色合金相+銅相；如圖4b所示，3#試樣侵蝕后的基體組織形貌為：屈氏體+細片狀珠光體+細針狀馬氏體+灰色塊狀合金相+銅相?；w顯微硬度(0.1HV)為：451(屈氏體)；572、504、503(馬氏體)；382、399、375(珠光體)。

圖4 3#試樣的未侵蝕形貌和基體組織形貌

如圖5a所示，4#試樣未侵蝕形貌為：孔隙+灰色合金相；如圖5b所示，4#試樣侵蝕后的基體組織形貌為：細針狀馬氏體+屈氏體+片狀珠光體+淡灰色圓塊狀合金相?；w顯微硬度(0.1HV)為：672、564、474(馬氏體)；457、435、382(屈氏體)；275、311、322(珠光體)。

圖5 4#試樣的未侵蝕形貌和基體組織形貌

如圖6a所示，5#試樣未侵蝕形貌為：孔隙+灰色合金相+銅相；如圖6b所示，5#試樣侵蝕后的基體組織形貌為：屈氏體+片狀珠光體+細針狀馬氏體+灰色塊狀合金相+銅相?；w顯微硬度(0.1HV)為：486、531、507(馬氏體)；422、436、433(屈氏體)。

圖6 5#試樣的未侵蝕形貌和基體組織形貌

如圖7a所示，6#試樣未侵蝕形貌為：孔隙+未溶石墨+灰色合金相；如圖7b所示，6#試樣侵蝕后的基體組織形貌為：細片狀珠光體+貝氏體+馬氏體+細條狀滲碳體+灰色塊狀合金相?；w顯微硬度(0.1HV)為：572、666、594(馬氏體)；393、396、375(屈氏體)；272、284、290(珠光體)。

圖7 6#試樣的未侵蝕形貌和基體組織形貌

4.3 摩擦磨損試驗

4.3.1 銷-盤加熱對比試驗

試驗參數：載荷為1 MPa，速度為3.05 m/s，回轉直徑為90 mm；試驗時間為180 min(行程約32 940 m)；潤滑狀態為干摩擦;試驗平均溫度為250 ℃。

對偶盤試樣：40Cr熱處理-表面鍍Cr-HRc36-40。

6種配方加熱250 ℃時，測量摩擦因數、磨損量以及對偶損傷情況，結果見表4。磨損量以體積分數表示。

表4 6種配方加熱250 ℃銷-盤對比摩擦磨損試驗結果

4.3.2 6種配方與鑄件及KD件對比試驗

表5為6種配方與鑄件及KD件摩擦磨損對比試驗結果。

表5 6種配方與鑄件及KD件摩擦磨損對比試驗結果

結合表4和表5粉末冶金自主開發材料與鑄件及KD件摩擦磨損對比試驗情況可以看出：

(1)無論是從潤滑性能還是耐磨性能來比較，粉末冶金材料優越于HT37(鑄造材料)；

(2)單從粉末冶金材料配方來看，其耐磨性由大到小順序為5#、3#、6#、2#、KD、4#、1#，其潤滑性由大到小順序為1#、5#、6#、2#、3#、4#、KD；

(3)綜合來看，在250 ℃左右，5#配方的摩擦性能要遠優越于其他配方。

4.3.3 高溫耐磨性試驗

硬度隨溫度升高降低，屬于材料的“軟化”現象，在相變溫度以下，抗“軟化”性能跟材料內部組織自身的特性關系重大，燒結材料的組織有珠光體、銅相、少量硬質相、潤滑相等，還有孔隙(孔隙也是一種組織)，為此通過高溫摩擦磨損對比試驗來評價材料的優劣。導管材料高溫耐磨性試驗結果見表6。

表6 導管材料高溫耐磨性試驗結果

從表6粉末冶金自主開發材料與鑄件及KD件導管材料高溫耐磨性試驗可以得出：

(1)粉末冶金材料耐磨性能要遠高于HT高溫耐磨性實驗37鑄造材料。

(2)2#、5#、6# 3種配方在350 ℃以下，耐磨性要優于其他配方，比鑄鐵有顯著優勢，比競品也有一定優勢，其中5#、6#配方在450 ℃以下耐磨性更為明顯。

(3)2#配方基粉的1/2為Fe-Mo預合金粉末，其燒結后顆粒中心組織為B，基體組織存在大量P及B，使得該材料耐磨性大大增強，在低于350 ℃時，耐磨性優勢明顯；但隨溫度升高，材料抗“軟化”性能下降，高于350 ℃時，由于相變造成耐磨性快速降低的現象。

(4)5#配方含有大量的Cu及一定含量的Sn，其燒結后組織為屈氏體+片狀珠光體+細針狀馬氏體+灰色塊狀合金相+銅相的多相復雜組織，既有耐磨相，又有減摩相，還添加有特定固體潤滑劑，使得該材料兼備優異的耐磨性及潤滑性。同時隨溫度升高，材料抗“軟化”性能并未下降，該材料在350～450 ℃時，甚至出現由于相變造成耐磨性增強的現象，呈現出磨損量隨溫度升高而下降的趨勢。

(5)6#配方含有一定量的Cr，其燒結后組織為細片狀珠光體+貝氏體+馬氏體+細條狀滲碳體+灰色塊狀合金相的多相復雜組織，多數為耐磨相，通過添加有特定固體潤滑劑，提高該材料的潤滑性。使其具備優異的耐磨性及潤滑性。Cr的加入，使得該材料耐磨性、抗氧化性和耐腐蝕性能大大提高。

(6)2#、5#、6# 3種配方在不同的溫度范圍區間均有著優良的耐磨,其中5#配方最優。

4.4 切削性試驗

研究各種配方的被切削性能，降低刀具消耗，對氣門導管材料與鑄造材料切削性進行了對比試驗，結果見表7。

表7 氣門導管材料與鑄造材料切削性對比試驗結果

從表7粉末冶金自主開發材料與鑄件各加工400件刀具磨損量可以得出：

(1)鑄造導管(HT37)材料的被切削性能最好，其次為粉末冶金材料1#、5#及2#配方，其余材料被切削性能較差；

(2)粉末冶金材料本身的特點，其被切削性較差，但加入MnS及CaF后，其被切削性有很大提高；

(3)由于合金化影響，含Cr材料被切削性能最差，含Fe-Mo材料被切削性能也很差，普通P基材料及高Cu材料由于相對較軟，其被切削性能相對較好，甚至和鑄造導管材料相當;

(4)從以上材料被切削性能來看，1#、5#、2#是相對容易被切削的材料。

為進一步降低開發成本，縮短周期，綜合材料的基礎性能、強度、金相、高溫耐磨性及被切削性能等試驗結果，對以上材料進行篩選?，F選擇以下材料配方進行下階段試驗：

(1)2#配方：相對較高的機械性能、高溫耐磨性能及被切削性能；

(2)5#配方：較高的機械性能、高溫耐磨性能及被切削性能；

(3)6#配方：相對較高的機械性能、高溫耐磨性能。

5 發動機臺架試驗

為模擬發動機實際工況，研究各種配方氣門導管的耐磨性，在發動機專業臺架試驗設備進行了臺架試驗。

臺架試驗完成后，檢測氣門導管內孔尺寸磨損量，結果見表8。

表8 氣門導管臺架試驗內孔磨損量 單位:mm

由表8可以看出，粉末冶金件內孔磨損量小于0.03 mm，滿足設計要求，且遠小于原裝機件磨損量。

6 結束語

通過對國產大功率發動機的工況深入分析、粉末冶金材料體系設計、性能試驗結果及發動機臺架試驗驗證，得出2#、5#配方滿足大功率潔凈能源發動機排放標準，其中5#配方綜合性能最優?；谖磥泶蠊β拾l動機燃料多元化趨勢，下一步工作重點是改善粉末冶金材料多工況適應性。