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无铅汽油发动机双层排气阀座圈的设计及研制

作　者: 杨勇彬
导　师: 高家诚
学　校: 重庆大学
专　业: 材料科学
关键词: 粉末冶金材料设计阀座圈磨损双层复合发动机
分类号: TK413
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

发动机的排气阀座工作条件十分恶劣。工作温度一般高达300～700℃，同时燃烧废气具有强腐蚀性。燃料改用无铅汽油以后，阀座部分必须用特种材料制造的镶圈来补强，这种镶圈就是通常所谓的阀座圈。本文采用正交试验方法制备了适用于无铅汽油发动机的双层排气阀座圈。研究了各种合金元素的添加、孔隙率和显微组织对阀座圈工作性能的影响；讨论了双层阀座圈工作层与非工作层之间的匹配；分析了双层阀座圈在成本上的优势。通过适当的工艺控制，得到了耐磨性能优越以及整体匹配良好的适于无铅汽油发动机的双层阀座圈。在分解氨气氛烧结条件下，烧结温度1110℃，烧结时间3.5小时；压坯密度不低于6.8g/cm3；烧结件的压溃强度不低于450MPa。正交试验结果表明，预混粉末成分为（%）：Fe-2Mo-1Co-2Ni-7Cu-1.5C时，阀座圈材料的室温硬度达到最大值97.3HRB。此时的压溃强度值为572.0MPa，密度6.65g/cm3。试样在温度700℃、转速1600r/min、时间8小时的条件下进行了模拟磨损试验。结果表明在本试验条件下，采用预混粉制备的阀座圈磨损量（下沉量）为0.135mm，高于厂方提出的磨损量0.20mm的要求。组织观察表明，碳含量较低的试样中主要是硬度不高的铁素体以及少量的珠光体；而碳含量较高的试样中则主要是珠光体以及各种合金碳化物。作者进一步分析了各种合金元素对阀座圈性能的影响，并且讨论了组织对于阀座圈磨损性能的作用；研究了双层阀座圈双层间热学性能上的匹配；具体计算了双层阀座圈在经济上的优越性。为了进一步提高阀座圈的性能，本文在最优预混粉的基础上采用了预合金粉（%）：Fe-3.58Mo-5.0Co-3.79Cr-1.40Ni-0.5MnS-1.1C。由于提高了材料中Co的含量以及添加了耐磨性能良好的元素Cr等。使试样的室温硬度达98.7HRB，密度6.95g/cm3，压溃强度884.2MPa。X-ray衍射分析表明，试样中存在一些合金碳化物和金属间化合物。在模拟磨损试验中，磨损量（下沉量）为0.055mm，这远远超过了0.20mm的要求，也比预混粉末试样性能要好。这说明在提高阀座圈高温耐磨损上，Co与Cr的作用是十分显著的。对预合金样的台架试验和装车试验表明，阀座圈在试验过程中未出现异常现象，拆机后检测磨损正常，通过了可靠性试验。现已批量生产，获得了显著的经济效益。

全文目录

中文摘要  4-5
英文摘要  5-8
1 前言  8-12
  1．1 本课题研究的意义  8
  1．2 本课题研究的目标及内容  8-9
  1．3 本课题研究思路  9-12
2 文献综述  12-26
  2．1 粉末冶金发展概况  12-15
    2．1．1 粉末冶金发展动向  12-14
    2．1．2 现代粉末冶金发展的战略意义  14-15
  2．2 粉末冶金阀座圈的研究现状  15-26
    2．2．1 阀座材料的失效形式及其影响因素  15-19
    2．2．2 对阀座材料提出的技术要求  19-20
    2．2．3 已开发的粉末冶金阀座圈合金  20-26
3 设计概论  26-40
  3．1 材料设计  26-28
    3．1．1 材料设计的组成  26-27
    3．1．2 材料设计的方法  27
    3．1．3 模型的建立  27-28
  3．2 工艺设计  28-36
    3．2．1 压制过程的基本规律  28-32
    3．2．2 烧结理论  32-36
  3．3 模具设计  36-40
    3．3．1 粉末冶金模具设计的基本原则  36-37
    3．3．2 阀座圈压模零件尺寸的计算  37-40
4 实验原料及方法  40-48
  4．1 试验设备  40
  4．2 试验原料  40-41
  4．3 试验方法  41-48
    4．3．1 双层阀座圈的制作工艺  41-42
    4．3．2 粉末性能的测定  42-44
    4．3．3 双层阀座圈的制备  44
    4．3．4 阀座材料物理力学性能的测定  44-47
    4．3．5 组织观察与摄影  47-48
5 试验结果  48-56
  5．1 阀座材料成分的选择  48-50
  5．2 物理及力学性能测试结果  50-52
    5．2．1 密度及孔隙率  50-51
    5．2．2 压溃强度  51
    5．2．3 磨损试验结果  51-52
    5．2．4 热疲劳试验结果  52
  5．3 组织观察  52-56
6 分析讨论  56-69
  6．1 阀座材料成分的探讨  56-59
    6．1．1 铁基材料中添加合金元素的特性  56
    6．1．2 合金元素的选择  56-59
  6．2 孔隙对性能的影响  59-61
    6．2．1 孔隙度对材料机械性能的影响  59-61
    6．2．2 孔隙度对材料磨损特性的影响  61
  6．3 双层间的匹配  61-62
  6．4 阀座圈磨损性能的研究  62-67
    6．4．1 组织对阀座圈耐磨性能的影响  62-64
    6．4．2 硬度对耐磨性能的影响  64-65
    6．4．3 成分对耐磨性能的影响  65-67
  6．5 双层阀座圈的成本分析  67-69
7 应用试验  69-73
  7．1 结果及分析  69-72
  7．2 台架及装车试验  72-73
8 结论  73-74
致谢  74-75
参考文献  75-78
附件1：在攻读硕士学位期间已发表的论文  78-79
附件2：双层阀座圈模具图  79-86

无铅汽油发动机双层排气阀座圈的设计及研制

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