發(fā)動機氣門導(dǎo)管粉末冶金孔隙研究

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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，對于內(nèi)部微觀孔隙要求，本文以發(fā)動機粉末冶金氣門導(dǎo)管失效分析為引子，探討對粉末冶金氣門導(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)動機氣門座圈、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)動機臺架試驗故障，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)品密度能達純鐵密度7.87g/cm3,則孔隙消失。從圖6實驗室壓力-密度試驗曲線中看出，粉末冶金產(chǎn)品密度是無法達到純鐵要求的，且密度越大，單位密度增加需要壓力增加越大。本文中發(fā)動機氣門導(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)。孔隙形成與粉末顆粒大小、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)生原子擴散、固溶、化合和熔焊，致使壓坯收縮并強化。部分孔隙被燒結(jié)熔合金屬、潤滑劑等填充，由于燒結(jié)溫度未達到金屬熔融溫度，無法將孔隙全部填充。孔隙少部分充滿，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)計數(shù)據(jù)顯示。產(chǎn)品成型壓力機壓制后，當(dāng)毛坯成型密度為6.8g/cm3時，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個接觸顆粒接觸點直徑圓（如圖9中藍色圓直徑），綜合考慮燒結(jié)融合，壓制顆粒干涉，不同直徑顆粒隨機結(jié)合，經(jīng)驗數(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)篩對所有粉末進行篩選。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，對斷口截面1000倍掃描電鏡觀察斷口，孔隙數(shù)據(jù)見表1，藍色數(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?？紫稛o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，產(chǎn)品密度更高。c研發(fā)特殊工藝（如粉末鍛造技術(shù)達到純鐵要求，實現(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，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)管實際使用試驗和使用統(tǒng)計，當(dāng)孔隙孔徑≤0.2mm時，對產(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，會局部影響產(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)動機粉末冶金氣門導(dǎo)管產(chǎn)品孔隙問題分析，得出如下觀點：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，微孔隙僅做輔助評價。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：

[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