一种高吸能嫦娥钢、气门座圈及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高吸能嫦娥钢、气门座圈及其制备方法 (High-energy-absorption Chang' e steel, valve seat ring and preparation method thereof ) 是由 张江良 戴泽玉 虞学青 戴泽厚 王厚发 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种高吸能嫦娥钢、气门座圈及其制备方法,属于合金技术领域。本发明通过对高吸能嫦娥钢中元素种类和含量的精确控制,使高吸能嫦娥钢力学性能优异,具有高吸能性、低磁性、耐蚀性和热传导的优点,高吸能嫦娥钢中铜的质量百分含量为30～40％,增强了高吸能嫦娥钢的热传导性能,又减少了高吸能嫦娥钢的渗铜的缺陷,且铜份均匀,能够直接压制烧结制备气门座圈,解决了传统粉末冶金渗铜缺陷而导致的产品不耐磨、偏磨的问题,更简化了加工工艺过程,从而也降低了成本。(The invention provides high-energy-absorption Chang' e steel, an air valve seat ring and a preparation method thereof, and belongs to the technical field of alloys. The high-energy-absorption Chang ' e steel has the advantages of excellent mechanical property, high energy absorption, low magnetism, corrosion resistance and heat conduction by accurately controlling the types and the contents of elements in the high-energy-absorption Chang ' e steel, the mass percentage content of copper in the high-energy-absorption Chang ' e steel is 30-40%, the heat conduction property of the high-energy-absorption Chang ' e steel is enhanced, the defect of copper infiltration of the high-energy-absorption Chang ' e steel is reduced, the copper is uniform, an air valve seat ring can be prepared by directly pressing and sintering, the problems of non-wear resistance and partial wear of a product caused by the defect of the conventional powder metallurgy copper infiltration are solved, the processing process is simplified, and the cost is reduced.)
技术领域
本发明涉及合金技术领域，尤其涉及一种高吸能嫦娥钢、气门座圈及其制备方法。
背景技术
目前市场中高端的气门座圈的生产加工基本采用渗铜技术来增加产品致密性，确保产品的热传导，减少产品的干摩擦，使产品的耐磨性能提高。但在实践中的应用却也发生了不少异常现象，导致发动机气缸盖失效事件。传统的粉末冶金气门座圈先将坯料压制完成，再压制铜片叠码在气门座圈上通过烧结将铜渗入其中，偶然的渗铜不均匀就会导致产品的一个点或多点未能足够熔铜。而仅仅就一个点的渗铜不良，就会造成产品干摩擦，未渗入足够铜的地方磨损比其他地方大，导致产品磨损严重且有偏磨现象。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高吸能嫦娥钢、气门座圈及其制备方法。本发明提供的高吸能嫦娥钢不需要渗铜，能够直接压制烧结制备气门座圈，解决了传统粉末冶金渗铜缺陷而导致的产品不耐磨、偏磨的问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种高吸能嫦娥钢，包括以下质量百分含量的元素：
碳：1～2％，铜：30～40％，铬：3～10％，钼：7～13％，钴：5～17％，镍：1～5％，钒：6～22％，钨：3～6％和硫化锰：1～2％。
优选地，所述的高吸能嫦娥钢包括以下质量百分含量的元素：
碳：2％，铜：40％，铬：10％，钼：13％，钴：17％，钒：10％，钨：3％，和硫化锰：1.5％。
本发明还提供了一种气门座圈，由包括以下质量百分含量的原料制得：
碳：1.5％；铜：26％；镍：2.5％；钒：8％；钨：4％；硫化锰：1.3％；权利要求1或2所述的高吸能嫦娥钢：40～50％，铁基合金粉末：6.7～16.7％。
优选地，所述的气门座圈由包括以下质量百分含量的原料制得：
碳：1.5％；铜：26％；镍：2.5％；钒：8％；钨：4％；硫化锰：1.3％；权利要求1或2所述的高吸能嫦娥钢：50％，铁基合金粉末：6.7％。
本发明还提供了上述技术方案所述的气门座圈的制备方法，包括以下步骤：
将原料混合，得到预混合料；
将所述预混合料进行温压成型，得到坯体；
将所述坯体进行推杆式烧结，得到烧结料；
将所述烧结料进行真空浸油，得到所述气门座圈。
优选地，所述温压成型的温度为120～150℃，压力为400～600kN。
优选地，所述坯体的密度为7.0～7.5g/cm3。
优选地，所述烧结包括依次进行的预烧结Ⅰ段、预烧结Ⅱ段、预烧结Ⅲ段、本烧结Ⅰ段、本烧结Ⅱ段和本烧结Ⅲ段，所述预烧结Ⅰ段的温度为600±2℃；所述预烧结Ⅱ段的温度为680±2℃；所述预烧结Ⅲ段的温度为760±2℃；所述本烧结Ⅰ段的温度为980±2℃；所述本烧结Ⅱ段的温度为1120±2℃；所述本烧结Ⅲ段的温度为1120±2℃，所述预烧结Ⅰ段、预烧结Ⅱ段、预烧结Ⅲ段、本烧结Ⅰ段、本烧结Ⅱ段和本烧结Ⅲ段的时间均为18min。
优选地，所述烧结后还包括依次进行的第一冷却和第二冷却，所述第一冷却的温度为50～60℃，所述第二冷却的温度为30～40℃。
优选地，所述真空浸油后的含油率为11％～13％。
本发明提供了一种高吸能嫦娥钢：包括以下质量百分含量的元素：碳：1～2％，铜：30～40％，铬：3～10％，钼：7～13％，钴：5～17％，镍：1～5％，钒：6～22％，钨：3～6％，和硫化锰：1～2％。本发明通过对高吸能嫦娥钢中元素种类和含量的精确控制，使高吸能嫦娥钢(1)力学性能优异：a)断后伸长率：70～110％(一般粉末冶金材料小于50％)，b)屈服强度：250～800MPa，c)抗拉强度：550～1350MPa(抗拉强度为550MPa时，断后伸长率70％，抗拉强度为1350MPa时，断后伸长率10％)，d)抗疲劳性能：低周疲劳寿命为粉末冶金的80倍，e)霍尔流速＞s/80g，而传统粉末冶金材料霍尔流速≥s/50g；(2)高吸能性强塑积(抗拉强度与断后伸长率的乘积)：50000～87000MPa％(一般金属材料为35000MPa％)；单位质量吸能：30J/g；(3)低磁性磁导率：1.262×10-6H/m(无磁钢最大为1.319×10-6H/m)；(4)耐蚀性耐蚀性接近1Cr18Ni9Ti不锈钢，在5％NaCl水溶液里浸泡3个月后表面无明显锈蚀；(5)热传导高吸能嫦娥钢中铜的质量百分含量为30～40％，增强了高吸能嫦娥钢的热传导性能，又减少了高吸能嫦娥钢的渗铜的缺陷，且铜份均匀，能够直接压制烧结制备气门座圈，解决了传统粉末冶金渗铜缺陷而导致的产品不耐磨、偏磨的问题，更简化了加工工艺过程，从而也降低了成本。
本发明还提供了一种气门座圈，由包括以下质量百分含量的原料制得：碳：1.5％；铜：26％；镍：2.5％；钒：8％；钨：4％；硫化锰：1.3％；上述技术方案所述的高吸能嫦娥钢：40～50％，铁基合金粉末：6.7～16.7％。本发明中利用高吸能嫦娥钢制备气门座圈，高吸能嫦娥钢中铜的质量百分含量为30～40％，且铜份均匀，能够直接压制烧结制备气门座圈，解决了传统粉末冶金渗铜缺陷而导致的产品不耐磨、偏磨的问题，在不使用渗铜技术下，既能保证气门座圈的性能，又能确保气门座圈热传导，增加了气门座圈自润滑功能。且本发明制得的气门座圈具有高温强度、抗高温硫腐蚀、抗氧化能力、固溶强化性能优异的优点，能够确保发动机缸盖气门座圈防腐蚀、耐磨损、抗疲劳的高性能，保证发动机的使用寿命得以延长。
本发明还提供了上述技术方案所述气门座圈的制备方法，包括以下步骤：将原料混合，得到预混合料；将所述预混合料进行温压成型，得到坯体；将所述坯体进行推杆式烧结，得到烧结料；将所述烧结料进行真空浸油，得到所述气门座圈。本发明中，温压成型能够有效压实预混合料的孔隙，推杆式烧结能够保证烧结时间和速度，在推杆式烧结的过程中，高吸能嫦娥钢解决了气门座圈的常规生产过程中的渗铜问题，因高吸能嫦娥钢中已含充分的铜份，铜份在混合中已和其它合金元素同时熔合，温压成型后直接进行推杆式烧结，而现有技术中渗铜的产品在烧结过程中，由于铜片叠码在坯体上部，经过烧结后，坯体免不了膨胀大，变形量也较大，而高吸能嫦娥钢不需要再次渗铜，从而减少在烧结过程中因膨胀变形而影响气门座圈的性能。
附图说明
图1为实施例1制得的气门座圈偏磨点的金相图；
图2为实施例1制得的气门座圈正常点的金相图；
图3为对比例1制得的气门座圈偏磨点的金相图；
图4为对比例1制得的气门座圈正常点的金相图；
图5为对比例1制得的气门座圈500小时台架后偏磨的实物图；
图6为实施例1和对比例1制得的气门座圈进行500h台架试验的磨损量图。
具体实施方式
本发明提供了一种高吸能嫦娥钢，包括以下质量百分含量的元素：
碳：1～2％，铜：30～40％，铬：3～10％，钼：7～13％，钴：5～17％，镍：1～5％，钒：6～22％，钨：3～6％，和硫化锰：1～2％。
在本发明中，所述高吸能嫦娥钢优选包括以下质量百分含量的元素：
碳：2％，铜：40％，铬：10％，钼：13％，钴：17％，镍：1％，钒：10％，钨：3％，和硫化锰：1.5％。
本发明对所述高吸能嫦娥钢的制备方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的合金的制备方法制得即可。
本发明还提供了一种气门座圈，由包括以下质量百分含量的原料制得：
碳：1.5％；铜：26％；镍：2.5％；钒：8％；钨：4％；锰：1.3％；上述技术方案所述的高吸能嫦娥钢：40～50％，铁基合金粉末：6.7～16.7％。
本发明对所述铁基合金粉末的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的来源即可。
在本发明中，所述的气门座圈优选由包括以下质量百分含量的原料制得：
碳：1.5％；铜：26％；镍：2.5％；钒：8％；钨：4％；锰：1.3％；上述技术方案所述的高吸能嫦娥钢：50％，铁基合金粉末：6.7％。
在本发明的具体实施例中，所述气门座圈优选包括以下质量百分含量的元素：
碳：1.16％，铜：33.38％，铬：3.85％，钼：3.45％，钴：5.34％，镍：1.32％，钒：5.22％，钨：4.97％，硫化锰：1.2％和余量的Fe。
本发明还提供了上述技术方案所述的气门座圈的制备方法，包括以下步骤：
将原料混合，得到预混合料；
将所述预混合料进行温压成型，得到坯体；
将所述坯体进行推杆式烧结，得到烧结料；
将所述烧结料进行真空浸油，得到所述气门座圈。
本发明将原料混合，得到预混合料。在本发明在，所述混合优选为“组元混合技术”。在本发明中，所述混合的时间优选为90min。本发明对所述原料的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的来源即可。
得到预混合料后，本发明将所述预混合料进行温压成型，得到坯体。
在本发明中，所述温压成型的温度优选为120～150℃，压力优选为400～600kN。在本发明中，所述温压成型的作用是有效压实孔隙。
在本发明中，所述坯体的密度优选为7.0～7.5g/cm3，更优选为7.2～7.4g/cm3。
得到坯体后，本发明将所述坯体进行推杆式烧结，得到烧结料。
在本发明中，所述烧结优选包括依次进行的预烧结Ⅰ段、预烧结Ⅱ段、预烧结Ⅲ段、本烧结Ⅰ段、本烧结Ⅱ段和本烧结Ⅲ段，所述预烧结Ⅰ段的温度优选为600±2℃；所述预烧结Ⅱ段的温度优选为680±2℃；所述预烧结Ⅲ段的温度优选为760±2℃；所述本烧结Ⅰ段的温度优选为980±2℃；所述本烧结Ⅱ段的温度优选为1120±2℃；所述本烧结Ⅲ段的温度优选为1120±2℃，所述预烧结Ⅰ段、预烧结Ⅱ段、预烧结Ⅲ段、本烧结Ⅰ段、本烧结Ⅱ段和本烧结Ⅲ段的时间均优选为18min。
在本发明中，所述烧结的速度优选为18min/舟。
在本发明中，所述烧结优选在氨气和氮气的混合气氛中进行，所述氨气的流量优选为5～12Nm3/h，所述氮气的流量优选为5～12Nm3/h。
在本发明中，所述烧结优选在推杆式烧结炉中进行。在本发明中，所述烧结的过程中，部分原料会发生损失。
在本发明中，所述烧结后优选还包括依次进行的第一冷却和第二冷却，所述第一冷却的温度优选为50～60℃，时间优选为18min，所述第二冷却的温度优选为30～40℃，时间优选为18min。
得到烧结料后，本发明将所述烧结料进行真空浸油，得到所述气门座圈。
在本发明中，所述真空浸油的时间优选为10min，保压时间优选为1min。
在本发明中，所述真空浸油后的含油率优选为11％～13％。在本发明中，所述真空浸油优选使用优质，本发明对所述油脂的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。在本发明中，所述真空浸油能够提高润滑和防腐蚀性能。
所述真空浸油完成后，本发明优选依次还包括端磨精磨、外径粗磨机械加工、外径精磨、清洗浸油、品检和包装入库的步骤。
在本发明中，所述端磨精磨优选根据产品工艺要求，将产品磨削至端面粗糙度≤Ra1.6。
在本发明中，所述外径粗磨优选预留0.04～0.06mm给精磨作最后高精度磨削。
在本发明中，所述机械加工优选根据产品图形公差尺寸，对产品进行精密加工，确保产品符合产品加工工艺要求。
在本发明中，所述外径精磨优选根据产品精确度及公差要求，确保产品尺寸及外径粗糙度。
在本发明中，所述清洗浸油的步骤优选为：经过清洗机清洗后，烘干排除磨削过程中产生的水分，使产品保持干燥后再浸湿防锈油品。
在本发明中，所述品检优选为根据产品图纸技术要求，检测产品外观、机械性能、物理性能及化学性能然后再次浸湿防锈油。
在本发明中，所述包装入库优选根据不同包装要求，按包装作业指导书完成产品的包装及入库。
为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的高吸能嫦娥钢、气门座圈及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
高吸能嫦娥钢为以下质量百分含量的元素：
碳：2％，铜：40％，铬：10％，钼：13％，钴：17％，镍：1％，钒：10％，钨：3％和硫化锰：1.5％。
高吸能嫦娥钢的制备方法：按上述元素质量百分含量配料后熔融，再进行均匀化处理后雾化，得到高吸能嫦娥钢。
对制得的高吸能嫦娥钢进行性能测试，结果如下：(1)力学性能优异：a)断后伸长率110％，b)屈服强度：250～800MPa，c)抗拉强度1350MPa(抗拉强度为550MPa时，断后伸长率70％，抗拉强度为1350MPa时，断后伸长率10％)，d)抗疲劳性能：低周疲劳寿命为粉末冶金的80倍，e)霍尔流速＞s/80g；(2)高吸能性强塑积(抗拉强度与断后伸长率的乘积)：87000MPa％；单位质量吸能：30J/g；(3)低磁性磁导率：1.262×10-6H/m；(4)耐蚀性耐蚀性接近1Cr18Ni9Ti不锈钢，在5％NaCl水溶液里浸泡3个月后表面无明显锈蚀。
气门座圈的制备原料为以下质量百分含量的物质：
碳：1.5％；铜：26％；镍：2.5％；钒：8％；钨：4％；硫化锰：1.3％；实施例1制得的高吸能嫦娥钢：50％，铁基合金粉末：6.7％。
气门座圈的制备过程：
(1)组元混粉：采用“组元混合技术”将不同的原料放置一起共同混合，混合时间90min，得到预混合粉末；
(2)温压成型：采用的“温压工艺”将预混合粉末在120℃下压制，压制力为600kN，使其压制密度达到7.5g/cm3；
(3)推杆式烧结：采用推杆式烧结，烧结速度：18min/舟；烧结经过预烧结Ⅰ段(600℃，18min)-预烧结Ⅱ段(680℃，18min)-预烧结Ⅲ段(760℃，18min)-本烧结Ⅰ段(980℃，18min)-本烧结Ⅱ段(1120℃，18min)-本烧结Ⅲ段(1120℃，18min)区域烧结，再经冷却一区(50℃，18min)-冷却二区(30℃，18min)，得到烧结料；
(4)真空浸油：产品经真空浸油10min，保压1min，排除内部孔隙，注入润滑油脂，使其达到11％含油率；
(5)端磨精磨：根据产品工艺要求，将产品高度磨削到要求且保证端面粗糙度≤Ra1.6；
(6)外径粗磨：将产品预留0.04mm给精磨作最后高精度磨削；
(7)机械加工：根据产品图形公差尺寸，对产品进行精密加工，确保产品符合产品加工工艺要求；
(8)外径精磨：根据产品精确度及公差要求，确保产品尺寸及外径粗糙度；
(9)清洗浸油：产品经过清洗机清洗后，高温烘干排除产品在磨削过程中产生的水分，使产品保持干燥后再浸湿防锈油品；
(10)品检：根据产品图纸技术要求，检测产品外观、机械性能、物理性能及化学性能然后再次浸湿防锈油；
(11)包装入库：根据不同客户包装要求，按包装作业指导书完成产品的包装及入库，得到气门座圈。
对实施例1制得的气门座圈进行金相分析，结果如图1～2所示，其中图1为偏磨点的金相图，图2为正常点的金相图。可知，偏磨点和正常点没有区别，说明元素分布均匀，未发生偏磨。
对实施例1制得的气门座圈中的元素含量进行检测，结果如表1所示。
表1实施例1制得的气门座圈中的元素含量(wt％)
C
Cu
Cr
Co
Mo
V
W
Ni
S
Mn
Fe
1.16
33.38
3.85
5.34
3.45
5.22
4.97
1.32
1.02
0.63
余量
对实施例1制得的气门座圈中的硬度进行检测，HRC为59。
对实施例1制得的气门座圈进行500h台架试验，结果见图6，可知，实施例1制得的气门座圈耐磨性好，未发生偏磨。
对比例1
奇瑞汽车XXX机型气门座圈
渗铜材料配比(质量百分含量)：C：1.5％；Cu：2.0％；Ni：2.5％；V：8％；W：4％；Mn：1.3％；余量：铁基粉末；渗铜比例：17～20％。
气门座圈的制备：采用常规的粉末冶金制备，其中包括渗铜的步骤。
对制得的气门座圈的元素进行分析，碳含量由燃烧法测得，其他元素由能谱分析测得，结果如表2。可知，偏磨点的铜含量远低于正常点铜含量，更低于渗铜产品含铜量，渗铜工艺存在铜份不均匀的问题。
表2实施例2制得的气门座圈中的元素含量(wt％)
对对比例1制得的气门座圈中的硬度进行检测，结果如表3。可知，铜含量及硬度都会偏低，也起不了热传导作用。
表3对比例1制得的气门座圈中的硬度测试结果
对对比例1制得的气门座圈进行金相分析，结果如图3～4所示，其中图3为偏磨点的金相图，图4为正常点的金相图。可知，渗铜材料以渗铜方式熔入铜份不但不均匀。
图5为对比例1制得的气门座圈500小时台架后偏磨的实物图，说明材料不耐磨，发生偏磨现象(见图5中圆圈的位置)。
对对比例1制得的气门座圈进行500h台架试验，结果见图6，可知，对比例1制得的气门座圈耐磨性不好，发生了偏磨。其本发明的高吸能嫦娥钢不需要渗铜，含有均匀的铜份，直接压制烧结，解决了传统粉末冶金渗铜缺陷而导致的产品不耐磨、偏磨的问题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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