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發(fā)動(dòng)機(jī)氣門導(dǎo)管粉末冶金孔隙研究

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發(fā)動(dòng)機(jī)氣門導(dǎo)管粉末冶金孔隙研究

摘要:粉末冶金產(chǎn)品用金屬粉末(或金屬粉末和非金屬粉末混合物)作為原料,經(jīng)壓制和燒結(jié),及后工序處理制成各種產(chǎn)品;是一種多孔性結(jié)構(gòu)產(chǎn)品,對(duì)于內(nèi)部微觀孔隙要求,本文以發(fā)動(dòng)機(jī)粉末冶金氣門導(dǎo)管失效分析為引子,探討對(duì)粉末冶金氣門導(dǎo)管微觀孔隙的認(rèn)知。

關(guān)鍵詞:氣門導(dǎo)管;粉末冶金;孔隙;孔隙率

1引言

粉末冶金技術(shù)日趨成熟,應(yīng)用廣泛。汽車產(chǎn)品采用粉末冶金工藝,具備成本低廉、生產(chǎn)效率高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)勢。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門座圈、氣門導(dǎo)管等產(chǎn)品已經(jīng)大批量使用粉末冶金成型工藝,是一種成熟的工藝技術(shù)。本文通過一例氣門導(dǎo)管失效分析,研究粉末冶金孔隙形成原理、生產(chǎn)控制、優(yōu)化必要性,通過實(shí)例數(shù)據(jù)分析,探討氣門導(dǎo)管內(nèi)部微觀孔隙標(biāo)準(zhǔn),為產(chǎn)品提供理論參考依據(jù)。

2問題提出

某型發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)故障,拆解后活塞及缸蓋燃燒室嚴(yán)重?zé)g,其中一件氣門導(dǎo)管斷裂。失效照片見圖1、圖2:斷裂氣門導(dǎo)管硬度、密度、金相、材料成分、尺寸等檢測數(shù)據(jù)合格;失效斷口掃描電鏡1000倍檢測,圖3斷口宏觀位置A區(qū)和B區(qū)現(xiàn)粉末冶金燒結(jié)頸[1]偏少,其中最大未燒結(jié)直徑達(dá)105um,未燒結(jié)位置見圖4、圖5黃色虛線框,簡稱孔隙。初步懷疑孔隙存在,降低了氣門導(dǎo)管強(qiáng)度,引起隱性裂紋,導(dǎo)致斷裂。

3粉末冶金孔隙形成原理及大小標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定

查日本SMF系列、美國MPIF系列粉末冶金相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),并未明確產(chǎn)品內(nèi)部微觀孔隙大小要求。分析孔隙大小影響,首要找找出孔隙的理論根據(jù)及形成原理,主要與以下方面相關(guān):①粉末冶金產(chǎn)品密度理論上粉末冶金產(chǎn)品密度能達(dá)純鐵密度7.87g/cm3,則孔隙消失。從圖6實(shí)驗(yàn)室壓力-密度試驗(yàn)曲線中看出,粉末冶金產(chǎn)品密度是無法達(dá)到純鐵要求的,且密度越大,單位密度增加需要壓力增加越大。本文中發(fā)動(dòng)機(jī)氣門導(dǎo)管密度標(biāo)準(zhǔn)是6.3-6.8g/cm3,足可見孔隙存在比率。工藝過程:混粉-壓制-燒結(jié)??紫缎纬膳c粉末顆粒大小、壓制力度/密度大小、燒結(jié)熔合等有關(guān)。無數(shù)細(xì)小金屬粉末經(jīng)壓制、燒結(jié)得到產(chǎn)品,圖7、圖8是壓制、燒結(jié)過程圖示。圖7圖顯示,壓制前粉末因“拱橋效應(yīng)”存在大孔洞,持續(xù)加壓后開始縮小,拱橋孔洞消失,但細(xì)小顆粒間間隙最終無法徹底消除,如圖中C圖所示。圖8顯示,粉末燒結(jié)顆粒之間產(chǎn)生原子擴(kuò)散、固溶、化合和熔焊,致使壓坯收縮并強(qiáng)化。部分孔隙被燒結(jié)熔合金屬、潤滑劑等填充,由于燒結(jié)溫度未達(dá)到金屬熔融溫度,無法將孔隙全部填充??紫渡俨糠殖錆M,大部分縮小,最終產(chǎn)品仍存在孔隙(如圖中紅圈部位所示)。氣門導(dǎo)管生產(chǎn)檢測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示。產(chǎn)品成型壓力機(jī)壓制后,當(dāng)毛坯成型密度為6.8g/cm3時(shí),孔隙率為12~13%,其中連通孔隙占總孔隙的90~95%,封閉孔隙占5~10%。毛坯高溫?zé)Y(jié),基體發(fā)生充分?jǐn)U散,孔隙球化,更多的連通孔隙被封閉形成封閉孔隙,燒結(jié)后產(chǎn)品的孔隙率在13~15%范圍;連通孔隙約占總孔隙面積的80~85%。因此,孔隙是粉末冶金產(chǎn)品固有特性,現(xiàn)行工藝無法徹底根除。③粉末冶金孔隙大小標(biāo)準(zhǔn)孔隙形成過程中,孔隙大小與粉末顆粒直徑大小、壓制過程、燒結(jié)融合等有關(guān)系。幾何理論上孔隙最大間隙為3個(gè)接觸顆粒接觸點(diǎn)直徑圓(如圖9中藍(lán)色圓直徑),綜合考慮燒結(jié)融合,壓制顆粒干涉,不同直徑顆粒隨機(jī)結(jié)合,經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示最大孔隙大小可控制在最大顆粒直徑≤ФDX80%。失效氣門導(dǎo)管孔隙大小,生產(chǎn)過程控制數(shù)據(jù)如下:1.粉末顆粒大小控制1.1原粉粒度控制:原粉末80%以上粒度直徑<150μm;直徑在150~212μm粒度≤12%;微量元素粒度直徑在212~250μm之間。1.2篩粉:為防止粉末結(jié)球,生產(chǎn)線混合室使用250um網(wǎng)篩對(duì)所有粉末進(jìn)行篩選。2.生產(chǎn)過程微觀孔隙檢測根據(jù)幾何理論,最小孔隙為≤144um,綜合生產(chǎn)工藝,企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)按≤200um。每抽查批次成品各10件,對(duì)斷口截面1000倍掃描電鏡觀察斷口,孔隙數(shù)據(jù)見表1,藍(lán)色數(shù)據(jù)為最大孔隙:數(shù)據(jù)表明,孔隙大小控制符合設(shè)定要求,失效導(dǎo)管孔隙105um,也符合標(biāo)準(zhǔn)要求。孔隙無法避免,但孔隙大小可以控制在一定標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。

4縮小孔隙大小方法及必要性

孔隙是粉末冶金產(chǎn)品固有特性,粉末冶金氣門導(dǎo)管縮小孔隙尺寸的方法、必要性。從上述分析數(shù)據(jù)得出:①縮小粉末冶金孔隙方法a使用更加細(xì)小粉末,更加嚴(yán)密的篩網(wǎng),更好壓制模具等。b增大粉末壓制壓力,使粉末壓制更嚴(yán)實(shí),產(chǎn)品密度更高。c研發(fā)特殊工藝(如粉末鍛造技術(shù)達(dá)到純鐵要求,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品無孔)。以上方法導(dǎo)致生產(chǎn)成本急劇上升,制造難度陡增,失去了粉末冶金成本優(yōu)勢,可用鍛造、焊接等進(jìn)行替代。②縮小氣門導(dǎo)管孔隙必要性根據(jù)氣門導(dǎo)管產(chǎn)品行業(yè)統(tǒng)計(jì),正常情況下出現(xiàn)影響產(chǎn)品使用性能孔隙概率約為0.0003至0.0007,每十萬件中可能有30-70件不良品。行業(yè)暫沒有方法的控制缺陷發(fā)生,孔隙檢測也僅限于破壞性電鏡掃描檢測,且破壞位置未能保證一定在最大孔隙位置。氣門導(dǎo)管實(shí)際使用試驗(yàn)和使用統(tǒng)計(jì),當(dāng)孔隙孔徑≤0.2mm時(shí),對(duì)產(chǎn)品性能幾乎沒有影響;當(dāng)孔隙孔徑>0.2mm,且出現(xiàn)在工作面上時(shí),會(huì)局部影響產(chǎn)品的性能??紤]制造成本、難度,失效概率及探測難度,進(jìn)一步縮小氣門導(dǎo)管孔隙要求無緊迫的必要性。

5結(jié)語

關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)粉末冶金氣門導(dǎo)管產(chǎn)品孔隙問題分析,得出如下觀點(diǎn):1.粉末冶金產(chǎn)品制造原理,氣門導(dǎo)管內(nèi)部存在孔隙無法避免。2.考核氣門導(dǎo)管產(chǎn)品指標(biāo)應(yīng)為硬度、密度、金相、材料成分、尺寸等為主,微孔隙僅做輔助評(píng)價(jià)。3.失效斷面如有4顆及以上未燒結(jié)粉末顆粒,類似“拱橋效應(yīng)”未破壞,需判定其對(duì)失效影響。4.現(xiàn)行粉末冶金工藝水平,縮小孔隙大小增加制造成本,除特殊要求外沒有太大必要性。5.氣門導(dǎo)管內(nèi)部孔隙≤0.2mm要求是符合使用要求及制造水平要求。以上觀點(diǎn)供粉末冶金氣門導(dǎo)管同行參考,共同提升產(chǎn)品制造質(zhì)量。

參考文獻(xiàn):

[1]《粉末冶金材料》作者易健宏編2016年中南大學(xué)出版社ISBN:9787548723646.

[2]《粉末冶金結(jié)構(gòu)材料學(xué)》作者徐潤澤編著1998年中南工業(yè)大學(xué)出版社ISBN:7810611585.

作者:龐世松 單位:柳州上汽汽車變速器有限公司柳東分公司