多元多層納米膜粉末冶金氣門座及其製備方法與流程
2023-07-03 20:42:57
本發明屬於冶金技術領域，將予合金化粉末進行壓制、燒結、機械加工和多弧離子鍍膜，製得汽車零部件的冶金領域。
背景技術：
氣門座是汽車發動機配氣機構中的重要部件，它與氣門組成一對重要密封磨擦付，發動機工作時，氣門座受到氣門衝擊，高溫（530～870℃）燃燒氣體的衝刷、腐蝕、以及燃燒產物、空氣中灰塵的磨損，另外還受到熱冷應力交替作用，它極易產生變形、燒損，甚至斷裂，因此不但要求氣門座材料耐磨、耐腐蝕、抗高溫，還要求一定徑向壓潰強度。
發動機氣門和氣門座處於嚴酷的熱力，化學和機械力狀況下工作，其承受著高應力（發動機最高燃燒壓力可達20MPa）、高工作溫度（氣門頭低平面中心達870℃）和腐蝕環境（高溫燃氣侵蝕、硫化、V2O5）腐蝕和氧化作用。
根據上述氣門座的工作環境，為保證其工作可靠性和使用壽命，在不同的工作環境和燃用不同燃料的情況下，必須儘快開發研究新材料和新工藝。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種多元多層納米膜粉末冶金氣門座及其製備方法，本發明大大提高了基材的表面顯微硬度，膜的緻密度高，強度和耐磨性能好，且可大幅度延長使用壽命。
本發明的第一個目的是是通過以下技術方案實現的，實現本發明的技術解決方案：應用多弧離子鍍（AIP）設備，將爐內溫度限於小於300℃的工作條件下，採用《多弧離子鍍多層納米膜製備技術》，在氣門座表面生成由氮化鉻和氮化鈦相間層疊而成的多元多層納米膜（11-12層）形成的耐磨層。
本發明所應用的多弧離子鍍（AIP）設備，為中科院力學所研製。該設備可製備單層膜（TiN、CrN）、複合膜（TiCr）N、（TiAI）N或多層膜（TiN-CrN），具有12個靶位，並採用計算機控制系統（PLC+I控機），轉速可平衡調節的工件轉動系統，以及過濾陰極電弧工作方式，以保證塗層細密、均勻，將「多弧離子鍍多層納米膜製備技術」應用到氣門座上，系物理氣相沉積技術：集電子物理、材料、真空控制技術於一體的高新技術。
本發明的第二個目的是通過以下技術方案實現的，多元多層納米膜粉末冶金氣門座的製備方法，包括以下步驟：
①首先選擇經過高壓水霧化低合金粉末為基礎粉末，再添加合金粉，經過混料機40-50分鐘混合均勻，在自動粉末成型機上進行壓製成型；
②將壓製成型的氣門座生坯置入推桿式燒結爐，在氨分解氣氛中進行燒結，燒結溫度1100-1500℃，燒結時間50-60分鐘；採用銅溶浸工藝，使燒結坯密度≥7.6g/㎝3，燒結坯硬度HRC≥35；所述燒結坯包括以下組分：C 0.8-1.2wt%，Cr 4.0-6.0wt%，Mo 5.0-7.0wt%，Ni 1.0-2.0wt%，Co 0.2-0.5wt%，Cu 12-30wt%，納米Fe 0.1-0.3wt%，餘量為Fe；
③將經過金屬切削加工氣門座燒結坯置入多弧離子鍍AIP設備進行塗層處理，將爐內溫度控制在100-300℃，陰極材料採用鈦、鉻、鈷或釩金屬，反應氣體為氮氣和碳氫化合物氣體，真空室接地作陽極，真空室內採用真空弧光放電，在陰極材料表面產生多弧光輝點，使陰極材料蒸發，形成原子和離子；在電場作用下，原子和離子高速轟擊氣門座工作表面，與此同時，高真空室通入反應氣體，即可在氣門座工作表面生成多元多層納米膜塗層。
優選的，所述多元多層納米膜粉末冶金氣門座納米膜表面顯微硬度，即HV（0.050）為1100-2500，納米膜總厚4-6um，納米膜共計11-12層，納米膜基結合力：≥30N。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
（1）塗層TiN和CrN膜層交替生成（至少11層，也可以為雙數層），膜層總厚度可達4-6um,大大提高了基材的表面顯微硬度，其磨損量在各種溫度下，可遠遠低於現有技術的磨損量。
（2）塗層結構採用多元多層納米級薄膜層—層間及膜—基間有很高的結合力。
（3）設計多層納米級薄膜最外層為氮化鉻膜層。經研究和實驗表明，其摩擦係數在低溫時略高於現有技術的摩擦係數，而在高溫下低於現有技術的摩擦係數，對於粉末冶金氣門座所處工況條件，具有十分重要意義。
（4）多弧離子鍍工作原理如下：有空室接地作陽極，弧電源是具有徒降伏—安特性的低電壓，大電流電源。在真空室內採用真空弧光放電技術，在陰材料表面產生許多弧光輝點，使陰極材料蒸發，形成原子和離子。在電場作用下，原子和離子轟擊表面，與此同時高真空室通入反應氣體，即可在工作表面生成性能優良的塗層。陰極材料（也稱靶材）一般採用鈦、鉻、鋯、鈷、鋁、釩等金屬，通常反應氣體為氮氣和碳氫化合物氣體。多弧型離子沉積除具有離子沉積的特點外，還有其獨特之處。電弧蒸發無熔池的特點，靶可任意放在真空室內任何位置，使其能量的粒子呈多方向運動，大大簡化了夾具，塗層的均勻性得到保證。入射粒子能量高，膜的緻密度高，強度和耐磨性能好。工件與膜面有原子擴散，因而膜的附著力高。離化率高，又高達80%以上。鍍膜速率高。
附圖說明
圖1是多弧離子鍍原理圖；
圖2是本發明製得的01號氣門座11層多層膜形貌圖；
圖3是本發明製得的02號氣門座11層多層膜形貌圖；
圖4是本發明製得的01號氣門座12層多層膜形貌圖；
圖5是本發明製得的02號氣門座12層多層膜形貌圖。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明做進一步詳細描述：
實施例：
一種多元多層納米膜粉末冶金氣門座，將爐內溫度限於小於300℃的工作條件下，應用多弧離子鍍設備，採用《多弧離子鍍多層納米膜製備技術》，在粉末冶金氣門座表面生成由氮化鉻、氮化鈦相間層疊而成的多元多層納米膜（11-12層）形成的耐磨層。多弧離子鍍設備工作原理見圖1。
（1）本發明專利產品經揚州市產品質量監督所檢測，技術指標符合企業標準Q/321081JQ19001和主品圖樣要求。
（2）本發明專利產品通過瀋陽博龍汽車部件製造有限公司生產的4G6汽油發動機（額定轉速5000r/min，最大功率99KW）配套使用，通過500小時全速全負荷臺架試驗。
用戶意見如下：本發明專利技術生產的4G6粉末冶金氣門座在我公司已通過各項性能試驗，試驗認可，性能指標達到設計要求，可以投入批量生產。
（3）本發明專利產品多元多層納米膜的形貌和厚度採用（日）S-450型掃描電子顯微鏡觀察多元多層納米膜的形貌。圖2-圖5是CrN –TiN- CrN多元多層納米膜的形貌圖，分為11層和12層二種，其中11層的多元多層納米膜存度為4-5.2μm，12層的多元多層納米膜存度為4-6μm。由圖2-5可見，膜層之間結合緻密，塗層與基體間結合良好。採用X射線衍射儀測定多元多層納米膜的組成相。相分析結果表明：在氣門座生成多元多層納米膜，其表面層的組成相相同。
產品薄膜多層化及添加其它合金元素，其特點為具有優良的結合強度、表面硬度、耐磨性和抗高溫抗氧化性能。產品的主要用途：為汽車發動機（汽油機、柴油機）及摩託車、工程車發動機配套。與有技術產品相比，具有節能、環保等功能，且可大幅度延長使用壽命，是一種新型節能環保產品。