CN109794611A - 耐磨损高硬度粉末冶金气门座及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金技术领域，具体公开了一种耐磨损高硬度粉末冶金气门座，应用多弧离子镀（AIP）设备，控制炉内温度小于300℃，采用多弧离子镀多层纳米膜制备工艺，在气门座表面生成由氮化铬和氮化钛相间层叠而成的多元多层纳米膜形成的耐磨层。制作工艺：基础粉末采用高压水雾化制备的低合金粉末，在自动粉末成型机进行压制成型，之后置入推杆式烧结炉，在氨分解气氛中进行烧结。采用铜溶浸工艺，再将烧结坯置入多弧离子镀（AIP）设备进行涂层处理，产品薄膜多层化及添加其它元素。本发明制得的产品具有优良的结合强度，表面显微硬度、耐磨、高硬度，且可大幅度延长使用寿命。

Description

耐磨损高硬度粉末冶金气门座及其制作工艺

技术领域

本发明属于冶金技术领域，将予合金化粉末进行压制、烧结、机械加工和多弧离子镀膜，制得汽车零部件的冶金领域。

背景技术

气门座是汽车发动机配气机构中的重要部件，它与气门组成一对重要密封磨擦付，发动机工作时，气门座受到气门冲击，高温(530～870℃)燃烧气体的冲刷、腐蚀、以及燃烧产物、空气中灰尘的磨损，另外还受到热冷应力交替作用，它极易产生变形、烧损，甚至断裂，因此不但要求气门座材料耐磨、耐腐蚀、抗高温，还要求一定径向压溃强度。

发动机气门和气门座处于严酷的热力，化学和机械力状况下工作，其承受着高应力(发动机最高燃烧压力可达20MPa)、高工作温度(气门头低平面中心达870℃)和腐蚀环境(高温燃气侵蚀、硫化、V2Q5)腐蚀和氧化作用。

根据上述气门座的工作环境，为保证其工作可靠性和使用寿命，在不同的工作环境和燃用不同燃料的情况下，必须尽快开发研究新材料和新工艺。

发明内容

本发明的目的是提供耐磨损高硬度粉末冶金气门座及其制作工艺，本发明大大提高了基材的表面显微硬度，膜的致密度高，强度和耐磨性能好，且可延长使用寿命。

本发明的第一个目的是是通过以下技术方案实现的，耐磨损高硬度粉末冶金气门座，应用多弧离子镀(AIP)设备，将炉内温度限于小于300℃的工作条件下，采用《多弧离子镀多层纳米膜制备技术》，在气门座表面生成由氮化铬和氮化钛相间层叠而成的多元多层纳米膜(11-21层)形成的耐磨层。

本发明所应用的多弧离子镀(AIP)设备，为中科院力学所研制。该设备可制备单层膜(TiN、CrN)，具有12个靶位，并采用计算机控制***(PLC+I控机)，转速可平衡调节的工件转动***，以及过滤阴极电弧工作方式，以保证涂层细密、均匀，将“多弧离子镀多层纳米膜制备技术”应用到气门座上，系物理气相沉积技术：集电子物理、材料、真空控制技术于一体的高新技术。

本发明的第二个目的是通过以下技术方案实现的，耐磨损高硬度粉末冶金气门座的制作工艺，包括以下步骤：

①首先选择经过高压水雾化低合金粉末为基础粉末，在自动粉末成型机上进行压制成型；

②将压制成型的气门座生坯置入推杆式烧结炉，在氨分解气氛中进行烧结，烧结温度1100-1500℃，烧结时间50-60分钟；采用铜溶浸工艺；所述烧结坯包括以下组分：C0.7-1.2wt％，Cr 0.3-1.2wt％，Mo 0.5-1.6wt％，Ni 0.4-1.5wt％，Co0.2-0.5wt％，Cu 10-16wt％，纳米Fe 0.1-0.3wt％，余量为Fe；

③将制得的气门座预烧结坯置入多弧离子镀AIP设备进行涂层处理，将炉内温度控制在100-300℃，阴极材料采用钛、铬金属，反应气体为氮气，真空室接地作阳极，真空室内采用真空弧光放电，在阴极材料表面产生多弧光辉点，使阴极材料蒸发，形成原子和离子；在电场作用下，原子和离子高速轰击气门座工作表面，与此同时，高真空室通入反应气体，即可在气门座工作表面生成多元多层纳米膜涂层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)涂层TiN和CrN膜层交替生成(至少11层，也可以为双数层)，对气门座同一基材，膜的显微硬度随着镀膜层数增多而增大，膜层总厚度可达6-25um,大大提高了基材的表面显微硬度，其磨损量在各种温度下，均可远远低于传统的粉末冶金(P/M)材料的磨损量。

(2)涂层结构采用多元多层纳米级薄膜，层—层间及膜—基间有很高的结合力。纳米膜基结合力≥30N。

(3)设计多层纳米级薄膜最外层为氮化铬膜层。经研究和实验表明，其摩擦系数在低温时略高于传统的粉末冶金(P/M)材料的摩擦系数，而在高温下低于传统的粉末冶金(P/M)材料的摩擦系数，对于粉末冶金气门座所处工况条件，具有十分重要意义。

(4)TiN和CrN涂层有着十分看好耐磨性和耐熔磨损性能。TiN涂层的耐磨损是传统的粉末冶金(P/M)材料的6-7倍，耐熔性为传统的粉末冶金(P/M)材料的2-3倍。而本专利采用TiN和CrN相间层叠而成的多元多层纳米膜(11-21层)形成的耐磨层。

附图说明

图1是本发明耐磨损高硬度粉末冶金气门座的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例：

耐磨损高硬度粉末冶金气门座及制作工艺，将炉内温度限于小于300℃的工作条件下，应用多弧离子镀设备，采用《多弧离子镀多层纳米膜制备技术》，在粉末冶金气门座表面生成由氮化铬、氮化钛和氮化钴及氮化锆相间层叠而成的多元多层纳米膜(11-21层)形成的耐磨层。

结合附图和实施例，如图1所示，本发明在粉末冶金气门座预烧结坯基体1表面，采用气体氮化形成预处理层2，再在多弧离子镀设备中涂覆由TiN和CrN相互层叠而形成，分层模厚为200-500nm，硬度为1500-3000HV，总厚度为6-25μm，纳米膜基结合力≥30N，比现有传统的粉末冶金(P/M)材料的耐磨性提高6-7倍。多元多层纳米膜耐磨层3的第一层或最外层涂覆氮化铬层。

本专利4102Q柴油机气门座(额定转速3500r/min，额定功率70KW)，产品经东风朝阳柴油机有限公司装机和性能试验，用户意见如下：送交的4102Q型柴油机气门座产品，已在我公司产品工程部产品试验室进行了性能试验，试验结果表明：该产品达到设计要求，能够满足高速柴油机的工况要求。

产品薄膜多层化及添加其它合金元素，其特点为具有优良的结合强度、表面硬度、耐磨性和抗高温抗氧化性能。产品的主要用途：轻型车用高速柴油机发动机配套需要与传统的粉末冶金(P/M)材料相比，具有节能、环保等特点，本专利产品还有最大的特点，采用低合金粉末，价格仅为高合金材料的1/2，采用本专利工艺生产的产品，不仅提高了产品耐磨性能，深受主机厂欢迎，而且大幅度降低生产成本，提高了市场竞争力。

Claims (5)

1.耐磨损高硬度粉末冶金气门座，其特征在于：应用多弧离子金属AIP设备，将控制炉内温度小于300℃，采用多弧离子镀多层纳米膜制备工艺，在气门座表面生成由氮化铬和氮化钛相间层叠而成的多元多层纳米膜形成的耐磨层。

2.根据权利要求1所述的耐磨损高硬度粉末冶金气门座，其特征是，所述耐磨层为11-21层。

3.权利要求1或2所述的耐磨损高硬度粉末冶金气门座的制作工艺，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

①选择经过高压水雾化低合金粉末为基础粉末，在自动粉末成型机上进行压制成型；

②将压制成型的气门座生坯置入推杆式烧结炉，在氨分解气氛中进行烧结，烧结温度1100-1500℃，烧结时间50-60分钟；采用铜溶浸工艺，使烧结坯密度≥7.6g/㎝³，烧结坯硬度HRC≥35；所述烧结坯包括以下组分：C：0.7-1.2wt%，Cr：0.3-1.2wt%，Mo ：0.5 -1.6wt%，Ni：0.4 -1.5wt%，Co：0.2-0.5wt%，Cu：10-16wt%，纳米Fe 0.1-0.3wt%，余量为Fe；

③将制得的气门座预烧结坯置入多弧离子镀AIP设备进行涂层处理，将炉内温度控制在100-300℃，阴极材料采用钛、铬，反应气体为氮气，真空室接地作阳极，真空室内采用真空弧光放电，在阴极材料表面产生多弧光辉点，使阴极材料蒸发，形成原子和离子；在电场作用下，原子和离子高速轰击气门座工作表面，与此同时，高真空室通入反应气体，即可在气门座工作表面生成由氮化铬和氮化钛相间层叠而成的多元多层纳米膜形成的耐磨层。

4.根据权利要求3所述的耐磨损高硬度粉末冶金气门座的制作工艺，其特征在于：所述耐磨损高硬度粉末冶金气门座分层模厚为200-500nm，硬度为1500-3000HV，总厚度为6-25μm，纳米膜基结合力≥30N。

5.权利要求1-4中任一项所述的耐磨损高硬度粉末冶金气门座应用于轻型车用高速柴油机。