粉末冶金气门阀座材料及热处理工艺

摘要：气门阀座主要用于与气门配合控制燃气和废气的进出。文章介绍了粉末冶金气门阀座的应用及国内外研究现状，分析了其工作环境及性能要求，并就气门阀座的材料成分、热处理工艺及孔隙度与合金元素对其热处理过程的影响等问题进行了讨论。

关键词：粉末冶金；气门阀座材料；孔隙度；合金元素；热处理工艺 文献标识码：A

中图分类号：TK403 文章编号：1009-2374（2016）35-0097-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.047

气门阀座是发动机上的重要部件，其功能是与气门配合控制燃气和废气的进出。20世纪90年代开始，得益于粉末冶金独特的加工制造技术，粉末冶金技术生产的发动机气门阀座具有材料利用率高、设计自由度大等优点，适合大批量的生产，因而应用十分广泛。例如，重庆华孚粉末冶金厂已批量生产粉末冶金阀座，取得了可喜的经济效益。

传统粉末冶金阀座多采用添加合金元素来提高其耐磨性，并未进行热处理。烧结后得到细片状珠光体+隐晶马氏体+粒状碳化物等组织，高温时容易出现硬度下降、粘着、磨蚀等现象，导致磨损严重。本文以热硬性材料和减磨材料为基体，通过添加合金元素以及采用热处理等方式，探究了阀座生产的材料及其强化工艺，为阀座的生产制造提供参考了一定的参考依据。

1 阀座材料的选用

1.1 阀座成分分析

随着粉末冶金阀座的不断开发，阀座选材范围极大拓宽，笔者总结目前使用的粉末混合有铁粉、合金元素粉、预合金粉、硬质相粉、硬脂酸锌粉等。其中铁粉常以化合物的形式添加作基体材料，如FeMo；合金元素Cu、Cr、S等形成固溶强化和金属间化合物；预混粉可以使某些难以与基体结合的元素起作用，如WC；硬质相粉Mo、Co等起弥散强化；硬脂酸锌粉提高粉末压制性。

1.2 阀座材料成分的设计

常用阀座配方为低合金预混粉+高合金硬质颗粒+减磨材料，其化学成分如表1所示：

表1中Mn能提高阀座的淬透性和耐磨性；S能引起活化烧结、增加密度和改善切削性等；Cu具有很好的固溶强化作用，还能起到活化烧结，有利于提高密度和强度，并能改善材料的抗腐蚀性；Mo有很强的细化晶粒作用和有效改善回火脆性；Cr可以有效地改善阀座的抗腐蚀、抗氧化性；V能细化奥氏体晶粒；C是铁基材料中应用最多的合金元素，含量对铁基材料的强韧性起显著影响。添加Co、WC作为硬质颗粒，起弥散强化作用；添加合金元素MoS2改善阀座自润滑性。

2 熔渗处理

熔渗是将粉末坯体与液体金属接触或浸在液体金属内，让坯块内空隙为金属液填充，冷却下来就得到致密材料或零件，这种工艺称为熔渗。试验时为减少对设备依赖，可将制好的铜环放置在阀座上，进行烧结，由于铜的熔点比较低，在高温烧结环境下熔化渗入到样品中，从而完成对样品的渗铜处理。粉末冶金零件一般孔隙度为15%～25%（5.9～6.7g/cm3），经熔渗处理后，孔隙度可降至2%～5%（7.4～7.6g/cm3）。

3 阀座热处理分析

3.1 孔隙对阀座淬透性的影响

粉末冶金阀座属于烧结钢，与致密钢相比，阀座内的孔隙会降低阀座的导热性，从而使淬透性变差。图1形象地表明了粉末冶金热处理的两个重要特征：孔隙率不仅影响淬透性，甚至对密度也产生重要影响，因而降低了粉末冶金材料的表面硬度。

3.2 孔隙对碳含量的影响

由于阀座孔隙的存在，烧结或热处理过程中，阀座内的碳在高温下通过孔隙与氢或氧发生作用生成甲烷或一氧化碳，使阀座碳含量降低，淬火后产生组织应力，裂纹及马氏体转变不完全，阀座耐磨性降低等缺陷。因此，对于含有6%以上孔隙的烧结钢热处理要在保护性气氛（如添加有甲烷的氮基气氛、分解氨等）中进行。

3.3 合金元素对热处理的影响

根据前面阀座材料成分设计，合金元素C的加入可以增加过冷奥氏体的稳定性，降低其淬火临界冷却速率，提高其淬透性；加入Ni、V、Mo等元素能细化奥氏体晶粒，改善阀座热处理后的力学性能，特别是冲击韧性；加入Mo、Mn、Cr、Cu等元素可以显著提高阀座的淬透性，Mo、Cr、V等元素还能增加回火稳定性；Mn、Cr、P等元素有造成回火脆性作用，但同时添加少量Cu，可以减弱回火脆性或阻止其产生。

3.4 组织均匀性对奥氏体化的影响

烧结钢组织的重新分布主要依靠扩散来进行。由于碳的分布不均匀，烧结钢组织均匀性差，奥氏体均匀化的温度和时间要比致密钢高得多。在条件相同的情况下，烧结铁基材料达到完全奥氏体化所需要的时间大约比相应的锻件长50%。当添加合金元素时，完全奥氏体化需要更高的温度或更长的时间。

4 热处理工艺确定

4.1 预备热处理

在预备热处理阶段，退火可以使粉末因制备、存放等引起的粉末氧化物还原。另外，退火中的还原性气氛可降低碳和其他杂质的含量，提高粉末的纯度。通常，退火温度为主要金属熔点的0.5～0.6倍。有时为避免颗粒间发生烧结，一般采用较低的还原温度；有时为了进一步提高粉末的纯度，退火温度又有提高，因此，实际操作中因以所需目标配合恰当的保温时间进行合理选择。

4.2 最终热处理

4.2.1 奥氏体化温度确定。钢奥氏体化时，组织转变会有迟滞现象，需要一定的过热度。笔者认为：亚共析钢（致密）在淬火前加热到Ac3以上某一温度并保温一段时间，而烧结钢由于存在空隙，导热率低以及部分合金元素（Cr、Mo、V等）减慢奥氏体化过程，延长保温时间会降低生产效率，同时增加成本，故多采用提高温度，一般高出50℃左右，即烧结钢加热温度应高出Ac38℃～100℃。

应该注意的是，由于成本与性能的约束，具体奥氏体化温度应与保温时间配合选取，保温时间长短视零件形状和尺寸而定。

4.2.2 淬火方式。对于铁基粉末冶金零件，最好是淬于温油（50℃）中，这是因为粉末冶金零件具有孔隙度，淬火冷却速度太快时，零件可能开裂。

4.2.3 回火。回火是金属淬火后经常使用的热处理工艺，目的有两个：一是消除内应力，降低材料的脆性；二是使残余奥氏体转变成要求的组织。

根据上述对阀座工作环境和工作特点分析，需要阀座具有良好的综合性能，即耐磨和耐冲击等，反映到力学性能指标为：强硬度高，塑韧性好。故采用500℃～600℃回火温度效果好。同时，考虑多次回火消除残余奥氏体，提高阀座强韧性。

4.2.4 最终热处理补充。作为金属热处理的补充，深冷处理得到了广泛研究，其作用和机理的研究已经很成熟。只是目前还没有形成一定的行业标准，即不确定零件在淬火后直接进行深冷处理，还是淬火+回火（单次或多次）+深冷处理以及深冷处理后是否需要再次回火处理等。不过，确定的是，深冷处理作为热处理的延伸，在热处理过程中使用均得到了显著效果。在阀座的制备过程中，深冷处理尚未见报道，而深冷处理作为提升零件使用寿命的方法，对阀座而言，具有很大的研究价值。

5 结语

（1）根据阀座的使用环境和工作特点，采用W6Mo5Cr4V2粉末为基体，添加Cr、Mo、Si、Ni等硬质颗粒对基体弥散强化；MoS2等减磨材料提高阀座的耐磨性；MnS改善阀座的切削性能，熔渗Cu填充空隙；硬脂酸锌提高成形性。提高阀座的机械性能；（2）与致密材料相比，阀座碳分布不均匀，受孔隙度的影响，阀座淬透性差，加入合金元素后得到改善；（3）阀座热处理工艺，即淬火（油冷）+高温回火（多次），阀座具有良好的综合性能；（4）热处理后，深冷处理作为热处理补充对阀座使用寿命提升，具有很大研究价值。