本發(fā)明涉及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高硬度鐵基粉末冶金自潤(rùn)滑CNG發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座圈及其制作方法。
背景技術(shù)：
壓縮天然氣(CNG)、液化石油氣(LPG)和甲醇等作為內(nèi)燃機(jī)的代用燃料是保護(hù)環(huán)境和合理利用能源的有效途徑。我國天然氣資源豐富，作為發(fā)動(dòng)機(jī)清潔燃料其市場(chǎng)前景巨大。然而，使用新型能源，汽車零件特別是發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座圈的使用工況會(huì)發(fā)生變化，對(duì)其材料也提出了新的要求。CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣門座圈是控制燃?xì)馕肱c廢氣排出的重要工作部件，在高溫下經(jīng)受氣流的沖蝕和氣門的高頻率沖擊磨擦，工作條件十分惡劣。一旦氣門座圈被沖擊磨損，導(dǎo)致氣門氣密性降低，將大幅度降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率，以及有害成分氣體的大量排放。這就要求CNG發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座圈有更高的耐熱性，更高的耐磨性和耐腐蝕性。
常用的氣門座圈材料包括鑄造合金、鍛鋼制品和粉末冶金3大類。其中粉末冶金氣門座圈因具有少、無切削、材料利用率高、設(shè)計(jì)自由度大等優(yōu)點(diǎn)，適合大批量的生產(chǎn)。一般的粉末冶金鐵基材料存在低密度和疏松性的缺點(diǎn)，在使用過程中易發(fā)生磨損失效，目前，最常用的有兩種解決方法： 一是添加合金元素形成硬質(zhì)相，提高材料的強(qiáng)度和硬度，獲得好的耐磨性：二是通過熔滲工藝提高材料的密度和性能。文獻(xiàn)《制備工藝對(duì)鐵基粉末冶金氣門座圈致密性和性能的影響》采用燒結(jié)、熔滲、熱處理制備了高性能鐵基粉末冶金氣門座圈。研究不同工藝對(duì)氣門座圈的孔隙變化、致密性、顯微組織和力學(xué)性能的影響，確定氣門座圈致密性的最佳工藝條件。結(jié)果表明，采用熔滲或提高燒結(jié)溫度，可使孔隙的形狀趨于球化，大大減少孔隙的數(shù)量和大小，明顯提高氣門座圈的致密性。
由于氣門座圈在工作過程中無油潤(rùn)滑，耐候性差，使用壽命短，耐磨長(zhǎng)效性差，而目前通過添加硬質(zhì)顆粒、自潤(rùn)滑添加劑等和采用熔滲新工藝相結(jié)合的方式研究很少。文獻(xiàn)中僅僅采用熔滲新工藝，方式較為單一，制得的氣門座圈胚體韌性差、切割性差、耐溫變性低、使用壽命短等。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的就是為了彌補(bǔ)已有技術(shù)的缺陷，提供一種高硬度鐵基粉末冶金自潤(rùn)滑CNG發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座圈及其制作方法。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
一種高硬度鐵基粉末冶金自潤(rùn)滑CNG發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座圈，由下列重量份的原料制成：鉻6.2-6.4、鈷4.2-4.4、鎳0.7-0.9、鈦0.5-0.7、鈰0.3-0.5、銅18-19、納米二硫化鉬1.2-1.5、碳化鎢0.7-0.9、二氧化錳1-2、甲基三乙氧基硅烷0.4-0.6、硼鐵合金粉2.1-2.4、磷酸二氫鋁0.2-0.4、聚四氟乙烯粉2-3、鐵64-68。
所述的一種高硬度鐵基粉末冶金自潤(rùn)滑CNG發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座圈的制作方法，包括以下步驟：
（1）將納米二硫化鉬添加到質(zhì)量濃度為5-15%的磷酸二氫鋁水溶液中，超聲分散均勻，加入甲基三乙氧基硅烷加熱至50-70℃，攪拌12-24小時(shí)噴霧干燥；
（2）將銅粉投入坩堝電阻爐中迅速升溫至完全熔化，加入步驟（1）物料超聲波攪拌混勻，保溫靜置20-25分鐘，將金屬液經(jīng)氣體霧化制粉設(shè)備得粒徑在100μm以下的銅包覆改性納米二硫化鉬；
（3）將硼鐵合金粉、碳化鎢于600-700℃高溫煅燒20-30分鐘，立即放入水中降溫至室溫超聲分散10-15分鐘，噴霧干燥，投入適量無水乙醇中，加入二氧化錳、步驟（2）物料研磨40-50分鐘，烘干至完全除去無水乙醇，得混合粉體；
（4）將鐵粉和鉻、鈷、鎳、鈦、鈰粉投入混粉機(jī)中球磨混合，加入步驟（3）混合粉體、聚四氟乙烯粉加熱至50-60℃，攪拌30-40分鐘真空干燥，加入到模具中壓制成所需形狀，得到生坯；
（5）將上述生坯和同樣形狀的銅片放入推桿爐中，在氫氣的保護(hù)氣氛下于1000-1200℃燒結(jié)熔滲1-2小時(shí)，用水套冷卻方式冷卻至室溫；
（6）將燒結(jié)熔滲完成后的氣門座圈置于箱式爐中，加熱到600-700℃，保溫20-40分鐘，油淬至室溫，再加熱到245-255℃，保溫50-70分鐘，冷卻出料。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：本發(fā)明將改性后的納米二硫化鉬表面覆蓋一層銅膜作為固體潤(rùn)滑劑添加到基體材料中，密度差小、物理和力學(xué)性能相近，改善了其與基體的浸潤(rùn)性且界面結(jié)合強(qiáng)度高，密度顯著提高，減少偏析，同時(shí)提高了材料的強(qiáng)度和摩擦性能，并且包覆層可以起到保護(hù)固體潤(rùn)滑劑免受高溫引起的蒸發(fā)或氧化的作用；同時(shí)本發(fā)明還添加二氧化錳、鈦、鈰等成分，采用燒結(jié)、熔滲、熱處理工藝改變金屬粒子相變，很大程度填充了氣門座圈的孔隙，降低氣門座圈材料的孔隙率，提高了氣門座圈的致密性，從而提升了氣門座圈的韌性、耐磨性、熱硬性和致密性，本發(fā)明產(chǎn)品具有較高的硬度和高溫穩(wěn)定性。
具體實(shí)施方式
一種高硬度鐵基粉末冶金自潤(rùn)滑CNG發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座圈，由下列重量份的原料制成：鉻6.2、鈷4.2、鎳0.7、鈦0.5、鈰0.3、銅18、納米二硫化鉬1.2、碳化鎢0.7、二氧化錳1、甲基三乙氧基硅烷0.4、硼鐵合金粉2.1、磷酸二氫鋁0.2、聚四氟乙烯粉2、鐵64。
所述的一種高硬度鐵基粉末冶金自潤(rùn)滑CNG發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座圈的制作方法，包括以下步驟：
（1）將納米二硫化鉬添加到質(zhì)量濃度為5-15%的磷酸二氫鋁水溶液中，超聲分散均勻，加入甲基三乙氧基硅烷加熱至50-70℃，攪拌12-24小時(shí)噴霧干燥；
（2）將銅粉投入坩堝電阻爐中迅速升溫至完全熔化，加入步驟（1）物料超聲波攪拌混勻，保溫靜置20-25分鐘，將金屬液經(jīng)氣體霧化制粉設(shè)備得粒徑在100μm以下的銅包覆改性納米二硫化鉬；
（3）將硼鐵合金粉、碳化鎢于600-700℃高溫煅燒20-30分鐘，立即放入水中降溫至室溫超聲分散10-15分鐘，噴霧干燥，投入適量無水乙醇中，加入二氧化錳、步驟（2）物料研磨40-50分鐘，烘干至完全除去無水乙醇，得混合粉體；
（4）將鐵粉和鉻、鈷、鎳、鈦、鈰粉投入混粉機(jī)中球磨混合，加入步驟（3）混合粉體、聚四氟乙烯粉加熱至50-60℃，攪拌30-40分鐘真空干燥，加入到模具中壓制成所需形狀，得到生坯；
（5）將上述生坯和同樣形狀的銅片放入推桿爐中，在氫氣的保護(hù)氣氛下于1000-1200℃燒結(jié)熔滲1-2小時(shí)，用水套冷卻方式冷卻至室溫；
（6）將燒結(jié)熔滲完成后的氣門座圈置于箱式爐中，加熱到600-700℃，保溫20-40分鐘，油淬至室溫，再加熱到245-255℃，保溫50-70分鐘，冷卻出料。
利用本發(fā)明制得的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座圈具有如下技術(shù)特征：
（1）密度/(g?cm-3)：7.86；
（2）開孔孔隙度/%：0.06；
（3）硬度/HＲC：52；
（4）最大載荷Fmax/kN：2.375；
（5）摩擦系數(shù)：0.086。