本发明涉及金属粉末混合物，尤其是一种新改良的用来制造象阀座嵌件 这样汽车零件的金属粉末混合物。

在本领域中，内燃机的工作循环原理已是众所周知的。对进气阀和排气 阀、阀套以及阀座嵌件在密封燃烧时有效配合所要求的物理性能也已作了广泛 的研究。

耐磨性对于用在内燃机上的阀座嵌件是一个基本的要求。在为了获得良 好的耐热性和耐腐蚀性、可切削加工性以及耐磨性的组合所做的努力中，已经 用钴、镍或马氏体铁基的合金铸件来制造排气阀阀座嵌件。因为在铸造合金里 有耐磨碳化物的存在，所以一般这些合金要优于含高铬镍成分的奥氏体耐热 钢。

粉末冶金已运用在阀座嵌件和其他发动机零件上，因为它很容易实现最 终成形。粉末冶金在选择许多金属甚或陶瓷组分及提供结构的灵活性时，允许 有很大的范围。

转让给本发明受让人并在这里用作参照的美国专利US 4,724,000描述了一 种粉末冶金耐磨零件。这项专利对阀座嵌件作了专门的叙述。

美国专利US 5,041,158也提及了粉末冶金耐磨零件并尤其提到了添加粉末 状水合硅酸镁所带来的有益效果。这项专利同样转让给本发明受让人并在这里 用作参考。

其他有关的专利包括：U.S.4,546,737；U.S.4,671,491；U.S.4,734,968； U.S.5,000,910；U.S.5,032,353；U.S.5,051,232；U.S.5,064,610；U.S.5,154,881；U.S.5,271, 683和U.S.5,286,311。

用于内燃机的阀座嵌件需要高耐磨性的材料，它能保证在高温下持续很 长的时间也有高耐磨性。阀座嵌件更应在高温下遭受重复的冲击载荷时具备高 的耐热性、蠕变强度和热疲劳强度。

很明显，由高合金粉末制造的阀座嵌件材料具有低压缩性。因此采用诸 如双向压制、双向烧结、高温烧结、渗铜和热锻工艺以获得理想的密度范围。 不过这样会使材料昂贵。

这样仍然需要找到一种粉末金属混合物，它能产生相对较高的密度并仅 需采用单一压制和/或单一烧结的手段。这样的材料混合物能够被压缩到最小密 度范围为约6.7-7.1g/cm3，从而使零件能在恶劣的发动机环境下工作。这样的粉 末金属混合物价格是可行的却又仍然具备显著的耐磨性、高耐热性、可切削性 和高的蠕变强度和热疲劳强度。

为解决上述及其他问题，本发明旨在提供一种新型的粉末金属混合物， 它采用了一种独特的组合物，包括具有耐高温磨损和耐腐蚀的阀钢粉末，具有 高温热硬性(“热硬性”一词是指在高温下所测得的硬度)的铁合金粉末例如 铁钼、铁钒、铁镍和具有可切削性及导热性的铜。本发明混合物包括耐磨的工 具钢粉末和固体润滑剂，该固体润滑剂既减轻了摩擦和滑动损耗又加强了可切 削性。

相应地，本发明的一个目的是提供一种新的粉末金属混合物，它能产生 相对较高的密度并仅需单一压制和或单一烧结的方法。

本发明的另一个目的是提供一种粉末金属混合物，它包括阀钢粉末、镍、 铜、铁合金粉末、工具钢粉末、固体润滑剂、石墨和暂时或短效的润滑剂，余 量为含一定数量钼的低合金钢粉末。

本发明的又一个目的是提供一种粉末冶金发动机零件，该零件通常用于 耐磨应用，并在硬度、热硬度、磨耗性、粘附性、塑性变形、高温氧化性和抗 热蠕变性上提供了很大的优越性。

本发明的再一个目的是提供一种制造象阀座嵌件的发动机零件的粉末冶 金混合物。

本发明包括一种改良的粉末冶金发动机零件，其化学组成为：约0.8到2.0％ 的碳(C)，约2.0到6.0％的铬(Cr)，约1.0到20.0％的铜(Cu)，约0.5到2.0％的锰(Mn)， 约5.0到8.0％的钼(Mo)，约4.0到7.0％的镍(Ni)，约0.05到0.15％的氮(N)，约0.2到 0.7％的钨(W)，约0.05到0.5％的钒(V)，约0.2到0.6％的硫(S)及余量铁(Fe)。

在随附的并构成说明书一部分的权利要求里指明了表征本发明新颖性的 各种特征。为了更好地理解本发明和它的功能优势以及所制成的具体物件，下 面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步论述：

图1为阀门组件和相关环境的剖面图。

图2为阀门组件的更详细的剖面图。

图3为阀座嵌件和阀座面密封关系的更详细的剖面图。

图4为本发明和现有材料热硬性的比较图表。

图5为本发明和现有材料阀座耐磨装置对比实验数据表。

图6为本发明和现有材料阀座耐磨极限测试数据表。

图7为本发明和现有材料可切削加工性的比较图表。

最理想的是制造发动机寿命可实现行驶150,000英里或更长的机动车。 在设计这种机动车的发动机零件时，零件需要有显著耐磨性、耐高温性和可切 削加工性的材料。

在说明书中，若没有额外的说明，所有的温度都为摄氏温度(℃)，所有 的百分比(％)都为重量百分比。

本发明提供了一种特别适用于象阀座嵌件的发动机零件的粉末冶金零 件。本发明的粉末金属混合物尤其适于制造用于渗氮发动机阀的阀座嵌件。很 明显，本发明所述的粉末冶金零件也适合于其他的应用。根据本发明粉末金属 混合物所制造的诸如阀座嵌件的发动机阀系列零件既可以充当进气阀阀座嵌件 也可以充当排气阀阀座嵌件。

如图1-3所示，用于发动机的阀门装置标记为10。阀门装置10包括许多阀 门12，每一个阀门可往复安放在阀杆套14的内腔中。阀杆套14是一个插入汽缸 头24的管状结构。这些发动机零件在本领域中是公知的。由于不同的厂商可提 供改进和替换的结构，本发明不局限于任何专门的结构。这些阀门装置附图用 于说明的目的以帮助更好地理解本发明。

阀门12包括一个置于阀门12的盖26和圆角28之间的阀座面16。阀杆30一 般位于弯颈28的上方并且通常置于阀杆套14内。阀座嵌件18一般安装在发动机 的汽缸头24内。嵌件18的横截面最好为环形并与阀座面16相配合。

为了使粉末冶金零件能在恶劣的环境比如恶劣的发动机环境下工作，粉 末金属混合物应该压缩至最小密度为6.7克每立方厘米(g/cm3)到7.1g/cm3。混 合物最好被压缩至最小密度为6.9g/cm3。

本发明粉末金属混合物包括阀钢粉末、镍、铜、铁合金粉末、工具钢粉 末、固体润滑剂、石墨、粉末状短效润滑剂，以及余量低合金钢粉末。本发 明混合物上述成分的含量为：阀钢粉末为15％到30％，镍为0到10％，铜为0到 5％，铁合金粉末为5％到15％，工具钢粉末为0到15％，固体润滑剂为0.5％到5 ％，石墨为0.5％到2.0％，粉末状短效润滑剂为0.3％到1.0％和余量的含有0.6％ 到2.0％钼的低合金钢粉末。低合金钢粉末最好包括0.6％到2.0％的钼，0到5％ 的镍和0到3％的铜。

本发明粉末金属混合物采用了高温耐磨、耐腐蚀的阀钢粉末和高温热硬 性的铁合金粉末的混合物。加入工具钢粉末是为了提高耐磨性和热硬性。固体 润滑剂为减轻滑动磨耗和提高可切削加工性提供了一个小的摩擦力。象钼和铬 这样的合金元素为增加耐磨和耐腐蚀性使固溶体强化。镍和奥氏体阀钢粉末使 面心立方(FCC)基体稳固并实现了耐热性。铁钼硬粒子提高了耐磨性和热硬 度。石墨和固体润滑剂例如粉末状水合硅酸镁(talc)、二硫化钼(MoS2)或氟 化钙(CaF2)进一步提高了耐磨性和可切削加工性。粉末状短效润滑剂例如 ACRAWAXC在压缩过程中通过防止刀具的磨损而延长模具寿命。

当粉末是一种合金成分为生产所希望的合金化学性质的混合物时，粉末 最好是预合金粉。

本发明混合物的第一组分是阀钢粉末，大约占混合物的重量百分比15％到 30％。阀钢粉末最好占混合物约20％。一种合适的阀钢粉末包括但不局限于21- 2N，23-8N或21-4N牌号，上述牌号可从美国OMG购买得到。这些都是铁基 粉末并且21-2N牌号基本上意味着21％的铬和2％的镍。21-4N牌号意味着21％的 Cr和4％的Ni。同样，23-8N牌号基本上意味着23％的铬和8％的镍。典型的21-2N 牌号金属粉末的化学组成落入下述范围：

C     0.50-0.60％

Mn    7.0-9.5％

Si    0.08-0.25％

Cr    19.3-21.5％

Ni    1.5-2.75％

N     0.20-0.40％

Fe余量

典型的23-8N牌号金属粉末的化学组成落入下述范围：

C     0.50-0.60％

Mn    1.50-3.50％

Si    0.60-0.90％

Cr    22.0-24.0％

Ni    7.0-9.0％

N     0.28-0.35％

Fe余量

典型的21-4N牌号金属粉末的化学组成落入下述范围：

C     0.48-0.54％

Mn    8.00-9.50％

Si    0.08-0.25％

Cr    20.0-22.0％

Ni    3.25-4.50％

N     0.38-0.50％

Fe余量

本发明混合物的第二组分是镍。镍被添加到混合物中占混合物的重量百 分比约0到10％，最好占约7.0％。镍粉主要包括任何含镍的粉末而不限于纯镍 颗粒，母合金或者与合金元素混合在一起的镍颗粒。镍的组分应该落入所给的 百分比范围内。

铜粉是混合物的第三组分。它被添加到混合物中占混合物的重量百分比 约0到5％最好占约2.0％。同样，铜粉包括但不限于任何含铜的粉末，例如纯 铜颗粒，具有合金元素的混合物中的铜颗粒，和/或其他强化性元素以及预合金 铜颗粒。为提高密度、导热性和可切削加工性，可通过渗铜工艺添加一定含量 的铜(最高达约20％)。

最好含铁-钼的铁合金粉末是混合物的第四组分。铁合金粉末占混合物约 5％到15％，最好占约9％。本发明所使用的铁基含钼粉末可从ShieldAlloy购买 得到。它是一种包含约60％的溶解的钼的预合金铁并包含约少于2.0％的其他预 合金元素。这种铁基粉末除包括钼以外，还可以包含与铁预合金化的元素，但 如果发明中这一组分除了钼以外实质上不含有与铁预合金化的元素，那么一般 对实现本发明是有利的。

混合物的第五组分是工具钢粉末，占混合物约0到15％。这一组分最好也 是一种含铁合金、碳以及至少一种过渡元素的预合金粉末。正如在其他组分里 一样，构成这一组分的铁最好是除了冶金碳或过渡元素之外没有杂质或夹渣。 一种合适的工具钢粉末包括但不限于可从Powdrex购买得到的M系列工具钢粉 末。

本发明混合物的第六组分是固体润滑剂，例如粉末状水合硅酸镁(通常 称作talc)，MoS2或CaF2。当然，任何传统的固体润滑剂都可以与本发明混合物 一起使用，其包含但不限于其他任何二硫化物或氟化物类型的固体润滑剂。

本发明混合物的第七组分是石墨，占混合物约0.5％到2.0％。把碳添加到 混合物中用于压制，选用石墨是一种较佳的方式。石墨粉末的一种合适的来源 是Southwestern 1651品级，它是Southwestern Industries公司的产品。

本发明混合物的第八组分包括一种粉末状润滑剂，占混合物约0.3％到 1.0％。由于粉末状润滑剂在烧结步骤中会熔化或热分解，在这里它是指一种暂 时的或短效的润滑剂。一种合适的润滑剂包括普通的蜡质的或多脂的材料，例 如硬脂酸锌、石蜡、乙烯硬脂酸铵(其在市场上可买到但享有专利权且在烧结 中会挥发)。这样一种合适的粉末状润滑剂包括可从Glyco化学公司买到的 ACRAWAXC。

混合物的余量是低合金钢粉末，其最好含有约0.6％到2.0％的钼，0到5％ 的镍，0到3％的铜。一种合适的低合金钢粉末混合物可从Hoeganaes公司买到 85HP或150HP。

粉末金属混合物要充分混合足够的时间以获得均匀的混合物。通常，混 合物混合时间为大约30分钟到两个小时，最好一个小时左右从而成为混合均匀 的混合物。可以采用任何合适的混合装置，例如球磨机。

然后将混合物在一定压力下进行压制，较好的压制范围是约750MPa[50吨 每平方英寸(TSI)]到975MPa[65吨每平方英寸(TSI)]之间，最好大约为900MPa [即60吨每平方英寸(TSI)]。充分施压使压坯几近基本成形或已基本成形，并 具有理想的压坯密度范围为约6.7g/cm3到7.1g/cm3，最好为约6.9g/cm3。一般是 用成形模来进行压制。就制作嵌件的铁基金属粉末而言，润滑性的混合物粉末 加压不低于300MPa(20吨每平方英寸)，一般更高，例如约600MPa(40吨每平方 英寸)到900MPa(60吨每平方英寸)。通常，几乎不采用低于大约525Mpa(35 吨每平方英寸)的压力。施压超过975MPa(65吨每平方英寸)，虽然有效但价格 过高。压制可以是单向压制也可以是等静压压制。

压坯经处理之后，通常将其输送到烧结炉中，在那里进行压坯的烧结。 烧结是通过在低于压坯中主要成分的液相温度下加热压坯，使压坯中相邻表面 粘结的过程。

本发明的烧结条件采用通常的烧结温度，例如约1040℃到1150℃(最好 为约1100℃)。在由氮气(N2)和氢气(H2)组成的混合气体所形成的还原气氛下可 使用较高的烧结温度(约1250℃到1350℃，最好约为1300℃)，时间大约20分 钟到一个小时，最好为30分钟。烧结是在高于1100℃的温度下充分加热一段时 间，实现粉末颗粒的连接点之间粘结扩散从而形成一个完整的烧结体。烧结最 好是在还原气氛下进行，例如N2/H2或露点在约！40℃数量级的伴生氨干燥气 体。烧结还可在惰性气体如氩或真空中进行。

有利的是，制品可以在烧结状态和/或热处理状态下使用。合适的热处理 条件包括但不限于进一步的对压制的粉末金属组分进行渗氮、渗碳、碳氮共渗 或蒸汽处理。另一方面，制品也可通过渗铜来提高导热性。

显微照相表明，微观结构包括：大约20％到30％最好为约25％的相，该相 包含在奥氏体基体里的细碳化物；约5％到10％最好为7％的富含钼的硬相；约1％ 到5％最好为约2％的固体润滑剂；余量为回火马氏体。

基于重量百分比，成品的化学组成如下：

C     约0.8到2.00％

Cr    约2.0到6.0％

Cu    约1.0到20.0％

S     约0.2到0.6％

Mn    约0.5到2.0％

Mo    约5.0到8.0％

Ni    约4.0到7.0％

N     约0.05到0.15％

W     约0.2到0.7％

V     约0.05到0.5％

Fe余量

在最佳实施例中，基于重量百分比(wt.％)，成品的化学组分如下：

C     约1.50％

Cr    约4.10％

Cu    约2.0％

Mn    约1.0％

Mo    约6.5％

Ni    约5.5％

N     约0.1％

S     约0.5％

W     约0.4％

V     约0.15％

Fe余量

在另一最佳实施例中，基于重量百分比(wt.％)，渗铜的成品化学组分如 下：

C     约1.2％

Cr    约3.96％

Cu    约12.52％

Mn    约1.34％

Mo    约8.03％

Ni    约5.90％

N     约0.10％

S     约0.29％

W     约0.23％

V     约0.10％

Fe余量

如图4所示，将标示为“新”的用本发明制造的嵌件材料与标示为“现有” 的所采用的现有材料进行热硬性的比较。现有材料目前被用在发动机上并可从 市场上购买得到其产品，其化学成分是：1.05-1.25％C，1.0-2.7％Mn，4.0- 6.5％Cr，2.5-4.0％Cu和1.6-2.4％Ni。硬度Hv代表Vickers硬度测试。有关测试过 程的详细叙述见Y.S.Wang，et al.，“The Effect of Operating Conditions on Heavy Duty Engine Valve Seat Wear，”WEAR 201(1996)。

图5是阀座耐磨装置比较测试结果的图解，图6显示阀座耐磨装置的极限 测试数据。阀座耐磨装置实验极限是按装置实验传送的材料特性极限。有关耐 磨装置实验测试过程的详细描述见Y.S.Wang，et al“The Effect of Operating Conditions on Heavy Duty Engine Valve Seat Wear”，WEAR 201(1996)。在图6中， 固体润滑剂为MoS2。硬相代表铁钼颗粒。

图7是本发明和现有技术之间可切削加工性的比较图表。可切削加工性测 试过程的详细论述见H.Rodrigues，“Sintered Valve Seat Inserts and Valve Guides： Factors Affecting Design，Performance，and Machinability，”Proceedings of the International Symposium on Valvetrain System and Design Materials，(1997)。

对这些附图的仔细研究，显示了利用本发明所获得的所希望的性能的改 善。即便在高温下持续很长一段时间，本发明也提供了良好的耐磨性。

下述实施例对本发明作了说明，但并不仅仅限于这些实施例。

实施例1：

采用下述组成的粉末在对顶锥形混合器里混合30分钟。混合物的构成为： 20％的阀钢粉末(例如23-8N或21-4N或21-2N牌号，可从OMG Americas购买 得到)，5％的可从Inco购买得到的镍，2％可从OMG Americas购买得到的铜， 10％的铁合金粉末(例如可从ShieldAlloy购买得到的铁钼粉末)，10％的工具 钢粉末(例如可从Powdrex购买得到的M系列工具钢粉末)，3％的固体润滑剂 (例如可从Hohman Plating购买得到的二硫化钼)，1％的可从Southwestern Graphite购买得到的石墨，1％的固体润滑剂(例如可从Millwhite购买得到的 粉末状水合硅酸镁或talc)，1％的可从Baychem购买得到的粉末状短效润滑剂 Acrawax C，余量为含0.85-1.5％钼的低合金钢粉末，可从Hoeganaes购买得到。 以千克计混合物组分的重量百分比为：

200kg-21-2N

50kg-镍

20kg-铜

10kg-M2工具钢粉末

30kg-MoS2

100kg-Fe-Mo

5kg-Acrawax C

10kg-Talc

580kg-低合金钼钢

然后将混合物压制到密度为6.8-7.0g/cm3。在90％的氮和余量氢组成的还 原气氛以及1149℃(2100°F)条件下烧结20-30分钟。烧结后在871℃(1600°F)和 渗碳能力为1.0的条件下渗碳2小时，再用油淬火。然后在427℃(800°F)和氮化 气氛下回火一个小时。

实施例2：

采用下述组成的粉末在对顶锥形混合器里混合30分钟。混合物的构成为： 20％的阀钢粉末(例如23-8N或21-4N或21-2N牌号，可从OMG Americas购买 得到)，5％的可从Inco购买得到的镍，2％可从OMG Americas购买得到的铜， 10％的铁合金粉末(例如可从ShieldAlloy购买得到的铁钼粉末)，10％的工具 钢粉末(例如可从Powdrex购买得到的M系列工具钢粉末)，3％的固体润滑剂 (例如可从Hohman Plating购买得到的二硫化钼)，1％的可从Southwestern Graphite购买得到的石墨，1％的固体润滑剂(可从Millwhite购买得到粉末状 水合硅酸镁或talc)，余量为含1.5％钼的低合金钢粉末，可从Hoeganaes购买得 到。

以千克计混合物组分的重量百分比为：

200kg-21-2N

50kg-镍

20kg-铜

10kg-M2工具钢粉末

30kg-MoS2

100kg-Fe-Mo

5kg-Acrawax C

10kg-Talc

580kg-低合金钼钢

然后将混合物压制到密度为6.8-7.0g/cm3并将Greenback 681粉末所制成的 铜块压制到密度为7.1-7.3g/cm3。渗入物放在零件上面，然后一起在90％的氮和 余量氢组成的还原气氛以及1149℃(2100°F)条件下烧结20-30分钟，以获得最 小密度为7.3g/cm3。烧结后，在871℃(1600°F)和渗碳能力为1.0的条件下渗碳2 小时，再用油淬火。然后在427℃(800°F)和氮化气氛下回火一个小时。

为阐明本发明原理的应用，已经详细显示并论述了本发明的具体实施例， 可以理解本发明可以被具体实施而不背离本发明原理。