發動機氣門導管粉末冶金孔隙研究

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摘要：粉末冶金產品用金屬粉末（或金屬粉末和非金屬粉末混合物）作為原料，經壓制和燒結，及后工序處理制成各種產品；是一種多孔性結構產品，對于內部微觀孔隙要求，本文以發動機粉末冶金氣門導管失效分析為引子，探討對粉末冶金氣門導管微觀孔隙的認知。

關鍵詞：氣門導管；粉末冶金；孔隙；孔隙率

1引言

粉末冶金技術日趨成熟，應用廣泛。汽車產品采用粉末冶金工藝，具備成本低廉、生產效率高、質量穩定等優勢。汽車發動機氣門座圈、氣門導管等產品已經大批量使用粉末冶金成型工藝，是一種成熟的工藝技術。本文通過一例氣門導管失效分析，研究粉末冶金孔隙形成原理、生產控制、優化必要性，通過實例數據分析，探討氣門導管內部微觀孔隙標準，為產品提供理論參考依據。

2問題提出

某型發動機臺架試驗故障，拆解后活塞及缸蓋燃燒室嚴重燒蝕，其中一件氣門導管斷裂。失效照片見圖1、圖2：斷裂氣門導管硬度、密度、金相、材料成分、尺寸等檢測數據合格；失效斷口掃描電鏡1000倍檢測，圖3斷口宏觀位置A區和B區現粉末冶金燒結頸[1]偏少，其中最大未燒結直徑達105um，未燒結位置見圖4、圖5黃色虛線框，簡稱孔隙。初步懷疑孔隙存在，降低了氣門導管強度，引起隱性裂紋，導致斷裂。

3粉末冶金孔隙形成原理及大小標準設定

查日本SMF系列、美國MPIF系列粉末冶金相關標準，并未明確產品內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及形成原理，主要與以下方面相關：①粉末冶金產品密度理論上粉末冶金產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。本文中發動機氣門導管密度標準是6.3-6.8g/cm3，足可見孔隙存在比率。工藝過程：混粉-壓制-燒結。孔隙形成與粉末顆粒大小、壓制力度/密度大小、燒結熔合等有關。無數細小金屬粉末經壓制、燒結得到產品，圖7、圖8是壓制、燒結過程圖示。圖7圖顯示，壓制前粉末因“拱橋效應”存在大孔洞，持續加壓后開始縮小，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，粉末燒結顆粒之間產生原子擴散、固溶、化合和熔焊，致使壓坯收縮并強化。部分孔隙被燒結熔合金屬、潤滑劑等填充，由于燒結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，最終產品仍存在孔隙（如圖中紅圈部位所示）。氣門導管生產檢測統計數據顯示。產品成型壓力機壓制后，當毛坯成型密度為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%。毛坯高溫燒結，基體發生充分擴散，孔隙球化，更多的連通孔隙被封閉形成封閉孔隙，燒結后產品的孔隙率在13～15%范圍；連通孔隙約占總孔隙面積的80～85%。因此，孔隙是粉末冶金產品固有特性，現行工藝無法徹底根除。③粉末冶金孔隙大小標準孔隙形成過程中，孔隙大小與粉末顆粒直徑大小、壓制過程、燒結融合等有關系。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），綜合考慮燒結融合，壓制顆粒干涉，不同直徑顆粒隨機結合，經驗數據顯示最大孔隙大小可控制在最大顆粒直徑≤ФDX80%。失效氣門導管孔隙大小，生產過程控制數據如下：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：為防止粉末結球，生產線混合室使用250um網篩對所有粉末進行篩選。2.生產過程微觀孔隙檢測根據幾何理論，最小孔隙為≤144um，綜合生產工藝，企業標準按≤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，孔隙數據見表1，藍色數據為最大孔隙：數據表明，孔隙大小控制符合設定要求，失效導管孔隙105um，也符合標準要求。孔隙無法避免，但孔隙大小可以控制在一定標準內。

4縮小孔隙大小方法及必要性

孔隙是粉末冶金產品固有特性，粉末冶金氣門導管縮小孔隙尺寸的方法、必要性。從上述分析數據得出：①縮小粉末冶金孔隙方法a使用更加細小粉末，更加嚴密的篩網，更好壓制模具等。b增大粉末壓制壓力，使粉末壓制更嚴實，產品密度更高。c研發特殊工藝（如粉末鍛造技術達到純鐵要求，實現產品無孔）。以上方法導致生產成本急劇上升，制造難度陡增，失去了粉末冶金成本優勢，可用鍛造、焊接等進行替代。②縮小氣門導管孔隙必要性根據氣門導管產品行業統計，正常情況下出現影響產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。行業暫沒有方法的控制缺陷發生，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。氣門導管實際使用試驗和使用統計，當孔隙孔徑≤0.2mm時，對產品性能幾乎沒有影響；當孔隙孔徑＞0.2mm，且出現在工作面上時，會局部影響產品的性能。考慮制造成本、難度，失效概率及探測難度，進一步縮小氣門導管孔隙要求無緊迫的必要性。

5結語

關于發動機粉末冶金氣門導管產品孔隙問題分析，得出如下觀點：1.粉末冶金產品制造原理，氣門導管內部存在孔隙無法避免。2.考核氣門導管產品指標應為硬度、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顆及以上未燒結粉末顆粒，類似“拱橋效應”未破壞，需判定其對失效影響。4.現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.氣門導管內部孔隙≤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管同行參考，共同提升產品制造質量。

參考文獻：

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

[2]《粉末冶金結構材料學》作者徐潤澤編著1998年中南工業大學出版社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