CN110872671A - 高温耐磨铁基烧结合金和使用其的阀座的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于包括汽车在内的内燃机的阀座的高温耐磨铁基烧结合金，上述铁基烧结合金相对于100重量份的铁粉末包括10.0～14.0重量份的钴粉末、5.0～9.0重量份的钼粉末、1.5～4.1重量份的铬粉末、0.7～1.3重量份的碳粉末、1.0～1.8重量份的锰粉末、0.4～1.2重量份的硅粉末、0.2～0.8重量的硫粉末及0.1～0.7重量份的钒粉末，从而，通过向上述阀座的组合物中添加钴、钼或铬和强度增强成分以形成复合碳化物，从而增加上述阀座的铁基体的析出颗粒和固溶量来延长上述阀座的使用寿命。

Description

高温耐磨铁基烧结合金和使用其的阀座的制造方法
技术领域
本发明涉及一种适用于内燃机用阀座的高温耐磨铁基烧结合金，尤其，涉及通过改变上述铁基烧结合金的组合物来使耐磨性和耐热性最大化的高温耐磨铁基烧结合金和使用其的阀座的制造方法。
背景技术
通常，内燃机用阀座是在进气阀和排气阀的打开和关闭过程中保持进气阀和排气阀的气密性的环形烧结体，如图1所示，上述阀座18在以***方式***到气缸盖24中的状态下接触到上述进气阀和排气阀的头部，以执行密封功能。
上述阀座18在上述排气阀关闭的行程中与进气阀和排气阀接触，且在上述排气阀打开的行程中执行防止排气泄漏的功能，因此，在烧结上述阀座18时，需要足以承受与上述进气阀和排气阀之间的持续摩擦和与上述排气之间的持续化学反应的如耐磨性或耐热性等的物理条件。
因此，正在进行提高上述阀座的耐磨性和耐热性的许多研究，作为其一例，众所周知，有在铁基体中分散钴基或铬基碳化物的方法或分散铁铬(Fe-Cr)基或铁钼(Fe-Mo)基金属间化合物形式的硬质颗粒的方法。
此外，作为提高上述阀座的耐磨性和耐热性的另一例子，使用在上述铁基体中添加耐磨性或耐热性优异的各种合金的粉末冶金方法的熔渗方法、添加硬质颗粒的添加方法、通过控制基体合金的制造方法或烧结锻造方法等是已知的。
然而，上述内燃机采用燃烧液体燃料和气体燃料的方法，并且通过上述液体燃料和气体燃料形成更多种类的燃烧产物，因此需要进一步加强能够承受上述液体燃料和气体燃料的燃烧产物的如耐磨性和耐热性等的物理条件。
(现有技术文献)
(专利文献)
(专利文献1)KR10-2004-0025003 A
(专利文献2)KR10-2012-0125817 A
(专利文献3)KR10-0461304 B1
发明内容
技术问题
因此，本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，提供通过改变上述铁基烧结合金的组合物来使耐磨性和耐热性最大化，以延长阀座的使用寿命的高温耐磨铁基烧结合金和使用其的阀座的制造方法。
解决问题的方案
为了达到上述目的的组合物为相对于100重量份的铁粉末包括10.0～14.0重量份的钴粉末、5.0～9.0重量份的钼粉末、1.5～4.1重量份的铬粉末、0.7～1.3重量份的碳粉末、1.0～1.8重量份的锰粉末、0.4～1.2重量份的硅粉末、0.2～0.8重量的硫粉末及0.1～0.7重量份的钒粉末的烧结合金物。
为了达到上述目的的制造方法包括：混合步骤，均匀混合上述烧结合金物；加压步骤，通过设定压力对在上述混合步骤中形成的混合物进行加压；烧结步骤，对在上述加压步骤中形成的成型体和上述熔渗物同时进行烧结，以将铜熔渗于上述成型体中；低温处理步骤，对在上述烧结步骤中形成的烧结体进行低温处理，以将残余奥氏体转变为马氏体；及热处理步骤，对在上述低温处理步骤中形成的低温处理体进行回火，以消除残余应力。
发明的效果
如上所述，本发明至少具有如下效果。
第一，通过在上述阀座的组合物中添加钴、钼或铬和强度增强成分来形成复合碳化物，以增加在上述阀座的铁基体的析出颗粒和固溶量，从而延长上述阀座的使用寿命。
第二，通过在上述阀座的组合物中添加硅或钒，将细小球形颗粒分散在上述铁基体中，从而在上述阀座磨损过程中减少碳化物颗粒的脱落，还减少磨损量，以延长使用寿命。
第三，通过在上述阀座的组合物中添加锰和硫等以改善自润滑性，从而改善上述阀座的机器加工性，并在与上述进气阀和排气阀的摩擦过程中使磨损最小化，从而进一步延长使用寿命。
第四，将铜粉末熔渗于上述阀座的组合物中并进行烧结处理，从而，耐磨性和耐热性比现有的上述阀座得到改善，使得上述阀座可以适用于使用上述液体燃料和气体燃料的所有内燃机。
附图说明
图1为示出根据现有技术的阀座的设置状态的附图。
图2为根据本发明的实施例1的光学显微镜照片(500倍)。
图3为根据本发明的实施例2的光学显微镜照片(500倍)。
图4为根据本发明的实施例3的光学显微镜照片(500倍)。
具体实施方式
下面，对根据本发明的组合物进行说明。
如图2至图4所示，根据本发明的上述铁基烧结合金是适用于上述内燃机的烧结合金，尤其，适用于在上述进气阀和排气阀的打开和关闭过程中保持上述进气阀和排气阀的气密性且在与上述燃烧产物的接触过程中使损坏最小化的阀座。
此时，虽然在本说明书中限定上述高温耐磨铁基烧结合金适用于上述阀座来进行说明，但显而易见的是，即使上述高温耐磨铁基烧结合金适用于气缸套或气门导管等，这也包括在本发明的技术范围内。
根据本发明的铁基烧结合金组合物包括包含上述铁粉末作为主成分的烧结合金物和熔渗于上述烧结合金物中的熔渗物，上述烧结合金物相对于100重量份的铁粉末包括10.0～14.0重量份的钴粉末、5.0～9.0重量份的钼粉末、1.5～4.1重量份的铬粉末、0.7～1.3重量份的碳粉末、1.0～1.8重量份的锰粉末、0.4～1.2重量份的硅粉末、0.2～0.8重量的硫粉末及0.1～0.7重量份的钒粉末，上述熔渗物是指铜粉末，上述铜粉末的含量相对于100重量份的上述铁粉末为10.0～20.0重量份。
此时，将上述熔渗物熔渗于上述烧结合金物中，从而在上述铁基烧结合金组合物中，如钴基硬质颗粒相、钼基硬质颗粒相或铬基硬质颗粒相等复合碳化物均匀地分散于马氏体基体中，尤其，上述锰和硫的金属间化合物或上述锰和碳的金属间化合物起润滑剂的作用，还通过上述硅或上述钒使颗粒微细化。
也就是说，通过将上述熔渗物熔渗于上述烧结合金物中来制成上述阀座的理由是为了进一步增加与上述吸气阀和上述排气阀接触的接触部分的高温耐热性、高温耐磨性或耐腐蚀性。
由上述铁基烧结合金组合物(下面，统称为组合物)制成的阀座是使最终产品的硬度(HRA)至少为71～81且使上述最终产品的密度(g/cm3)至少保持在7.4～8.1范围内的高强度材料。
另一方面，上述钴(Co)与铁、钼或碳产生反应来析出复合碳化物，从而均匀地分散在上述基体中以有助于耐磨性，并且上述钴的一部分固溶在上述基体中以增加耐热性。若上述钴的含量小于10.0重量份，则析出颗粒和基体的固溶量较少，导致耐磨性和耐热性降低，若上述钴的含量大于14.0重量份，则由于析出颗粒过多而基体金属变得脆弱，导致机器加工性降低。
并且，上述钼(Mo)固溶在上述基体中或形成复合碳化物状态的金属间化合物以提高耐磨性和耐热性。若上述钼的含量小于5.0重量份，则基体的固溶量和金属间化合物较少，导致耐磨性和耐热性降低，若上述钼的含量大于9.0重量份，则基体金属的固溶量过多，因此成为基体金属的脆弱因素。
并且，上述铬(Cr)为在上述基体中与上述碳产生反应来形成复合碳化物以改善耐磨性，并且固溶在上述基体中以提高耐热性的成分。其含量优选为1.5重量份至4.1重量份。
若上述铬的含量小于1.5重量份，则复合碳化物的量减少，导致耐磨性和耐热性降低，若上述铬的含量大于4.1重量份，则基体金属的固溶量过多，因此产品变得脆弱。
并且，上述碳(C)是上述基体中固溶或扩散以增强基体，且通过与上述钴、铬或钼产生反应来形成复合碳化物的成分，其不仅执行增加上述基体的强度和硬度的功能，还执行增加耐磨性或耐热性的功能。
若上述碳的含量小于0.7重量份，则由于在基体金属中过度形成珠光体和铁素体，因此基体软化，导致强度和耐磨性降低，若上述碳的含量大于1.3重量份，则在用于形成珠光体之后剩余的残余碳形成渗碳体，导致基体金属变得脆弱。
并且，上述锰(Mn)是通过与在上述铁基体中存在的硫(S)产生反应来形成MnS以提高自润滑性的成分。若上述锰的含量小于1.0重量份，则在形成上述MnS时自润滑性功能下降，若上述锰的含量大于1.8重量份，则除了形成上述MnS之外有可能出现离析。
并且，上述硅(Si)是为了通过调节上述铁基体的晶粒来微细化且提高耐腐蚀性或耐热性而添加的成分，上述硅的含量优选为0.4至1.2重量份。
并且，上述硫(S)是通过添加在上述铁基体中来以MnS形式分散于上述基体的晶界的成分，由于上述MnS在高温下不作为化合物分解并保持稳定状态，因此在烧结工序结束之后残留在烧结体的晶界，且在最终产品的加工过程降低摩擦系数以提高切削性。尤其，上述硫的含量优选为0.2～0.8重量份。
优选地，以大约6:4的比率混合上述锰和上述硫来提高通过形成上述MnS的效率。
若上述MnS的含量(Mn+S)小于1.25重量份，则残留在上述烧结体基体中的作用甚微，若上述MnS的含量(Mn+S)大于2.6重量份，则基体的强度降低，从而成为阀座的损伤原因。
并且，上述钒(V)是为了通过调节上述铁基体的晶粒来微细化且提高耐热性而添加的成分，上述钒的含量优选为0.1～0.7重量份，若上述钒的含量大于规定量，则上述晶粒粗大化，从而成为上述阀座最终产品的破坏原因。
下面，对根据本发明的制造方法进行说明。
首先，本发明包括混合上述组合物来制备混合物的混合步骤、加压步骤、烧结步骤、将残余奥氏体转变为马氏体的低温处理步骤及消除残余应力的热处理步骤。
并且，上述混合步骤是在上述混合机中按规定量均匀混合上述铁合金粉末、高速工具钢粉末、超合金粉末、硫化锰粉末及碳粉末等的步骤。
并且，上述加压步骤是通过压缩在上述混合步骤中形成的混合物来成型成具有适合于上述阀座的密度的步骤，是指对上述混合物以6～10吨/cm3的表面压力进行加压来提高紧凑性的步骤。
并且，上述烧结步骤是指在1120±20℃的温度范围下对在上述加压步骤中成型的成型体进行烧结30±10分钟以形成烧结体的步骤，且包括将10.0～20.0重量份的上述铜粉末熔渗于上述烧结体中的步骤。
在上述烧结步骤中，若烧结温度小于1100℃，则粉末颗粒无法顺利扩散，导致基体组织弱化，若上述烧结温度大于1140℃，则晶粒粗大化，从而机械性能下降。
在上述烧结步骤中，在装入10.0～20.0重量份的上述铜粉末的状态下进行烧结，以将铜颗粒熔渗于上述基体组织的气孔中，从而不仅增强上述基体的强度，还提高润滑作用。
并且，上述低温处理步骤是在-120±10℃的温度范围下对在上述烧结步骤中形成的烧结体进行冷却20±5分钟，以将残余奥氏体转变为马氏体的步骤，该步骤引导防止上述组合物的时效变形、改善机械性能和组织稳定化。
并且，上述热处理步骤是对在上述低温处理步骤中形成的低温处理体进行回火来消除残余应力的步骤，也是在600±20℃的温度范围下进行加热120±10分钟，以向上述基体组织赋予韧性的步骤。
并且，作为上述热处理步骤的后加工步骤，可以包括去除上述最终产品的如毛刺等的异物或通过如锻造或抛光等的机械加工工艺获得成品的步骤，但在此将省略其描述。
经过上述步骤的上述阀座的成品具有约71～81的硬度(HRA)和约7.4～8.1的密度(g/cm3)，由此可知，提供适合用于上述液体燃料和固体燃料的硬度和密度。
下面，对根据本发明的实施例进行说明。
表1
成分(重量份) 实施例1(样品1) 实施例2(样品2) 实施例3(样品3)
钴粉末 12 14 10
钼粉末 7 9 5
铬粉末 3 4.1 1.5
碳粉末 1.0 1.3 0.7
锰粉末 1.5 1.8 1.0
硅粉末 1.0 1.2 0.4
硫粉末 0.5 0.8 0.2
钒粉末 0.5 0.7 0.1
铜粉末 15 15 15
铁粉末 100 100 100
首先，将具有表1中的实施例1至3的组成比的组合物在混合器中混合以制备混合物，然后对上述混合物以10吨/cm3的表面压力进行加压，并在热处理炉中在1120℃下进行烧结和熔渗30分钟。
然后，将在上述烧结步骤中经过烧结和铜熔渗的烧结体在-120℃的温度范围下快速冷却20分钟以制备低温处理体，然后在600℃的温度范围下对上述低温处理体进行加热120分钟来回火。
接着，在取出经过上述热处理步骤的热处理体之后，分别制备样品1至3，然后使用磨损试验机(Rig Tester，氮气氛；0.2mm偏移；SUH35+Tuff阀、转速：3,500rpm、温度：350℃、时间：2小时)测量磨损量。
结果，在实施例1至3(样品1至3)的情况下，上述阀和阀座的总磨损量平均为48μm，可知适合作为上述阀座的材料。
也就是说，如图2和图4所示，样品1至3显示出类似的密度或硬度值，尤其可知硬质颗粒和加工性改进元素均匀分布在上述马氏体基体组织中。
尤其，可知通过将上述铜合金填充在上述基体组织中的气孔中来增加上述阀座的耐磨性和耐热性。
如上所述，本发明并不局限于如上所述的实施例，在不脱离本发明的权利要求书中要求保护的本发明的技术思想的前提下，本发明所属技术领域的普通技术人员显而易见可以实施变形，且这种变形属于本发明的范围。

Claims (9)

1.一种高温耐磨铁基烧结合金，其特征在于，相对于100重量份的铁粉末，包括10.0～14.0重量份的钴粉末、5.0～9.0重量份的钼粉末、1.5～4.1重量份的铬粉末、0.7～1.3重量份的碳粉末、1.0～1.8重量份的锰粉末、0.4～1.2重量份的硅粉末、0.2～0.8重量的硫粉末及0.1～0.7重量份的钒粉末。
2.根据权利要求1所述的高温耐磨铁基烧结合金，其特征在于，
在上述铁基烧结合金的组合物中，相对于100重量份的上述铁粉末，还添加10.0～20.0重量份的铜粉末作为熔渗物。
3.一种使用高温耐磨铁基烧结合金制造阀座的方法，其特征在于，包括：
混合步骤，均匀混合根据权利要求1所述的烧结合金物；
加压步骤，通过设定压力对在上述混合步骤中形成的混合物进行加压；
烧结步骤，对在上述加压步骤中形成的成型体和根据权利要求2所述的熔渗物同时进行烧结，以将铜熔渗于上述成型体中；
低温处理步骤，对在上述烧结步骤中形成的烧结体进行低温处理，以将残余奥氏体转变为马氏体；及
热处理步骤，对在上述低温处理步骤中形成的低温处理体进行回火，以消除残余应力。
4.根据权利要求3所述的使用高温耐磨铁基烧结合金制造阀座的方法，其特征在于，在上述加压步骤中，对上述阀座的组合物以6～10吨/cm3的表面压力进行加压。
5.根据权利要求3所述的使用高温耐磨铁基烧结合金制造阀座的方法，其特征在于，经过上述热处理步骤的最终产品的HRA硬度为71～81。
6.根据权利要求3所述的使用高温耐磨铁基烧结合金制造阀座的方法，其特征在于，经过上述热处理步骤的最终产品的密度为7.4～8.1g/cm3。
7.根据权利要求3所述的使用高温耐磨铁基烧结合金制造阀座的方法，其特征在于，在上述烧结步骤中，在1120±20℃的温度范围下对上述成型体进行烧结和铜熔渗30±10分钟。
8.根据权利要求3所述的使用高温耐磨铁基烧结合金制造阀座的方法，其特征在于，在上述低温处理步骤中，在-120±10℃的温度范围下对在上述烧结步骤中形成的烧结体进行冷却20±5分钟。
9.根据权利要求3所述的使用高温耐磨铁基烧结合金制造阀座的方法，其特征在于，在上述热处理步骤中，在600±20℃的温度范围下对在上述低温处理步骤中形成的低温处理体进行加热120±10分钟。
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