專利名稱：燒結(jié)合金閥座及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機的閥座。本發(fā)明特別涉及一種由具有高耐磨性的鐵基燒結(jié)合金制造的閥座和一種制造此閥座的方法。
背景技術(shù)：
壓嵌在發(fā)動機氣缸蓋中的閥座，已用于阻止燃燒氣體的泄漏和冷卻閥。這些閥座必須具有高耐熱性、耐磨性和耐蝕性，同時具有較低的反相侵蝕性能以避免磨損對置的閥門。
對于汽車發(fā)動機，近來需要在壽命、功率、氣體的排放、燃料的效率等方面加以改善。因此，這些汽車發(fā)動機的閥座必須能用于比以前更為惡劣的環(huán)境中。所以必須進一步改善該閥座的耐熱性和耐磨性。
為了滿足這些需求，日本特許公開號為2000-54087的專利申請(以下稱作專利文件1)中公開了用于閥座的下述材料一種鐵基燒結(jié)合金材料，含有作為硬顆粒分散于基質(zhì)中的Cr-Mo-Si-Co合金顆粒，其含量，以面積計，為10～30％，體積孔隙率為1～10％。制造該種鐵基燒結(jié)合金材料的方法包括將原材料粉末填充到金屬模具中，并壓縮該填充粉末以形成生壓塊的成形步驟，在保護氣氛中于900～1200℃加熱該生壓塊以形成初始燒結(jié)體的第一燒結(jié)步驟，將初始燒結(jié)體再壓縮以獲得再壓塊或鍛造以獲得鍛造壓塊的再壓縮/鍛造步驟，和在保護氣氛中于1,000～1,200℃加熱再壓塊或鍛造壓塊的第二燒結(jié)步驟。根據(jù)專利文件1中公開的技術(shù)，可以獲得高密度燒結(jié)產(chǎn)品，即一種具有改良的高溫強度和導(dǎo)熱性的鐵基燒結(jié)合金原料。
特許公開號為2000-160307的日本專利申請(以下稱作專利文件2)公開了一種制造適合于閥座嵌入物的粉末冶金元件的方法。該方法包括壓?；旌戏勰┮孕纬苫旧蠟榫W(wǎng)狀的生壓塊的步驟和燒結(jié)該生壓塊的步驟。該混合粉末含有，以質(zhì)量計，15～30％的閥門鋼粉末，0～10％Ni粉末，0～5％Cu粉末，5～15％鐵合金粉末，0～15％工具鋼粉末，0.5～5％固體潤滑劑，0.5～2.0％石墨和0.3～1.0％原生潤滑劑，余量基本為低合金鋼粉末。未處理壓塊的密度為6.7～7.0g/cm3，優(yōu)選6.8～7.0g/cm3，最優(yōu)選6.9g/cm3。根據(jù)專利文件2公開的技術(shù)，具有相對高密度的粉末冶金元件可以通過包括單一壓縮步驟的燒結(jié)工藝制得。該元件還具有高耐磨性、耐熱性、抗蠕變強度、疲勞強度、耐蝕性和機械加工性能。
公開號為61-10644的日本專利(以下稱作專利文件3)公開了一種燒結(jié)合金閥座，它通過燒結(jié)工藝整體成形，具有由表層部分和基層部分組成的雙層結(jié)構(gòu)。該表層部分包括一個經(jīng)常被閥面碰撞的工作面，基層部分與氣缸蓋壓配孔底部相接觸。表層部分的孔隙率為5～20％，基層部分的孔隙率為5％或更小。該燒結(jié)合金閥座適合于鑄鐵氣缸蓋。
在專利文件1公開的技術(shù)中，為了獲得孔隙率為1～10％的高密度燒結(jié)壓塊，對初始燒結(jié)體進行再壓縮或鍛造的步驟以及第二次燒結(jié)步驟是必要的。因此，存在的問題是制造方法復(fù)雜，制造成本高。在專利文件3公開的技術(shù)中，為了減小基層部分的孔隙率，通過回轉(zhuǎn)鍛造工藝將燒結(jié)壓塊進行壓縮鍛造的步驟和將所得燒結(jié)壓塊進行再燒結(jié)的步驟是必要的，因此，存在的問題是制造方法復(fù)雜，制造成本高。
另一方面，在專利文件2公開的技術(shù)中，具有相對高密度的粉末冶金元件可以通過包括單一成型步驟和單一燒結(jié)步驟的方法制得。然而，增大密度的步驟較復(fù)雜。因而，存在的問題是制造成本高。
近年來，對于汽油發(fā)動機高功率的需求越來越大。因此，在發(fā)動機的工作期間，施于閥座的熱負荷大大增加，閥施于閥座的沖擊荷載也大大增加。
在此條件下，閥和閥座的表面就容易產(chǎn)生粘附磨損，從而不斷出現(xiàn)作為滑動面的新表面。因此，存在的問題是閥和閥座會嚴重磨損。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明已用來方便地解決上述問題。本發(fā)明的目的是提供一個含有鐵基燒結(jié)合金的閥座和制造此閥座的方法。該閥座可以應(yīng)付新近的汽油發(fā)動機惡劣的工作環(huán)境，具有令人滿意的高溫強度、抗蠕變強度、疲勞強度和耐磨性，并具有令人滿意的形成鐵氧化物的性能。
為了達到上述目的，發(fā)明人集中研究了影響提高閥座耐磨性的各種因素。結(jié)果，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在閥座滑動面形成的鐵氧化物的量與新近的內(nèi)燃機，特別是汽油發(fā)動機工作條件下的耐磨性密切相關(guān)。該鐵氧化物的形成是由于內(nèi)燃機工作期間產(chǎn)生的熱負荷。根據(jù)發(fā)明人的研究，由于高密度閥座含有非常少的孔，僅有少量依賴于內(nèi)燃機工作期間產(chǎn)生的熱負荷的鐵氧化物在閥座滑動面上形成，所以在形成足量的鐵氧化物之前，滑動面會產(chǎn)生粘附磨損，從而閥門和閥座嚴重磨損。從研究結(jié)果來看，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)閥座必須具有相對小的密度以阻止在新近汽油發(fā)動機工作條件下粘附磨損的發(fā)生和提高閥座的耐磨性。而且，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)依賴于燒結(jié)壓塊密度的機械強度對耐磨性有較小的影響。
在此發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，發(fā)明人設(shè)計了一個具有由閥安裝于其上的第一部分(以下稱作閥門座部分)和頂蓋安裝于其上的第二部分(以下稱作頂蓋座部分)組成的雙層結(jié)構(gòu)的閥座。這些部分含有不同的材料，也就是說，閥門座部分含有阻止粘附磨損發(fā)生和具有令人滿意的耐磨性的第一鐵基燒結(jié)合金元件，頂蓋座部分含有具備高強度(如高溫強度、抗蠕變強度和疲勞強度)的第二鐵基燒結(jié)合金元件，這些性能對汽油發(fā)動機是必須的。閥門座部分的第一鐵基燒結(jié)合金元件具有相對較小的燒結(jié)密度以使微孔保留其中。微孔促進了由于內(nèi)燃機工作期間產(chǎn)生的熱負荷所導(dǎo)致的鐵氧化物的形成，因而阻止了粘附磨損的發(fā)生，并獲得了令人滿意的耐磨性。另一方面，頂蓋座部分的第二鐵基燒結(jié)合金元件采用具有滿意的可壓縮性能的粉末制成，因而即使在相對低的壓力下壓縮，此合金也具有足以滿足汽油發(fā)動機所需的高溫強度等。
現(xiàn)描述本發(fā)明的范圍。
根據(jù)本發(fā)明，壓嵌在內(nèi)燃機氣缸蓋內(nèi)的含有鐵基燒結(jié)合金的閥座包括一個閥門座部分和一個頂蓋座部分。閥門座部分和頂蓋座部分是通過燒結(jié)工藝整體成形的，且形成一個雙層結(jié)構(gòu)。該閥門座部分包括體積孔隙率為10～25％，燒結(jié)密度為6.1～7.1g/cm3，且含有硬顆粒分散在基體相中的第一鐵基燒結(jié)合金元件。頂蓋座部分包括體積孔隙率為10～20％，燒結(jié)密度為6.4～7.1g/cm3的第二鐵基燒結(jié)合金元件。
在上述閥門座部分，硬顆粒含有選自C、Cr、Mo、Co、Si、Ni、S和Fe中的至少一種，且第一鐵基燒結(jié)合金元件中的硬顆粒含量，按面積計，為5～40％。
在閥門座部分，基體相和硬顆粒形成基體部分；該基體部分含有，按質(zhì)量計，10.0～40.0％的選自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W、Si、S和C中的至少一種，按質(zhì)量計，Ni的含量為2.0～23.0％，Cr含量為0.4～15.0％，Mo含量為3.0～15.0％，Cu含量為0.2～3.0％，Co的含量為3.0～15.0％，V的含量為0.1～0.5％，Mn的含量為0.1～0.5％，W的含量為0.2～6.0％，Si的含量為0.1～1.0％，S的含量為0.1～1.0％，C的含量為0.8～2.0％，余量基本為Fe。第二鐵基燒結(jié)合金元件的基體相含有，以質(zhì)量計，0.3～15.0％選自C、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V和Mn中的至少一種，余量基本為Fe。
在閥門座部分和頂蓋座部分，第一和第二燒結(jié)合金元件還含有，以面積計，0.3～3.5％分散于基體相中的固體潤滑劑顆粒。
固體潤滑劑顆粒含有至少一種選自硬脂酸鋅、硫化物和氟化物。
根據(jù)本發(fā)明，制造含有鐵基燒結(jié)合金的閥座的方法包括依次將形成閥門座部分的第一原材料粉末和形成頂蓋座部分的第二原材料粉末填充到金屬模具中以使第一和第二原材料粉末形成一個雙層結(jié)構(gòu)，然后壓緊所得的第一和第二原料粉末以形成由所述兩層組成的生壓塊的成形步驟；和在保護氣氛中加熱所得的生壓塊以獲得具有雙層結(jié)構(gòu)的燒結(jié)體的燒結(jié)步驟。第一原材料粉末含有，以質(zhì)量計，20～70％的純鐵粉，10～50％的第一鐵合金粉末，和5～40％的硬顆粒粉末或還含有相對于100份(以重量計)第一原材料粉末為0.2～3.0份(以重量計)的固體潤滑劑粉末。將純鐵粉、第一鐵合金粉末和硬顆粒粉末或固體潤滑劑顆粒粉末摻合和混合。第一鐵合金粉末含有，以質(zhì)量計，3～30％選自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W和C的至少一種，余量基本為Fe；硬顆粒粉末含有選自C、Cr、Mo、Co、Si、Ni、S和Fe中的至少一種；第二原材料粉末含有，以質(zhì)量計，85％或更多的純鐵粉末和0.3～15％第二鐵合金粉末或還含有，相對于100份(以重量計)第二原材料粉末為0.2～3.0份(以重量計)的固體潤滑劑粉末。將純鐵粉和第二鐵合金粉末或固體潤滑劑顆粒粉末摻合和混合。第二鐵合金粉末含有選自C、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V和Mn中的至少一種。調(diào)整成形步驟和燒結(jié)步驟的條件以使第一鐵基燒結(jié)合金元件具有6.1～7.1g/cm3的燒結(jié)密度和10～25％的體積孔隙率，第二鐵基燒結(jié)合金元件具有6.4～7.1g/cm3的燒結(jié)密度和10～20％的體積孔隙率。
在上述方法中，第一原材料粉末含有，以質(zhì)量計，0.3～15％合金元素粉末，而不是部分或全部鐵合金粉末，合金元素粉末含有選自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W和C中的至少一種。
根據(jù)本發(fā)明，具有滿意的耐磨性和鐵氧化物形成性能的閥座可以以低成本方便地制造，從而在工業(yè)上取得了很大的進步。本發(fā)明的閥座可以經(jīng)受惡劣的條件，比如內(nèi)燃機工作時的高溫燃燒氣體等。
附圖簡述

圖1是示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的閥座結(jié)構(gòu)的垂直剖面圖；圖2是包括兩個光學(xué)顯微照片的圖圖2A表示存在于試樣1(本發(fā)明的一個實施例)閥門座部分的基體部分的光學(xué)顯微照片，圖2B為包含在試樣1頂蓋座部分的基體相的光學(xué)顯微照片；圖3是包括兩個光學(xué)顯微照片的圖圖3A表示存在于試樣5(本發(fā)明的一個實施例)閥門座部分的基體部分的光學(xué)顯微照片，圖3B為包含在試樣5頂蓋座部分的基體相的光學(xué)顯微照片；圖4是包括兩個光學(xué)顯微照片的圖圖4A表示存在于試樣16(本發(fā)明的對比實施例)閥門座部分的基體部分的光學(xué)顯微照片，圖4B為包含在試樣16頂蓋座部分的基體相的光學(xué)顯微照片；圖5為表示單體鉆探磨損試驗設(shè)備的示意圖。
具體實施例方式
圖1表示本發(fā)明閥座。該閥座包括一個閥門座部分和一個頂蓋座部分，其中這些部分含有不同的材料。閥座具有一個由燒結(jié)工藝整體成形部分構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)。在閥座中，閥門座部分由第一鐵基燒結(jié)合金元件制成，頂蓋座部分由第二鐵基燒結(jié)合金元件制成。
閥門座部分的第一鐵基燒結(jié)合金元件是一個燒結(jié)體，它含有基體相，分散于其中的硬顆粒和微孔。第一鐵基燒結(jié)合金的體積孔隙率為10～25％，燒結(jié)密度為6.1～7.1g/cm3。第一鐵基燒結(jié)合金還包含分散于基體相中的固體潤滑劑顆粒。
微孔影響高溫強度、疲勞強度和導(dǎo)熱性。如果孔隙率小于10％，強度和熱傳導(dǎo)性高；然而，在內(nèi)燃機工作期間由于熱負荷的產(chǎn)生而形成的鐵氧化物的量不夠充分，鐵氧化物可有效防止磨損。相反地，如果孔隙率大于25％，室溫強度和高溫強度則非常低。因此，在本發(fā)明中，體積孔隙率限制在10～25％的范圍內(nèi)。此處所用的孔隙率是通過圖像分析法確定的。
燒結(jié)密度影響強度和導(dǎo)熱性。如果燒結(jié)密度小于6.1g/cm3，強度非常低。相反地，如果燒結(jié)密度大于7.1g/cm3，則在內(nèi)燃機工作期間由于熱負荷的產(chǎn)生而形成的鐵氧化物量不夠充分。而且，為了增加密度，制造方法變得復(fù)雜，從而增加了制造成本。因此，在本發(fā)明中，燒結(jié)密度限制在6.1～7.1g/cm3的范圍。此處所用的燒結(jié)密度是通過阿基米德(Archimedes)法確定的。
在閥門座部分中，含有形成基體部分的基體相和硬顆粒的第一鐵基燒結(jié)合金元件優(yōu)選含有，以質(zhì)量計，10.0～40.0％選自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W、C、Si和S的至少一種。按質(zhì)量計，Ni的含量為2.0～23.0％，Cr的含量為0.4～15.0％，Mo的含量為3.0～15.0％，Cu的含量為0.2～3.0％，Co的含量為3.0～15.0％，V的含量為0.1～0.5％，Mn的含量為0.1～0.5％，W的含量為0.2～6.0％，C的含量為0.8～2.0％，Si的含量為0.1～1.0％，S的含量為0.1～1.0％，余量基本為Fe。
基體相和硬顆粒中含有的Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W、C、Si和S可以增加耐磨性?；w相和硬顆?？梢院?，以質(zhì)量計，總計10.0～40.0％選自上述元素的至少一種。
Ni除了提高耐磨性外，還可以增加硬度和耐熱性。如果Ni含量小于2.0％(以質(zhì)量計)，不能獲得上述的優(yōu)勢。相反地，如果Ni的含量大于23.0％(以質(zhì)量計)，反相侵蝕性能對于實際應(yīng)用則又太高。
在基體相和硬顆粒中都含有的Cr除了提高耐磨性外，還可以增加硬度和耐熱性。如果Cr含量小于0.4％(以質(zhì)量計)，不能獲得上述的優(yōu)勢。相反地，如果Cr的含量大于15.0％(以質(zhì)量計)，反相侵蝕性能則又太高。
在基體相和硬顆粒中含有的Mo除了提高耐磨性外，還可以增加硬度和耐熱性。如果Mo含量小于3.0％(以質(zhì)量計)，不能獲得上述的優(yōu)勢。相反地，如果Mo的含量大于15.0％(以質(zhì)量計)，反相侵蝕性能則又太高。
Cu除了提高耐磨性外，還加強了基體相和增加了硬度。如果Cu含量小于0.2％(以質(zhì)量計)，不能獲得上述的優(yōu)勢。相反地，如果Cu的含量大于3.0％(以質(zhì)量計)，自由Cu就會沉淀，從而導(dǎo)致閥座在工作時粘住閥門。
Co除了提高耐磨性和耐熱性外，還可以增強基體相和硬顆粒之間的粘接。如果Co含量小于3.0％(以質(zhì)量計)，不能獲得上述的優(yōu)勢。相反地，如果Co的含量大于15.0％(以質(zhì)量計)，反相侵蝕性能又太高。
V除了提高耐磨性外，還可以加強基體相和增加硬度。如果V含量小于0.1％(以質(zhì)量計)，不能獲得上述的優(yōu)勢。相反地，如果V的含量大于0.5％(以質(zhì)量計)，反相侵蝕性能則又太高。
Mn除了提高耐磨性外，還可以加強基體相和增加硬度。如果Mn含量小于0.1％(以質(zhì)量計)，不能獲得上述的優(yōu)勢。相反地，如果Mn的含量大于0.5％(以質(zhì)量計)，反相侵蝕性能則又太高。
W除了提高耐磨性外，還可以加強基體相和增加硬度。如果W含量小于0.2％(以質(zhì)量計)，不能獲得上述的優(yōu)勢。相反地，如果W的含量大于6.0％(以質(zhì)量計)，反相侵蝕性能則又太高。
C除了提高耐磨性外，還可以加強基體相和增加燒結(jié)期間的分散度。如果C含量小于0.8％(以質(zhì)量計)，不能獲得上述的優(yōu)勢。相反地，如果C的含量大于2.0％(以質(zhì)量計)，反相侵蝕性能又太高。
Si可以加強基體相和增加耐磨性。如果Si含量小于0.1％(以質(zhì)量計)，不能獲得上述的優(yōu)勢。相反地，如果Si的含量大于1.0％(以質(zhì)量計)，反相侵蝕性能則又太高。
S可以加強基體相和提高耐磨性。如果S的含量小于0.1％(以質(zhì)量計)，不能獲得上述的優(yōu)勢。相反地，如果S的含量大于1.0％(以質(zhì)量計)，反相侵蝕性能則又太高。
在第一鐵基燒結(jié)合金元件中，如果上述元素的總含量小于10.0％(以質(zhì)量計)，基體的硬度和高溫性能對于實際應(yīng)用太低。該高溫性能包括高溫強度和抗蠕變性能。相反地，如果其總含量超過40.0％(以質(zhì)量計)，反相侵蝕性能對于實際應(yīng)用則又太高。因此，在本發(fā)明中，上述元素的總量優(yōu)選限制在10.0～40.0％(以質(zhì)量計)的范圍。
在第一鐵基燒結(jié)合金元件的基體相中，除了以上元素，余量基本為Fe.
分散于第一鐵基燒結(jié)合金基體相中的硬顆?？梢栽鰪娔湍バ?。在本發(fā)明中，硬顆粒的含量為5～40％(按面積計)。如果硬顆粒的含量小于5％，不能獲得上述的優(yōu)勢。相反地，如果含量大于40％，反相侵蝕性能對于實際應(yīng)用則又太高。因此，在本發(fā)明中，其含量限制在5～40％的范圍。該含量優(yōu)選10～30％。
在閥門座部分的第一鐵基燒結(jié)合金元件中，分散于基體相的硬顆粒優(yōu)選含有選自C、Cr、Mo、Co、Si、Ni、S和Fe中的至少一種。而且，硬顆粒優(yōu)選具有600～1,200的維氏(Vickers)硬度Hv。如果硬顆粒的硬度小于HV600，耐磨性對于實際應(yīng)用太低。相反地，如果硬度大于HV1200，韌性太低，因而存在出現(xiàn)破裂或破碎的問題。
硬顆粒包括，例如，Cr-Mo-Co金屬間化合物顆粒、Ni-Cr-Mo-Co金屬間化合物顆粒、Fe-Mo合金顆粒、Fe-Ni-Mo-S合金顆粒和Fe-Mo-Si合金顆粒。
上述Cr-Mo-Co金屬間化合物顆粒含有(以質(zhì)量計)5.0～20.0％的Cr和10.0～30.0％的Mo，余量基本為Co。Ni-Cr-Mo-Co金屬間化合物顆粒含有(以質(zhì)量計)5.0～20.0％的Ni，15.0～30.0％的Cr，17.0～35.0％的Mo，余量基本為Co。Fe-Mo合金顆粒含有(以質(zhì)量計)50.0～70.0％的Mo，余量基本為Fe。Fe-Ni-Mo-S合金顆粒含有(以質(zhì)量計)50.0～70.0％的Ni，20.0～40.0％的Mo，和1.0～5.0％的S，余量基本為Fe。Fe-Mo-Si合金顆粒含有(以質(zhì)量計)5.0～20.0％的Si和20.0～40.0％的Mo，余量基本為Fe。
閥門座部分的第一鐵基燒結(jié)合金元件除了硬顆粒外，還可以含有分散于基體相中的固體潤滑劑顆粒。固體潤滑劑顆?？梢栽鰪姍C械加工性能和耐磨性，并能降低反相侵蝕性能。固體潤滑劑顆粒優(yōu)選含有選自硫化物(比如MnS或MoS2)和氟化物(比如CaF2)中的至少一種或含有它們的混合物。固體潤滑劑顆粒的含量優(yōu)選0.3～3.5％(以面積計)。如果含量小于0.3％，則由于其含量少而導(dǎo)致機械加工性能太低，因而引起粘結(jié)而惡化了耐磨性。相反地，如果含量超過3.5％，此優(yōu)勢飽和，也就是說，此優(yōu)勢與含量不成比例。因此，固體潤滑劑顆粒的含量優(yōu)選限制在0.3～3.5％的范圍。
對于閥門座部分的基體相的結(jié)構(gòu)，如果將除了硬顆粒外的基體相面積歸一化為100％，則優(yōu)選珠光體占基體相面積的30～60％，高合金分散相占該面積的40～70％。
另一方面，頂蓋座部分的第二鐵基燒結(jié)合金元件為一燒結(jié)體，含有基體相和孔。第二鐵基燒結(jié)合金的體積孔隙率為10～20％，燒結(jié)密度為6.4～7.1g/cm3，而且還可以包括分散于基體相中的固體潤滑劑顆粒。
含有的孔的第二鐵基燒結(jié)合金具有10～20％的孔隙率?？椎目偭坑绊懙诙F基燒結(jié)合金的強度。如果孔隙率小于10％，強度足夠大，然而，增加第二鐵基燒結(jié)合金密度的燒結(jié)步驟較復(fù)雜，從而大大增加了其制造成本。相反地，如果孔隙率大于20％，第二鐵基粉末合金則具有非常低的強度。因此，在本發(fā)明中，該體積孔隙率限制在10～20％的范圍。
如上所述，第二鐵基燒結(jié)合金具有6.4～7.1g/cm3的燒結(jié)密度。該燒結(jié)密度與第二鐵基燒結(jié)合金的強度和熱傳導(dǎo)性密切相關(guān)。如果燒結(jié)密度小于6.4g/cm3，強度非常低，因而頂蓋座部分不能具備所需的強度。相反地，如果燒結(jié)密度大于7.1g/cm3，增加密度的步驟則非常復(fù)雜，從而大大增加了制造成本。因此，在本發(fā)明中，該燒結(jié)密度限制在6.4～7.1g/cm3的范圍。
在根據(jù)本發(fā)明閥座的閥門座部分的第二鐵基燒結(jié)合金中，基體相優(yōu)選含有0.3～15％(以質(zhì)量計)選自C、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V和Mn的至少一種，余量基本為Fe。
上述元素可以提高第二鐵基燒結(jié)合金的強度。如果該元素的總含量小于0.3％(以質(zhì)量計)，頂蓋座部分不能具備所需的強度。相反地，如果元素的總含量大于15％(以質(zhì)量計)，此優(yōu)勢飽和，也就是說，此優(yōu)勢與含量不成比例。因此，該元素的總含量優(yōu)選限制在0.3～15％(以質(zhì)量計)的范圍。
在頂蓋座部分的第二鐵基燒結(jié)合金的基體相中，除了上述元素外，余量基本為Fe。
在本發(fā)明中，第二鐵基燒結(jié)合金還可以含有分散于基體相中的固體潤滑劑顆粒。固體潤滑劑顆?？梢栽鰪姷诙F基燒結(jié)合金元件的機械加工性能。固體潤滑劑顆粒優(yōu)選含有選自硫化物(比如MnS或MoS2)和氟化物(比如CaF2)中的至少一種或含有它們的混合物。第二鐵基燒結(jié)合金的基體相中固體潤滑劑顆粒的含量優(yōu)選為0.3～3.5％(以面積計)。如果含量小于0.3％，則由于含量少而導(dǎo)致機械加工性能太低。相反地，如果含量超過3.5％，此優(yōu)勢飽和，也就是說，此優(yōu)勢與含量不成比例了。因此，固體潤滑劑顆粒的含量優(yōu)選限制在0.3～3.5％(以面積計)的范圍。
現(xiàn)描述制造本發(fā)明閥座的方法。
制備用于形成閥門座部分的第一原材料粉末以獲得與第一鐵基燒結(jié)合金材料基體部分相同的組成，和制備用于形成頂蓋座部分的第二原材料粉末以獲得與第二鐵基燒結(jié)合金基體相相同的組成。
第一原材料粉末優(yōu)選通過混合和捏合下列組分的粉末而制備，以獲得與包括基體相和硬顆粒的基體部分相同的組成20～70％的純鐵粉，10～50％的鐵合金粉末和相對于第一原材料粉末總量(純鐵粉、鐵合金粉末和硬顆粒粉末的總量)的5～40％(以質(zhì)量計)的硬顆粒粉末。該鐵合金粉末含有選自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W和C中的至少一種，這些元素的總含量為3～30％(以質(zhì)量計)，余量基本為Fe。硬顆粒粉末含有選自C、Cr、Mo、Co、Si、Ni、S和Fe中的至少一種。而且，0.2～3.0份(以重量計)的第一固體潤滑劑顆粒粉末可以與100份(以重量計)的第一原材料粉末混合。而且，一種合金元素粉末可以包含在第一原材料粉末中，而不是部分或全部鐵合金粉末，其中的合金元素粉末的量相對第一原材料粉末的總量為0.3～15％(以質(zhì)量計)。該合金元素粉末含有選自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W和C中的至少一種，第一原材料粉末還可含有一種潤滑劑，如硬脂酸鋅等。
如果第一原材料粉末中的純鐵粉含量小于20％(以質(zhì)量計)，則可有效提高耐磨性的鐵氧化物的量不足，因而耐磨性較低。相反地，如果含量大于70％(以質(zhì)量計)，則鐵氧化物的量充足，然而，第一鐵基燒結(jié)合金的基體相的硬度不足，因而在鐵氧化物還未形成的初始工作階段，其耐磨性低。
第一原材料粉末含有鐵合金粉末是為了提高第一鐵基燒結(jié)合金基體的硬度和高溫強度。如果鐵合金粉末的含量小于10％(以重量計)，則不能獲得上述優(yōu)勢。相反地，如果含量大于50％(以質(zhì)量計)，此優(yōu)勢飽和，也就是說，此優(yōu)勢與含量不成比例，因此，如此高的含量不具成本效率。該鐵合金粉末含有選自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W、和C中的至少一種，這些元素的總量為3～30％(以質(zhì)量計)，余量基本為Fe。如果鐵合金粉末中這些元素的總量小于3％(以質(zhì)量計)，則不能獲得上述優(yōu)勢。相反地，如果含量大于30％(以質(zhì)量計)，此優(yōu)勢飽和，也就是說，此優(yōu)勢與含量不成比例，因此，如此高的含量不具成本效率。
根據(jù)為了提高基體相的硬度和高溫強度的需要，含有選自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W和C中的至少一種的合金元素粉末包含于第一原材料粉末中，而不是部分或整個鐵合金粉末。如果合金元素粉末的含量小于0.3％(以質(zhì)量計)，硬度和高溫強度較低，因而耐磨性就不足。相反地，如果含量大于15％(以質(zhì)量計)，此優(yōu)勢飽和，也就是說，此優(yōu)勢與含量不成比例。
為了提高閥門座部分的耐磨性，含有選自C、Cr、Mo、Co、Si、Ni、S和Fe中的至少一種的硬顆粒粉末包含于第一原材料粉末中。如果硬顆粒粉末的含量小于5％(以質(zhì)量計)，不能獲得上以上優(yōu)勢。相反地，如果含量大于40％(以質(zhì)量計)，反相侵蝕性能則又太高。
根據(jù)為了提高機械加工性能、耐磨性和降低反相侵蝕性能的需要，第一原材料粉末中包含有固體潤滑劑顆粒。如果固體潤滑劑顆粒粉末的含量相對于100份(以重量計)的第一原材料小于0.2份(以重量計)，機械加工性能和耐磨性低。相反地，如果其含量大于3.0份(以重量計)，此優(yōu)勢飽和，也就是說，此優(yōu)勢與含量不成比例。
將上述的純鐵粉、硬顆粒粉末和鐵合金粉末和/或合金元素粉末以預(yù)定的比例相互摻合，然后混合和捏合，從而制得閥門座部分的第一原材料粉末。第一原材料粉末還可以含有預(yù)定量的固體潤滑劑顆粒粉末。
另一方面，用于頂蓋座部分的第二原材料粉末優(yōu)選通過摻合和混合純鐵粉和合金元素粉末制備，以獲得與頂蓋座部分基體相相同的組成。純鐵粉的含量優(yōu)選85％(以質(zhì)量計)或更多。含有選自C、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V和Mn中的至少一種的合金元素粉末含量優(yōu)選0.3～15％(以質(zhì)量計)。而且，0.2～3.0份(以重量計)的固體潤滑劑顆粒粉末可以加入到100份(以重量計)的第二原材料粉末中。
如果第二原材料粉末中的純鐵粉含量小于85％(以質(zhì)量計)，第二原材料粉末的可壓縮性低，也就是說，第二原材料粉末形成的生壓塊具有較小的密度；因此，燒結(jié)密度就小，因而，頂蓋座部分的強度不足以用于內(nèi)燃機的閥座。
為了提高第二鐵基燒結(jié)合金基體的強度，第二組分粉末中含有合金元素粉末，該合金元素粉末含有選自C、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、和Mn中的至少一種。如果合金粉末含量小于0.3％(以質(zhì)量計)，此優(yōu)勢不足。相反地，如果其含量大于15％(以質(zhì)量計)，此優(yōu)勢與含量則不成比例。
第二原材料粉末和第一原材料粉末一樣優(yōu)選含有上述固體潤滑劑粉末。該固體潤滑劑顆粒粉末用于提高頂蓋座部分機械加工性能、耐磨性和降低反相侵蝕性能。如果固體潤滑劑粉末的含量相對于100份(以重量計)第二原材料粉末小于0.2份(以重量計)，機械加工性能和耐磨性低。相反地，如果其含量超過3.0份(以重量計)，此優(yōu)勢飽和，也就是說，此優(yōu)勢與含量不成比例。
將第一原材料粉末和第二原材料粉末依次填充到金屬模具中以形成一個雙層結(jié)構(gòu)。所得的粉末經(jīng)過被壓模機壓縮的成形步驟以形成一個生壓塊。然后將該生壓塊在保護氣氛(比如真空或氨分解而得的氣體)中優(yōu)選于1,000～1,200℃加熱進行燒結(jié)步驟以獲得燒結(jié)體。所得的燒結(jié)體通過切削和碾磨工藝機加工形成具有預(yù)定尺寸和形狀的用于內(nèi)燃機的閥座。
在本發(fā)明中，優(yōu)選調(diào)節(jié)成形步驟和燒結(jié)步驟的條件以使閥門座部分的燒結(jié)密度為6.1～7.1g/cm3，體積孔隙率為10～25％。在成形步驟中，為了獲得這樣的密度，用于形成閥門座部分的部分生壓塊優(yōu)選具有6.2～7.3g/cm3的密度。如果閥門座部分的燒結(jié)密度和孔隙率控制在上述范圍內(nèi)，頂蓋座部分的燒結(jié)密度和孔隙率也可控制在預(yù)定范圍內(nèi)。
將純鐵粉、硬顆粒粉末和鐵合金粉末和/或合金元素粉末以表1所示的比例混合，這些粉末的種類示于表1。而且，將預(yù)定量(以重量計份數(shù))的固體潤滑劑顆粒加入到100份(以重量計)的純鐵粉、硬顆粒粉末和鐵合金粉末和/或合金元素粉末的混合物中，將所得混合物混合，然后捏合。從而得到用于制備閥門座部分的第一原材料粉末和用于制備頂蓋座部分的第二原材料粉末。除了固體潤滑劑顆粒粉末外，純鐵粉、硬顆粒粉末和鐵合金粉末和/或合金元素粉末均用質(zhì)量百分數(shù)來表示。樣品18為一個對比實施例，不含固體潤滑劑顆粒粉末。
表1

(*)鐵合金粉末 (**)硬顆粒粉末(維氏硬度)類型A1.0Cr-0.5Mn-0.3Mo-余量Fe 類型aCr-Mo-Co金屬間化合物(950)類型B3.0Cr-0.2Mo-余量Fe 類型bNi-Cr-Mo-Co金屬間化合物(1100)類型C4.0Ni-1.5Cu-0.5Mo-余量Fe 類型cFe-Mo硬顆粒(1100)類型D1.5C-12Cr-1Mo-1V-余量Fe(SKD11) 類型dFe-Ni-Mo-S硬顆粒(600)類型E0.8C-4Cr-5Mo-2V-6W-余量Fe(SKH51)類型F1.2C-4Cr-3Mo-10W-3V-10Co-余量Fe(SKH57)(***)固體潤滑劑顆粒粉末類型IMnS類型IICaF2(****)相對于總重量為100份時含有純鐵粉、鐵合金粉末，合金元素粉末和硬顆粒粉末的原材料粉末的重量份數(shù)(1)VSS表示閥門座部分(2)HSS表示頂蓋-座部分表1(續(xù))

(*)鐵合金粉末 (**)硬顆粒粉末(維氏硬度)類型A1.0Cr-0.5Mn-0.3Mo-余量Fe類型aCr-Mo-Co金屬間化合物(950)類型B3.0Cr-0.2Mo-余量Fe 類型bNi-Cr-Mo-Co金屬間化合物(1100)類型C4.0Ni-1.5Cu-0.5Mo-余量Fe類型cFe-Mo硬顆粒(1100)類型D1.5C-12Cr-1Mo-1V-余量Fe(SKD11) 類型dFe-Ni-Mo-S硬顆粒(600)類型E0.8C-4Cr-5Mo-2V-6W-余量Fe(SKH51)類型F1.2C-4Cr-3Mo-10W-3V-10Co-余量Fe(SKH57)(***)固體潤滑劑顆粒粉末類型IMnS類型IICaF2(****)相對于總重量為100份的含有純鐵粉、鐵合金粉末，合金元素粉末和硬顆粒粉末的原材料粉末的重量份數(shù)(1)VSS表示閥門座部分(2)HSS表示頂蓋-座部分依次將每種第一原材料粉末和第二原材料粉末(混合粉末)填充到金屬模具中以形成一個雙層結(jié)構(gòu)。然后用壓模機壓縮該所得粉末，從而形成一個生壓塊。該生壓塊的密度通過改變壓縮條件進行調(diào)節(jié)。
該生壓塊在保護氣氛(氨分解所得的氣體)中于1,000～1,200℃燒結(jié)10～30分鐘，從而得到一個燒結(jié)體(一種鐵基燒結(jié)合金)。
試樣從所得的燒結(jié)體上切取。并對試樣測量燒結(jié)體的孔隙率和密度及其基體部分的組成。該孔隙率通過圖像分析系統(tǒng)利用每個具有一拋光表面的試樣進行測定。閥門座部分和頂蓋座部分的密度采用阿基米德(Archimedes)法分別測定。
由燒結(jié)體得到的試樣通過切削或碾磨工藝機加工成具有33mm外徑、29mm內(nèi)徑和6.0mm厚的閥座。對閥座分別進行為了測定耐磨性的單體鉆探磨損試驗和為了測定鐵氧化物含量的氧化試驗。
(1)單體鉆探磨損試驗(為測定耐磨性的試驗)單體鉆探磨損試驗采用如圖5所示的試驗設(shè)備進行。將閥座1壓嵌在與氣缸蓋相配的夾具2中。當閥座1和閥門4用安裝在試驗設(shè)備上的加熱器3并利用LPG和氣體加熱時，曲柄帶動閥門4上下移動。根據(jù)閥門的沉陷量確定其磨損度。試驗條件描述如下試驗溫度400℃(在閥座表面)試驗周期9.0小時凸輪轉(zhuǎn)速3000rpm閥門轉(zhuǎn)速20rpm彈簧負荷35kgf(345N)(在設(shè)置步驟中)閥門材料SUH35升程9.0mm(2)氧化試驗(為確定鐵氧化物量的試驗)每一閥座分為一個閥門座部分和頂蓋座部分，對兩者進行充分清洗和去油污。所得閥門座部分為一個試驗的樣品，放置于一爐內(nèi)，從而在下述條件下對閥門座部分進行熱處理加熱溫度500℃加熱時間10、20或30分鐘加熱氣氛空氣氣氛測定所得閥門座部分的重量，從而確定其由于氧化導(dǎo)致的重量增加，用重量百分數(shù)表示。根據(jù)以下公式計算其增加量由于氧化導(dǎo)致的增加量(％)＝{(熱處理試樣的重量)-(未進行熱處理試樣的重量)}×100/(未進行熱處理試樣的重量)。
所得結(jié)果示于表2。
表2

(1)VSS表示閥門座部分(2)HSS表示頂蓋座部分表2(續(xù))

(1)VSS表示閥門座部分(2)HSS表示頂蓋座部分在樣品1-12號、21號、22號中(本發(fā)明實施例)，閥座磨損范圍為11到17μm，其反力桿件即閥的磨損范圍為6～15μm，而且，在預(yù)定的時間內(nèi)和預(yù)定的溫度下由于氧化導(dǎo)致的重量增加很大。這就意味著閥座具有令人滿意的耐磨性和鐵氧化物形成性能。相反地，在樣品13-20號中(不在本發(fā)明范圍內(nèi)的對比實施例)，其閥座磨損范圍為25～55μm，其反力桿件即閥的磨損范圍為20～58μm，也就是，與實施例的閥座相比，其耐磨性更低，反相侵蝕性能更高。而且由于氧化導(dǎo)致的重量增加也不同，且不大。這意味著對比實施例的閥座不具備令人滿意的耐磨性和鐵氧化物形成性能。
所得閥座的示例結(jié)構(gòu)示于圖2至4。
圖2包括兩個光學(xué)顯微照片圖2A表示樣品1(本發(fā)明實施例)的閥門座部分的基體部分的結(jié)構(gòu)，圖2B表示樣品1頂蓋座部分的基體相的結(jié)構(gòu)。
圖3包括兩個光學(xué)顯微照片圖3A表示樣品5(本發(fā)明實施例)的閥門座部分的基體部分的結(jié)構(gòu)，圖3B表示樣品5頂蓋座部分的基體相的結(jié)構(gòu)。
圖4包括兩個光學(xué)顯微照片圖4A表示樣品16(本發(fā)明對比實施例)的閥門座部分的基體部分的結(jié)構(gòu)，圖4B表示樣品16頂蓋座部分的基體相的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種壓嵌在內(nèi)燃機氣缸蓋內(nèi)、含有鐵基燒結(jié)合金的閥座，其包括閥門座部分；和頂蓋座部分，其中的閥門座部分和頂蓋座部分通過燒結(jié)工藝整體成形，且形成一個雙層結(jié)構(gòu)。閥門座部分包括體積孔隙率為10～25％，燒結(jié)密度為6.1～7.1g/cm3，且含有硬顆粒分散在基體相中的第一鐵基燒結(jié)合金，頂蓋座部分包括體積孔隙率為10～20％，燒結(jié)密度為6.4～7.1g/cm3的第二鐵基燒結(jié)合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的閥座，其中的硬顆粒含有選自C、Cr、Mo、Co、Si、Ni、S和Fe中的至少一種，且該硬顆粒在第一鐵基燒結(jié)合金中的含量，以面積計，為5～40％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的閥座，其中的基體相和硬顆粒構(gòu)成基體部分，該基體部分含有，以質(zhì)量計，10.0～40.0％選自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W、C、Si和S中的至少一種，以質(zhì)量計，Ni的含量為2.0～23.0％，Cr的含量為0.4～15.0％，Mo的含量為3.0～15.0％，Cu的含量為0.2～3.0％，Co的含量為3.0～15.0％，V的含量為0.1～0.5％，Mn的含量為0.1～0.5％，W的含量為0.2～％.0％，C的含量為0.8～2.0％，Si的含量為0.1～1.0％，S的含量為0.1～1.0％，余量基本為Fe；第二鐵基燒結(jié)合金的基體相含有，以質(zhì)量計，0.3～15.0％選自C、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V和Mn中的至少一種，余量基本為Fe。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項的閥座，其中的第一和第二鐵基燒結(jié)合金還含有，以面積計，0.3～3.5％分散在基體相中的固體潤滑劑顆粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的閥座，其中的固體潤滑劑顆粒含有選自硫化物和氟化物中的至少一種。
6.一種制造含鐵基燒結(jié)合金的閥座的方法，包括依次將形成閥門座部分的第一原材料粉末和形成頂蓋座部分的第二原材料粉末填充到金屬模具中以使第一和第二原材料粉末形成一個雙層結(jié)構(gòu)，然后壓緊所得的第一和第二原料粉末以形成一個由兩層組成的生壓塊的成形步驟；和在保護氣氛中加熱所得生壓塊以獲得具有雙層結(jié)構(gòu)的燒結(jié)體的燒結(jié)步驟，其中第一原材料粉末含有，以質(zhì)量計，20～70％的純鐵粉，10～50％的第一鐵合金粉末，和5～40％的硬顆粒粉末，或還含有相對于100重量份第一原材料粉末為0.2～3.0重量份的固體潤滑劑顆粒粉末，將純鐵粉、第一鐵合金粉末和硬顆粒粉末或固體潤滑劑顆粒粉末摻合和混合，第一鐵合金粉末含有，以質(zhì)量計，3～30％選自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W和C的至少一種，余量基本為Fe；硬顆粒粉末含有選自C、Cr、Mo、Co、Si、Ni、S和Fe中的至少一種；第二原材料粉末含有，以質(zhì)量計，85％或更多的純鐵粉末和0.3～15％第二鐵合金粉末，或還含有相對于100重量份第二原材料粉末為0.2～3.0重量份的固體潤滑劑顆粒粉末，將純鐵粉和第二鐵合金粉末或固體潤滑劑顆粒粉末摻合和混合；第二鐵合金粉末含有選自C、Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V和Mn中的至少一種；調(diào)整成形步驟和燒結(jié)步驟的條件以使第一鐵基燒結(jié)合金具有6.1～7.1g/cm3的燒結(jié)密度和10～25％的體積孔隙率，第二鐵基燒結(jié)合金具有6.4～7.1g/cm3的燒結(jié)密度和10～20％的體積孔隙率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中第一原材料粉末含有，以質(zhì)量計，0.3～15％合金元素粉末，而不是部分或整個鐵合金粉末，該合金元素粉末含有選自Ni、Cr、Mo、Cu、Co、V、Mn、W和C中的至少一種。
全文摘要
一種壓嵌在內(nèi)燃機氣缸蓋內(nèi)，含有一種鐵基燒結(jié)合金的閥座包括一個閥門座部分和一個頂蓋座部分。閥門座部分和頂座部位通過燒結(jié)工藝整體成形，且形成一個雙層結(jié)構(gòu)。閥門座部分包括一個體積孔隙率為10～25％，燒結(jié)密度為6.1～7.1g/cm
文檔編號C22C38/00GK1517518SQ20041000240
公開日2004年8月4日 申請日期2004年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月10日
發(fā)明者佐藤賢一, 垣內(nèi)新, 高橋輝夫, 石田正雄, 桶谷裕之, 之, 夫, 雄 申請人:日本活塞環(huán)株式會社, 本田技研工業(yè)株式會社