发动机气门导管粉末冶金孔隙研究

摘要：粉末冶金产品用金属粉末（或金属粉末和非金属粉末混合物）作为原料，经压制和烧结，及后工序处理制成各种产品；是一种多孔性结构产品，对于内部微观孔隙要求，本文以发动机粉末冶金气门导管失效分析为引子，探讨对粉末冶金气门导管微观孔隙的认知。

关键词：气门导管；粉末冶金；孔隙；孔隙率

1引言

粉末冶金技术日趋成熟，应用广泛。汽车产品采用粉末冶金工艺，具备成本低廉、生产效率高、质量稳定等优势。汽车发动机气门座圈、气门导管等产品已经大批量使用粉末冶金成型工艺，是一种成熟的工艺技术。本文通过一例气门导管失效分析，研究粉末冶金孔隙形成原理、生产控制、优化必要性，通过实例数据分析，探讨气门导管内部微观孔隙标准，为产品提供理论参考依据。

2问题提出

某型发动机台架试验故障，拆解后活塞及缸盖燃烧室严重烧蚀，其中一件气门导管断裂。失效照片见图1、图2：断裂气门导管硬度、密度、金相、材料成分、尺寸等检测数据合格；失效断口扫描电镜1000倍检测，图3断口宏观位置A区和B区现粉末冶金烧结颈[1]偏少，其中最大未烧结直径达105um，未烧结位置见图4、图5黄色虚线框，简称孔隙。初步怀疑孔隙存在，降低了气门导管强度，引起隐性裂纹，导致断裂。

3粉末冶金孔隙形成原理及大小标准设定

查日本SMF系列、美国MPIF系列粉末冶金相关标准，并未明确产品内部微观孔隙大小要求。分析孔隙大小影响，首要找找出孔隙的理论根据及形成原理，主要与以下方面相关：①粉末冶金产品密度理论上粉末冶金产品密度能达纯铁密度7.87g/cm3,则孔隙消失。从图6实验室压力-密度试验曲线中看出，粉末冶金产品密度是无法达到纯铁要求的，且密度越大，单位密度增加需要压力增加越大。本文中发动机气门导管密度标准是6.3-6.8g/cm3，足可见孔隙存在比率。工艺过程：混粉-压制-烧结。孔隙形成与粉末颗粒大小、压制力度/密度大小、烧结熔合等有关。无数细小金属粉末经压制、烧结得到产品，图7、图8是压制、烧结过程图示。图7图显示，压制前粉末因“拱桥效应”存在大孔洞，持续加压后开始缩小，拱桥孔洞消失，但细小颗粒间间隙最终无法彻底消除，如图中C图所示。图8显示，粉末烧结颗粒之间产生原子扩散、固溶、化合和熔焊，致使压坯收缩并强化。部分孔隙被烧结熔合金属、润滑剂等填充，由于烧结温度未达到金属熔融温度，无法将孔隙全部填充。孔隙少部分充满，大部分缩小，最终产品仍存在孔隙（如图中红圈部位所示）。气门导管生产检测统计数据显示。产品成型压力机压制后，当毛坯成型密度为6.8g/cm3时，孔隙率为12～13%，其中连通孔隙占总孔隙的90～95%，封闭孔隙占5～10%。毛坯高温烧结，基体发生充分扩散，孔隙球化，更多的连通孔隙被封闭形成封闭孔隙，烧结后产品的孔隙率在13～15%范围；连通孔隙约占总孔隙面积的80～85%。因此，孔隙是粉末冶金产品固有特性，现行工艺无法彻底根除。③粉末冶金孔隙大小标准孔隙形成过程中，孔隙大小与粉末颗粒直径大小、压制过程、烧结融合等有关系。几何理论上孔隙最大间隙为3个接触颗粒接触点直径圆（如图9中蓝色圆直径），综合考虑烧结融合，压制颗粒干涉，不同直径颗粒随机结合，经验数据显示最大孔隙大小可控制在最大颗粒直径≤ФDX80%。失效气门导管孔隙大小，生产过程控制数据如下：1.粉末颗粒大小控制1.1原粉粒度控制：原粉末80%以上粒度直径＜150μm；直径在150～212μm粒度≤12%；微量元素粒度直径在212～250μm之间。1.2筛粉：为防止粉末结球，生产线混合室使用250um网筛对所有粉末进行筛选。2.生产过程微观孔隙检测根据几何理论，最小孔隙为≤144um，综合生产工艺，企业标准按≤200um。每抽查批次成品各10件，对断口截面1000倍扫描电镜观察断口，孔隙数据见表1，蓝色数据为最大孔隙：数据表明，孔隙大小控制符合设定要求，失效导管孔隙105um，也符合标准要求。孔隙无法避免，但孔隙大小可以控制在一定标准内。

4缩小孔隙大小方法及必要性

孔隙是粉末冶金产品固有特性，粉末冶金气门导管缩小孔隙尺寸的方法、必要性。从上述分析数据得出：①缩小粉末冶金孔隙方法a使用更加细小粉末，更加严密的筛网，更好压制模具等。b增大粉末压制压力，使粉末压制更严实，产品密度更高。c研发特殊工艺（如粉末锻造技术达到纯铁要求，实现产品无孔）。以上方法导致生产成本急剧上升，制造难度陡增，失去了粉末冶金成本优势，可用锻造、焊接等进行替代。②缩小气门导管孔隙必要性根据气门导管产品行业统计，正常情况下出现影响产品使用性能孔隙概率约为0.0003至0.0007，每十万件中可能有30-70件不良品。行业暂没有方法的控制缺陷发生，孔隙检测也仅限于破坏性电镜扫描检测，且破坏位置未能保证一定在最大孔隙位置。气门导管实际使用试验和使用统计，当孔隙孔径≤0.2mm时，对产品性能几乎没有影响；当孔隙孔径＞0.2mm，且出现在工作面上时，会局部影响产品的性能。考虑制造成本、难度，失效概率及探测难度，进一步缩小气门导管孔隙要求无紧迫的必要性。

5结语

关于发动机粉末冶金气门导管产品孔隙问题分析，得出如下观点：1.粉末冶金产品制造原理，气门导管内部存在孔隙无法避免。2.考核气门导管产品指标应为硬度、密度、金相、材料成分、尺寸等为主，微孔隙仅做辅助评价。3.失效断面如有4颗及以上未烧结粉末颗粒，类似“拱桥效应”未破坏，需判定其对失效影响。4.现行粉末冶金工艺水平，缩小孔隙大小增加制造成本，除特殊要求外没有太大必要性。5.气门导管内部孔隙≤0.2mm要求是符合使用要求及制造水平要求。以上观点供粉末冶金气门导管同行参考，共同提升产品制造质量。

参考文献：

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

[2]《粉末冶金结构材料学》作者徐润泽编著1998年中南工业大学出版社ISBN：7810611585.

作者：庞世松 单位：柳州上汽汽车变速器有限公司柳东分公司