关于发动机气门导管粉末冶金孔隙的探讨

关于发动机气门导管粉末冶金孔隙的探讨作者：庞世松
来源：《时代汽车》2020年第20期
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
Discussion on Powder Metallurgy Porosity of Engine Valve Guide
Pang Shisong
Abstract：Powder metallurgy products use metal powder （or a mixture of metal powder and non-metal powder） as raw materials， which are pressed， sintered， and post-processed to produce various products; it is a porous structure product， which requires internal microscopic pores.
In this paper， the failure analysis of the engine powder metallurgy valve guide is used as an introduction to discuss the understanding of the microscopic pores of the powder metallurgy valve guide.
Key words：valve guide， powder metallurgy， porosity， porosity
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。

②粉末冶金产品孔隙形成过程
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）。

氣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
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縮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.。