3.1 用于新材料的硬化颗粒技术

FM-S14 A粉末冶金合金应用了被命名为LTS（Lean Tool Steel，贫工具钢）的FederalMogul公司硬化颗粒专利技术，是为要求具有比传统工具钢粉末冶金更高的独特的耐磨性而专门开发的，结果获得了一种内部开发和生产的高压水喷雾的混合钢（Druckwasserverdüster Hybridstahle），它的含碳量高，而且其结构是独特的。

在喷雾工艺的最初阶段，硬化颗粒与熔液（图3-1）一起开发，其中应用了超过3%的高碳质量分数，这样就降低了氧在熔液中的溶解性，从而使氧含量保持在低于喷雾时促使碳化物形成物氧化的水平，因而合金成分不会化合成氧化物，并在烧结过程期间可用于保持快速和完全地形成碳化物。用光栅显微镜拍摄的照片（图3-2）表明了烧结后在工具钢和LTS颗粒中的碳化物体积份额。LTS 颗粒中的碳化物体积分数大约为50%，而在传统的工具合金钢中的碳化物体积分数大约仅为15%。通过与低合金基质的混合，就能使马氏体硬化颗粒组织的高碳化物份额与贝氏体-珠光体基质组织相结合，从而在具有良好可加工性和制造刚性的同时，达到与工具钢相似的耐久性。

此外，剩余的碳可用于扩散到混合物中一种或多种混合粉末中，从而在烧结期间成为潜在的碳储存器，这就提供了另一个优点：限制了碳以很大程度混合的需求。过量的碳混合有时会导致有害的析出或加大材料的多孔性。虽然两种硬化颗粒都是被高压水喷雾的水喷雾硬化颗粒（WAHP，Water Atomized Hard Particle），但是这种合金基于与LTS 技术完全不同的化学反应，WAHP是Federal Mogul公司开发的第2 种专利硬化相。

图3-1 在高压水喷雾设备中熔液的浇注

第1 种合金方案导致制造出了在好多发动机试验中已显示出有利效果的进排气门座圈。这种方案为第2 种逐步逼近目标的方法提供了一种良好的基础，它要进一步优化可加工性。为此，硬化颗粒、基质和组分材料的组合在投放市场之前被再次进行修改。若它们具有正确的性能，则合金和硬化颗粒粉末冶金的高压水喷雾工艺就能生产出可靠和经济的气门座圈产品，并且能够获得所期望的性能参数，例如机械强度、耐磨性以及良好的最终可加工性，也就是为成功地开发出用于气门座圈的粉末冶金复合材料制订出关键的规范。

图3-2 光栅电子显微镜用两种放大倍数拍摄的烧结工具钢（左）和LTS颗粒（右）的碳化物密度照片

所期望的硬化颗粒方案必须使高合金耐磨组分材料成为粉末冶金复合结构组织内的成分，因而要将高的铬和钨含量（20%～30%）、适度的钴和镍含量（3%～7%）和约2%的碳含量结合起来（均为质量分数），而钼因其历来价格的不稳定性不予考虑，而且最终也证实了对于所必需的耐久性也没有必要使用钼。

通过在低合金基质中嵌入例如贫工具钢（LTS）和水喷雾硬化颗粒（WAHP）那样的硬化颗粒、正确的热处理以及为改善摩擦和可加工性混合其他提高工作能力的组分材料，就能生产出能使气门座圈具有所期望的特性和必需的工作能力的粉末冶金。基质（图3-3）是材料复合的主要成分，在一定程度上它聚合了整个组分。

图3-3 具有高压水喷雾硬化颗粒的FM-S17DVSR的显微金相组织