阅读说明：本技术 一种cng发动机用不锈钢基气门座圈材料及其制备方法 (Stainless steel-based valve seat ring material for CNG engine and preparation method thereof ) 是由 张乾坤 陈泽民 肖逸锋 吴靓 钱锦文 李苏望 唐俊 陈豫章 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种天然气发动机用不锈钢基气门座圈材料及其制备方法。其特征在于所述材料的重量百分含量组成为：Ta 2～12wt.％,W 2～6wt.％,Cr 23～30wt.％,Mo 2～5wt.％,Cu 5～15wt.％,Ni 2～15wt.％,B 0.07～0.15wt.％,余量为Fe。本发明材料的耐磨性,耐高温性,抗高温氧化腐蚀性以及热传导性的优化,可显著提高气门座圈的使用性能,使其适应天然气发动机中更高工作温度以及更低润滑的工作环境。(The invention relates to a stainless steel-based valve seat ring material for a natural gas engine and a preparation method thereof. The material is characterized by comprising the following components in percentage by weight: ta 2-12 wt.%, W2-6 wt.%, Cr 23-30 wt.%, Mo 2-5 wt.%, Cu 5-15 wt.%, Ni 2-15 wt.%, B0.07-0.15 wt.%, and the balance of Fe. The material has optimized wear resistance, high temperature oxidation corrosion resistance and heat conductivity, and can obviously improve the service performance of the valve seat ring, so that the valve seat ring is suitable for the working environment with higher working temperature and lower lubrication in a natural gas engine.)

一种CNG发动机用不锈钢基气门座圈材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种粉末冶金不锈钢及其制备方法。该材料在大功率发动机和天然气发动机用气门座圈应用领域具有很大的性能优势及潜力。可改善座圈的摩擦磨损行为，增加其服役寿命。

背景技术

工程发动机正朝着大功率、低能耗、低排放和长寿命的方向发展。作为汽车工业的核心，汽车发动机性能的提升可以显著改善汽车的能量转化效率和污染排放量等。而在环保要求日益提高和石油资源日益枯竭的环境下，发展天然气发动机具有更大的市场潜力和价值。

相较于传统柴/汽油发动机，天然气发动机具有排放少、成本低和燃烧稳定等优点；但是也会由于燃烧温度高、缺少润滑而导致发动机表现出寿命短、频繁停机和大修的缺点。其中，进/排气门及气门座圈是发动机最重要的摩擦副之一，其磨损与失效是影响发动机密封性、燃烧温度、压缩比和运行寿命的关键。研究表明，天然气发动机气门和气门座圈工作时处于高冲击应力(最高爆压20MPa以上)、高温度(平均500～600℃，瞬时700～800℃)、高磨损、高氧化和腐蚀的严苛环境下，因而较传统汽油和柴油发动机更易磨损、崩裂和下沉变形。而随着对发动机性能要求的进一步提升，其工作环境会进一步恶化。因而，亟需结合其磨损失效形式，优化和开发高性能天然气发动机用气门座圈。

专利CN102996196A公开了一种粉末冶金铁基发动机气门座圈，其组分为C 0.6～1.2wt.％，Ni 1～3wt.％，Cr 3～6wt.％，Mo 4～7wt.％，Co 8～11wt.％，W 0.5～2.5wt.％，Mn 1～3wt.％，Ca 0.2～1wt.％，余量为Fe，该气门座圈的硬度为284～332Hv，磨损损耗为31～95μm，具有优良的耐磨性，但并未考虑其GNC发动机工作环境对气门座圈所产生的化学腐蚀的影响。专利CN103589967A公开的一种含稀土粉末冶金天然气发动机气门座圈采取了一种高钴、钼、钨和铬(总量最高达91％)的合金体系，其中的高铬成分可有效加强气门座圈在工作环境中的抗腐蚀性，但钴、镍目前作为世界的重要战略物资，合金体系中的高钴含量会增加气门座圈的制造成本。

发明内容

综上所述，从同时优化材料的致密度、纯度和合金含量的角度出发，本发明的目的在于通过新的合金体系和制备工艺，同时优化座圈材料的致密度、纯度、合金元素含量和抗回火稳定性，进而改善其在天然气发动机中服役性能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种天然气发动机用不锈钢基气门座圈材料，其中，所述材料的组成为(重量百分比)：1.Ta 2～16wt.％，W 1～6wt.％，Cu 5～15wt.％，Cr 18～25wt.％，Mo 2～5wt.％，Ni2～15wt.％，B 0.07～0.15wt.％，余量为Fe。

上述不锈钢基气门座圈材料的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：按上述的成分配比称取原材料粉末，进行机械球磨，采用150MPa压力压制成型，获得压坯；

步骤2：将步骤1所得的压坯在真空炉中进行烧结，最高温度为1000～1175℃，保温120～180min；

步骤3：将步骤2烧结后所得到坯料以真空气淬的方式进行高温淬火，淬火温度为1050～1200℃；油冷至室温后在液氮深冷箱中进行一次-80～120℃深冷处理，时间为120min；回到室温之后在N₂保护气氛中进行一次700～800℃回火，时间为180min。

上述制备的不锈钢基气门座圈材料，其特征在于，原材料以高纯羟基铁粉、镍粉、钨粉、钽粉、铜粉、钼粉、铬粉及硼铁等金属粉末加入，粒度范围为10～80μm，粉末的氧含量低于0.1％，并以硬脂酸作为粘结剂。

上述制备的不锈钢基气门座圈材料，其特征在于，步骤1可实现W、Ta、Cr、Cu元素的大量添加以及对S和P等杂质的排除，且可代替传统制备工艺中的渗铜来实现近净成型烧结全致密化。

上述制备的不锈钢基气门座圈材料，其特征在于，步骤3中以真空气淬的方式进行高温淬火，淬火温度为1050～1200℃，油冷至室温。

上述制备的不锈钢基气门座圈材料，其特征在于，步骤3中高温淬火之后在液氮深冷箱中进行一次-80～120℃深冷处理，时间为120min，随箱内温度恢复至室温。

上述制备的不锈钢基气门座圈材料，其特征在于，步骤3中深冷处理之后在纯度≧99.9％的氩气或氮气保护气氛中进行一次700～800℃回火，时间为180min，空冷至室温。

本发明的原理及有益效果在于：

1.本发明采用粉末混合法，可根据所需要求加入相应的合金种类以及比例。铜元素的定量添加以及在合金中的弥散分布，使其在提高材料导热性的同时，降低对材料耐磨性的影响。

2.钽具有熔点高，热膨胀系数小，抗腐蚀性强等优点，可保证气门座圈适应天然气发动机中更高工作温度以及更低润滑的工作环境。钽、钨两种原子结构相近，可以形成替代式连续固溶体，但钽与钨两种元素的剪切模量相差较大，从而改变位错的能量，增强该合金材料的屈服强度及硬度。

3.硼铁的添加可显著提高材料的淬透性，确保热处理之后材料的高温强度及硬度，可防止气门或座圈出现优先磨损。

4.本发明采用粉末冶金不锈钢直接制备工艺，可防止气门座圈在服役过程中发生过回火，进而确保材料的硬度和耐磨性。

5.本发明相较于传统气门座圈的复合材料，热处理之后材料的组织均匀细小，疲劳强度高，压缩强度、抗拉强度、耐磨性好，可防止气门座在服役过程中出现较大的下沉量。

具体实施方式

：

以下由特定的具体实施例说明本发明的制备方式及工艺性能，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容全面地了解本发明的优点及作用。

实施例1：

1)将粒度为10～80μm，且含氧量均小于0.1％的10wt.％Ta粉，1wt.％W粉，10wt.％Cu粉，23wt.％Cr粉，4wt.％Mo粉，9wt.％Ni粉，0.4wt.％硼铁粉，余量的羟基铁粉以及占总质量比5％的石蜡加入Fe-Cr不锈钢球磨罐中，将罐体放到行星式球磨机中进行混合湿磨，无水乙醇为球磨介质，硬质合金球为磨球，球料比为5:1，球磨机转速设置为250r/min，球磨时间为72h，制备得到粉末混合物料浆；

2)将步骤1所得粉末混合物料浆在真空干燥箱中以负压干燥的方式快速干燥，干燥温度为78.3℃，干燥时间随粉末总质量而定(例400g粉末需8h)，之后在低氧分压干燥箱中进行一定时间和温度的预氧化，过40目筛擦筛造粒，得到混合粉末；

3)将步骤2所得的混合粉末在油压压力机上压制，压强为150Mpa，慢速升压，保压时间为20s，得到压制坯体。

4)将步骤3所得到的坯体放在脱脂—烧结一体真空石墨烧结炉中进行脱脂—烧结，最终烧结温度为1150℃，保温时间为120min。

5)将步骤4所得的烧结态坯体以真空气淬的方式进行淬火，淬火温度为1050℃；之后在液氮深冷箱中进行一次-120℃深冷处理，时间为120min；回到室温之后在N₂保护气氛中进行一次700℃回火，时间为180min，得到所需的粉末冶金不锈钢。

将按照上述方法制得的粉末冶金不锈钢进行性能测试。

实施例2：

1)将粒度为10～80μm，且含氧量均小于0.1％的15wt.％Ta粉，3wt.％W粉，15wt.％Cu粉，25wt.％Cr粉，4wt.％Mo粉，15wt.％Ni粉，0.6wt.％硼铁粉，余量的羟基铁粉以及占总质量比5％的石蜡加入Fe-Cr不锈钢球磨罐中，将罐体放到行星式球磨机中进行混合湿磨，无水乙醇为球磨介质，硬质合金球为磨球，球料比为5:1，球磨机转速设置为200r/min，球磨时间为96h，制备得到粉末混合物料浆；

2)将步骤1所得粉末混合物料浆在真空干燥箱中以负压干燥的方式快速干燥，干燥温度为80℃，干燥时间随粉末总质量而定(例400g粉末需8h)，之后在低氧分压干燥箱中进行一定时间和温度的预氧化，过40目筛擦筛造粒，得到混合粉末；

3)将步骤2所得的混合粉末在油压压力机上压制，压强为200Mpa，慢速升压，保压时间为10s，得到压制坯体。

4)将步骤3所得到的坯体放在脱脂—烧结一体真空石墨烧结炉中进行脱脂—烧结，最终烧结温度为1075℃，保温时间为180min。

5)将步骤4所得的烧结态坯体以真空气淬的方式进行淬火，淬火温度为1050℃；之后在液氮深冷箱中进行一次-80℃深冷处理，时间为120min；回到室温之后在N₂保护气氛中进行一次600℃回火，时间为180min，得到所需的粉末冶金不锈钢。

将按照上述方法制得的粉末冶金不锈钢进行性能测试。

实施例3：

1)将粒度为10～80μm，且含氧量均小于0.1％的12wt.％Ta粉，1wt.％W粉，10wt.％Cu粉，18wt.％Cr粉，4wt.％Mo粉，9wt.％Ni粉，0.28wt.％硼铁粉，余量的羟基铁粉以及占总质量比5％的石蜡加入Fe-Cr不锈钢球磨罐中，将罐体放到行星式球磨机中进行混合湿磨，无水乙醇为球磨介质，硬质合金球为磨球，球料比为4:1，球磨机转速设置为250r/min，球磨时间为96h，制备得到粉末混合物料浆；

2)将步骤1所得粉末混合物料浆在真空干燥箱中以负压干燥的方式快速干燥，干燥温度为80℃，干燥时间随粉末总质量而定(例400g粉末需8h)，之后在低氧分压干燥箱中进行一定时间和温度的预氧化，过40目筛擦筛造粒，得到混合粉末；

3)将步骤2所得的混合粉末在油压压力机上压制，压强为300Mpa，慢速升压，保压时间为10s，得到压制坯体。

4)将步骤3所得到的坯体放在脱脂—烧结一体真空石墨烧结炉中进行脱脂—烧结，最终烧结温度为1175℃，保温时间为120min。

5)将步骤4所得的烧结态坯体以真空气淬的方式进行淬火，淬火温度为1050℃；之后在液氮深冷箱中进行一次-100℃深冷处理，时间为120min；回到室温之后在N₂保护气氛中进行一次800℃回火，时间为180min，得到所需的粉末冶金不锈钢。

将按照上述方法制得的粉末冶金不锈钢进行性能测试。