专利名称：粉末冶金复合材料发动机气门导筒及其制备方法
技术领域：
本发明涉及粉末冶金材料及制备方法，具体是指用粉末冶金复合材料制造的粉末冶金复合材料发动机气门导筒及其制备方法。
背景技术：
现有的发动机气门导筒零件通常是采用锻造合金钢，如(12CrNi3A钢等)经机械加工、热处理等工序加工而成，材料利用率低、工艺复杂，气门导筒零件在使用过程中，磨损严重，气门导筒顶部有时还被凸轮磨穿，使气门不能正常开启和关闭，严重影响了发动机的性能，对大功率的发动机，情况更加严重。
发明内容
本发明的目的在于采用粉末冶金技术，克服现有气门导筒制造和使用过程中存在的问题，将材料设计与粉末冶金工艺结合起来，提供一种耐磨的粉末冶金复合材料发动机气门导筒。
本发明的目的还在于提供一种粉末冶金复合材料发动机气门导筒的制备方法。
本发明的粉末冶金复合材料发动机气门导筒的顶部或顶部表层由材料B构成，其余部份由材料A构成；所述材料A的组分及其质量百分比含量如下Cu 0.5-2％、Ni 1-3％、Mo 0.5-1％、C 0.5-1％、NbC 5-12％、P 0.3-0.6％，其余为铁和不可避免的微量杂质；所述材料B的组分及其质量百分比含量如下Cu2-4％、Ni 2-4％、Mo 1-2％、C 0.5-1.5％、NbC 10-20％、P 0.3-0.6％，其余为铁和不可避免的微量杂质。所述由材料B构成的粉末冶金复合材料发动机气门导筒的顶部表层厚度为1-2毫米时，可以达到最佳的强度和耐磨效果。
本发明的粉末冶金复合材料发动机气门导筒的制备方法包括
——按表1配备粉末材料A表1成分 粒径质量百分比用量铁粉 ≤14775-86％铜粉 ≤74 0.5-2％镍粉 2-5 1-3％钼粉 ≤74 0.5-1％石墨粉 ≤74 0.5-1％磷铁或磷铜粉 ≤74 2-5％碳化铌粉 2.5 5-12％阿克腊粉≤380.5-0.8％按表2配备粉末材料B表2成分 粒径 质量百分比用量铁粉 ≤147 65-78％铜粉 ≤74 2-4％镍粉 2-5 2-4％钼粉 ≤74 1-2％石墨粉 ≤740.5-1.5％磷铁或磷铜粉 ≤74 2-5％碳化铌粉 2-5 10-20％阿克腊粉≤380.5-0.8％——上述粉末材料过100目筛，然后在二维混料机上干混30-80分钟；——将粉末材料A充填于气门导筒阴模型腔内，然后在气门导筒顶部或顶部表层布粉末材料B，在130℃-150℃下以550-700MPa的压力温压成形；——将复合成形的气门导筒生坯在四段高温烧结炉上烧结，气门导筒顶部向下放置，高温烧结时间1-2小时，推舟速度20-25分钟/舟，按表3设置烧结炉各段的温度。
表3烧结I段 烧结II段烧结III段烧结IV段300-400℃ 700-800℃ 1250-1300℃ 650-800℃即得到粉末冶金复合材料的气门导筒，其顶部硬度HRC55-63，其余部分硬度HRC25-45，бb＝800-900MPa，δ＝2.0-3.0％。
本发明与现有技术相比，具有如下优点1、本发明采用一次压制烧结，即获得具有高性能的气门导筒零件，保证了气门导筒既有高的强度又有高的硬度和耐磨性，完全可取代常规的合金钢材料，制备方法简单，省去大量的机械加工工序，材料节省，并不需通过热处理来提高强度和硬度，可降低生产成本约30％以上。
2、本发明提供的粉末冶金复合材料气门导筒，经500小时台架考核试验，其顶部磨损接近于零，耐磨性比12CrNi3A钢提高50-100倍。
图1是本发明的粉末冶金复合材料发动机气门导筒的结构示意图。
图2是本发明的粉末冶金复合材料发动机气门导筒的另一结构示意图。
下面通过如下实施例对本发明作进一步说明。
具体实施例方式
如图1所示，本发明的粉末冶金复合材料发动机气门导筒的顶部1由材料A构成，其余部分2由材料B构成。如图2所示，本发明的粉末冶金复合材料发动机气门导筒的顶部1的表层1(1)由材料A构成，其余部分2’由材料B构成。
实施例1
——按如下组分及其质量百分比含量备粉末料A成分 粒径 质量百分比用量铁粉 ≤147 83％铜粉 ≤74 0.5％镍粉 22.0％钼粉 ≤74 0.5％石墨粉 ≤74 1.0％磷铁粉 ≤74 2.4％碳化铌粉 410％阿克腊粉≤38 0.6％按如下组分及其质量百分比含量备粉末料B成分 粒径质量百分比用量铁粉 ≤147 76％铜粉 ≤74 2.0％镍粉 22.0％钼粉 ≤74 1.0％石墨粉 ≤74 1.0％磷铁或磷铜粉 ≤74 2.4％碳化铌粉 415％阿克腊粉≤38 0.6％——分别按上述粉末备料后，在振筛机上过GB6003规定的100目筛，然后在二维混料机上干混40分钟；——先将粉末料A充填于气门导筒阴模型腔内，然后在气门导筒顶部布1-2mm的粉末料B，在130℃下以600MPa的压力温压成形；——将复合成形的气门导筒生坯在四段高温烧结炉上烧结，气门导筒顶部向下放置，高温烧结时间1小时，推舟速度20分钟/舟，烧结炉各段的温度设置范围如下
烧结I段 烧结II段 烧结III段 烧结IV段300℃750℃ 1280℃ 700℃得到粉末冶金复合材料的气门导筒，其顶部有一层1-2mm的高硬度复合材料，含有Fe 75.5％(质量)、Cu 1.97％(质量)、Ni 1.98％(质量)、Mo 0.99％(质量)、C 0.81％(质量)、P 0.56％(质量)、NbC 14.78％(质量)、杂质≤1.0％(质量)，硬度HRC60；其余部分复合材料含有Fe 82.8％(质量)、Cu 0.49％(质量)、Ni 2.0％(质量)、Mo 0.49％(质量)、C 0.78％(质量)、P 0.51％(质量)、NbC 9.98％(质量)、杂质≤1.0％(质量)，其硬度HRC35，бb＝820MPa，δ＝2.5％；气门导筒顶部的耐磨性比12CrNi3A热处理态高96倍，经500小时台架考核，气门导筒顶部的磨损接近于零，动作正常。
实施例2——按如下组分及其质量百分比含量备粉末料A成分 粒径质量百分比用量铁粉 ≤147 75％铜粉 ≤74 2.0％镍粉2 3.0％钼粉 ≤74 0.9％石墨粉 ≤74 0.8％磷铜粉 ≤74 4.5％碳化铌粉 4 12％阿克腊粉 ≤38 0.8％按如下组分及其质量百分比含量备粉末料B
成分粒径质量百分比用量铁粉 ≤147 65％铜粉 ≤74 4.0％镍粉 2 3.0％钼粉 ≤74 2.0％石墨粉 ≤74 0.5％磷铁或磷铜粉 ≤74 5.0％碳化铌粉 4 20％阿克腊粉 ≤38 0.5％——分别按上述粉末备料后，在振筛机上过GB6003规定的100目筛，然后在二维混料机上干混80分钟；——先将粉末料A充填于气门导筒阴模型腔内，然后在气门导筒顶部布1-2mm的粉末料B，在150℃下以550MPa的压力温压成形；——将复合成形的气门导筒生坯在四段高温烧结炉上烧结，气门导筒顶部向下放置，高温烧结时间2小时，推舟速度25分钟/舟，烧结炉各段的温度设置范围如下烧结I段 烧结II段 烧结III段 烧结IV段400℃ 800℃1300℃ 800℃即得到粉末冶金复合材料的气门导筒，其顶部有一层1-2mm的高硬度复合材料，含有Fe 64.9％(质量)、Cu 3.95％(质量)、Ni 3.0％(质量)、Mo 1.99％(质量)、C 0.45％(质量)、P 0.65％(质量)、NbC 19.8％(质量)、杂质≤1.0％(质量)，硬度HRC63；其余部分复合材料含有Fe 75.1％(质量)、Cu 1.99％(质量)、Ni 2.98％(质量)、Mo 0.89％(质量)、C 0.74％(质量)、P 0.56％(质量)、NbC 12.0％(质量)、杂质≤1.0％(质量)，其硬度HRC45，бb＝800MPa，δ＝2.0％；气门导筒顶部的耐磨性比12CrNi3A热处理态高100倍，经500小时台架考核，气门导筒顶部的磨损接近于零，动作正常。实施例3——按如下组分及其质量百分比含量备粉末料A成分 粒径 质量百分比用量铁粉 ≤147 86％铜粉 ≤74 1.5％镍粉 2 1.0％钼粉 ≤74 1.0％石墨粉≤74 0.5％磷铜粉≤74 4.5％碳化铌粉 4 5.0％阿克腊粉 ≤38 0.5％按如下组分及其质量百分比含量备粉末料B成分 粒径 质量百分比用量铁粉 ≤147 78％铜粉 ≤742.2％镍粉 2 4.0％钼粉 ≤741.5％石墨粉≤741.5％磷铁粉≤742.0％碳化铌粉 4 10％阿克腊粉 ≤380.8％——分别按上述粉末备料后，在振筛机上过GB6003规定的100目筛，然后在二维混料机上干混30分钟；——先将粉末料A充填于气门导筒阴模型腔内，然后在气门导筒顶部布1-2mm的粉末料B，在140℃下以700MPa的压力温压成形；——将复合成形的气门导筒生坯在四段高温烧结炉上烧结，气门导筒顶部向下放置，高温烧结时间1.25小时，推舟速度22分钟/舟，烧结炉各段的温度设置范围如下
烧结I段 烧结II段 烧结III段 烧结IV段300℃700℃ 1250℃ 650℃即得到粉末冶金复合材料的气门导筒，其顶部有一层1-2mm的高硬度复合材料，含有Fe 77.9％(质量)、Cu 2.2％(质量)、Ni 3.98％(质量)、Mo 1.49％(质量)、C 1.31％(质量)、P 0.5％(质量)、NbC 10.0％(质量)、杂质≤1.0％(质量)，硬度HRC55；其余部分复合材料含有Fe 86.1％(质量)、Cu 1.49％(质量)、Ni 1.0％(质量)、Mo 0.99％(质量)、C 0.44％(质量)、P 0.59％(质量)、NbC 5.0％(质量)、杂质≤1.0％(质量)，其硬度HRC25，бb＝900MPa，δ＝3.0％；气门导筒顶部的耐磨性比12CrNi3A热处理态高50倍，经500小时台架考核，气门导筒顶部的磨损接近于零，动作正常。
权利要求
1.一种粉末冶金复合材料发动机气门导筒，其特征在于其顶部或顶部表层由材料B构成，其余部份由材料A构成；所述材料A的组分及其质量百分比含量如下Cu 0.5-2％、Ni 1-3％、Mo 0.5-1％、C 0.5-1％、NbC 5-12％、P0.3-0.6％，其余为铁和不可避免的微量杂质；所述材料B的组分及其质量百分比含量如下Cu 2-4％、Ni 2-4％、Mo 1-2％、C 0.5-1.5％、NbC 10-20％、P 0.3-0.6％，其余为铁和不可避免的微量杂质。
2.根据权利要求1所述的粉末冶金复合材料发动机气门导筒，其特征在于所述由材料B构成的粉末冶金复合材料发动机气门导筒的顶部表层厚度为1-2毫米。
3.一种粉末冶金复合材料发动机气门导筒的制备方法，其特征在于包括——按表1配备粉末材料A表1成分粒径 质量百分比用量铁粉≤147 75-86％铜粉≤74 0.5-2％镍粉2-51-3％钼粉≤74 0.5-1％石墨粉 ≤74 0.5-1％磷铁或磷铜粉≤74 2-5％碳化铌粉 2.55-12％阿克腊粉 ≤38 0.5-0.8％按表2配备粉末材料B表2成分 粒径质量百分比用量铁粉 ≤147 65-78％铜粉 ≤742-4％镍粉 2-52-4％钼粉 ≤741-2％石墨粉 ≤740.5-1.5％磷铁或磷铜粉 ≤742-5％碳化铌粉 2-510-20％阿克腊粉≤380.5-0.8％——上述粉末材料过100目筛，然后在二维混料机上干混30-80分钟；——将粉末材料A充填于气门导筒阴模型腔内，然后在气门导筒顶部或顶部表层布粉末材料B，在130℃-150℃下以550-700MPa的压力温压成形；——将复合成形的气门导筒生坯在四段高温烧结炉上烧结，气门导筒顶部向下放置，高温烧结时间1-2小时，推舟速度20-25分钟/舟，按表3设置烧结炉各段的温度。表3烧结I段烧结II段 烧结III段 烧结IV段300-400℃ 700-800℃ 1250-1300℃650-800℃
全文摘要
一种粉末冶金复合材料发动机气门导筒其顶部或顶部表层由材料B构成,其余部分由材料A构成;所述材料A的组分及其质量百分比含量如下:Cu0.5－2%、Ni1－3%、Mo0.5－1%、C0.5－1%、NbC5－12%、P0.3－0.6%,其余为铁和不可避免的微量杂质;所述材料B的组分及其质量百分比含量如下:Cu 2－4%、Ni 2－4%、Mo 1－2%、C 0.5－1.5%、NbC 10－20%、P 0.3－0.6%,其余为铁和不可避免的微量杂质;其制备方法是经过配料、混合、温压成型、烧结得产品;本发明采用一次压制烧结,保证了气门导筒既有高的强度又有高的硬度和耐磨性。
文档编号F01L3/02GK1348054SQ01127899
公开日2002年5月8日 申请日期2001年9月28日 优先权日2001年9月28日
发明者李元元, 肖志瑜, 夏伟, 龙雁, 吴苑标 申请人:华南理工大学