ЛЕГКО ПОДДАЮЩИЙСЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ СПЕЧЕННЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА ДЛЯ ВСТАВНЫХ СЕДЕЛ КЛАПАНОВ Российский патент 2006 года по МПК C22C33/02 B22F5/00 

Уровень техники

Данное изобретение в основном относится к композициям спеченных сплавов на основе железа, используемым для изготовления вставных седел клапанов для двигателей внутреннего сгорания. Вставные седла клапанов (valve seat inserts, VSI) работают в чрезвычайно агрессивной среде. Для сплавов, используемых при изготовлении вставных седел клапанов, требуется стойкость к истиранию и/или адгезии, вызываемых поверхностью сопряженных с седлом клапана деталей, стойкость к размягчению и разрушению из-за высоких рабочих температур, а также стойкость к вызываемому коррозией разрушению, причиной которого являются продукты сгорания.

Вставные седла клапанов обрабатывают после их вставки в головку цилиндра. Стоимость механической обработки вставных седел клапанов составляет основную часть всех затрат на механическую обработку головок цилиндров. Это определяет основную проблему при разработке сплавов, из которых изготавливают вставные седла клапанов, поскольку фазы твердого материала, придающие сплаву износостойкость, также вызывают значительный износ режущих инструментов в процессе механической обработки.

Спеченные сплавы вытеснили литейные сплавы при изготовлении вставных седел клапанов в большинстве применяемых двигателей легковых автомобилей. Порошковая металлургия (прессование и спекание) представляет собой весьма привлекательный способ изготовления VSI благодаря гибкости этого метода при составлении сплавов, что делает возможным совместное существование сильно разнородных фаз, таких как карбиды, фазы мягкого феррита или перлита, твердый мартенсит, Cu-обогащенная фаза и т.д., а также возможности получения близкой к заданной формы изделия, что снижает затраты на механическую обработку.

Спеченные сплавы для вставных седел клапанов появились в результате потребности в более высокой удельной мощности двигателей внутреннего сгорания, что предполагает более высокие температурные и механические нагрузки, альтернативные виды топлива для уменьшения эмиссии и продления срока службы двигателя. Такие спеченные сплавы в основном относятся к четырем типам:

1) 100% инструментальная сталь,

2) матрица из чистого железа или низколегированного железа с добавлением частиц твердой фазы для повышения износостойкости,

3) высокоуглеродистая сталь с высоким содержанием хрома (>10 мас.%), и

4) сплавы на основе Со и Ni.

Эти материалы отвечают большинству требований долговечности (стойкости). Однако все они трудно поддаются механической обработке, несмотря на использование большого количества добавок, облегчающих механическую обработку.

Типы 1, 2 и 3 представляют собой материалы с высоким содержанием карбида. Патенты США №№6139599, 5859376, 6082317, 5895517 и другие описывают спеченные сплавы на основе железа, содержащие крупные твердые частицы, диспергированные в основной фазе перлита (5-100% перлита), плюс изолированные мелкие частицы карбидов и самосмазывающие соединения, применяемые для седел выхлопных клапанов.

Повышение количества и размеров частиц карбида в сплаве, хотя и повышает долговечность (стойкость), но наносит вред обработке (прессуемость и прочность сырой формовочной смеси) и механической обрабатываемости готовых вставных седел клапанов. Кроме того, прочность спеченного продукта существенно снижается, когда присутствуют частицы карбида или крупные твердые частицы.

Патент США №6139598 описывает материал для вставных седел клапанов с хорошим сочетанием прессуемости, высокотемпературной износостойкости и механической обрабатываемости. Смесь, используемая для получения такого материала, представляет собой комплексную смесь стального порошка, содержащего Cr и Ni (>20% Cr и <10% Ni), порошка Ni, Cu, порошка ферросплава, порошка инструментальной стали и порошка твердой смазки. Несмотря на то что такой материал может обеспечить значительное улучшение прессуемости и износостойкости, большое количество легирующих элементов определяет высокую стоимость материала (Ni, инструментальная сталь, обогащеннный Cr стальной порошок, ферросплавы).

Патент США №6082317 описывает материал для вставных седел клапанов, в котором твердые частицы на основе кобальта диспергированы в матрице сплава на основе железа. В сравнении с традиционными твердыми частицами (карбидами), твердые частицы на основе кобальта заявлены как менее абразивные, что обеспечивает меньший износ сопряженного клапана. Указано, что такой материал пригоден для тех применений, где требуется непосредственный контакт между металлическими поверхностями клапана и седла клапана, как при использовании в двигателях внутреннего сгорания. Несмотря на то что кобальтовые сплавы показывают хороший баланс свойств, цена Со делает такие сплавы чрезвычайно дорогостоящими для применения в автомобильной промышленности.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на преодоление недостатков, указанных выше, путем предоставления спрессованного и спеченного сплава с прекрасной механической обрабатываемостью и высокой температурной и износостойкостью.

Настоящее изобретение решает проблему механической обработки, предоставляя уникальную комбинацию высокопрочной низкоуглеродистой мартенситной матрицы, тонкодиспергированных карбидов, способствующих механической обработке добавок, и "сети" из Cu-обогащенной фазы, заполняющей поры. Количество твердых частиц, диспергированных в твердой мартенситной матрице, относительно небольшое, что снижает стоимость сплава.

В соответствии с настоящим изобретением упрочняющийся при спекании сплав имеет матрицу, содержащую: 2-5 мас.% Cr; 0-3 мас.% Мо; 0-2 мас.% Ni, остальное составляет Fe, которое предпочтительно полностью предварительно легировано этими элементами. Для улучшения износостойкости и температуростойкости добавляют 5-25 мас.% инструментальной стали и по меньшей мере одну из способствующих механической обработке добавок, выбранных из группы MnS, CaF₂ или MoS₂, в количестве 1-5 мас.%. Для существенного улучшения теплопроводности поры заполняют сплавом Cu в количестве 10-25 мас.%, добавляемой путем пропитки прессовки в процессе спекания. Пропитка медью также улучшает механическую обрабатываемость сплава.

Для лучшего понимания настоящего изобретения далее представлены основные свойства в сравнении со свойствами типичного материала вставных седел клапанов согласно предшествующему уровню техники. Состав порошковой смеси (композиции) для приведенных в качестве примера материалов представлен в Таблице 1, а свойства представлены в Таблице 2.

Таблица 1:
Состав порошковой смеси для приведенных в качестве примера материаловОпределение материалаFe или низколегированная сталь, мас.%Cu, мас.% или пропиткаИнструментальная сталь; мас.%С, мас.%, графитТвердая смазка, мас.%Новый материал89,25пропитка8,50,751,5Сплав А49,50Пропитка49,500,50,50Сплав В48,37-48,370,263

В Таблице 1 Fe представляет собой порошок основы, который используют в смеси и который является либо чисто железным порошком, либо порошком легированной стали. Порошок инструментальной стали представляет собой второй компонент смеси и его вводили в смесь в виде порошка инструментальной стали типа М2 или М3/2. Cu добавляют посредством пропитки прессовки в процессе спекания; графит и твердую смазку добавляют в смесь как порошкообразные элементы.

Все порошки смешивают с испаряемой смазкой, прессуют до 6,8 г/см³ и спекают при 1120°С (2050°F). Термообработку осуществляют после спекания путем отпуска на воздухе или в атмосфере азота при 550°С.

После обработки определяли критические свойства на типичных образцах каждого сплава. Механическую обрабатываемость определяли путем выполнения надрезов на лицевой стороне и врезания (plunge cutting) для 2000 вставных седел клапанов, изготовленных из приведенных в качестве примера материалов. Износ инструмента измеряли после каждых пятидесяти надрезов. Строили график износа в зависимости от количества надрезов и осуществляли анализ линейной регрессии. Угол наклона линии регрессии показывает скорость износа, и ее использовали в качестве критерия механической обрабатываемости. Кроме того, в конце каждого испытания способности к механической обработке измеряли глубину надреза на вставном седле по боковым кромкам надреза. Глубину надрезов также использовали в качестве показателя механической обрабатываемости испытываемых материалов.

Измерение износостойкости в условиях высоких температур осуществляли в устройстве для испытания износа в условиях высокотемпературного скольжения. Отшлифованные прямоугольные стержни из испытываемых материалов закрепляли и обеспечивали скольжение шара из оксида алюминия в обоих направлениях по отшлифованной ровной поверхности образцов. Испытываемые образцы поддерживали в ходе испытания при температуре 450°С. Глубина царапин была показателем износостойкости образца в этих условиях.

Высокотемпературную твердость измеряли при разных температурах образца, регистрируя по меньшей мере пять показаний при одной и той же температуре с усреднением результатов.

Значения теплопроводности рассчитывали путем умножения измеренных величин удельной теплоемкости, температуропроводности и плотности при заданной температуре.

В Таблице 2 представлены все свойства нового материала в сравнении с существующими материалами вставных седел клапанов, в состав которых входят в пять раз больше инструментальной стали. Материал по настоящему изобретению ("новый сплав") обрабатывается в 2,5-3,7 раза лучше, чем приведенные в качестве примера материалы, обладающие такой же износостойкостью при высоких температурах и с сопоставимой высокотемпературной твердостью.

Таблица 2:
Свойства приведенных в качестве примера материаловСвойствоНовый сплавМатериал А седла клапанаМатериал В седла клапанаПрессуемость (плотность до спекания при давлении 50 тонн/кв. дюйм (tsi), г/см³6,896,796,86Механическая обрабатываемостьСредняя скорость износа (мкм/надрез)8,31Е-57,00Е-44,19Е-3Средняя глубина надрезов от износа (мкм)3895142Износостойкость (средний объем надрезов от износа после испытания высокотемпературного износа), мм³6,292,716,51ТеплопроводностьВт·м^-1·K^-1 при КТ424632Вт·м^-1·K^-1 при 300°С414627Вт·м^-1·K^-1 при 500°С414423Высокотемпературная твердостьHR30N при КТ556649HR30N при 300°С506247HR30N при 500°С395841

С учетом того, что максимально ожидаемая рабочая температура для вставных седел выпускных клапанов составляет примерно 350°С, результаты, представленные в таблице 2, ясно показывают, что новый материал будет работать лучше, чем материал В седел клапанов, и почти так же хорошо, как материал А седел клапанов, при этом он демонстрирует значительно лучшую механическую обрабатываемость, чем материал А. Объединенный эффект механической обрабатываемости, стоимости, теплопроводности и износостойкости делает этот материал идеальной заменой дорогостоящих материалов, применяемых в двигателях, таких как материал вставных седел клапанов.

Очевидно, что возможны различные модификации и варианты настоящего изобретения с учетом приведенных выше указаний. Поэтому должно быть понятно, что в рамках объема прилагаемой формулы изобретения данное изобретение может быть осуществлено на практике иначе, чем это конкретно описано. Изобретение определяется формулой изобретения.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным сплавам на основе железа. Может использоваться для изготовления вставных седел клапанов для двигателей внутреннего сгорания. Упрочняемый при спекании порошковый материал для вставного седла клапана двигателя внутреннего сгорания получен из смеси, содержащей 75-90 мас.% упрочняемого при спекании порошка на основе железа, предварительно легированного 2-5 мас.% хрома, до 3 мас.% молибдена и до 2 мас.% никеля, порошок инструментальной стали и твердую смазку. При этом путем пропитки при спекании в него введена медь. Техническим результатом является повышение температурной износостойкости, улучшение механической обрабатываемости. 4 н. и 24 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Упрочняемый при спекании порошковый материал для вставного седла клапана двигателя внутреннего сгорания, полученный из смеси, содержащей порошок на основе железа, порошок инструментальной стали, твердую смазку и медь, отличающийся тем, что он получен из смеси, содержащей 75-90 мас.% упрочняемого при спекании порошка на основе железа, предварительно легированного 2-5 мас.% хрома, до 3 мас.% молибдена и до 2 мас.% никеля, а медь введена путем пропитки при спекании.2. Материал по п.1, отличающийся тем, что смесь содержит от 5 до 25 мас.% порошка инструментальной стали.3. Материал по п.1, отличающийся тем, что инструментальная сталь выбрана из группы, включающей инструментальную сталь М2 и М3/2.4. Материал по п.3, отличающийся тем, что инструментальная сталь представляет собой сталь М2.5. Материал по п.1, отличающийся тем, что в него введена медь в количестве 10-25 мас.% от массы смеси.6. Материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит 89 мас.% порошка на основе железа.7. Материал по п.2, отличающийся тем, что он содержит 8 мас.% порошка инструментальной стали М2.8. Материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит 3 мас.% твердой смазки.9. Материал по п.5, отличающийся тем, что в него введена медь в количестве 20 мас.% от массы смеси.10. Материал по п.1, отличающийся тем, что он получен из смеси, содержащей, мас.%:

Порошок на основе железа89Порошок инструментальной стали М28Твердая смазка3

а медь введена в количестве 20 мас.% от массы смеси.

Упрочняемый при спекании порошок на основе железа89Порошок инструментальной стали М28Твердая смазка3

а при спекании прессовку пропитывают медью в количестве 20 мас.% от массы смеси.