一种面向绿色燃料小型发动机用气门座圈及其制备方法与流程

1.本发明属于粉末冶金相关技术领域，涉及一种面向绿色燃料小型汽油机用气门座圈及其制备方法。


背景技术：

2.小型发动机标定功率一般在30kw以下，因其体积小、质量轻、结构简单、价格便宜，广泛用于工程机械、农业机械、园林机械、发电机组、建筑机械及舷外机械等的配套动力。近年来，美国、欧盟等国家和地区制定了越来越严的小通机排放法规，随着国家对环境污染问题日益重视，国内也制定了与之相适应的小通机排放法规，全球约64％人口所在区域对通用小型汽油机有排放要求，排放标准也在不断加严，欧洲第v阶段小通机排放法规更是对燃气排放提出了非常高的要求。燃烧绿色清洁燃料是降低排放的有效方法，其中主要途径之一是汽油机改烧天然气和醇类燃料，燃烧醇类燃料对降低nox排放效果显著。
3.小型发动机也在不断采用绿色燃料，包括生物醇类燃料和沼气等。当使用绿色燃料代替传统汽油时，通常是对传统的发动机进行小量改装，但由于新燃料的燃烧温度高，排放气体中含水量高且具有腐蚀性，改装时对零件特别是直接面对燃烧室的零件提出了更高的性能要求。气门座圈是小型发动机中关键零部件之一，直接面对发动机燃烧室，如图2所示。气门的功能是控制燃气的吸入及废气的排出，气门座圈与气门配合密封燃烧室，以减少气门的磨损，起到耐磨和导热的作用，避免高温和高负荷下缸盖的磨损，并将发动机工作过程中气门的热量传递到缸套和缸盖上。气门座圈长期处于高应力、高温和腐蚀的工作环境中，为保证其可靠性和使用寿命，对气门座圈在高温下的耐磨损性、耐腐蚀性提出了更高的要求。小型发动机由于气缸壳体比较小，所用气门座圈(图1所示)体积小、壁薄，使用传统铸造/锻造等工艺生产不仅机加工量大、耐磨性差，同时生产效率低，对环境污染大。
4.采用粉末冶金工艺生产，生产效率是铸造的4-5倍，成本更是低至不足50％。但现有粉末冶金气门座圈生产技术，多是针对汽车发动机用气门座圈研发，相应的体积大，一般尺寸在50mm以上，壁厚达到5mm甚至更厚，然而这些粉末冶金方法在制备上述体积小、薄壁的小型发动机用气门座圈时，几乎未能有成功的。


技术实现要素：

5.1.要解决的问题
6.针对现有技术中体积小、壁薄的气门座圈采用粉末冶金无法生产的问题，提供一种可以实现采用粉末冶金制备体积小、壁薄的气门座圈的制备方法。
7.2.技术方案
8.为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
9.本发明的面向绿色燃料小型发动机用气门座圈，所述气门座圈的外圆直径d≤25mm，公差精度达到z7，壁厚1.5-2.5mm，高度3-5mm，密度7.0-7.2g/cm3，硬度hrb90-100，同一面上各点硬度偏差≤hrb5，在500℃工况条件下运转350h，磨损量≤0.3mm，所述气门座圈
采用粉末冶金方法制备压制、烧结得到，所述粉末冶金粉料由下述各元素按质量百分比组成：0.8-1.5％的v、1-2％的cr、1.5-3％的mo、2-3％的w、0.3-0.6％的si、0.3-0.8％的mn、0.3-0.8％的s、0.8-1.0％的c、0.02-0.05％的ce、87.25-92.98％的fe。
10.于本发明一种可能的实施方式中，粉末冶金粉料由v、cr、mo、w、si、fe多元素合金粉、mns合金粉以及fe-ce合金粉均匀混合得到。
11.其中：
12.v可细化组织晶粒，提高强度和韧性，与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高材料抗氢腐蚀能力；
13.cr能显著提高材料强度、硬度、耐磨性及抗氧化性和耐腐蚀性；
14.mo能细化晶粒，提高基体组织的热强性能，提升材料在高温时抗变形能力；
15.w与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性，能显著提升材料的红硬性和热强性，si与mo、w、cr等结合，可提高材料高温抗腐蚀和抗氧化性能。
16.为保证上述各合金元素形成性能均一的多元合金，更有效地利用合金元素，先把v、cr、mo、w、si与fe按一定的比例采用高压水雾化技术制成母合金粉。
17.为提升材料的切削加工性能及防止热脆，mn和s元素以mns合金粉引入。
18.以fe-ce合金粉引入ce元素，通过合金固溶强化，提高材料的显微硬度、进一步提升材料抗疲劳、耐腐蚀及耐磨性能。
19.c以石墨粉形式引入以提升材料强度，同时可与v、cr、w、mo等合金元素形成碳化物作为硬质相，均匀分布在组织中，以提升材料的耐磨损性能，优选的是石墨粉形式为天然磷片状。
20.于本发明一种可能的实施方式中，所述气门座圈的金相组织为珠光体 索氏体 贝氏体 铁素体 均匀分布的硬质相碳化物，其中珠光体组织占比10-20％，索氏体组织占比50-60％，贝氏体组织占比20-30％，铁素体组织占比10-20％，10-20％硬质相碳化物均匀分布在上述基体组织中。
21.本发明还提供了一种上述面向绿色燃料小型发动机用气门座圈的制备方法，包括以下具体步骤：
22.步骤s101、粉料配制
23.将v、cr、mo、w、si、fe多元素合金粉、mns合金粉以及fe-ce合金粉按照比例均匀混合，并按质量百分比添加上述粉料0.5％的润滑剂；
24.步骤s102、压制成型
25.将混合均匀的粉料，装入压制模具中一次压制成型，控制气门座圈压坯密度在7.0-7.2g/cm3；
26.步骤s103、坯料烧结
27.在氮氢保护气氛下进行烧结，先脱除压坯中的润滑剂，然后提升烧结温度为1150-1250℃，烧结时间35-45min，烧结结束冷却速度为1.5℃/s，冷却至室温；经180℃回火60min；
28.步骤s104、机加工
29.加工气门座圈烧结坯外圆，控制外圆公差精度达到z7，圆柱度≤0.003，表面粗糙度达到0.4；以外圆定位加工气门座圈端面，保证高度要求同时控制压配导向角端面跳动≤
0.02mm。
30.3.有益效果
31.相比于现有技术，本发明的有益效果为：
32.本发明的面向绿色燃料小型汽油机用气门座圈，该气门座圈采用粉末冶金方法制备得到，粉末冶金粉料由v、cr、mo、w、si、fe多元素合金粉、mns合金粉以及fe-ce合金粉均匀混合得到，可以实现壁厚1.5-2.5mm、高度3-5mm的气门座圈的批量化生产，提高了生产效率，产品合格率高。
附图说明
33.以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
34.图1为本发明的面向绿色燃料小型发动机用气门座圈结构示意图；
35.图2为本发明的面向绿色燃料小型发动机用气门座圈装配示意图；
36.图3为本发明的面向绿色燃料小型发动机用气门座圈成型模具结构示意图；
37.图4为本发明的面向绿色燃料小型发动机用气门座圈的金相组织图。
38.1、上模冲；2、上芯棒；3、中模；31、型腔；4、下模冲；41、通孔；5、工艺芯棒；6、第一仿形面；7、第二仿形面。
具体实施方式
39.下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
40.下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。
41.本发明生产出耐磨损、耐腐蚀、易切屑加工、低成本、生产效率高的小型发动机用体积小、薄壁类气门座圈，其尺寸及性能要求达到：
42.1、外圆直径d≤25mm，公差精度达到z7，壁厚1.5-2.5mm，高度3-5mm；
43.2、密度：7.0-7.2g/cm3；
44.3、硬度hrb90-100，同一面上各点硬度偏差≤hrb5；
45.4、气门座圈与气缸盖接触面圆柱度≤0.003mm，表面粗糙度达到0.4，压配导向角端面跳动≤0.02mm；
46.5、气门座圈与气缸盖过盈压配，压配后气门座圈与气门盘接触圆锥密封面能保持紧密贴合，装机试验，燃烧室温度500℃左右，运转350h，磨损量≤0.3mm；
47.6、气门座圈与气缸盖过盈压配后，在加工中心上对气门座圈中孔加工，要求刀具
寿命能达到1000件；
48.7、金相组织为：珠光体 索氏体 贝氏体 铁素体 均匀分布的硬质相碳化物，如图4所示。
49.为了满足上述性能参数的要求，本发明的面向绿色燃料小型发动机用气门座圈所述气门座圈采用粉末冶金方法制备得到。
50.需要强调的是，本发明的气门座圈材料和传统气门座圈材料相比，少用了稀有贵金属co、ni等，降低了材料成本。此外，在现有粉末冶金材料中，为了提高粉末冶金产品的强度，会对其进行渗铜处理，然而，本发明的气门座圈由于体积小且壁薄，发明人通过大量的试验发现，若采用渗铜处理方法，极容易导致渗铜不均匀，主要原因是气门座圈尺寸小，铜片搁置不易定位等因素。在此基础上，发明人对现有的粉末冶金材料进行改进，具体的所述粉末冶金粉料由下述各元素按质量百分比组成：0.8-1.5％的v、1-2％的cr、1.5-3％的mo、2-3％的w、0.3-0.6％的si、0.3-0.8％的mn、0.3-0.8％的s、0.8-1.0％的c、0.02-0.05％的ce、87.25-92.98％的fe。在不添加铜组分的基础上，本发明的粉末冶金材料采用现有的工艺同样可以达到上述使用的要求，更为重要的是现有的粉末冶金材料几乎无法完成此项工作，本发明采用的多组分，实现了组分之间的协同作用。
51.其中：v可细化组织晶粒，提高强度和韧性，与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高材料抗氢腐蚀能力；cr能显著提高材料强度、硬度、耐磨性及抗氧化性和耐腐蚀性；mo能细化晶粒，提高基体组织的热强性能，提升材料在高温时抗变形能力；w与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性，能显著提升材料的红硬性和热强性，si与mo、w、cr等结合，可提高材料高温抗腐蚀和抗氧化性能。为保证上述各合金元素形成性能均一的多元合金，更有效地利用合金元素，先把v、cr、mo、w、si与fe按上述的组分比例采用高压水雾化技术制成母合金粉。为提升材料的切削加工性能及防止热脆，mn和s元素以mns合金粉引入。以fe-ce合金粉引入ce元素，通过合金固溶强化，提高材料的显微硬度、进一步提升材料抗疲劳、耐腐蚀及耐磨性能。c以石墨粉形式引入以提升材料强度，同时可与v、cr、w、mo等合金元素形成碳化物作为硬质相，均匀分布在组织中，以提升材料的耐磨损性能，优选的是石墨粉形式为天然磷片状。
52.进一步的，粉末冶金粉料由v、cr、mo、w、si、fe多元素合金粉、mns合金粉以及fe-ce合金粉均匀混合得到；对所述气门座圈进行微观的观察，其金相组织为珠光体 索氏体 贝氏体 铁素体 均匀分布的硬质相碳化物。
53.本发明还提供了一种上述面向绿色燃料小型发动机用气门座圈的制备方法，包括以下具体步骤：
54.步骤s101、粉料配制
55.将v、cr、mo、w、si、fe多元素合金粉、mns合金粉以及fe-ce合金粉按照比例均匀混合，并按质量百分比添加上述粉料0.5％的润滑剂；
56.优选的，所述润滑剂为skz800润滑剂、高熔点复合蜡或者含有高熔点复合蜡的混合物，可在压制成型时减少模具磨损及帮助脱模，通过粘结湿混方法改善各组份粉料混合的均匀性，减少粉料流动过程中的材料偏析，改善粉料的充填性能，在三维混料机内混合均匀。
57.步骤s102、压制成型
58.将混合均匀的粉料，装入压制模具中一次压制成型，控制气门座圈压坯密度在7.0-7.2g/cm3；
59.如图3所示，优选的，所述模具包括上模冲1、上芯棒2、中模3、下模冲4及工艺芯棒5，所述上芯棒2与上模冲1一体成型；所述中模3上开设有型腔31，所述下模冲4沿中心轴线开设通孔41，工艺芯棒5置于所述通孔41中；所述上模冲1、下模冲4与中模3的型腔31配合侧隙≤0.01mm，所述上芯棒2、工艺芯棒5与下模冲4的通孔41配合侧隙≤0.01mm。所述上芯棒2与上模冲1相交处形成有第一仿形面6，用以成型气门座圈内孔密封锥面。所述中模3在成型位置形成有第二仿形面7，用以成型气门座圈压配导向角。用模具成型气门座圈密封面及压配导向角，可以保证密封面和压配导向角的一致性及精度要求，控制气门座圈密封面与气门盘锥面能紧密贴合，控制气门座圈与气缸盖压配时不跑偏。
60.在本发明中，优选的所述压制成型的具体步骤包括：
61.(1)把模具装配在25t机械压机上，上模冲1用上模压盖固定压死在压机上滑块上；下模冲4用下模冲4压垫及下模冲压盖固定在下模板上，保证下模冲4可在下模冲压盖内自由转动但不能提升。
62.(2)中模3装在压机中模板上压死；工艺芯棒5用芯棒压盖、芯棒座、芯棒接杆固定在压机中心缸，保证工艺芯棒5可在芯棒压盖内自由转动但不能提升，同时在工艺芯棒压盖上放置芯棒限位块，限位块高度需保证装粉时工艺芯棒5刚好上升到能与中模3上端面平齐的位置。所述上模冲1、上芯棒2、中模3、下模冲4、工艺芯棒5装配在压机上后，需保证中心在一条线上，保证同心度要求≤0.02mm。
63.(3)将上述混合均匀的粉料，通过压机送料机构把粉料盒推送到中模3上端面，为保证粉料充填均匀，利用压机伺服系统控制工艺芯棒5在料盒送粉后上升与中模3端面平齐，然后料盒退回。
64.(4)上模冲1与上芯棒2随压机上滑块下行进入中模3的型腔31，控制中模3下行位置，保证下模冲4上端面刚好与第二仿形面7下端平齐，上模冲1与上芯棒2继续下行直至气门座圈压坯成型高度位置，保证上芯棒2进入下模冲4的通孔41 2-3mm，同时工艺芯棒5在压机中芯缸作用下在下模冲4的通孔41内下行，保持与上芯棒2有2-3mm间隙，控制上芯棒2、工艺芯棒5不在下模冲4的通孔41内相互抵死。
65.(5)上模冲1和上芯棒2在压机上滑块带动下回程，中模3下行，气门座圈压坯脱出模具型腔31。
66.步骤s103、坯料烧结
67.在氮氢保护气氛下进行烧结，先脱除压坯中的润滑剂，然后提升烧结温度为1150-1250℃，烧结时间35-45min，烧结结束冷却速度为1.5℃/s，冷却至室温；经180℃回火60min；
68.为控制烧结变形，优选的，把上述气门座圈压坯整齐摆放在平整的陶瓷垫板上，进入烧结炉内，在氮氢保护气氛下进行烧结，先优选的用rbo设备脱除压坯中的润滑剂，为保证合金元素合金化均匀，提升合金强化效果，提升烧结温度为1200℃，烧结时间40min，利用加装的风冷设备提升烧结后冷确速度为1.5℃/s，促进材料组织转变，细化晶粒，提升气门座圈机械强度及硬度，经180℃回火60min，控制气门座圈金相组织为珠光体 索氏体 贝氏体 铁素体 均匀分布的硬质相碳化物，硬度为hrb90-100，同一面各点硬度偏差≤hrb5，外
圆直径圆柱度≤0.05mm。
69.步骤s104、机加工
70.加工气门座圈烧结坯外圆，控制外圆公差精度达到z7，圆柱度≤0.003mm，表面粗糙度达到0.4；以外圆定位加工气门座圈端面，保证高度要求同时控制压配导向角端面跳动≤0.02mm。
71.在本发明的一些实施例中，优选的可以采用工装定位，在无心磨床上加工气门座圈烧结坯外圆，控制外圆公差精度达到z7，圆柱度≤0.003mm，表面粗糙度达到0.4；用精密数控车床以外圆定位加工气门座圈端面，保证高度要求同时控制压配导向角端面跳动≤0.02mm。
72.实施例1#-5#气门座圈性能参数
[0073][0074]
对比例6#-10#气门座圈性能参数
[0075]
[0076]

技术特征：
1.一种面向绿色燃料小型发动机用气门座圈，所述气门座圈的壁厚为1.5-2.5mm，高度为3-5mm，其特征在于，所述气门座圈采用粉末冶金方法压制、烧结制备得到，所述粉末冶金粉料由下述各元素按质量百分比组成：0.8-1.5％的v、1-2％的cr、1.5-3％的mo、2-3％的w、0.3-0.6％的si、0.3-0.8％的mn、0.3-0.8％的s、0.8-1.0％的c、0.02-0.05％的ce、87.25-92.98％的fe。2.根据权利要求1所述的面向绿色燃料小型发动机用气门座圈，其特征在于，所述粉末冶金粉料由v、cr、mo、w、si、fe多元素合金粉、mns合金粉以及fe-ce合金粉均匀混合得到。3.根据权利要求2所述的面向绿色燃料小型发动机用气门座圈，其特征在于，所述气门座圈的金相组织包括珠光体 索氏体 贝氏体 铁素体 均匀分布的硬质相碳化物，其中珠光体组织占比10-20％，索氏体组织占比50-60％，贝氏体组织占比20-30％，铁素体组织占比10-20％，10-20％硬质相碳化物均匀分布在上述基体组织中。4.一种权利要求1至3任一项所述面向绿色燃料小型发动机用气门座圈的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：步骤s101、粉料配制将v、cr、mo、w、si、fe多元素合金粉、mns合金粉以及fe-ce合金粉按照比例均匀混合，并按质量百分比添加上述粉料0.5％的润滑剂；步骤s102、压制成型将混合均匀的粉料，装入压制模具中一次压制成型，控制气门座圈压坯密度在7.0-7.2g/cm3；步骤s103、坯料烧结在氮氢保护气氛下进行烧结，先脱除压坯中的润滑剂，然后提升烧结温度为1150-1250℃，烧结时间35-45min，烧结结束冷却速度为1.5℃/s，冷却至室温，经180℃回火60min；步骤s104、机加工加工气门座圈烧结坯外圆，控制外圆公差精度达到z7，圆柱度≤0.003，表面粗糙度达到0.4；以外圆定位加工气门座圈端面，控制压配导向角端面跳动≤0.02。5.根据权利要求4所述的面向绿色燃料小型发动机用气门座圈的制备方法，其特征在于，所述润滑剂为skz800润滑剂、高熔点复合蜡或者含有高熔点复合蜡的混合物。6.根据权利要求4所述的面向绿色燃料小型发动机用气门座圈的制备方法，其特征在于，所述模具包括上模冲(1)、上芯棒(2)、中模(3)、下模冲(4)及工艺芯棒(5)，所述上芯棒(2)与上模冲(1)一体成型；所述中模(3)上开设有型腔(31)，所述下模冲(4)沿中心轴线开设通孔(41)，工艺芯棒(5)置于所述通孔(41)中；所述上模冲(1)、下模冲(4)与中模(3)的型腔(31)配合侧隙≤0.01mm，所述上芯棒(2)、工艺芯棒(5)与下模冲(4)的通孔(41)配合侧隙≤0.01mm。7.根据权利要求4所述的面向绿色燃料小型发动机用气门座圈的制备方法，其特征在于，所述上芯棒(2)与上模冲(1)相交处形成有第一仿形面(6)，用以成型气门座圈内孔密封锥面。8.根据权利要求7所述的面向绿色燃料小型发动机用气门座圈的制备方法，其特征在于，所述中模(3)在成型位置形成有第二仿形面(7)，用以成型气门座圈压配导向角。9.根据权利要求8所述的面向绿色燃料小型发动机用气门座圈的制备方法，其特征在
于，所述压制成型的具体步骤包括：(1)把模具装配在机械压机上，上模冲(1)用上模压盖固定压死在压机上滑块上；下模冲(4)用下模冲(4)压垫及下模冲(4)压盖固定在下模板上，下模冲(4)可在下模冲(4)压盖内自由转动但不能提升；(2)中模(3)装在压机中模(3)板上压死，工艺芯棒(5)用芯棒压盖、芯棒座、芯棒接杆固定在压机中心缸上，工艺芯棒(5)可在芯棒压盖内自由转动但不能提升，在工艺芯棒(5)压盖上放置芯棒限位块；(3)将混合均匀的粉料，通过压机送料机构把粉料盒推送到中模(3)上端面，控制工艺芯棒(5)在料盒送粉后上升与中模(3)端面平齐，然后料盒退回；(4)上模冲(1)与上芯棒(2)随压机上滑块下行进入中模(3)的型腔(31)，控制中模(3)下行位置，下模冲(4)上端面与第二仿形面(7)下端平齐，上模冲(1)与上芯棒(2)继续下行直至气门座圈压坯成型高度位置，上芯棒(2)进入下模冲(4)的通孔(41)2-3mm，同时工艺芯棒(5)在压机中芯缸作用下在下模冲(4)的通孔(41)内下行，保持与上芯棒(2)2-3mm间隙，控制上芯棒(2)与工艺芯棒(5)在下模冲(4)的通孔(41)内不相互抵死；(5)上模冲(1)和上芯棒(2)在压机上滑块带动下回程，中模(3)下行，气门座圈压坯脱出模具型腔(31)。10.根据权利要求9所述的面向绿色燃料小型发动机用气门座圈的制备方法，其特征在于，所述上模冲(1)、上芯棒(2)、中模(3)、下模冲(4)、工艺芯棒(5)装配后的同心度要求≤0.02mm。

技术总结
本发明公开了一种面向绿色燃料小型发动机用气门座圈及其制备方法，属于粉末冶金相关技术领域。本发明的气门座圈采用粉末冶金方法压制、烧结制备得到，所述粉末冶金粉料由下述各元素按质量百分比组成：0.8-1.5％的V、1-2％的Cr、1.5-3％的Mo、2-3％的W、0.3-0.6％的Si、0.3-0.8％的Mn、0.3-0.8％的S、0.8-1.0％的C、0.02-0.05％的Ce、87.25-92.98％的Fe。该气门座圈采用粉末冶金方法制备得到，可以实现壁厚1.5-2.5mm、高度3-5mm的小型发动机用气门座圈的批量化生产，提高了生产效率，产品合格率高。产品合格率高。产品合格率高。


技术研发人员：杨传芳 王士平 杜敬 刘魁 武国良 程继贵
受保护的技术使用者：华东冶金地质勘查局超硬材料研究所
技术研发日：2022.02.16
技术公布日：2022/5/25