李賢斌，方明紅，裴學(xué)宏，華建杰

東風(fēng)汽車(chē)零部件(集團(tuán))有限公司東風(fēng)粉末冶金公司，湖北武漢 442700

0 引言

氣門(mén)導(dǎo)管是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)的導(dǎo)向裝置，對(duì)氣門(mén)起導(dǎo)向作用，并使氣門(mén)桿上的熱量經(jīng)氣門(mén)導(dǎo)管傳給汽缸蓋。

氣門(mén)導(dǎo)管制造方法主要有鑄造和粉末冶金兩種工藝。鑄造材料主要是以析出碳化物和石墨相提供了材料的耐磨性、熱硬度和熱傳導(dǎo)性，由于鑄造法成分易偏析、合金化限制等本身工藝上的局限性，不能更進(jìn)一步地提高材料的熱傳導(dǎo)能力,尤其如何使材料本身具備自潤(rùn)滑特性，在工藝上不具備操控性。而由于粉末冶金材料成分具有可以“隨意”配制的工藝特點(diǎn)，為了改善材料的導(dǎo)熱性，在材料中加入銅，其范圍可在5%～50%任意調(diào)整；為了提高材料的耐磨性，可在材料基體中添加硬質(zhì)顆粒成分，并使顆粒保持原有的性能和特征；更為獨(dú)特的是，在材料中添加金屬性型或非金屬型的固體潤(rùn)滑劑，如氧化物、復(fù)合化合物、有機(jī)化合物等，可使材料獲得自潤(rùn)滑性能，大幅提高減摩性能，從而降低了氣閥與氣門(mén)導(dǎo)管之間的摩擦力，提高了耐磨性。

某11 L大功率發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)Ⅳ及以上排放要求的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，鑄造灰鐵氣門(mén)導(dǎo)管存在磨損顯著超限現(xiàn)象(超限值5倍以上)，可見(jiàn)現(xiàn)有鑄鐵材料性能難以滿(mǎn)足要求，且改進(jìn)空間有限。因此，文中利用粉末冶金氣門(mén)導(dǎo)管材料成分可設(shè)計(jì)自由度高的工藝優(yōu)勢(shì)，根據(jù)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工況需求來(lái)定向開(kāi)發(fā)相匹配的各種材料，將極大地提高粉末冶金在該行業(yè)的應(yīng)用前景。

1 氣門(mén)導(dǎo)管工況分析

1.1 工況參數(shù)

氣閥最大相對(duì)滑動(dòng)速度為2.8 m/s；與氣閥桿直徑間隙：進(jìn)氣為0.04～0.07 mm，排氣為0.06～0.09 mm；對(duì)偶材料：進(jìn)氣閥桿部材料9Cr18Mo2V，排氣閥桿部材料5Cr9Si3(兩者桿部表面均鍍鉻EP.Cr6，鍍鉻層深0.008～0.015 mm，表面粗糙度0.4 mm)；工作溫度為150～450 ℃；潤(rùn)滑介質(zhì)：熱氣流和15W40機(jī)油。

1.2 導(dǎo)管的安裝位置及性能要求

導(dǎo)管的安裝位置及導(dǎo)管形狀如圖1所示。其性能要求如下：高耐磨性、高抗腐蝕性、高熱傳導(dǎo)性、優(yōu)良機(jī)械性能及優(yōu)良機(jī)加工性能。

圖1 導(dǎo)管的安裝位置及導(dǎo)管形狀

2 材料體系確定

2.1 6種配方的化學(xué)成分分析

根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，為滿(mǎn)足氣門(mén)導(dǎo)管的物理-力學(xué)性能，文中選擇6種配方進(jìn)行試驗(yàn)，6種配方的化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，6種配方中的C、MoS、CaF、MnS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍相同。

表1 6種配方的化學(xué)成分分析結(jié)果 單位:%

2.2 配方各成分的性能作用

2.2.1 MoS的特性及作用

MoS為黑色有光澤的粉末，相對(duì)密度為4.80 g/cm，熔點(diǎn)為1 185 ℃，450 ℃升華，1 370 ℃開(kāi)始分解，1 600 ℃分解為金屬鉬和硫。在空氣中加熱到315 ℃時(shí)開(kāi)始被氧化，一般情況下摩擦因數(shù)為0.03～0.06。化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，與一般金屬表面不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，低溫范圍(空氣中：-280 ℃，真空中：-198 ℃)。

MoS不同于石墨，它的摩擦因數(shù)低(0.03～0.06)，不是吸附膜或氣體所致，潤(rùn)滑性是它本身所固有的。

2.2.2 CaF的特性及作用

CaF為白色超細(xì)粉末，相對(duì)密度為3.18 g/cm，熔點(diǎn)為1 360 ℃，具有片層狀結(jié)構(gòu)。主要功能有：①可作固體潤(rùn)滑劑:改善壓制性，減小脫模力，毛坯表面光滑延長(zhǎng)模具使用壽命;②可作易切削劑:改善制品的切削性能，延長(zhǎng)切削刀具使用壽命，提高制品表面光潔度；增加生產(chǎn)速率，節(jié)省加工費(fèi)用。

2.2.3 MnS的特性及作用

MnS為六方晶體，軸方向強(qiáng)度低，具有片層狀結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高達(dá)1 610 ℃，相對(duì)于氟化鈣具有更高的熱穩(wěn)定性，相對(duì)密度為3.99 g/cm，是提高粉末冶金材料切削性能的專(zhuān)用添加劑。

2.2.4 Mo的作用

Mo是一種灰色的過(guò)渡金屬。金屬呈銀灰色，為體心立方晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)為2 617 ℃，沸點(diǎn)為4 612 ℃，密度為10.22 g/cm。鉬和鎢性質(zhì)十分相似，具有高溫強(qiáng)度好、硬度高、密度大、抗腐蝕能力強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)小、良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱等特性。

2.2.5 Cr的作用

Cr為銀白色金屬，質(zhì)極硬，耐腐蝕。密度為7.20 g/cm，熔點(diǎn)為(1 857±20)℃，沸點(diǎn)為2 672 ℃。在高溫下被水蒸氣所氧化，在1 000 ℃下被一氧化碳所氧化，Cr具有很高的耐腐蝕性。

2.2.6 Cu的作用

Cu是燒結(jié)鋼中常用的合金元素，Cu在1 083 ℃時(shí)熔化，產(chǎn)生液相，促進(jìn)燒結(jié)過(guò)程，并且Cu對(duì)Fe起固溶強(qiáng)化作用，用以提高材料強(qiáng)度，因?yàn)镃u能夠過(guò)早地產(chǎn)生液相，所以能夠有利于燒結(jié)初期Cu的均勻分布，從而改善Cu擴(kuò)散的起始條件。

3 材料工藝試驗(yàn)

粉末基礎(chǔ)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 粉末基礎(chǔ)性能測(cè)試結(jié)果

由表2可以看出：含F(xiàn)e-Mo合金及Cr合金的粉末壓制性略差，這是由于元素Mo、Cr固溶在Fe粉末顆粒里，有固溶強(qiáng)化作用，粉末顆粒較硬，不利于壓制；采用專(zhuān)用混料黏結(jié)劑，使得細(xì)顆粒(石墨、二硫化鉬、硫化錳、氟化鈣等)均勻黏結(jié)在Fe顆粒表面，在防止偏析方面起到良好效果(一般要求碳偏析不大于5%)。

4 材料性能試驗(yàn)

4.1 材料強(qiáng)度性能試驗(yàn)

表3為導(dǎo)管材料基礎(chǔ)性能試驗(yàn)結(jié)果。

表3 導(dǎo)管材料基礎(chǔ)性能試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出：

(1)HT37(鑄鐵)硬度遠(yuǎn)高于粉末冶金材料，但其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、壓潰強(qiáng)度(值)遠(yuǎn)低于粉末冶金材料，其延伸率略低于粉末冶金材料。

(2)粉末冶金含Cr材料4#及6#配方的硬度、抗拉強(qiáng)度及值略高一些，其中硬度高于其他配方40HRB，其他性能未見(jiàn)明顯優(yōu)勢(shì)。

(3)粉末冶金低Cu材料1#及2#配方的硬度及值略低，其他性能未見(jiàn)明顯差異。

(4)粉末冶金高Cu材料3#及5#配方的硬度略低，強(qiáng)度及值略高，其他性能未見(jiàn)明顯差異。

(5)粉末冶金含F(xiàn)e-Mo成分的配方硬度低于Cr材料，高于其他材料。

4.2 金相試驗(yàn)

1#～6#的試樣未侵蝕形貌和試樣基體組織如圖2—7所示。

如圖2a所示，1#試樣未侵蝕形貌為：孔隙+灰色合金相+銅相；如圖2b所示，1#試樣侵蝕后的基體組織形貌為：細(xì)針狀馬氏體+片狀珠光體+灰色合金相+銅相?；w顯微硬度(0.1HV)為:537、443、491(馬氏體)；241、299、255(珠光體)。

圖2 1#試樣的未侵蝕形貌和基體組織形貌

如圖3a所示，2#試樣未侵蝕形貌為：孔隙+灰色合金相+銅相；如圖3b所示，2#試樣侵蝕后的基體組織形貌為：片狀珠光體+細(xì)針狀馬氏體+灰色塊狀合金相+銅相?；w顯微硬度(0.1HV)為：447、400、497(馬氏體)；269、255、293(珠光體)。

圖3 2#試樣的未侵蝕形貌和基體組織形貌

如圖4a所示，3#試樣未侵蝕形貌為：孔隙+灰色合金相+銅相；如圖4b所示，3#試樣侵蝕后的基體組織形貌為：屈氏體+細(xì)片狀珠光體+細(xì)針狀馬氏體+灰色塊狀合金相+銅相?；w顯微硬度(0.1HV)為：451(屈氏體)；572、504、503(馬氏體)；382、399、375(珠光體)。

圖4 3#試樣的未侵蝕形貌和基體組織形貌

如圖5a所示，4#試樣未侵蝕形貌為：孔隙+灰色合金相；如圖5b所示，4#試樣侵蝕后的基體組織形貌為：細(xì)針狀馬氏體+屈氏體+片狀珠光體+淡灰色圓塊狀合金相?；w顯微硬度(0.1HV)為：672、564、474(馬氏體)；457、435、382(屈氏體)；275、311、322(珠光體)。

圖5 4#試樣的未侵蝕形貌和基體組織形貌

如圖6a所示，5#試樣未侵蝕形貌為：孔隙+灰色合金相+銅相；如圖6b所示，5#試樣侵蝕后的基體組織形貌為：屈氏體+片狀珠光體+細(xì)針狀馬氏體+灰色塊狀合金相+銅相?；w顯微硬度(0.1HV)為：486、531、507(馬氏體)；422、436、433(屈氏體)。

圖6 5#試樣的未侵蝕形貌和基體組織形貌

如圖7a所示，6#試樣未侵蝕形貌為：孔隙+未溶石墨+灰色合金相；如圖7b所示，6#試樣侵蝕后的基體組織形貌為：細(xì)片狀珠光體+貝氏體+馬氏體+細(xì)條狀滲碳體+灰色塊狀合金相。基體顯微硬度(0.1HV)為：572、666、594(馬氏體)；393、396、375(屈氏體)；272、284、290(珠光體)。

圖7 6#試樣的未侵蝕形貌和基體組織形貌

4.3 摩擦磨損試驗(yàn)

4.3.1 銷(xiāo)-盤(pán)加熱對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)參數(shù)：載荷為1 MPa，速度為3.05 m/s，回轉(zhuǎn)直徑為90 mm；試驗(yàn)時(shí)間為180 min(行程約32 940 m)；潤(rùn)滑狀態(tài)為干摩擦;試驗(yàn)平均溫度為250 ℃。

對(duì)偶盤(pán)試樣：40Cr熱處理-表面鍍Cr-HRc36-40。

6種配方加熱250 ℃時(shí)，測(cè)量摩擦因數(shù)、磨損量以及對(duì)偶損傷情況，結(jié)果見(jiàn)表4。磨損量以體積分?jǐn)?shù)表示。

表4 6種配方加熱250 ℃銷(xiāo)-盤(pán)對(duì)比摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

4.3.2 6種配方與鑄件及KD件對(duì)比試驗(yàn)

表5為6種配方與鑄件及KD件摩擦磨損對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。

表5 6種配方與鑄件及KD件摩擦磨損對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合表4和表5粉末冶金自主開(kāi)發(fā)材料與鑄件及KD件摩擦磨損對(duì)比試驗(yàn)情況可以看出：

(1)無(wú)論是從潤(rùn)滑性能還是耐磨性能來(lái)比較，粉末冶金材料優(yōu)越于HT37(鑄造材料)；

(2)單從粉末冶金材料配方來(lái)看，其耐磨性由大到小順序?yàn)?#、3#、6#、2#、KD、4#、1#，其潤(rùn)滑性由大到小順序?yàn)?#、5#、6#、2#、3#、4#、KD；

(3)綜合來(lái)看，在250 ℃左右，5#配方的摩擦性能要遠(yuǎn)優(yōu)越于其他配方。

4.3.3 高溫耐磨性試驗(yàn)

硬度隨溫度升高降低，屬于材料的“軟化”現(xiàn)象，在相變溫度以下，抗“軟化”性能跟材料內(nèi)部組織自身的特性關(guān)系重大，燒結(jié)材料的組織有珠光體、銅相、少量硬質(zhì)相、潤(rùn)滑相等，還有孔隙(孔隙也是一種組織)，為此通過(guò)高溫摩擦磨損對(duì)比試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)材料的優(yōu)劣。導(dǎo)管材料高溫耐磨性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 導(dǎo)管材料高溫耐磨性試驗(yàn)結(jié)果

從表6粉末冶金自主開(kāi)發(fā)材料與鑄件及KD件導(dǎo)管材料高溫耐磨性試驗(yàn)可以得出：

(1)粉末冶金材料耐磨性能要遠(yuǎn)高于HT高溫耐磨性實(shí)驗(yàn)37鑄造材料。

(2)2#、5#、6# 3種配方在350 ℃以下，耐磨性要優(yōu)于其他配方，比鑄鐵有顯著優(yōu)勢(shì)，比競(jìng)品也有一定優(yōu)勢(shì)，其中5#、6#配方在450 ℃以下耐磨性更為明顯。

(3)2#配方基粉的1/2為Fe-Mo預(yù)合金粉末，其燒結(jié)后顆粒中心組織為B，基體組織存在大量P及B，使得該材料耐磨性大大增強(qiáng)，在低于350 ℃時(shí)，耐磨性?xún)?yōu)勢(shì)明顯；但隨溫度升高，材料抗“軟化”性能下降，高于350 ℃時(shí)，由于相變?cè)斐赡湍バ钥焖俳档偷默F(xiàn)象。

(4)5#配方含有大量的Cu及一定含量的Sn，其燒結(jié)后組織為屈氏體+片狀珠光體+細(xì)針狀馬氏體+灰色塊狀合金相+銅相的多相復(fù)雜組織，既有耐磨相，又有減摩相，還添加有特定固體潤(rùn)滑劑，使得該材料兼?zhèn)鋬?yōu)異的耐磨性及潤(rùn)滑性。同時(shí)隨溫度升高，材料抗“軟化”性能并未下降，該材料在350～450 ℃時(shí)，甚至出現(xiàn)由于相變?cè)斐赡湍バ栽鰪?qiáng)的現(xiàn)象，呈現(xiàn)出磨損量隨溫度升高而下降的趨勢(shì)。

(5)6#配方含有一定量的Cr，其燒結(jié)后組織為細(xì)片狀珠光體+貝氏體+馬氏體+細(xì)條狀滲碳體+灰色塊狀合金相的多相復(fù)雜組織，多數(shù)為耐磨相，通過(guò)添加有特定固體潤(rùn)滑劑，提高該材料的潤(rùn)滑性。使其具備優(yōu)異的耐磨性及潤(rùn)滑性。Cr的加入，使得該材料耐磨性、抗氧化性和耐腐蝕性能大大提高。

(6)2#、5#、6# 3種配方在不同的溫度范圍區(qū)間均有著優(yōu)良的耐磨,其中5#配方最優(yōu)。

4.4 切削性試驗(yàn)

研究各種配方的被切削性能，降低刀具消耗，對(duì)氣門(mén)導(dǎo)管材料與鑄造材料切削性進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 氣門(mén)導(dǎo)管材料與鑄造材料切削性對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

從表7粉末冶金自主開(kāi)發(fā)材料與鑄件各加工400件刀具磨損量可以得出：

(1)鑄造導(dǎo)管(HT37)材料的被切削性能最好，其次為粉末冶金材料1#、5#及2#配方，其余材料被切削性能較差；

(2)粉末冶金材料本身的特點(diǎn)，其被切削性較差，但加入MnS及CaF后，其被切削性有很大提高；

(3)由于合金化影響，含Cr材料被切削性能最差，含F(xiàn)e-Mo材料被切削性能也很差，普通P基材料及高Cu材料由于相對(duì)較軟，其被切削性能相對(duì)較好，甚至和鑄造導(dǎo)管材料相當(dāng);

(4)從以上材料被切削性能來(lái)看，1#、5#、2#是相對(duì)容易被切削的材料。

為進(jìn)一步降低開(kāi)發(fā)成本，縮短周期，綜合材料的基礎(chǔ)性能、強(qiáng)度、金相、高溫耐磨性及被切削性能等試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)以上材料進(jìn)行篩選?，F(xiàn)選擇以下材料配方進(jìn)行下階段試驗(yàn)：

(1)2#配方：相對(duì)較高的機(jī)械性能、高溫耐磨性能及被切削性能；

(2)5#配方：較高的機(jī)械性能、高溫耐磨性能及被切削性能；

(3)6#配方：相對(duì)較高的機(jī)械性能、高溫耐磨性能。

5 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況，研究各種配方氣門(mén)導(dǎo)管的耐磨性，在發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)業(yè)臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。

臺(tái)架試驗(yàn)完成后，檢測(cè)氣門(mén)導(dǎo)管內(nèi)孔尺寸磨損量，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 氣門(mén)導(dǎo)管臺(tái)架試驗(yàn)內(nèi)孔磨損量 單位:mm

由表8可以看出，粉末冶金件內(nèi)孔磨損量小于0.03 mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，且遠(yuǎn)小于原裝機(jī)件磨損量。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)大功率發(fā)動(dòng)機(jī)的工況深入分析、粉末冶金材料體系設(shè)計(jì)、性能試驗(yàn)結(jié)果及發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，得出2#、5#配方滿(mǎn)足大功率潔凈能源發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)，其中5#配方綜合性能最優(yōu)。基于未來(lái)大功率發(fā)動(dòng)機(jī)燃料多元化趨勢(shì)，下一步工作重點(diǎn)是改善粉末冶金材料多工況適應(yīng)性。