粉末冶金新技術(shù)生產(chǎn)汽車噴油器壓塊

楊傳芳 王士平 杜敬

摘要：對汽車噴油器壓塊受力狀態(tài)及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，用粉末冶金成形、燒結(jié)新技術(shù)，成功研制出各項性能指標(biāo)均達(dá)到要求的汽車噴油器壓塊。結(jié)果顯示對于粉末冶金Fe-Ni-Mo-Cu-C合金材料，提高壓坯密度可以提高產(chǎn)品強(qiáng)度但提高有限，延長燒結(jié)時間，提高燒結(jié)溫度到1250℃，可以使Ni燒結(jié)基本達(dá)到均勻合金化，經(jīng)碳氮共滲熱處理后強(qiáng)度有顯著提升。調(diào)整Ni和Cu的配比可以控制產(chǎn)品燒結(jié)尺寸變化在所要求范圍，但對Fe-4Ni-Cu-0.5Mo-0.5C合金材料，Cu含量不宜超過2.5%。

Abstract： The stress state and product structure of automobile fuel injector pressure block are analyzed. The automobile fuel injector pressure block with various performance indexes meeting the requirements is successfully developed by using the new technology of powder metallurgy forming and sintering. The results show that for powder metallurgy Fe-Ni-Mo-Cu-C alloy material， increasing the compact density can improve the product strength， but the improvement is limited. Prolonging the sintering time and increasing the sintering temperature to 1250℃ can basically make Ni sintering achieve uniform alloying， and the strength is significantly improved after carbonitriding heat treatment. Adjusting the ratio of Ni and Cu can control the change of sintering size within the required range， but for Fe-4Ni-Cu-0.5Mo-0.5C alloy material， the Cu content should not exceed 2.5%.

關(guān)鍵詞：粉末冶金;汽車噴油器壓塊;面成形技術(shù);高溫?zé)Y(jié)

Key words： powder metallurgy;automobile fuel injector pressure block;surface forming technology;high temperature sintering

中圖分類號：TF125 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0060-04

0 ?引言

噴油器壓塊的作用是不用彎曲噴油器而實現(xiàn)高度和偏差補(bǔ)償，在壓緊噴油器時必須確保作用力均勻作用在軸向，這些力的傳遞應(yīng)該僅僅作用在設(shè)計的支撐表面上，彎曲和翹起或者公差引起的附加力會導(dǎo)致影響噴油器的性能不良。在壓緊塊上有3處支撐，為了使噴油器上的側(cè)向力和彎曲力達(dá)到最小，噴油器的支撐處必須為圓柱形線接觸，氣缸蓋的支撐處是球形點接觸，壓塊在球面的支撐處為錐形，球錐面接觸。圖1所示為一種輕卡噴油器壓塊，由圖1中可見，壓塊形狀復(fù)雜，上下面多為圓弧面，段差高，難分型，壓潰強(qiáng)度要求高，受力弧面形位公差要求高。通過對壓塊使用工況及受力要求分析，制定其粉末冶金研發(fā)路線為：選材-成形-燒結(jié)-熱處理-光飾-包裝。

1 ?研制過程

1.1 材料

圖1所示輕卡噴油器壓塊，硬度要求HRA68-80，壓潰強(qiáng)度要求大于75kN，根據(jù)此強(qiáng)度要求，參考以往經(jīng)驗，擬選材料配比見表1，其中Ni、Mo、Cu合金元素，通過擴(kuò)散粘結(jié)方式與Fe制成部分預(yù)合金粉，使其兼有純鐵粉的高壓縮性，燒結(jié)后還具有合金鋼粉的合金元素擴(kuò)散均勻的特性。石墨及潤滑劑與擴(kuò)散粘結(jié)部分預(yù)合金鐵粉用100kg雙錐型混料機(jī)混合均勻。采用五點取樣法，從混合料上中下左右不同位置取樣，用碳硫分析儀檢測碳含量，各處偏差均小于0.05%。

1.2 成形

1.2.1 模具設(shè)計

由圖1可見噴油器壓坯有多個異形面，且各臺階高度落差較大，工作球弧面面輪廓度要求較高，中孔上端面倒角為圓錐面，錐面要求較高，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，確定壓形模具結(jié)構(gòu)為上一下二結(jié)構(gòu)。為保證壓坯各臺階密度均勻，在中模上適當(dāng)打逃粉槽;利用粉末冶金面成形技術(shù)[1]，在上模沖面區(qū)位置用電極打出壓塊各弧面防形面，下模沖從R30球弧面處分沖，同樣用電極在下一沖和下二沖面區(qū)位置處用電極打出壓塊各弧面防形面，模具結(jié)構(gòu)見圖2。借鑒以往模具的選材經(jīng)驗，選擇具有優(yōu)異耐磨性和良好韌性的粉末高速鋼CPMV10來加工噴油嘴壓塊成形模具的上下模沖，中模、芯棒選用紅硬性好的硬質(zhì)合金YG15來加工。

1.2.2 調(diào)壓成形

在100噸機(jī)械壓機(jī)上進(jìn)行裝模，將按表1配比預(yù)混好的1#-4#粉料分別裝入加料盒，適當(dāng)調(diào)整中模加粉量，適當(dāng)調(diào)整下一模沖裝粉及浮動量，上模沖進(jìn)模腔位置及中模浮動量，保證壓坯各臺階密度均勻，隨著壓制壓力的提高，1#-4#粉壓坯密度也相應(yīng)提高，當(dāng)壓制噸位由35噸提高到65T時，壓坯密度由6.9g/cm3提高到7.2g/cm3，再提高壓制壓力，1#-4#粉壓坯密度基本沒有改善，達(dá)到了粉末冶金鐵基制品常規(guī)壓制的上限。

1.3 燒結(jié)

將噴油器壓坯平臺向下整齊擺放在燒結(jié)用瓷板上，放在燒結(jié)爐網(wǎng)帶上進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)保護(hù)氣氛為N2/H2 90/10，按三種燒結(jié)工藝（A工藝：1120℃，25min;B工藝：1120℃，50min;C工藝：1250℃，40min）分別進(jìn)行燒結(jié)。

1.4 熱處理

碳氮共滲熱處理工藝：豐東UBE-100熱處理爐，碳勢 0.65-0.7，溫度860℃/40分鐘，回火180℃/90分鐘，氣氛為甲醛、丙烷與氨分解氣混合氣，氨流量1-2L。

1.5 光飾與包裝

在螺旋振動研磨機(jī)內(nèi)，用8×8斜三角石子，產(chǎn)品跟磨料的體積比約為1：2（以振動機(jī)運轉(zhuǎn)中石子剛好湮沒零件為宜），拋光去除產(chǎn)品表面毛刺，時間30-35分鐘，經(jīng)網(wǎng)帶超聲波清洗機(jī)清洗去除產(chǎn)品表面油污后包裝。

2 ?測試結(jié)果與分析

噴油器壓塊四種配比粉料，按三種燒結(jié)工藝制成的成品性能測試結(jié)果見表2，部分尺寸與形位公差檢測結(jié)果見表3。密度用排水法檢測，硬度在洛氏硬度計上檢測（取五點平均值），壓潰強(qiáng)度在30噸萬能試驗機(jī)上按圖1所示方法進(jìn)行檢測，尺寸用千分尺檢測、形位公差用三坐標(biāo)檢測，取五個樣品平均值。用金相顯微鏡對噴油器壓塊中孔部位做金相分析，見圖3。

從表2和表3可以看出，1#和3#粉料密度相同（6.91-6.92g/cm3），燒結(jié)工藝相同（A工藝），熱處理表面硬度1#比3#低，但壓潰強(qiáng)度相對提升了20%，1#粉料相對于3#粉料尺寸縮小了3-4‰，形位公差基本差不多。從表1可知1#相對于3#，僅Ni含量從4%降到1.5%，Ni具有良好的淬透性，能有效的提高材料硬度、強(qiáng)度和韌性[2]，但Ni的擴(kuò)散速度很慢，在1120℃，20min燒結(jié)條件下，其擴(kuò)散機(jī)制主要為表面擴(kuò)散和晶界擴(kuò)散，體積擴(kuò)散非常有限，因此會在原始Ni顆粒的位置形成軟相富鎳奧氏體，從圖3金相圖（a）和（b）可以看出，3#-A的金相組織主要是馬氏體+少量的富鎳奧氏體，1#-A的金相組織是馬氏體+較多的富鎳奧氏體，組織內(nèi)富鎳奧氏體軟點較多，因此3#比1#表面硬度高而壓潰強(qiáng)度低。鎳可穩(wěn)定鐵的γ相區(qū)并穩(wěn)定奧氏體，鎳與鐵可互溶起到固溶強(qiáng)化作用，鐵鎳之間的互擴(kuò)散可增加鐵顆粒的燒結(jié)活性，由于鐵原子可以無限固溶于鎳晶格中，因此在燒結(jié)保溫期間，上述燒結(jié)強(qiáng)化過程可持繼進(jìn)行，最終使燒結(jié)體收縮率明顯增加[3]，因此相同工藝，1#比3#產(chǎn)品尺寸縮小。

從表2、表3可以看出，在1120℃，25min燒結(jié)條件下， 1#材料隨密度提高熱處理表面硬度和壓潰強(qiáng)度都有所提高，但壓潰強(qiáng)度提高有限遠(yuǎn)達(dá)不到噴油器壓塊所需強(qiáng)度75kN，而尺寸及形位公差由于壓制壓力的提高導(dǎo)致脫?；貜椩黾右约澳＞呤軌盒巫儯茧S著密度的增加而有所增加，但仍能滿足產(chǎn)品圖紙要求。1#材料，密度7.2g/cm3，在不同燒結(jié)工藝條件下，隨燒結(jié)時間的延長及燒結(jié)溫度的提高，熱處理表面硬度略有下降而壓潰強(qiáng)度確有明顯提高，在1250℃，40min分鐘燒結(jié)條件下，壓潰強(qiáng)度達(dá)到79.9kN，提升了近77.5%，熱處理表面硬度HRA70，完全滿足客戶圖紙要求，但產(chǎn)品尺寸縮小近3-5‰，寬度2甚至小于圖紙公差下限，形位公差變化不大仍能滿足圖紙要求。從圖3金相圖（b）、（c）、（f）可以看出，1120℃，25min燒結(jié)條件下1#材料組織為馬氏體+較多的富鎳奧氏體;1120℃，50min燒結(jié)條件下1#材料組織為馬氏體+少量的富鎳奧氏體;1250℃，40min燒結(jié)條件下1#材料組織為均勻的馬氏體。可見隨著燒結(jié)時間的延長和燒結(jié)溫度的提高，鎳的擴(kuò)散趨于良好，當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1250℃時，基本達(dá)到合金均勻化，熱處理后形成均勻的馬氏體，使材料的綜合力學(xué)性能達(dá)到最佳[4]。

從表1可知1#、2#、4#材料僅Cu含量從1.5%增加到3%，從表2可知1120℃，50min條件下燒結(jié)，三種材料的熱處理表面硬度隨Cu含量的增加而有所降低，但變化不大，壓潰強(qiáng)度呈下降趨勢，當(dāng)Cu含量增到3%時，壓潰強(qiáng)度有明顯下降。從表3可以看出隨Cu含量的增加，寬度1和寬度2尺寸都隨著增大，4#材料（3%Cu）相對于1#材料（1.5%Cu）尺寸漲了近5‰，形位公差均可控制在圖紙要求。Cu在粉末冶金燒結(jié)過程中可以形成瞬間液相，從而能更容易地擴(kuò)散到Fe顆粒中，有利于合金化元素均勻分布，能明顯起到沉淀強(qiáng)化的作用，銅形成液相后，首先滲透到鐵粉顆粒的間隙中和隨后滲透到鐵粉顆粒內(nèi)的晶界，且在原來銅粉位置留下一些微孔，故燒結(jié)體出現(xiàn)膨脹[5]。從圖3金相圖（c）、（d）、（e）可以看出1#-B組織主要是馬氏體+少量的富鎳奧氏體，2#-B和4#-B組織主要是馬氏體+少量的殘余奧氏體，且隨著Cu含量的增加，馬氏體數(shù)量隨著增多。Cu的增加一定程度上促進(jìn)了Ni擴(kuò)散的均勻化，使合金中馬氏體數(shù)量略有增加，但同時也導(dǎo)致合金中孔隙數(shù)量增加孔隙尺寸增大，馬氏體的增加不足以抵消孔隙數(shù)量增加引起的硬度降低，故硬度緩慢減小，強(qiáng)度也隨著降低。

從表2和表3可以看出，在1250℃，40min燒結(jié)條件下，2#材料熱處理表面硬度HRA69.5，壓潰強(qiáng)度77.7kN，雖比1#材料略有降低，仍能滿足圖紙要求。1#材料尺寸比2#偏小，寬度2尺寸甚至小于圖紙要求。從圖3金相（f）、（g）可以看出，1#-C和2#-C組織基本為均勻的馬氏體，說明在1250℃，40min燒結(jié)條件下，Ni擴(kuò)散均勻，基本達(dá)到合金均勻化，2#材料的硬度與壓潰強(qiáng)度略低可能還是因為Cu增加導(dǎo)致合金中孔隙數(shù)量增加孔隙尺寸增大所致。

綜上所述2#材料，壓坯密度7.2g/cm3，1250℃，40min燒結(jié)工藝制成的噴油器壓塊，熱處理表面硬度、壓潰強(qiáng)度、各項尺寸及形位公差均符合圖紙要求，經(jīng)送樣給客戶裝機(jī)驗證，完全達(dá)到客戶要求，現(xiàn)已開始批量生產(chǎn)。

3 ?結(jié)論

①利用粉末冶金面成形技術(shù)，合理設(shè)計模具結(jié)構(gòu)，用優(yōu)異耐磨性和良好韌性的粉末高速鋼CPMV10加工模沖，用Fe-4Ni-2.5Cu-0.5Mo-0.5C材料，壓坯密度7.2g/cm3，1250℃，40min燒結(jié)工藝經(jīng)碳氮共滲熱處理后成功研發(fā)出各項性能指標(biāo)均符合要求的汽車噴油器壓塊，經(jīng)客戶驗證完全達(dá)標(biāo)并成功量產(chǎn)。

②對于粉末冶金Fe-Ni-1.5Cu-0.5Mo-0.5C合金材料，密度6.91-6.92g/cm3，當(dāng)Ni含量從1.5%增加到4%時，在1120℃，25min燒結(jié)條件下，經(jīng)碳氮共滲熱處理后產(chǎn)品表面硬度由于富鎳奧氏體的增多而有所下降，但壓潰強(qiáng)度相對提升了近20%，尺寸相對縮小了近3-4‰。

③對于粉末冶金Fe-4Ni-1.5Cu-0.5Mo-0.5C合金材料，在1120℃，25min燒結(jié)條件下，適當(dāng)提高產(chǎn)品密度可以提高產(chǎn)品熱處理后表面硬度及壓潰強(qiáng)度，但提升有限，產(chǎn)品尺寸及形位公差隨密度增加由于壓制回彈的增加略有增加。通過改變燒結(jié)工藝，適當(dāng)延長燒結(jié)時間和提高燒結(jié)溫度，可以促進(jìn)Ni擴(kuò)散均勻，在1250℃，40min燒結(jié)條件下可以使其基本達(dá)到合金均勻化，經(jīng)碳氮共滲熱處理后形成均勻的馬氏體組織，從而使產(chǎn)品的硬度與強(qiáng)度達(dá)到最佳，產(chǎn)品壓潰強(qiáng)度相對提升了近77.5%，產(chǎn)品尺寸相對縮小了近3-5‰。

④對于粉末冶金Fe-4Ni-Cu-0.5Mo-0.5C合金材料，當(dāng)Cu含量由1.5%增加到3%時，密度7.19-7.21g/cm3，在1120℃，50min燒結(jié)條件下，經(jīng)碳氮共滲熱處理后產(chǎn)品表面硬度緩慢下降，壓潰強(qiáng)度也呈下降趨勢，當(dāng)Cu含量為3%時壓潰強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯下降。產(chǎn)品尺寸隨著銅含量的增加而增大，3%Cu時產(chǎn)品尺寸相對于1.5%Cu漲大了近5‰，當(dāng)模具已定，生產(chǎn)工藝基本確定時，可以通過調(diào)整Cu和Ni的配比來控制產(chǎn)品尺寸變化從而滿足產(chǎn)品圖紙尺寸要求，但對于Fe-4Ni-Cu-0.5Mo-0.5C合金材料，Cu的添加量不宜超過2.5%。

參考文獻(xiàn)：

[1]包四平，陳芳.面成型技術(shù)在粉末冶金機(jī)械零件設(shè)計開發(fā)中的應(yīng)用[J].粉末冶金工業(yè)，2020，30（3）：73-78.

[2]Bocchini G F， Rivolta B， Silva G， et al. Microstructural and mechanical characterisation of some sinter hardening alloys and coMParisons with heat treated PM steels[J]. Powder metallurgy， 2004， 47（4）： 343-351.

[3]繆炯.碳、銅、鎳含量對鐵基粉末冶金材料性能和尺寸變化的影響[J].粉末冶金工業(yè)，2005，15（3）;10-14.

[4]楊傳芳，王士平，杜敬.粉末冶金偏心大齒輪的研制[J].粉末冶金工業(yè)，2020，30（6）：28-33.

[5]周作平，申小平.粉末冶金機(jī)械零件實用技術(shù)[M].1版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.