鋁合金發(fā)動機(jī)汽缸體用氮化硼粉末的研究

鋁合金發(fā)動機(jī)汽缸體用氮化硼粉末的研究

近年來，用同樣的方法生產(chǎn)的汽車零件量顯著增加。粉末冶金技術(shù)的一項(xiàng)優(yōu)勢是能夠制造近終形產(chǎn)品。然而,在一些場合,當(dāng)需要公差精密或零件的形貌特征用常規(guī)粉末冶金工藝(壓制與燒結(jié))無法制造時(shí),需要進(jìn)行某些切削加工。主軸承蓋就屬于這一類產(chǎn)品,供應(yīng)方和最終用戶都需要進(jìn)行一些切削加工。在供應(yīng)方現(xiàn)場需要進(jìn)行2項(xiàng)切削加工作業(yè):鏜孔(鉆孔)與磨削。較大的挑戰(zhàn)是,在最終用戶現(xiàn)場需要進(jìn)行在線雙-金屬材料(粉末冶金軸承蓋和發(fā)動機(jī)的鋁合金汽缸體)鉆孔作業(yè)。在第一次將鑄鐵軸承蓋轉(zhuǎn)換成粉末冶金軸承蓋時(shí),對這個(gè)重要的汽車零件已進(jìn)行了許多改進(jìn)與設(shè)計(jì)工作。此后,將幾種軸承蓋從鑄鐵件轉(zhuǎn)換成了粉末冶金件。為了使粉末冶金軸承蓋對最終用戶更有吸引力,下一步是使粉末冶金軸承蓋最佳化。為此,這項(xiàng)工作的焦點(diǎn)集中在,除了為支撐較高的發(fā)動機(jī)荷載所要求的必要強(qiáng)度和用粉末冶金法容易制造外,還要研發(fā)具有高水平切削性的廉價(jià)材料。研發(fā)是分幾步進(jìn)行的:選擇材料,切削性試驗(yàn),冶金評價(jià),靜態(tài)與疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)及制造工藝改進(jìn)。對軸承蓋的主要要求是,既要切削性優(yōu)異,又要疲勞強(qiáng)度較高。在研制階段考慮了幾種混合粉。如文獻(xiàn)所指出的,發(fā)現(xiàn)選擇的粉末冶金材料的切削性可與當(dāng)今用于制造零件的鑄鐵相比擬。將各種球鐵與鑄鐵零件轉(zhuǎn)換為最終形或近終形粉末冶金零件時(shí),采用這種材料可提高材料利用率,而且可消除或減少粗切削加工作業(yè)。另外,使粉末冶金零件生產(chǎn)方與最終用戶方比較容易進(jìn)行某些切削加工作業(yè)。最后的結(jié)果,對于供應(yīng)方與客戶方雙方是顯而易見的:大幅度節(jié)約。1燒結(jié)體強(qiáng)度的提高在對應(yīng)用的需要進(jìn)行考察之后,對研制的材料配方,選擇了ATOMET29M作為基本鐵粉牌號。圖1示添加0.5%MnS的ATOMET29和ATOMET29M的燒結(jié)體強(qiáng)度與用推力指數(shù)表示的切削性性狀。可以看出,ATOMET29M的切削加工性狀優(yōu)良,而且燒結(jié)體的強(qiáng)度仍可與添加MnS的ATOMET29相比較。ATOMET29M的切削性的改進(jìn),和1990年QMP開發(fā)的一種產(chǎn)品,即顆粒很細(xì)的六方氮化硼(BN)的存在相關(guān)。BN在低于1800℃的溫度下,于還原氣氛氣體中是惰性的。和大多數(shù)其他粉末冶金切削性強(qiáng)化劑相反,BN無毒性,從而對健康無害。另外,在燒結(jié)時(shí),不會產(chǎn)生任何排放物。BN在燒結(jié)零件中的存在產(chǎn)生了幾種有趣特性,這些特性都可增高切削加工效率。BN的六方片狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)很像石墨,這可促使形成有利于切削性的適用顯微組織,同時(shí)保持良好的燒結(jié)體強(qiáng)度。添加BN可防止刀具切削面在低碳鋼上擦傷,而且可減小切削高強(qiáng)度材料時(shí)刀具-切屑界面的摩擦。和其他切削性強(qiáng)化劑不同,燒結(jié)適當(dāng)時(shí),通過利用BN不但可改進(jìn)切削性,而且并不一定會減低燒結(jié)體的強(qiáng)度。這種意外的性狀,除ATOMET29M的BN含量低與制造工藝外,還和BN的化學(xué)性能相關(guān)。實(shí)際上,BN顆粒一般皆被封閉在鐵粉顆粒的孔隙中,因此,在燒結(jié)時(shí)它與顆粒間的界面是隔離的。雖然,燒結(jié)時(shí)BN不會擴(kuò)散到鐵中,但在冷卻時(shí)它會影響奧氏體的再結(jié)晶。BN以鐵素體促進(jìn)劑的作用而聞名,但在緩慢冷卻速率下可使之形成比率較高的鐵素體,因此燒結(jié)體的強(qiáng)度略微減低。這種作用是能預(yù)測的,而且,其和870℃與700℃間的冷卻速率直接相關(guān)。如同在圖2中所看到的,冷卻速率為100℃/min時(shí),BN的存在并不影響FC-0205材料的燒結(jié)體強(qiáng)度,但卻可減低30%的推力。冷卻速率較慢時(shí),燒結(jié)體的強(qiáng)度略微減小(于40℃/min下,減低5%),這可用鐵素體含量較高的顯微組織來說明。添加銅于以ATOMET29或ATOMET29M為基粉的混合粉中可增高粉末冶金零件的強(qiáng)度,而對切削性的性狀沒有重大影響。如同在關(guān)于含有以MnS作為切削強(qiáng)化劑的ATOMET29的圖3中所看到的,添加2%Cu時(shí),可顯著增高燒結(jié)體的強(qiáng)度,而推力指數(shù)幾乎沒有變化。實(shí)際上,為兼具高強(qiáng)度與良好切削性,最可取的是增加銅而不是碳的含量。可是,由于有BN存在,為進(jìn)一步改進(jìn)強(qiáng)度,而對切削性的影響又最小,在ATOMET29M配方中可采用較高的含碳量。2表面金屬性能的提高利用選擇的由ATOMET29M與2.0%Cu,0.6%石墨(相當(dāng)于燒結(jié)體含碳量的0.5%)組成的材料制造的軸承蓋,在發(fā)動機(jī)廠進(jìn)行的切削加工試驗(yàn)得到的結(jié)果良好,但卻因?yàn)樵趦赏葌?cè)面產(chǎn)生了一些微小裂紋(見圖4)而未能通過發(fā)動機(jī)試驗(yàn)。為提高強(qiáng)度,將含Cu量從2.0%增高到了2.5%,而將石墨含量從0.6%增高到了0.8%(這相當(dāng)于燒結(jié)體含碳量的0.65%)。由這個(gè)新的混合粉配方(以下,將之稱為“改性粉末-MP”)制成的材料強(qiáng)度較高,而切削性卻沒有顯著減低。生產(chǎn)工藝的改進(jìn)有助于材料的力學(xué)性能進(jìn)一步提高(以下,稱之為“改性粉末與工藝-MPP”)。零件生產(chǎn)工藝的改進(jìn)在于減低整個(gè)軸承蓋的密度梯度與顯微組織均一化,從而得到較高強(qiáng)度。表1示材料的靜態(tài)力學(xué)性能值。這些結(jié)果都是用在和軸承蓋相同的條件下制造的犬骨狀試件試驗(yàn)測定得到的。可以看出,由于銅與碳的含量增高,極限拉伸強(qiáng)度增高18%和屈服強(qiáng)度增高15%。通過進(jìn)一步改進(jìn)生產(chǎn)工藝參數(shù),極限拉伸強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度還能進(jìn)一步分別增高16%(共計(jì)37%)與17%(共計(jì)35%)。軸承蓋的顯微組織主要是珠光體-鐵素體。表2中列出了關(guān)于軸承蓋的一些冶金特性的測定值。典型顯微組織示于圖5。用起始粉末制造的軸承蓋的顯微組織從一端到另一端不均一。50%以上鐵素體位于心部,而且,在燒結(jié)時(shí)置于陶瓷板上一端(“底面”)鐵素體的含量較高。軸承蓋“底”端比“頂”端的冷卻速率慢。這可以說明在“底”端形成的先共析體鐵素體較多這個(gè)事實(shí)。如表2所示,硬度低,而且,從一端到另一端的變化大于25%。在用改性粉末制造軸承蓋的場合,觀察到了類似性狀,但范圍較小。此外,在燒結(jié)時(shí)置于陶瓷板上一端鐵素體含量較高(見圖5b),但硬度仍比由起始粉末制造的軸承蓋高(見表2)。由于混入粉末中的石墨含量較高,形成的珠光體較多。在心部和在“底”端表面形成的顯微組織幾乎沒有差別,但是,如圖5b所示,從“頂”端到“底”端仍然有一些差異。由于顯微組織的這種差異,從一端到另一端測定的硬度也不同。由“改性粉末與工藝”(MPP)制造的軸承蓋,其二端的顯微組織幾乎一樣,見圖5c。當(dāng)和由OP與MP制造的軸承蓋進(jìn)行比較時(shí),在軸承蓋“頂”端與“底”端幾乎都形成了一層全部為珠光體的顯微組織,而心部的鐵素體含量要少得多。如表2所示,二端表面與心部的硬度都較高。3試驗(yàn)結(jié)果考慮過用幾種材料制造軸承蓋。大范圍的切削試驗(yàn)表明,為這種應(yīng)用選擇的起始材料,其切削性和當(dāng)今用于軸承蓋的鑄造材料相似。用裝備儀表的鉆削裝置評價(jià)了起始材料與改性材料二者的切削性,這種裝置系由大功率加壓鉆床和能在切削過程中及時(shí)測定推力與扭矩二者的裝備組成。使用的切削刀具是經(jīng)發(fā)黑處理的高速鋼鉆頭,其螺旋角為118°。在試驗(yàn)前,鉆頭都進(jìn)行過標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)。這種方法是,在由FC-0205制造的密度為6.8g/cm3的盤上,于進(jìn)刀量0.12mm/r與切削速度2200r/min下,鉆2個(gè)深25.4mm的孔。為了試驗(yàn)合格,每1支鉆頭的推力與扭矩都必須位于20支鉆頭的平均計(jì)算植的±5%以內(nèi)。切削試驗(yàn)是在轉(zhuǎn)速2260r/min與進(jìn)刀量0.127mm/r下進(jìn)行的。為了加速試驗(yàn)沒有用冷卻劑,而是在軸承蓋上鉆了深19mm(0.75英寸)的孔。試驗(yàn)了由起始粉末與改性粉末2種材料制造的軸承蓋。推力與扭矩的測量結(jié)果總結(jié)于圖6中。如所示,改性粉末所需推力略高于起始粉末(約11%),而改性粉末所需平均扭矩稍低于起始粉末的平均值(約1.5%)。為了總結(jié)切削力(推力與扭矩)的作用,可用下式計(jì)算合力R:式中:F為推力,φ為螺旋角,M為扭矩,D為鉆頭直徑。圖7示用方程(1)計(jì)算的合力圖。如圖所示,改性粉末所需合力略高于起始粉末(約8%)?？墒?切削性的略微減低,在很大程度上為強(qiáng)度的增高所補(bǔ)償(見表1)。4拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果與分析為了評價(jià)軸承蓋的壓潰強(qiáng)度,從而證明材料與生產(chǎn)工藝改進(jìn)對強(qiáng)度的影響,設(shè)計(jì)與制造了圖8示的簡單裝置。將軸承蓋失效時(shí)的載荷作為壓潰強(qiáng)度。圖9的示圖總結(jié)了軸承蓋壓潰強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果。如圖所示,經(jīng)過對材料與生產(chǎn)工藝的改進(jìn),軸承蓋的強(qiáng)度在不斷地增高。為了進(jìn)一步比較軸承蓋的強(qiáng)度,設(shè)計(jì)了如圖10所示的簡單拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)夾具。如箭頭所示,施加于軸承蓋兩腿的拉伸載荷一直到失效為止。將失效載荷作為軸承蓋的拉伸強(qiáng)度予以記錄。圖10中還示出了這些試驗(yàn)結(jié)束后,得到的典型失效方式。這些試驗(yàn)結(jié)果都支持用MPP材料制造的軸承蓋看來似乎比由OP材料制造的軸承蓋強(qiáng)度高(約17%)這一事實(shí)。5u3000疲勞試驗(yàn)L6主軸承蓋在使用時(shí),其荷載對垂直軸的角度為10°。認(rèn)為該載荷是沿180°弧長均一分布。對每1只垂直螺栓施加的預(yù)加載扭矩為47lbf·ft(lbf·ft=4.45N×30.48cm)。為評價(jià)軸承蓋的疲勞強(qiáng)度,設(shè)計(jì)與制造了圖11所示的試驗(yàn)夾具。如圖所示,和在使用時(shí)一樣,施加的載荷對垂直軸的角度為10°,但載荷只是沿52.5°弧長分布。為了確保將試驗(yàn)載荷施加于軸承蓋,用4只螺栓取代2只螺栓,而且,預(yù)加載扭矩用60lbf·ft取代47lbf·ft施加于4只中的每只垂直螺栓上。試驗(yàn)是于室溫,在控制載荷下,于MTS伺服液壓機(jī)上,在由應(yīng)力比r=0組成的負(fù)載循環(huán)下進(jìn)行的。將在運(yùn)轉(zhuǎn)107個(gè)循環(huán)后,沒有出現(xiàn)任何裂紋跡象的試樣認(rèn)為是圓滿結(jié)束。用階梯法來確定疲勞極限。圖12示疲勞試驗(yàn)后,開裂的軸承蓋。用箭頭指出了一般開始出現(xiàn)裂紋的部位,而且裂紋在繼續(xù)向內(nèi)徑拱頂擴(kuò)展。在大多數(shù)試驗(yàn)中,完成107個(gè)循環(huán)后,在軸承蓋兩側(cè)都觀察到了長3.175～6.35mm的裂紋。圖13示采用階梯法的疲勞試驗(yàn)結(jié)果。表3中列出了計(jì)算的疲勞極限。如表所示,由OP材料制造的軸承蓋疲勞強(qiáng)度較低。如上所述,使用MP材料的同時(shí)改進(jìn)生產(chǎn)工藝(減低密度梯度與顯微組織較均一)時(shí),可獲得較高的疲勞強(qiáng)度(約44%),而且分散較小(4701bs替代6671bs)。如同已討論過的,對材料與生產(chǎn)工藝改進(jìn)后,靜態(tài)力學(xué)強(qiáng)度約可增高35%(見表1)。用這種方法制造的軸承蓋順利地通過了GM于140%使用載荷下進(jìn)行的悶頭(bulkhead)疲勞試驗(yàn)。此外,生產(chǎn)了數(shù)以百萬件計(jì)的這種軸承蓋。這些軸承蓋正在用于圖14示的4.2LL6載重汽車發(fā)動機(jī)中,4.2LL6發(fā)動機(jī)用于ChevroletTrailBrazer,GMCEnvoy,及BuickRainier。所有這些汽車都稱做中型SUV(運(yùn)動休旅車)。6對從鑄件制備工藝的改進(jìn)1)成功地開發(fā)了GML64.2L發(fā)動機(jī)的主軸承蓋。軸承蓋不但可滿足切削性和強(qiáng)度二者的要求,而且通過了于140%使用載荷下的發(fā)