CN112375991A - 一种高热传导耐磨气门导管材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高热传导耐磨气门导管材料，包括下述质量百分比的化学成分：Mn：0.15‑0.5％、C：0.4‑0.85％、Mo：0.4‑0.8％、Sn：0.05‑0.25％、Cu：11‑16％、S：0.4‑0.7％、其余为Fe和不可避免的杂质，金相组织为：珠光体+马氏体+贝氏体，材料的基体中具有弥散分布的富铜相。本发明还公开了其制备方法，将含Cu的预合金粉与青铜粉混合获得高成型性的粉料，再成型得到高密度毛坯，然后进行高温烧结。本发明的气门导管材料具备较高的硬度、强度力学性能，能够满足发动机对气门导管材料的热传导与耐磨性的要求。

Description

一种高热传导耐磨气门导管材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术领域，尤其涉及一种高热传导耐磨气门导管材料及其制备方法。
背景技术
气门导管作为内燃机配气机构重要组成部分，主要引导气门往复垂直运动，将气门带来的热量传导到缸体进行冷却。随着国家环保要求需要，内燃机开始落实国六排放标准。为达到国六要求，内燃机的燃烧温度大幅提升，这样对配气机构的散热功能提出了更高的要求，尤其是作为热传导的重要零件-气门导管，其导热性能提升的重要性不言而喻。传统的粉末冶金导管其热传导已不能满足导热需求，目前高性能的三代内燃机基本都采用铜合金材质导管，但其成本较高。为了满足市场的迫切需求，开发高耐磨，同时兼备铜导管良好热传导性能的粉末冶金导管材料十分必要。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高热传导耐磨气门导管材料及其制备方法。
本发明提出的一种高热传导耐磨气门导管材料，包括下述质量百分比的化学成分：Mn：0.15-0.5％、C：0.4-0.85％、Mo：0.4-0.8％、Sn：0.05-0.25％、Cu：11-16％、S：0.4-0.7％、其余为Fe和不可避免的杂质。
优选地，所述材料的金相组织为：珠光体+马氏体+贝氏体，材料的基体中具有弥散分布的富铜相。
优选地，所述富铜相的质量占基体总质量的6-10％。
优选地，所述材料的径向压溃强度为550-800MPa，硬度为HRB70-100。
一种所述的高热传导耐磨气门导管材料的制备方法，包括下述步骤：
S1、混料：称取原料单质Mn、C、Mo、Sn、Cu、S、Fe在惰性气氛下熔炼、制粉，得到预合金粉，将预合金粉、青铜粉、润滑剂混合均匀，得到混合料；
S2、成型：将S1得到的混合料压制成型，得到毛坯；
S3、高温烧结：将S2得到的毛坯高温烧结，即得。
优选地，所述毛坯的密度为6.85-6.95g/cm3。
优选地，所述步骤S3中，高温烧结温度为1120-1130℃，高温烧结时间为45-60min。
优选地，所述预合金粉中Cu的质量与青铜粉中Cu的质量之比为8:(3-6)。
优选地，所述润滑剂为二硫化钼。
本发明的有益效果如下：
本发明的气门导管材料具有高Cu含量，其金相组织为珠光体+马氏体+贝氏体，基体中具有弥散分布的富铜相，其制备方法为：将含Cu的预合金粉与青铜粉混合获得高成型性的粉料，再成型得到高密度毛坯，然后进行高温烧结，得到具有弥散分布的富铜相的烧结合金钢组织。本发明的气门导管材料具备较高的硬度、强度力学性能，能够满足发动机对气门导管材料的热传导与耐磨性的要求。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的气门导管材料的烧结组织图。
图2为本发明对比例1制得的气门导管材料的烧结组织图。
图3为实施例1和对比例1制得的气门导管材料的热传导性能测试结果。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
高热传导耐磨气门导管材料，包括下述质量百分比的化学成分：Mn：0.15％、C：0.4％、Mo：0.4％、Sn：0.05％、Cu：11％、S：0.4％、其余为Fe和不可避免的杂质；材料的金相组织为：珠光体+马氏体+贝氏体，材料的基体中具有弥散分布的富铜相，富铜相的质量占基体总质量的6％。
其制备方法为：
S1、混料：称取原料单质Mn、C、Mo、Sn、Cu、S、Fe在氩气气氛下熔炼，然后采用高压水进行雾化制粉，得到预合金粉，将预合金粉、青铜粉、二硫化钼混合均匀，得到混合料，其中预合金粉中Cu的质量与青铜粉中Cu的质量之比为8:3；
S2、成型：将S1得到的混合料冷压成型，得到长度为50mm、外径为10mm、内径为5mm，密度为6.85g/cm3的圆柱体毛坯；
S3、高温烧结：将S2得到的毛坯在1120℃高温烧结60min，冷却至室温，即得。
实施例2
高热传导耐磨气门导管材料，包括下述质量百分比的化学成分：Mn：0.2％、C：0.5％、Mo：0.5％、Sn：0.1％、Cu：12％、S：0.6％、其余为Fe和不可避免的杂质；材料的金相组织为：珠光体+马氏体+贝氏体，材料的基体中具有弥散分布的富铜相，富铜相的质量占基体总质量的7.4％。
其制备方法为：
S1、混料：称取原料单质Mn、C、Mo、Sn、Cu、S、Fe在氩气气氛下熔炼，然后采用高压水进行雾化制粉，得到预合金粉，将预合金粉、青铜粉、二硫化钼混合均匀，得到混合料，其中预合金粉中Cu的质量与青铜粉中Cu的质量之比为8:5；
S2、成型：将S1得到的混合料冷压成型，得到长度为50mm、外径为10mm、内径为5mm，密度为6.9g/cm3的圆柱体毛坯；
S3、高温烧结：将S2得到的毛坯在1125℃高温烧结50min，冷却至室温，即得。
实施例3
高热传导耐磨气门导管材料，包括下述质量百分比的化学成分：Mn：0.35％、C：0.55％、Mo：0.45％、Sn：0.2％、Cu：13.5％、S：0.5％、其余为Fe和不可避免的杂质；材料的金相组织为：珠光体+马氏体+贝氏体，材料的基体中具有弥散分布的富铜相，富铜相的质量占基体总质量的8.5％。
其制备方法为：
S1、混料：称取原料单质Mn、C、Mo、Sn、Cu、S、Fe在氩气气氛下熔炼，然后采用高压水进行雾化制粉，得到预合金粉，将预合金粉、青铜粉、二硫化钼混合均匀，得到混合料，其中预合金粉中Cu的质量与青铜粉中Cu的质量之比为8:5；
S2、成型：将S1得到的混合料冷压成型，得到长度为50mm、外径为10mm、内径为5mm，密度为6.9g/cm3的圆柱体毛坯；
S3、高温烧结：将S2得到的毛坯在1130℃高温烧结45min，冷却至室温，即得。
实施例4
高热传导耐磨气门导管材料，包括下述质量百分比的化学成分：Mn：0.45％、C：0.65％、Mo：0.75％、Sn：0.2％、Cu：15％、S：0.6％、其余为Fe和不可避免的杂质；材料的金相组织为：珠光体+马氏体+贝氏体，材料的基体中具有弥散分布的富铜相，富铜相的质量占基体总质量的9.2％。
其制备方法为：
S1、混料：称取原料单质Mn、C、Mo、Sn、Cu、S、Fe在氩气气氛下熔炼，然后采用高压水进行雾化制粉，得到预合金粉，将预合金粉、青铜粉、二硫化钼混合均匀，得到混合料，其中预合金粉中Cu的质量与青铜粉中Cu的质量之比为8:5；
S2、成型：将S1得到的混合料冷压成型，得到长度为50mm、外径为10mm、内径为5mm，密度为6.95g/cm3的圆柱体毛坯；
S3、高温烧结：将S2得到的毛坯在1130℃高温烧结45min，冷却至室温，即得。
实施例5
高热传导耐磨气门导管材料，包括下述质量百分比的化学成分：Mn：0.5％、C：0.85％、Mo：0.8％、Sn：0.25％、Cu：16％、S：0.7％、其余为Fe和不可避免的杂质；材料的金相组织为：珠光体+马氏体+贝氏体，材料的基体中具有弥散分布的富铜相，富铜相的质量占基体总质量的10％。
其制备方法为：
S1、混料：称取原料单质Mn、C、Mo、Sn、Cu、S、Fe在氩气气氛下熔炼，然后采用高压水进行雾化制粉，得到预合金粉，将预合金粉、青铜粉、二硫化钼混合均匀，得到混合料，其中预合金粉中Cu的质量与青铜粉中Cu的质量之比为8：6；
S2、成型：将S1得到的混合料冷压成型，得到长度为50mm、外径为10mm、内径为5mm，密度为6.95g/cm3的圆柱体毛坯；
S3、高温烧结：将S2得到的毛坯在1130℃高温烧结45min，冷却至室温，即得。
对比例1
普通导管材料，包括下述质量百分比的化学成分：Mn：0.15％、C：0.7％、Mo：0.3％、Cu：1％、S：0.4％、其余为Fe和不可避免的杂质；材料的金相组织为：珠光体。
其制备方法为：
S1、混料：称取原料单质Mn、C、Mo、S、Fe与青铜粉、二硫化钼混合均匀，得到混合料；
S2、成型：将S1得到的混合料冷压成型，得到长度为50mm、外径为10mm、内径为5mm，密度为6.95g/cm3的圆柱体毛坯；
S3、高温烧结：将S2得到的毛坯在1130℃高温烧结45min，冷却至室温，即得。
对比例2
普通导管材料，包括下述质量百分比的化学成分：Mn：0.2％、C：0.8％、Mo：0.5％、Cu：2％、S：0.6％、其余为Fe和不可避免的杂质；材料的金相组织为：珠光体。
其制备方法为：
S1、混料：称取原料单质Mn、C、Mo、S、Fe与青铜粉、二硫化钼混合均匀，得到混合料；
S2、成型：将S1得到的混合料冷压成型，得到长度为50mm、外径为10mm、内径为5mm，密度为6.9g/cm3的圆柱体毛坯；
S3、高温烧结：将S2得到的毛坯在1125℃高温烧结50min，冷却至室温，即得。
对比例3
普通导管材料，包括下述质量百分比的化学成分：Mn：0.35％、C：1％、Mo：0.45％、Cu：2.5％、S：0.5％、其余为Fe和不可避免的杂质；材料的金相组织为：珠光体。
其制备方法为：
S1、混料：称取原料单质Mn、C、Mo、S、Fe与青铜粉、二硫化钼混合均匀，得到混合料；
S2、成型：将S1得到的混合料冷压成型，得到长度为50mm、外径为10mm、内径为5mm，密度为6.9g/cm3的圆柱体毛坯；
S3、高温烧结：将S2得到的毛坯在1130℃高温烧结45min，冷却至室温，即得。
对比例4
普通导管材料，包括下述质量百分比的化学成分：Mn：0.45％、C：1.1％、Mo：0.75％、Cu：2.5％、S：0.6％、其余为Fe和不可避免的杂质；材料的金相组织为：珠光体。
其制备方法为：
S1、混料：称取原料单质Mn、C、Mo、S、Fe与青铜粉、二硫化钼混合均匀，得到混合料；
S2、成型：将S1得到的混合料冷压成型，得到长度为50mm、外径为10mm、内径为5mm，密度为6.95g/cm3的圆柱体毛坯；
S3、高温烧结：将S2得到的毛坯在1130℃高温烧结45min，冷却至室温，即得。
对比例5
普通导管材料，包括下述质量百分比的化学成分：Mn：0.5％、C：1.2％、Mo：0.8％、Cu：3％、S：0.7％、其余为Fe和不可避免的杂质；材料的金相组织为：珠光体。
其制备方法为：
S1、混料：称取原料单质Mn、C、Mo、S、Fe与青铜粉、二硫化钼混合均匀，得到混合料；
S2、成型：将S1得到的混合料冷压成型，得到长度为50mm、外径为10mm、内径为5mm，密度为6.95g/cm3的圆柱体毛坯；
S3、高温烧结：将S2得到的毛坯在1130℃高温烧结45min，冷却至室温，即得。
将实施例1-5以及对比例1-5制得的气门导管材料进行力学性能测试，测试方法为：采用万能试验拉升试验机检测径向压溃强度；采用洛氏硬度计检测硬度。结果如表1所示：
表1气门导管材料力学性能测试结果
Figure BDA0002773217940000081
从表1可以看出，本发明的气门导管材料具备优良的力学性能。
利用1％硝酸酒精溶液对实施例1和对比例1制得的气门导管材料腐蚀后，在金相显微镜下放到500倍观察其烧结组织，结果如图1、图2所示。图1中，(a)代表马氏体，(b)代表贝氏体，(c)代表珠光体。
对实施例1和对比例1制得的气门导管材料进行热传导性能测试，测试方法参照ASTM E1461标准。测试结果如图3所示。由图3可见，本发明制得的气门导管材料，其热传导性能远远高于常用气门导管材料，能够满足发动机对气门导管材料的热传导要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高热传导耐磨气门导管材料，其特征在于，包括下述质量百分比的化学成分：Mn：0.15-0.5％、C：0.4-0.85％、Mo：0.4-0.8％、Sn：0.05-0.25％、Cu：11-16％、S：0.4-0.7％、其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高热传导耐磨气门导管材料，其特征在于，所述材料的金相组织为：珠光体+马氏体+贝氏体，材料的基体中具有弥散分布的富铜相。
3.根据权利要求2所述的高热传导耐磨气门导管材料，其特征在于，所述富铜相的质量占基体总质量的6-10％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高热传导耐磨气门导管材料，其特征在于，所述材料的径向压溃强度为550-800MPa，硬度为HRB70-100。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的高热传导耐磨气门导管材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、混料：称取原料单质Mn、C、Mo、Sn、Cu、S、Fe在惰性气氛下熔炼、制粉，得到预合金粉，将预合金粉、青铜粉、润滑剂混合均匀，得到混合料；
S2、成型：将S1得到的混合料压制成型，得到毛坯；
S3、高温烧结：将S2得到的毛坯高温烧结，即得。
6.根据权利要求5所述的高热传导耐磨气门导管材料的制备方法，其特征在于，所述毛坯的密度为6.85-6.95g/cm3。
7.根据权利要求5或6所述的高热传导耐磨气门导管材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，高温烧结温度为1120-1130℃，高温烧结时间为45-60min。
8.根据权利要求5-7任一项所述的高热传导耐磨气门导管材料的制备方法，其特征在于，所述预合金粉中Cu的质量与青铜粉中Cu的质量之比为8:(3-6)。
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