專利名稱：堆焊用耐磨銅合金及氣門座的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種堆焊用耐磨銅合金，尤其是，涉及一種可用于內(nèi)燃機(jī)氣門座(閥座)及類似物的堆焊用耐磨銅合金。
背景技術(shù)：
通常，作為堆焊用耐磨銅合金，將鈹加到銅中的鈹銅合金或者例如為稱為Colson合金的銅鎳硅合金的沉淀硬化型合金、在其中的銅基基體中分散有硬質(zhì)氧化物顆粒如Al2O3、TiO2和ZrO2的分散強(qiáng)化型合金都是已知的。然而，沉淀硬化型合金在時效溫度(350-450℃)或更高溫度下硬度急劇變差，此外，因為沉淀顆粒的粒徑非常小，只有幾μm或更小，所以即使硬度較高，在伴隨有滑動的磨擦條件下也可能會產(chǎn)生較大的磨損。而且，盡管用內(nèi)部氧化法得到的一些分散硬化型銅基合金即使在高溫下也保持高強(qiáng)度和硬度，也很難說它們的耐磨性良好，因為分散的顆粒極其細(xì)。此外，一些用燒結(jié)法得到的分散強(qiáng)化型合金不適于堆焊應(yīng)用，因為盡管能夠控制分散顆粒的粒徑，但是金屬結(jié)構(gòu)已經(jīng)由于熔融而改變。
因此，最近提出了具有良好耐磨性的銅基合金(專利文獻(xiàn)1和專利文獻(xiàn)2)，在該銅基合金的軟Cu-Ni基基體中分散有具有硬質(zhì)Co-Mo基硅化物。因為它們通過硬質(zhì)顆粒確保耐磨性并且同時通過基體確保韌性，所以它們適合于利用高強(qiáng)度能源如激光束的堆焊用合金。然而，當(dāng)打算進(jìn)一步改善耐磨性并提高硬質(zhì)顆粒的面積比時，堆焊期間的抗裂性變差，并且經(jīng)常產(chǎn)生焊縫裂紋。
為了解決這個問題，本發(fā)明人關(guān)注于Co-Mo基硅化物硬而脆這一點，并研制出這樣一種耐磨銅合金，即通過減少Co-Mo基硅化物，增加比Co-Mo基硅化物硬度低而韌性稍高的Fe-W基硅化物、Fe-Mo基硅化物和Fe-V基硅化物的比例，減少Co含量和Ni含量以及增加Fe含量和Mo含量而不僅能提高該耐磨銅合金的高溫區(qū)耐磨性，還能提高其抗裂性和機(jī)械加工性。
此外，作為用于激光堆焊的銅基合金粉末，具有下列成分的銅基合金粉末是已知的(專利文獻(xiàn)3)含10-40％鎳和0.1-6％硅，同時選自鋁、釔、混合稀土合金、鈦、鋯和鉿的一種元素或兩種元素或兩種以上元素的總量為0.01-0.1％，0.01-0.1％氧，而其余為銅和不可避免的雜質(zhì)。
此外，作為用于激光堆焊的銅基合金粉末，具有下列成分的銅基合金粉末是已知的(專利文獻(xiàn)3)含10-40％鎳和0.1-6％硅，同時鈷≤20％，鉬和/或鎢的總量≤20％，鐵≤20％，鉻≤10％，硼≤0.5％，選自鋁、釔、混合稀土合金、鈦、鋯和鉿的一種元素或兩種元素或兩種以上元素的總量為0.01-0.1％，0.01-0.1％氧，而其余為銅和不可避免的雜質(zhì)。
專利文獻(xiàn)1日本待審公開專利No.8-225,868專利文獻(xiàn)2日本已審公開專利No.7-17,978。
專利文獻(xiàn)3日本待審公開專利No.4-131,341。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述先有技術(shù)，其中分散有具有Co-Mo基、Fe-Mo基、Fe-W基和Fe-V基硅化物的硬質(zhì)顆粒的磨耐銅合金具有良好的耐磨性，并且在實際上完全用其完成堆焊。然而，當(dāng)用高密度能源如激光束進(jìn)行堆焊時，因為與大氣隔絕，堆焊通常是在使惰性氣體如氬氣流動的同時進(jìn)行，但是，堆焊部分的界面仍然由于少量空氣混合而產(chǎn)生氧化，因此它們可能造成焊接失敗。此外，由于在表面上產(chǎn)生固體氧化物膜，所以流動性變差，從而造成焊接失敗和錯位的焊縫，并且可能有妨害堆焊性的情況。
此外，為了適應(yīng)嚴(yán)格得多的使用條件，以及為了改善耐磨性，當(dāng)使合金轉(zhuǎn)變成高鉬成分并增加鎳含量以減輕由此產(chǎn)生的硬質(zhì)顆粒粗化時，可能有堆焊期間抗裂性變差因而產(chǎn)生焊縫裂紋的情況。
鑒于上述情況作出本發(fā)明，并提供一種堆焊用耐磨銅合金和氣門座，它們具有良好的耐磨性，同時還確保堆焊性和抗裂性。
根據(jù)第一發(fā)明的堆焊用耐磨銅合金的特征在于，它具有下列成分鎳5.0-24.5％，鐵3.0-20.0％，硅0.5-5.0％，硼0.05-0.5％，鉻0.3-5.0％，和選自鉬、鎢和釩的一種元素或兩種元素或兩種以上元素3.0-20.0％，其余為銅和不可避免的雜質(zhì)。
根據(jù)第二發(fā)明的堆焊用耐磨銅合金的特征在于，它具有下列成分鎳3.0-22.0％，鐵2.0-15.0％，硅0.5-5.0％，硼0.05-0.5％，和鉻0.3-5.0％，以及選自鉬、鎢、釩和鈮的一種或兩種元素或兩種以上的元素2.0-15.0％，和鈷2.0-15.0％，其余為銅和不可避免的雜質(zhì)。
根據(jù)第一和第二發(fā)明堆焊用耐磨銅合金，通過復(fù)合含有比鎳和鐵更易于形成硼化物的鉻和硼使鉻的硼化物很細(xì)發(fā)分布在硬質(zhì)顆粒中，并因此避免單獨(dú)添加硼而產(chǎn)生的不利效果。
也就是說，當(dāng)沒有復(fù)合含有適量的硼和鉻時，硬質(zhì)顆粒的表面(與基體的界面)具有較大的不規(guī)則部并且錯綜復(fù)雜。這種狀態(tài)妨害基體的延性，并成為堆焊期間產(chǎn)生裂紋的原因。
另一方面，像根據(jù)本發(fā)明的堆焊用耐磨銅合金一樣，當(dāng)同時含有適量的硼和鉻時，如后文中實施例所述，硬質(zhì)顆粒與基體之間的界面變平滑，因此改善了基體的耐磨性。
在本說明書中，除非另有說明，％是指重量％。本發(fā)明的銅合金是其中銅的重量％超過各個添加元素的單個重量％的合金，上述銅的重量％是從100重量％中減去添加元素的總量所得到的其余含量。
根據(jù)本發(fā)明，通過復(fù)合含有適量的硼和鉻確保堆焊用耐磨銅合金和用于內(nèi)燃機(jī)的氣門座具有改善的堆焊性如堆焊期間的可焊性和抗裂性并且同時具有良好的耐磨性。
圖1是根據(jù)對比例No.1的合金的顯微鏡照片。
圖2是根據(jù)對比例No.2的合金的顯微鏡照片。
圖3是根據(jù)對比例No.2的合金的顯微鏡照片(放大)。
圖4是根據(jù)對比例No.3的合金的顯微鏡照片。
圖5是根據(jù)對比例No.3的合金的顯微鏡照片(放大)。
圖6是根據(jù)對比例No.4的合金的顯微鏡照片。
圖7是根據(jù)對比例No.4的合金的顯微鏡照片(放大)。
圖8是根據(jù)示例No.1的合金的顯微鏡照片。
圖9是根據(jù)示例No.1的合金的顯微鏡照片(放大)。
圖10是根據(jù)示例No.2的合金的顯微鏡照片。
圖11是根據(jù)示例No.2的合金的顯微鏡照片(放大)。
圖12是根據(jù)示例No.2的合金的顯微鏡照片(放大)。
圖13是根據(jù)示例No.3的合金的顯微鏡照片。
圖14是根據(jù)示例No.3的合金的顯微鏡照片(放大)。
圖15是根據(jù)示例No.3的合金的顯微鏡照片(放大)。
圖16是根據(jù)示例No.4的合金的顯微鏡照片。
圖17是根據(jù)示例No.4的合金的顯微鏡照片(放大)。
圖18是根據(jù)示例No.4的合金的顯微鏡照片(放大)。
圖19是根據(jù)對比例No.5的合金的顯微鏡照片。
圖20是根據(jù)對比例No.5的合金的顯微鏡照片(放大)。
圖21是關(guān)于與對比例相當(dāng)?shù)暮辖鸬那€圖，用于示出鐵含量與硬質(zhì)顆粒的維氏硬度之間的關(guān)系，同時示出鐵含量與基體的維氏硬度之間的關(guān)系。
圖22是關(guān)于與示例相當(dāng)?shù)暮辖鸬那€圖，用于示出鐵含量與硬質(zhì)顆粒的維氏硬度之間的關(guān)系，同時示出鐵含量與基體的維氏硬度之間的關(guān)系。
具體實施例方式
(1)在含硼合金中，當(dāng)它們在熔融狀態(tài)下與空氣接觸時，它們會生成氧化硼(B2O3)。該B2O3起熔劑的作用，以便改善堆焊用耐磨銅合金的流動性和對于基底的可焊性。
根據(jù)本發(fā)明的堆焊用耐磨合金的金屬結(jié)構(gòu)是這樣的，即硬質(zhì)顆粒分布在軟基體中。如果銅合金中只添加硼，硬質(zhì)顆粒內(nèi)或基體內(nèi)將生成粗的、很硬且脆的鎳、鐵和鉬的硼化物。因此，硬質(zhì)顆粒變得易于產(chǎn)生裂紋，并導(dǎo)致堆焊期間的抗裂性變差。而且，由于這些粗的且很硬的硼化物，盡管銅合金自身的磨損量較小，但是配合件被磨損得較粗糙，并因此提高了所謂的對配合件的破壞性。相反，通過復(fù)合添加比鎳和鐵更易于生成硼化物的鉻和適當(dāng)量的硼，鉻的硼化物或包括鉻和選自鉬、鎢和釩的至少一種元素的硼化物以及其中鉻和硼已結(jié)合普通硬相(硅化物)成分的硬相很微細(xì)地分布在硬質(zhì)顆粒中，并且因此認(rèn)為可以避免上述因單獨(dú)添加硼而產(chǎn)生的不利效果。
當(dāng)沒有復(fù)合添加硼和鉻時，如上所述，硬質(zhì)顆粒的表面(硬質(zhì)顆粒與基體之間的界面)具有較大的不規(guī)則部并且錯綜復(fù)雜。而且，在基體中，除了鎳硅化物之外，還分布有方形化合物(Fe-Mo和Co-Mo)。這些狀態(tài)妨礙了基體的延性，并且成為在堆焊期間產(chǎn)生裂紋的原因。在復(fù)合含有適量硼和鉻的合金中，如后文中示例所述，硬質(zhì)顆粒與基體之間的界面變平滑，因此改善了基體的抗裂性。
(2)將解釋限制根據(jù)本發(fā)明的堆焊用耐磨銅合金的成分的原因。鎳鎳部分溶于銅中以增加銅基基體的韌性，而鎳的其它部分則形成硬質(zhì)硅化物，其中鎳為主要成分，以便通過分散強(qiáng)化提高耐磨性。而且，可以預(yù)料，鎳與鈷、鐵、及類似物形成硬質(zhì)顆粒的硬相。低于上述含量的下限值時，銅鎳基合金所具有的特征，尤其是有利的耐蝕性、耐熱性和耐磨性變得不易顯現(xiàn)，并且，硬質(zhì)顆粒減少，因此不能充分地獲得上述效果。此外，用于添加鈷和鐵的可用含量變少。超出上述含量的上限值時，硬質(zhì)顆粒變得過量，因此韌性降低，并且在成為堆焊層時容易產(chǎn)生裂紋，而且，作為堆焊用配合件的對象物的堆焊性降低。
考慮到上述情況，在第一發(fā)明中，鎳適合為5.0-24.5％。這時，考慮到上述情況，鎳可以為5.0-22.0％或5.2-20.0％，以及5.4-19.0％或5.6-18.0％。應(yīng)該注意，根據(jù)所要求的本發(fā)明堆焊耐磨銅含金的各種品質(zhì)的重要程度，對于上述鎳含量范圍的下限值，可以例如為5.2％、5.5％、6.0％、6.5％或7.0％，對于與該下限值相對應(yīng)的上限值，可以例如為24.0％、23.0％或者22.0％以及20.0％、19.0％或18.0％，然而，并不限于這些。
考慮到上述情況，在增加了鈷的第二發(fā)明中，鎳適合為3.0-22.0％。這時，考慮到上述情況，鎳可以為4.0-20.0％，或5.0-19.0％。應(yīng)該注意，根據(jù)所要求的本發(fā)明堆焊耐磨銅含金的各種品質(zhì)的重要程度，對于上述鎳含量范圍的下限值，可以例如為4.2％、5.5％、6.0％、6.5％或7.0％，而對于與該下限值對應(yīng)的上限值，可以例如為21.0％、20.6％、20.0％、19.0％或18.0％，然而，并不限于這些。
硅硅是形成硅化物的元素，并形成其中鎳為主要成分的硅化物，此外，硅有助于強(qiáng)化銅基基體。低于上述含量的下限值時，不能充分地獲得上述效果。超出上述含量的上限值時，堆焊用耐磨銅合金的韌性變差，當(dāng)變成堆焊層時容易產(chǎn)生裂紋，并且對象物的堆焊性變差。考慮到上述情況，硅適合為0.5-5.0％。例如，硅可以為1.0-4.0％，尤其是1.5-3.0％。根據(jù)所要求的本發(fā)明堆焊耐磨銅含金的各種品質(zhì)的重要程度，對于上述硅含量范圍的下限值，可以例如為0.55％、0.6％、0.65％或0.70％，而對于與該下限值相對應(yīng)的上限值，可以例如為4.5％、4.0％、3.8％，、或3.0％，然而，并不限于這些。
鐵鐵基本上起到與鈷相同的作用，并且可以代替高價格的鈷。鐵幾乎不溶于銅基合金，并且可能主要作為硅化物存在于硬質(zhì)顆粒中。為了大量生成上述硅化物，在第一發(fā)明中鐵適合為3.0-20.0％，而在第二發(fā)明中，鐵適合為2.0-15.0％。低于上述含量的下限值時，硬質(zhì)顆粒減少致使耐磨性變差，因此不能充分地獲得上述效果。超出上述含量的上限值時，硬質(zhì)顆粒中的硬相變粗，并且堆焊用耐磨銅合金的抗裂性變差，此外，抗破壞性提高。
考慮上述情況，在第一發(fā)明中，鐵可以為3.2-19.0％，尤其3.4-18.0％。根據(jù)所要求的第一發(fā)明堆焊耐磨銅含金的各種品質(zhì)的重要程度，對于上述鐵含量范圍的上限值，可例如為19.0％、18.0％、17.0％或16.0％，而對于與該上限值相對應(yīng)的下限值，可以例如為3.2％、3.4％或3.6％，然而，并不限于這些?？紤]到上述情況，在第二發(fā)明中，鐵可以為2.2-14.0％，尤其是3.4-12.0％。據(jù)所要求的第二發(fā)明堆焊耐磨銅含金的各種品質(zhì)的重要程度，對于上述鐵含量范圍上限值，可以例如為14.0％、13.0％、12.0％或11.0％，而關(guān)于與該上限對應(yīng)的下限值，可以例如為2.2％、2.4％或2.6％，然而，并不限于這些。
鉻鉻包含在基體中，并且與部分鎳和部分鈷合金化，以提高抗氧化性。此外，鉻還存在于硬質(zhì)顆粒中，并增大融液中的液相分離趨勢。而且，鉻容易生成硼化物，并且，通過復(fù)合添加鉻和硼，鉻的硼化物，或包括鉻和同時包括選自鉬、鎢和釩的至少一種元素的硼化物，和其中鉻和硼被加入到普通硬相(硅化物)成分中的硬相微細(xì)地分布在硬質(zhì)顆粒中，并且因此可以避免上述因單獨(dú)添加硼而產(chǎn)生的不利效果。低于上述含量的下限值時，不能充分地獲得上述效果。超出上述含量的上限值時，硬質(zhì)顆粒中的硬相變粗，并且抗破壞性提高?？紤]到上述情況，鉻適合為0.3-5.0％。例如，鉻可以為0.35-4.8％或0.4-4.0％，尤其是0.6-3.0％或0.8-1.8％。根據(jù)所要求的本發(fā)明堆焊耐磨銅含金的各種品質(zhì)的重要程度，對于上述鉻含量范圍的下限值，可以例如為0.4％、0.5％、或0.8％，而對于與該下限值相對應(yīng)的上限值，可以例如為4.8％、4.0％或3.0％，然而，并不限于這些。
如上所述，因為在基體和硬質(zhì)顆粒中都含有鉻，所以鉻含量可以優(yōu)選地高于硼含量。因此，鉻含量可以為硼含量的4倍或4倍以上。尤其是，鉻含量可以為硼含量的5倍或5倍以上、6倍或6倍以上、8倍或8倍以上，以及10倍或10倍以上。至于上限，雖然鉻含量取決于硼的含量，但鉻含量可以為硼含量的20倍或20倍以下，50倍或50倍以下，或者100倍或100倍以下。
選自鉬、鎢和釩的一種元素或兩種元素或兩種以上元素鉬、鎢和釩與硅化合以便在硬質(zhì)顆粒內(nèi)生成硅化物(該硅化物通常具有韌性)，從而提高耐磨性和高溫潤滑性。這些硅化物的硬度低于Co-Mo基硅化物，并且韌性較高。因此，它們在硬質(zhì)粒子內(nèi)生成，以便增加耐磨性和高溫潤滑性。上述選自鉬、鎢和釩的一種元素或兩種元素或兩種以上元素作為其主要成分的硅化物容易生成氧化物，該氧化物即使在約500-700℃的較低溫度范圍內(nèi)以及甚至在低氧壓環(huán)境中也富有固體潤滑性。該氧化物在使用中覆蓋銅基基體的表面，因而有利于避免配合件與基體之間的直接接觸。因此，可以確保自潤滑性。
當(dāng)選自鉬、鎢和釩的一種元素或兩種元素或兩種以上元素低于上述含量的下限值時，耐磨性變差，并且不能充分地顯現(xiàn)改善效果。此外，若超出上限值，則硬質(zhì)顆粒變得過多，韌性受損，抗裂性變差，并且容易產(chǎn)生裂紋。考慮到上述情況，根據(jù)第一發(fā)明的合金中，(上述元素含量)適合為3.0-20.0％。根據(jù)所要求的堆焊耐磨銅含金的各種品質(zhì)的重要程度，對于上述選自鉬、鎢和釩的一種元素或兩種元素或兩種以上元素的含量范圍的下限值，可以例如為3.2％、3.6％或4.0％，對于與該下限值相對應(yīng)的上限值，可以例如為18.0％、17.0％或16.0％，然而，并不限于這些。
考慮到上述情況，在根據(jù)第二發(fā)明的合金(包括鈷)中，(上述元素含量)適合為2.0-15.0％。根據(jù)所要求的堆焊耐磨銅含金的各種品質(zhì)的重要程度，對于上述選自鉬、鎢和釩的一種元素或兩種元素或兩種以上元素的含量范圍的下限值，可以例如為3.0％、4.0％或5.0％，而對于與該下限值相對應(yīng)的上限值，可以例如為14.0％、13.0％或12.0％，然而，并不限于這些。
硼當(dāng)含硼合金在熔融狀態(tài)下與空氣接觸時，它們生成氧化硼(B2O3)。該B2O3起熔劑作用，以便改善堆焊用耐磨銅合金的流動性和對于基底的可焊性。
當(dāng)沒有復(fù)合添加硼和鉻時，如上所述，硬質(zhì)顆粒的表面(硬質(zhì)顆粒與基體之間的界面)有較大的不規(guī)則部且錯綜復(fù)雜。這些狀態(tài)妨礙了基體的延性，并成為堆焊期間的裂紋產(chǎn)生的起點。在復(fù)合含有適量硼和鉻的合金中，如下文中示例所述，硬質(zhì)顆粒與基體之間的界面變平滑，因此改善了基體的抗裂性?？紤]到這一點，或者根據(jù)鉻的含量，硼適合為0.05-0.5％。根據(jù)各種品質(zhì)的重要程度，對于硼的下限值，可以例如為0.08％、0.1％或0.12％，而對于與該下限值相對應(yīng)的上限值，可以例如為0.45％、0.4％或0.3％，然而，不限于這些。
鈷在根據(jù)第一發(fā)明的合金中，不必含有鈷，并且鈷可以保持0.01-2.00％的量。鈷幾乎不溶于銅內(nèi)部，并且起到使硅化物穩(wěn)定的作用。
而且，鈷與鎳、鐵、鉻等形成固溶體，并且韌性改善的趨勢較明顯。而且，鈷增大了融液狀態(tài)下的液相分離趨勢。可以認(rèn)為，與變成基體的液相部分分離的液相主要生成硬質(zhì)顆粒。低于上述含量的下限值時，很可能不能充分獲得上述效果?？紤]到上述情況，根據(jù)第一發(fā)明的合金，鈷的含量可以為0.01-2.00％。例如，鈷的含量可以為0.01-1.97％、0.01-1.94％或0.20-1.90％，尤其是0.40-1.85％。根據(jù)所要求的本發(fā)明堆焊耐磨銅含金的各種品質(zhì)的重要程度，對于上述鈷含量范圍的上限值，可以例如為1.90％、1.80％、1.60％或1.50％，而對于與該上限值相對應(yīng)的下限值，可以例如為0.02％、0.03％或0.05％，然而，并不限于這些。
考慮到上述情況，在根據(jù)第二發(fā)明的合金中，鈷適合為2.0-15.0％。例如，鈷可以為3.0-14.0％、4.0-13.0％或5.0-12.0％。根據(jù)所要求的本發(fā)明堆焊耐磨銅含金的各種品質(zhì)的重要程度，對于上述鈷含量范圍的下限值，可以例如為2.5％、3.5％、4.5％、5.5％或6.5％，而對于與該下限值相對應(yīng)的上限值，可以例如為14.0％、13.0％或12.0％，然而，并不限于這些。
根據(jù)本發(fā)明的堆焊用耐磨合金的金屬結(jié)構(gòu)是這樣的，即比基體硬的硬質(zhì)顆粒分布在基體中。如果在合金中只添加硼，則硬質(zhì)顆?；蚧w中將生成粗的、很硬且脆的鎳、鐵和鉬的硼化物。因此，硬質(zhì)顆粒變得容易產(chǎn)生裂紋，并導(dǎo)致堆焊期間的抗裂性變差。而且，由于這些粗的且很硬的硼化物，盡管銅合金自身的磨損量較小，但配合件被磨損得較粗糙，并因此提高了所謂的對配合件的破壞性。相反，通過復(fù)合添加比鎳和鐵更易于生成硼化物的鉻和硼，鉻的硼化物或包括鉻和選自鉬、鎢和釩的至少一種元素的硼化物以及其中鉻和硼已結(jié)合普通硬相(硅化物)成分的硬相很微細(xì)地分布在硬質(zhì)顆粒中，并且因此可以避免上述因單獨(dú)添加硼而產(chǎn)生的不利效果。
至于其中沒有復(fù)合添加硼和鉻的硬質(zhì)顆粒，硬質(zhì)顆粒的表面(硬質(zhì)顆粒與基體之間的界面)錯綜復(fù)雜。在復(fù)合添加有硼和鉻的合金中，硬質(zhì)顆粒與基體之間的界面變平滑，因此改善了基體的抗裂性。
(3)根據(jù)本發(fā)明的堆焊用耐磨銅合金可以應(yīng)用以下實施方式中的至少一種。
根據(jù)本發(fā)明的堆焊用耐磨銅合金可用作例如堆焊到對象物上的堆焊合金。作為一種堆焊方法，可以例如通過利用高密度能熱源如激光束、電子束和電弧進(jìn)行焊接的堆焊方法。在堆焊情況下，使根據(jù)本發(fā)明的堆焊用耐磨銅合金成為粉末或松散體以便制成堆焊用原料，并可以通過用以上述高密度能熱源如激光束、電子束和電弧為代表的熱源進(jìn)行焊接而堆焊該合金，并將該粉末或松散體集合到待堆焊部分上。而且，上述堆焊耐磨合金可為線狀或棒形的堆焊用原料件，而不限于粉末或松散體。至于激光束，可以例如為具有高能量密度的激光束如二氧化碳激光束和YAG(釔鋁石榴石)激光束。至于待堆焊對象物的材質(zhì)，可以例如為鋁、鋁基合金、鐵或鐵基合金、銅或銅基合金等，然而，并不限于這些。至于構(gòu)成對象物的鋁合金的基本成分，可以例如為鑄造用鋁合金如Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系。至于對象物，可以例如為發(fā)動機(jī)如內(nèi)燃機(jī)和外燃機(jī)，然而，并不限于這些。在內(nèi)燃機(jī)情況下，它可以例如為氣門系統(tǒng)材料。在這種情況下，它可以適用于構(gòu)成排氣口的氣門座，或者可以適用于構(gòu)成進(jìn)氣口的氣門座。此時，氣門座本身可以由根據(jù)本發(fā)明的堆焊用耐磨合金構(gòu)成，或者可以將根據(jù)本發(fā)明的堆焊用耐磨合金堆焊到氣門座上。然而，根據(jù)本發(fā)明的堆焊用耐磨合金不限于用于發(fā)動機(jī)如內(nèi)燃機(jī)的氣門系統(tǒng)材料，并且可用于要求其耐磨性的其它系統(tǒng)的滑動材料、滑動件和燒結(jié)材料。
(4)至于根據(jù)本發(fā)明的堆焊用耐磨銅合金，它可以在堆焊之后構(gòu)成堆焊層，或者它可以在堆焊之前是供堆焊用的合金。根據(jù)本發(fā)明的堆焊用耐磨銅基合金可以適用于例如銅基滑動件或滑動部件，并且具體地說，可適用于裝載到內(nèi)燃機(jī)上的銅基氣門系統(tǒng)材料。
示例下面，將結(jié)合對比例說明本發(fā)明的示例。在氬氣氛中1600℃下用爐子熔化被化合以制成示例和對比例的目標(biāo)成分的原材料。此外，利用不銹鋼(材料品級SUS316)制成的具有6mm外徑和2mm厚度的管件抽吸澆注1600℃下的熔融金屬，并使其凝固以形成試件。表1列出根據(jù)示例和對比例的合金的成分。示例No.1-4的合金復(fù)合含有適量的B和Cr。對比例No.1-5的合金沒有復(fù)合含有B和Cr。對比例No.1-3含B但不含Cr。關(guān)于表1中的評價，硬質(zhì)顆粒表面的不規(guī)則部較大的用○標(biāo)出，而硬質(zhì)顆粒表面的不規(guī)則部較小的用◎標(biāo)出。
表1
本合金基本上是這樣的，即較軟的Cu-Ni-Si基基體內(nèi)(含F(xiàn)e或Co)分散有較粗的粒狀硬質(zhì)顆粒、細(xì)粒狀Fe-Mo或Co-Mo化合物及鎳硅化物。本合金的耐磨性主要由硬質(zhì)顆粒確保。硬質(zhì)顆?；咀兂蛇@樣的結(jié)構(gòu)，即包括Fe-(Co)-Ni-Mo-Si的硬相細(xì)粒分散在較軟的Ni-Fe-(Co)-Si基固溶體中。(Co)意味著Co不是必需的。
圖1顯示出對比例No.1的金屬結(jié)構(gòu)。該對比例No.1是一種具有Cu-16.5％Ni-9％Fe-2.3％Si-8.5％Mo-1％B成分的合金，并且不含Cr。如圖1所示，在根據(jù)對比例No.1的含1％B但不含Cr的合金中，硬質(zhì)顆粒很粗，并且具有非常奇怪的形狀，因此它不實用。
圖2和圖3示出對比例No.2的金屬結(jié)構(gòu)。對比例No.2是一種具有Cu-16.5％Ni-9％Fe-2.3％Si-8.5％Mo-0.5％B成分的合金，并且不含Cr。如圖2和圖3所示，在根據(jù)對比例No.2的含0.5％B但不含Cr的合金中，硬質(zhì)顆粒很粗，并且具有非常奇怪的形狀，因此它不實用。
圖4和5示出對比例No.3的金屬結(jié)構(gòu)。對比例No.3的金屬結(jié)構(gòu)。對比例No.3是一種其中B添加量低至0.25％的合金，是一種具有Cu-20.5％Ni-9％Fe-2.3％Si-8.5％Mo-0.25％B成分但不含Cr的合金。當(dāng)B含量像這樣減少到0.25％時，如圖4和圖5中所示，硬質(zhì)顆粒變細(xì)，但在顆粒的表面(與基體的界面)中顯現(xiàn)出明顯的不規(guī)則部。
圖6和圖7示出對比例No.4的金屬結(jié)構(gòu)。對比例No.4是一種其中不含B和Cr的合金，是一種具有Cu-20.5％Ni-9％Fe-2.3％Si-8.5％Mo成分的合金，并且不含B和Cr。如圖6和圖7中所示，在硬質(zhì)顆粒尤其是小粒徑硬質(zhì)顆粒的表面中顯現(xiàn)出明顯的不規(guī)則部。
圖8和圖9示出與第一發(fā)明相當(dāng)?shù)氖纠齆o.1的合金的金屬結(jié)構(gòu)。該合金具有Cu-20.5％Ni-9％Fe-2.3％Si-8.5％Mo-0.125％B-1.5％Cr成分。當(dāng)將Cr含量/B含量取作α值時，該值α＝1.5％/0.125％＝12。如圖8和圖9中所示，由于復(fù)合含有適量的B和Cr，可以看出，在硬質(zhì)顆粒的表面中形成的不規(guī)則部變得相當(dāng)小，因此硬質(zhì)顆粒的表面變平滑。如圖8和圖9中所示，由于復(fù)合含有適當(dāng)量的B和Cr，硬質(zhì)顆粒形狀本身便接近圓(球)形。
圖10-圖12示出等同于第一發(fā)明的示例No.2的合金的金屬結(jié)構(gòu)。該合金具有Cu-20.5％Ni-9％Fe-2.3％Si-8.5％Mo-0.25％B-1.5％Cr成分。當(dāng)將Cr含量/B含量取作α值時，該值α＝1.5％/0.25％＝6。如圖10-圖12所示，在其B含量大于上述合金的B含量的本合金中，可以看出，硬質(zhì)顆粒的表面變得較平滑，并形成有接近圓形(球形)的硬質(zhì)顆粒。
圖13-圖15示出等同于第一發(fā)明的示例No.3的合金的金屬結(jié)構(gòu)。該合金具有Cu-20.5％Ni-9％Fe-2.3％Si-8.5％Mo-0.25％B-3％Cr成分。當(dāng)將Cr含量/B含量取作α值時，該值α＝3％/0.25％＝12。如圖13-圖15所示，在其Cr含量高于上述合金的Cr含量并且同時復(fù)合含有B和Cr的本合金中，可以看出，硬質(zhì)顆粒的表面變得較平滑，并且形成有接近圓形(球形)的硬質(zhì)顆粒。
圖16-圖18示出等同于第二發(fā)明的示例No.4的合金的金屬結(jié)構(gòu)。該合金具有Cu-22％Ni-5％Fe-7.3％Co-2.9％Si-9.3％Mo-0.25％B-1.5％Cr成分。當(dāng)將Cr含量/B含量取作α值時，該值α＝1.5％/0.25％＝6。當(dāng)復(fù)合含有B和Cr時，如圖16-圖18中所示，可以看出，硬質(zhì)顆粒的表面變平滑，并且形成有接近圓形(球形)的硬質(zhì)顆粒。
圖19和圖20示出一種等同于第二發(fā)明的對比例No.5的合金的金屬結(jié)構(gòu)。該合金具有Cu-16％Ni-5％Fe-7.3％Co-2.9％Si-6.2％Mo-1.5％Cr成分，該合金盡管包含Cr，但它不含B。如圖19和圖20中所示，硬質(zhì)顆粒的形狀獨(dú)特，并且在顆粒表面(與基體的界面)中顯現(xiàn)出明顯的不規(guī)則部。
此外，作為對比例No.6，將上述專利文獻(xiàn)No.3(日本待審公開專利No.4-131,341)的表1中列出的No.1、No.3和No.6作為所發(fā)明的合金，按照與上述相同的方式，利用不銹鋼(材料品級SUS316)制成的具有6mm外徑和2mm厚度的管件抽吸澆注1600℃下的熔融金屬，并使其凝固以形成根據(jù)對比例No.6的試件。關(guān)于對比例No.6，當(dāng)用光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)構(gòu)時，能觀察到圓形硬質(zhì)顆?；蛘呓咏鼒A形并且其界面平滑的硬質(zhì)顆粒。根據(jù)這種硬質(zhì)顆粒，硬質(zhì)顆粒表面中的較大的不規(guī)則部容易成為裂紋的起點，并且可以推斷，抗裂性比本合金的抗裂性差。
關(guān)于具有對比例的成分的合金，測試了室溫下的基體維氏硬度、室溫下的硬質(zhì)顆粒維氏硬度與鐵含量之間的關(guān)系(荷重100g)。圖21示出根據(jù)一種具有等同于不含B和Cr的對比例的成分的合金的測試結(jié)果。該合金具有Cu-16.5％Ni-2.3％Si-8.5％Mo-Fe的基礎(chǔ)成分，且Fe含量在7-13％范圍內(nèi)變動。如圖21所示，關(guān)于在1600℃下鑄造的鑄選材料中的硬質(zhì)顆粒的硬度，落在Hv820-Hv500的范圍內(nèi)。具體地說，含7％Fe時為Hv820，含9％Fe時為Hv800，而含13％時降至接近Hv500。
此外，如圖21中所示，關(guān)于在1500℃下鑄造的鑄造材料中的硬質(zhì)顆粒的硬度，落在Hv720-Hv600范圍內(nèi)。具體地說，含7％Fe時為Hv710，含9％Fe時為Hv700，而含13％Fe時降到接近Hv600?？梢酝茢?，在1500℃下鑄造的鑄造材料與在1600℃下鑄造的鑄造材料的質(zhì)顆粒的硬度趨勢不同，因為硬質(zhì)顆粒中的硬相細(xì)顆粒的粒度和分散狀態(tài)不同或者硬質(zhì)顆粒內(nèi)各個元素的分布量隨溫度不同而稍有變化。
如圖21中所示，對于基體的硬度，在1500℃下鑄造的鑄造材料和在1600℃下鑄造的鑄造材料都是Hv220-Hv180。
此外，關(guān)于具有等同于示例的成分的合金，測試了室溫下的基體維氏硬度、室溫下的硬質(zhì)顆粒維氏硬度與Fe含量之間的關(guān)系(荷重100g)。在這種情況下，采用其Ni含量、Ni-Si含量及Ni-Mo含量分別不同的合金，并獲得基體的維氏硬度和硬質(zhì)顆粒的維氏硬度。圖22示出測試結(jié)果。圖22將上述結(jié)果進(jìn)行綜合，同時取水平軸線作為Fe含量。在這種情況下，Cu-16.5％Ni-2.3％Si-8.5％Mo-0.25％B-1.5％Cr-Fe取作基礎(chǔ)成分，并使Fe含量在9-13％范圍內(nèi)變化。在這種情況下，當(dāng)將Cr含量/B含量取作α?xí)r，該值α＝1.5％/0.25％＝6。
因為硼主要是分布在硬質(zhì)顆粒內(nèi)，所以正如從圖22可以理解的，硬質(zhì)顆粒的硬度變得高于上述合金(圖21)的硬度。關(guān)于基體，如從圖22可以理解的，幾乎沒有任何改變。
此外，關(guān)于具有表2中列出的成分的合金(No.a-No.p)，按照與上述相同的方式，利用不銹鋼制成的管件抽吸鑄造1600℃下的熔融金屬，并使其凝固以形成試件。當(dāng)對這些試件進(jìn)行顯微鏡觀察時，可以發(fā)現(xiàn)，硬質(zhì)顆粒的表面變平滑，因此形成有接近圓形(球形)的硬質(zhì)顆粒。
表2
(激光堆焊試驗)作為代表性示例，在真空中熔化可化合成如表2中No.a-No.p所指示的目標(biāo)成分的可熔化材料，并通過噴射氬氣制成霧化粉末。此外，將該霧化粉末用作用于堆焊的粉末，通過激光束(CO2)照射在鋁制氣缸蓋上形成堆焊層，并形成激光熔覆氣門座。至于試驗條件，激光束輸出適于為3.5Kw，焦點直徑適于為2.0mm，加工進(jìn)給速率適于為900mm/min，以及保護(hù)氣體適于為氬氣(10升/分鐘的流速)。當(dāng)通過用激光束進(jìn)行堆焊而如此形成堆焊層時，可以證明，堆焊期間的可裂化性得到控制，并且抗裂性得到改善。
(其它)除了上述內(nèi)容以外，本發(fā)明不僅僅限于上文所說明以及附圖中所示出的示例，而是可以通過在不偏離要旨的范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)修改來實現(xiàn)。
工業(yè)適用性本發(fā)明可用于要求耐磨性的堆焊用耐磨銅合金。尤其是，本發(fā)明可用于用在使用汽油、柴油、天然氣等作為燃料的內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣側(cè)或排氣側(cè)氣門座中的堆焊用耐磨銅合金。其中，本發(fā)明可用于通過激光束熔化并且隨后凝固的堆焊用耐磨銅合金。
權(quán)利要求
1.一種堆焊用耐磨銅合金，其特征在于，該合金的成分按重量％計包括鎳5.0-24.5％，鐵3.0-20.0％，硅0.5-5.0％，硼0.05-0.5％，鉻0.3-5.0％，和選自鉬、鎢和釩的一種元素或兩種元素或兩種以上元素3.0-20.0％，其余為銅和不可避免的雜質(zhì)。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的堆焊用耐磨銅合金，其特征在于，它包含重量％為0.01-2.00％的鈷。
3.一種堆焊用耐磨銅合金，其特征在于，該合金的成分按重量％計包括鎳3.0-22.0％，鐵2.0-15.0％，硅0.5-5.0％，硼0.05-0.5％，和鉻0.3-5.0％，以及選自鉬、鎢、釩和鈮的一種元素或兩種元素或兩種以上元素2.0-15.0％，和鈷2.0-15.0％，其余為銅和不可避免的雜質(zhì)。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的堆焊用耐磨銅合金，其特征在于，所包含的鉻的量是硼含量的4倍或4倍以上。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的堆焊用耐磨銅合金，其特征在于，硅化物是分散的。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的堆焊用耐磨銅合金，其特征在于，它用于內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣側(cè)或排氣側(cè)氣門座。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的堆焊用耐磨銅合金，其特征在于，它在由高密度能源熔融之后凝固。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的堆焊用耐磨銅合金，其特征在于，在Cu-Ni-Si基基體中分散有比該基體硬的硬質(zhì)顆粒、細(xì)顆粒Fe-Mo或Co-Mo化合物和鎳硅化物。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求8所述的堆焊用耐磨銅合金，其特征在于，所述硬質(zhì)顆粒由分散在Ni-Fe-Si基固溶體中的Fe-Ni-Mo-Si基硬相細(xì)顆粒構(gòu)成。
10.一種氣門座，其特征在于，該氣門座由根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項所述的堆焊用耐磨銅合金制成。
全文摘要
提供一種堆焊用耐磨銅合金和氣門座，同時確保堆焊性和抗裂性。該堆焊用耐磨銅合金和氣門座的特征在于，其成分按重量％計包括鎳5.0－24.5％，鐵3.0－20.0％，硅0.5－5.0％，硼0.05－0.5％，鉻0.3－5.0％，和選自鉬、鎢和釩的一種元素或兩種元素或兩種以上元素3.0－20.0％，其余為銅和不可避免的雜質(zhì)。
文檔編號C22C9/06GK1806059SQ20058000044
公開日2006年7月19日 申請日期2005年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月15日
發(fā)明者河崎稔, 小林孝雄, 大島正, 中西和之 申請人:豐田自動車株式會社