粉末冶金气门导管材料研究

李贤斌，方明红，裴学宏，华建杰

东风汽车零部件(集团)有限公司东风粉末冶金公司，湖北武汉 442700

0 引言

气门导管是汽车发动机气门的导向装置，对气门起导向作用，并使气门杆上的热量经气门导管传给汽缸盖。

气门导管制造方法主要有铸造和粉末冶金两种工艺。铸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、热硬度和热传导性，由于铸造法成分易偏析、合金化限制等本身工艺上的局限性，不能更进一步地提高材料的热传导能力,尤其如何使材料本身具备自润滑特性，在工艺上不具备操控性。而由于粉末冶金材料成分具有可以“随意”配制的工艺特点，为了改善材料的导热性，在材料中加入铜，其范围可在5%～50%任意调整；为了提高材料的耐磨性，可在材料基体中添加硬质颗粒成分，并使颗粒保持原有的性能和特征；更为独特的是，在材料中添加金属性型或非金属型的固体润滑剂，如氧化物、复合化合物、有机化合物等，可使材料获得自润滑性能，大幅提高减摩性能，从而降低了气阀与气门导管之间的摩擦力，提高了耐磨性。

某11 L大功率发动机在国Ⅳ及以上排放要求的发动机试验结果表明，铸造灰铁气门导管存在磨损显著超限现象(超限值5倍以上)，可见现有铸铁材料性能难以满足要求，且改进空间有限。因此，文中利用粉末冶金气门导管材料成分可设计自由度高的工艺优势，根据不同的发动机工况需求来定向开发相匹配的各种材料，将极大地提高粉末冶金在该行业的应用前景。

1 气门导管工况分析

1.1 工况参数

气阀最大相对滑动速度为2.8 m/s；与气阀杆直径间隙：进气为0.04～0.07 mm，排气为0.06～0.09 mm；对偶材料：进气阀杆部材料9Cr18Mo2V，排气阀杆部材料5Cr9Si3(两者杆部表面均镀铬EP.Cr6，镀铬层深0.008～0.015 mm，表面粗糙度0.4 mm)；工作温度为150～450 ℃；润滑介质：热气流和15W40机油。

1.2 导管的安装位置及性能要求

导管的安装位置及导管形状如图1所示。其性能要求如下：高耐磨性、高抗腐蚀性、高热传导性、优良机械性能及优良机加工性能。

图1 导管的安装位置及导管形状

2 材料体系确定

2.1 6种配方的化学成分分析

根据产品特点，为满足气门导管的物理-力学性能，文中选择6种配方进行试验，6种配方的化学成分分析结果见表1。由表1可以看出，6种配方中的C、MoS、CaF、MnS的质量分数范围相同。

表1 6种配方的化学成分分析结果 单位:%

2.2 配方各成分的性能作用

2.2.1 MoS的特性及作用

MoS为黑色有光泽的粉末，相对密度为4.80 g/cm，熔点为1 185 ℃，450 ℃升华，1 370 ℃开始分解，1 600 ℃分解为金属钼和硫。在空气中加热到315 ℃时开始被氧化，一般情况下摩擦因数为0.03～0.06。化学稳定性和热稳定性好，与一般金属表面不产生化学反应，低温范围(空气中：-280 ℃，真空中：-198 ℃)。

MoS不同于石墨，它的摩擦因数低(0.03～0.06)，不是吸附膜或气体所致，润滑性是它本身所固有的。

2.2.2 CaF的特性及作用

CaF为白色超细粉末，相对密度为3.18 g/cm，熔点为1 360 ℃，具有片层状结构。主要功能有：①可作固体润滑剂:改善压制性，减小脱模力，毛坯表面光滑延长模具使用寿命;②可作易切削剂:改善制品的切削性能，延长切削刀具使用寿命，提高制品表面光洁度；增加生产速率，节省加工费用。

2.2.3 MnS的特性及作用

MnS为六方晶体，轴方向强度低，具有片层状结构，熔点高达1 610 ℃，相对于氟化钙具有更高的热稳定性，相对密度为3.99 g/cm，是提高粉末冶金材料切削性能的专用添加剂。

2.2.4 Mo的作用

Mo是一种灰色的过渡金属。金属呈银灰色，为体心立方晶体结构，熔点为2 617 ℃，沸点为4 612 ℃，密度为10.22 g/cm。钼和钨性质十分相似，具有高温强度好、硬度高、密度大、抗腐蚀能力强、热膨胀系数小、良好的导电和导热等特性。

2.2.5 Cr的作用

Cr为银白色金属，质极硬，耐腐蚀。密度为7.20 g/cm，熔点为(1 857±20)℃，沸点为2 672 ℃。在高温下被水蒸气所氧化，在1 000 ℃下被一氧化碳所氧化，Cr具有很高的耐腐蚀性。

2.2.6 Cu的作用

Cu是烧结钢中常用的合金元素，Cu在1 083 ℃时熔化，产生液相，促进烧结过程，并且Cu对Fe起固溶强化作用，用以提高材料强度，因为Cu能够过早地产生液相，所以能够有利于烧结初期Cu的均匀分布，从而改善Cu扩散的起始条件。

3 材料工艺试验

粉末基础性能测试结果见表2。

表2 粉末基础性能测试结果

由表2可以看出：含Fe-Mo合金及Cr合金的粉末压制性略差，这是由于元素Mo、Cr固溶在Fe粉末颗粒里，有固溶强化作用，粉末颗粒较硬，不利于压制；采用专用混料黏结剂，使得细颗粒(石墨、二硫化钼、硫化锰、氟化钙等)均匀黏结在Fe颗粒表面，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 材料性能试验

4.1 材料强度性能试验

表3为导管材料基础性能试验结果。

表3 导管材料基础性能试验结果

由表3可以看出：

(1)HT37(铸铁)硬度远高于粉末冶金材料，但其抗拉强度、屈服强度、压溃强度(值)远低于粉末冶金材料，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、抗拉强度及值略高一些，其中硬度高于其他配方40HRB，其他性能未见明显优势。

(3)粉末冶金低Cu材料1#及2#配方的硬度及值略低，其他性能未见明显差异。

(4)粉末冶金高Cu材料3#及5#配方的硬度略低，强度及值略高，其他性能未见明显差异。

(5)粉末冶金含Fe-Mo成分的配方硬度低于Cr材料，高于其他材料。

4.2 金相试验

1#～6#的试样未侵蚀形貌和试样基体组织如图2—7所示。

如图2a所示，1#试样未侵蚀形貌为：孔隙+灰色合金相+铜相；如图2b所示，1#试样侵蚀后的基体组织形貌为：细针状马氏体+片状珠光体+灰色合金相+铜相。基体显微硬度(0.1HV)为:537、443、491(马氏体)；241、299、255(珠光体)。

图2 1#试样的未侵蚀形貌和基体组织形貌

如图3a所示，2#试样未侵蚀形貌为：孔隙+灰色合金相+铜相；如图3b所示，2#试样侵蚀后的基体组织形貌为：片状珠光体+细针状马氏体+灰色块状合金相+铜相。基体显微硬度(0.1HV)为：447、400、497(马氏体)；269、255、293(珠光体)。

图3 2#试样的未侵蚀形貌和基体组织形貌

如图4a所示，3#试样未侵蚀形貌为：孔隙+灰色合金相+铜相；如图4b所示，3#试样侵蚀后的基体组织形貌为：屈氏体+细片状珠光体+细针状马氏体+灰色块状合金相+铜相。基体显微硬度(0.1HV)为：451(屈氏体)；572、504、503(马氏体)；382、399、375(珠光体)。

图4 3#试样的未侵蚀形貌和基体组织形貌

如图5a所示，4#试样未侵蚀形貌为：孔隙+灰色合金相；如图5b所示，4#试样侵蚀后的基体组织形貌为：细针状马氏体+屈氏体+片状珠光体+淡灰色圆块状合金相。基体显微硬度(0.1HV)为：672、564、474(马氏体)；457、435、382(屈氏体)；275、311、322(珠光体)。

图5 4#试样的未侵蚀形貌和基体组织形貌

如图6a所示，5#试样未侵蚀形貌为：孔隙+灰色合金相+铜相；如图6b所示，5#试样侵蚀后的基体组织形貌为：屈氏体+片状珠光体+细针状马氏体+灰色块状合金相+铜相。基体显微硬度(0.1HV)为：486、531、507(马氏体)；422、436、433(屈氏体)。

图6 5#试样的未侵蚀形貌和基体组织形貌

如图7a所示，6#试样未侵蚀形貌为：孔隙+未溶石墨+灰色合金相；如图7b所示，6#试样侵蚀后的基体组织形貌为：细片状珠光体+贝氏体+马氏体+细条状渗碳体+灰色块状合金相。基体显微硬度(0.1HV)为：572、666、594(马氏体)；393、396、375(屈氏体)；272、284、290(珠光体)。

图7 6#试样的未侵蚀形貌和基体组织形貌

4.3 摩擦磨损试验

4.3.1 销-盘加热对比试验

试验参数：载荷为1 MPa，速度为3.05 m/s，回转直径为90 mm；试验时间为180 min(行程约32 940 m)；润滑状态为干摩擦;试验平均温度为250 ℃。

对偶盘试样：40Cr热处理-表面镀Cr-HRc36-40。

6种配方加热250 ℃时，测量摩擦因数、磨损量以及对偶损伤情况，结果见表4。磨损量以体积分数表示。

表4 6种配方加热250 ℃销-盘对比摩擦磨损试验结果

4.3.2 6种配方与铸件及KD件对比试验

表5为6种配方与铸件及KD件摩擦磨损对比试验结果。

表5 6种配方与铸件及KD件摩擦磨损对比试验结果

结合表4和表5粉末冶金自主开发材料与铸件及KD件摩擦磨损对比试验情况可以看出：

(1)无论是从润滑性能还是耐磨性能来比较，粉末冶金材料优越于HT37(铸造材料)；

(2)单从粉末冶金材料配方来看，其耐磨性由大到小顺序为5#、3#、6#、2#、KD、4#、1#，其润滑性由大到小顺序为1#、5#、6#、2#、3#、4#、KD；

(3)综合来看，在250 ℃左右，5#配方的摩擦性能要远优越于其他配方。

4.3.3 高温耐磨性试验

硬度随温度升高降低，属于材料的“软化”现象，在相变温度以下，抗“软化”性能跟材料内部组织自身的特性关系重大，烧结材料的组织有珠光体、铜相、少量硬质相、润滑相等，还有孔隙(孔隙也是一种组织)，为此通过高温摩擦磨损对比试验来评价材料的优劣。导管材料高温耐磨性试验结果见表6。

表6 导管材料高温耐磨性试验结果

从表6粉末冶金自主开发材料与铸件及KD件导管材料高温耐磨性试验可以得出：

(1)粉末冶金材料耐磨性能要远高于HT高温耐磨性实验37铸造材料。

(2)2#、5#、6# 3种配方在350 ℃以下，耐磨性要优于其他配方，比铸铁有显著优势，比竞品也有一定优势，其中5#、6#配方在450 ℃以下耐磨性更为明显。

(3)2#配方基粉的1/2为Fe-Mo预合金粉末，其烧结后颗粒中心组织为B，基体组织存在大量P及B，使得该材料耐磨性大大增强，在低于350 ℃时，耐磨性优势明显；但随温度升高，材料抗“软化”性能下降，高于350 ℃时，由于相变造成耐磨性快速降低的现象。

(4)5#配方含有大量的Cu及一定含量的Sn，其烧结后组织为屈氏体+片状珠光体+细针状马氏体+灰色块状合金相+铜相的多相复杂组织，既有耐磨相，又有减摩相，还添加有特定固体润滑剂，使得该材料兼备优异的耐磨性及润滑性。同时随温度升高，材料抗“软化”性能并未下降，该材料在350～450 ℃时，甚至出现由于相变造成耐磨性增强的现象，呈现出磨损量随温度升高而下降的趋势。

(5)6#配方含有一定量的Cr，其烧结后组织为细片状珠光体+贝氏体+马氏体+细条状渗碳体+灰色块状合金相的多相复杂组织，多数为耐磨相，通过添加有特定固体润滑剂，提高该材料的润滑性。使其具备优异的耐磨性及润滑性。Cr的加入，使得该材料耐磨性、抗氧化性和耐腐蚀性能大大提高。

(6)2#、5#、6# 3种配方在不同的温度范围区间均有着优良的耐磨,其中5#配方最优。

4.4 切削性试验

研究各种配方的被切削性能，降低刀具消耗，对气门导管材料与铸造材料切削性进行了对比试验，结果见表7。

表7 气门导管材料与铸造材料切削性对比试验结果

从表7粉末冶金自主开发材料与铸件各加工400件刀具磨损量可以得出：

(1)铸造导管(HT37)材料的被切削性能最好，其次为粉末冶金材料1#、5#及2#配方，其余材料被切削性能较差；

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

(3)由于合金化影响，含Cr材料被切削性能最差，含Fe-Mo材料被切削性能也很差，普通P基材料及高Cu材料由于相对较软，其被切削性能相对较好，甚至和铸造导管材料相当;

(4)从以上材料被切削性能来看，1#、5#、2#是相对容易被切削的材料。

为进一步降低开发成本，缩短周期，综合材料的基础性能、强度、金相、高温耐磨性及被切削性能等试验结果，对以上材料进行筛选。现选择以下材料配方进行下阶段试验：

(1)2#配方：相对较高的机械性能、高温耐磨性能及被切削性能；

(2)5#配方：较高的机械性能、高温耐磨性能及被切削性能；

(3)6#配方：相对较高的机械性能、高温耐磨性能。

5 发动机台架试验

为模拟发动机实际工况，研究各种配方气门导管的耐磨性，在发动机专业台架试验设备进行了台架试验。

台架试验完成后，检测气门导管内孔尺寸磨损量，结果见表8。

表8 气门导管台架试验内孔磨损量 单位:mm

由表8可以看出，粉末冶金件内孔磨损量小于0.03 mm，满足设计要求，且远小于原装机件磨损量。

6 结束语

通过对国产大功率发动机的工况深入分析、粉末冶金材料体系设计、性能试验结果及发动机台架试验验证，得出2#、5#配方满足大功率洁净能源发动机排放标准，其中5#配方综合性能最优。基于未来大功率发动机燃料多元化趋势，下一步工作重点是改善粉末冶金材料多工况适应性。