專利名稱：用于閥座墊板的高可加工性的鐵基燒結合金的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及用于制造內燃機閥座墊板的鐵基燒結合金組合物。閥座墊板(VSI)在十分嚴酷的環境下工作。閥座墊板合金需要抵抗由搭配的閥座面引起的磨損和/或粘連，抵抗由高工作溫度引起的軟化和退化，并抵抗由燃燒產物引起的腐蝕。
閥座墊板是在插入汽缸蓋后加工的。加工閥座墊板的成本占加工汽缸蓋總成本的很大一部分。在加工操作中，由于使合金具有耐磨損性的硬質材料相也會對切削工具產生嚴重磨損，所以這成為閥座墊板合金設計的主要問題。
在多數客車引擎應用中，燒結合金已經代替鑄造合金用于閥座墊板。粉末冶金(壓制和燒結)是非常吸引人的VSI制造工藝，因為其合金化的靈活性能允許非常異質相的共同存在，如碳化物，軟的鐵素體或珠光體相，硬質馬氏體，富銅相等，并且其近終形成型能力減少了加工成本。
燒結閥座墊板合金是應內燃機-更高功率密度的需求而發展起來的，更高的功率密度產生了更大的熱和機械負荷，更換了燃料以減少排放并延長發動機壽命。那些燒結合金主要有四類1)100％工具鋼，2)添加有硬質相顆粒的純鐵或低合金鐵基體，以增加耐磨損性，3)高碳，高鉻(＞10wt％)鋼，和4)Co和Ni基合金。
這些材料已經滿足了多數耐用性的需要。然而，所有這些都難于加工，除非使用高百分比的改善加工性添加劑。
第1，2和3類是高碳含量材料。US專利6139599，5859376，6082317，5895517及其它描述了主要在珠光體相(5到100％珠光體)中分散有硬質顆粒的鐵基燒結合金，其中添加了獨立的細碳化物和自潤滑化合物，以充分滿足閥座墊板的應用。
雖然增加了耐用性，增加合金中的碳化物的量和尺寸對最終閥座墊板的處理(可壓縮性和生坯強度)和加工是有害的。另外，燒結產品的強度會由于大量碳化物或硬顆粒的存在而顯著降低。
US專利6139598提出了一種具有可壓縮性，耐高溫磨損性和加工性良好組合的閥座墊板材料。用于生產這種材料的混合物是含有Cr和Ni的鋼粉末(＞20％Cr和＜10％Ni)，Ni粉末，Cu，鐵合金粉末，工具鋼粉末和固體潤滑劑粉末的復合混合物。雖然這種材料可以帶來可壓縮性和耐磨損性的顯著提高，其高含量的合金元素意味著高材料成本(Ni，工具鋼，Cr，富鋼粉末，鐵合金)。
US專利6082317提出了一種閥座墊板材料，其中鈷基硬顆粒分散在鐵基合金的基體中。與通常的硬顆粒(碳化物)相比，鈷基硬顆粒據稱磨損性較弱，會產生對搭配的閥較小的磨損。據稱，這種材料適合于需要閥的金屬表面與閥座直接接觸的應用，如用在內燃機中。盡管Co合金表現出各種性能的良好平衡，Co的價格是這些合金對于汽車應用太昂貴。
詳細描述本發明針對上面所列的所有缺陷，提供了一種具有極好的加工性和高耐熱和耐磨損性的壓制-燒結合金。
通過提出高強度低碳馬氏體基體，細分散碳化物，改善加工性添加劑和填充孔隙的富銅相網絡的獨特組合，本發明解決了加工性的問題。分散在硬馬氏體基體中的硬顆粒的量相對較少，進而減少了合金的成本。
依據本發明，燒結硬化合金具有包含2-5wt％Cr；0-3wt％Mo；0-2wt％Ni且其余的由Fe組成的基體，其中優選這些元素完全預合金化。加入5-25wt％的工具鋼以改善耐磨損性和耐熱性，并且至少一種改善加工性添加劑選自MnS，CaF或MoS2，用量為1-5wt％。為了顯著改善熱傳導性，通過燒結中的密實體滲透，加入10-25wt％的Cu合金來填充孔隙。Cu的滲透還改善了合金的可加工性。
為了能夠更完全理解本發明，給出了一些關鍵的性能并與現有的典型閥座墊板材料性能進行了對比。在表1中說明了實施例材料的粉末混合物成份，并且在表2中給出了性能表1實施例材料的粉末混合物組成
在表1中，Fe代表基體粉末，該粉末用在混合物中，且可以是單一的鐵粉末或合金鋼粉末。工具鋼粉末代表混合物的第二種組分，且其混合作為M2或M3/2類型的工具鋼粉末。Cu通過在燒結過程種密實體的滲透加入；石墨和固體潤滑劑作為元素粉末加入混合物。
所有粉末都與蒸發形潤滑劑混合，在6.8g/cm3壓實并在1120℃(2050°F)燒結。燒結后，通過550℃下在空氣或氮氣氣氛中的回火，進行熱處理。
處理之后，對每個合金的典型樣品的重要性質進行檢測。通過對由樣品材料生產的2000個閥座墊板的端面切削和橫向切削，對加工性進行檢測。每50次切削檢測一次工具磨損。相對于切削次數繪制磨損曲線，并進行線性回歸分析。回歸曲線的斜率顯示了磨損率，被認為是加工性的標準。另外，在每個加工性測試的最后，測量在墊板側面切削刃的磨痕深度。磨痕深度也被認為是所測試材料的加工性的表示。
合金耐熱磨損性的測試在高溫滑動磨損臺上獲得。將測試材料的細磨矩形棒固定并用氧化鋁球在樣品的細磨的表面上做往復運動。測試樣品在測試過程中保持在450℃。磨痕深度說明了在這些條件下樣品的耐磨損性。
通過記錄在同一溫度下的至少5次讀數及平均值，測定不同樣品溫度下的熱硬度。
通過將給定溫度下的測得的比熱容的值，熱擴散性和密度相乘，計算出熱導率。
表2總結了該新材料的性能，與現有的閥座墊板材料做比較，現有材料的成份中含有5倍多的工具鋼。本發明的材料(“新型合金”)比樣品合金加工好2.5到2.7倍，樣品合金具有相同的熱耐磨損性和非常相近的熱硬度。
表2樣品材料的性能
考慮到對于排氣閥座墊板最大預期的操作溫度大約為350℃，表2所示結果明確說明此新型材料將表現出的性能比閥座材料B好，而且幾乎與閥座材料A一樣好，然而其展示出比材料A好的多的加工性能。加工性，成本，熱導性以及抗磨損性的綜合效應使得此材料成為一個取代用于引擎裝置，如閥座墊板材料這種昂貴的產品替代品。
明顯的，本專利的修改和改變可能是基于上述說明的。所以，需要理解的是，在所附權利要求的范圍內，本發明可以不按照具體描述進行實施。本發明由權利要求所限定。
權利要求
1.一種用于內燃機的可燒結硬化的粉末金屬閥座材料，包括如下的混合物構成該混合物的75-90wt％的可燒結硬化的鐵粉末；工具鋼粉末；固體潤滑劑；和在燒結過程中通過滲透添加的銅。
2.權利要求1中的材料，其中工具鋼的混合比例是5-25wt％。
3.權利要求1中的材料，其中工具鋼選自M2和M3/2工具鋼。
4.權利要求1中的材料，其中工具鋼由M2工具鋼組成。
5.權利要求1中的材料，其中鐵粉末與2-5wt％的Cr預合金化。
6.權利要求5中的材料，其中該鐵粉末進一步與0-3wt％的Mo和0-2wt％的Ni預合金化。
7.權利要求1中的材料，具有如下組成75-90％的與2-5wt％的Cr，0-3wt％的Mo和0-2wt％的Ni預合金化的鐵粉末；5-25wt％的M2工具鋼粉末；1-5wt％的選自MnS，CaF2和MoS2中的一種或多種的固體潤滑劑；和在燒結過程中通過滲透添加的占其余組成10-25wt％的Cu。
8.權利要求7中的混合物，其中鐵粉末存在的量為89wt％。
9.權利要求7中的混合物，其中M2工具鋼存在的量為8wt％。
10.權利要求7中的混合物，其中固體潤滑劑存在的量為3wt％。
11.權利要求7中的混合物，其中Cu存在的量是混合物其余組成的20wt％。
12.權利要求7中的混合物，具有如下組成89wt％的鐵粉；8wt％的M2工具鋼；3wt％的固體潤滑劑；和20wt％的滲透的Cu。
13.一種用于內燃機的，具有改善的可加工性、耐磨損性和高熱導率的燒結閥座墊板材料，其中所述材料由Cr基可燒結硬化合金粉末、工具鋼粉末、固體潤滑劑和通過在燒結過程中密實體滲透添加的Cu的混合物組成。
14.權利要求13的材料，其特征在于在常規爐中燒結之后，不加速冷卻，微結構完全馬氏體化。
15.權利要求13的材料，其特征在于工具鋼僅在混合物中的混合比例為5-25％。
16.權利要求13的材料，其特征在于如下的混合物組成75-90％的可燒結硬化的鐵粉末，該鐵粉末與2-5wt％的Cr、0-2wt％的Ni和0-3wt％的Mo預合金化；5-25wt％的M2工具鋼粉末；1-5wt％的選自MnS，CaF2，MoS2的固體潤滑劑；10-25wt％的通過在燒結過程中固體坯的滲透而添加的Cu。
17.一種用于內燃機的，具有改善的可加工性、耐磨損性和高熱導率的燒結閥座墊板，包括可燒結硬化的預合金化或混合的Fe粉的基體，該基體包含2-5wt％的Cr，與一定量工具鋼粉末、固體潤滑劑和一定量的在燒結過程中滲透加入的Cu混合并燒結。
18.權利要求17的燒結閥座墊板具有的微結構，在燒結后無加速冷卻，完全馬氏體化。
19.權利要求17的燒結閥座，其中工具鋼的混合比例是5-25wt％。
20.權利要求17的燒結閥座，其中所述Fe粉進一步包含0-3wt％的Mo和0-2wt％的Ni。
21.權利要求20的燒結閥座，其中工具鋼包含M2工具鋼，存在的量為5-25wt％。
22.權利要求21的燒結閥座，其中工具鋼存在的量為8wt％。
23.權利要求20的燒結閥座，其中固體潤滑劑是選自MnS，CaF2和MoS2中的一種或幾種，且存在的量為1-5wt％。
24.權利要求23的燒結閥座，其中固體潤滑劑存在的量是3wt％。
25.權利要求20的燒結閥座，其中Cu滲透的量為混合物其它組成的10-25wt％。
26.權利要求25的燒結閥座，其中Cu滲透的量為20wt％。
27.一種制造用于內燃機的燒結粉末金屬閥座墊板的方法，該閥座墊板具有良好的加工性、耐磨損性和高的熱導率，所述方法包括將Cr基可燒結硬化鐵粉與工具鋼粉末和固體潤滑劑混合；密實化并燒結該混合物；以及在燒結過程中，用Cu滲透密實體。
28.權利要求27中的方法，其中通過使燒結密實體在燒結后冷卻而不淬火，產生完全的馬氏體微結構。
29.權利要求27的方法，其中工具鋼的加入量為5-25wt％。
30.權利要求27的方法，其中所述混合物由以下成分制備75-90wt％的Cr基鐵粉；5-25wt％的M2工具鋼；1-5wt％的固體潤滑劑；并滲透用量為密實體10-25wt％的Cu。
31.權利要求30的方法，其中Cr基鐵粉包含與2-5wt％的Cr、0-3wt％的Mo和0-2wt％的Ni結合的，元素混合的或預合金化的Fe粉末。
32.權利要求31的方法，其中Cr基鐵粉存在的量為89wt％，M2工具鋼存在的量為8wt％，固體潤滑劑存在的量為3wt％，且Cu滲透的量為燒結過程中密實體的20wt％。
全文摘要
含鐵的燒結閥座材料由混合粉末制成，混合粉末包含可燒結硬化相和細分散的碳化物相。粉末混合物包含的可燒結硬化預合金化粉末構成該混合物的75－90wt％，包含的有細分散碳化物的工具鋼粉末構成該混合物的5－25％。MnS，CaF
文檔編號F01L3/02GK1503708SQ02804523
公開日2004年6月9日 申請日期2002年5月2日 優先權日2001年5月8日
發明者M·伯勒, S·尼格魯拉, J·特拉索拉斯, M 伯勒, 衤忱, 骼 申請人:聯邦莫沃爾公司