[發明專利]用于凸輪凸角和其它高磨損制品的燒結合金

無效

• 申請號: 200580041605.4
• 申請日: 2005-10-18
• 公開（公告）號: CN101068641A
• 公開（公告）日: 2007-11-07
• 發明（設計）人: S·尼加魯拉;J·R·L·特拉索拉斯
• 申請（專利權）人: PMG俄亥俄公司
• 主分類號: B22F9/00
• 分類號: B22F9/00;C22C5/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 李帆

發明背景

1.發明領域

本發明一般涉及粉末冶金。更具體地，本發明涉及適用于高磨損應用的燒結的鐵基粉末金屬合金制品。最具體地，本發明涉及燒結的鐵基粉末金屬制品，例如氣閥機構(valve?train)部件，包括凸輪凸角和其它閥部件。

2.相關技術

內燃機的氣閥機構典型包括一個或多個凸輪軸。用于活塞驅動的內燃機的凸輪軸典型包括具有凸角形外表面的多個凸輪凸角，這些凸輪凸角運轉以精確方式移動推桿、升降桿(lifter)或其它可移動構件。當凸輪軸旋轉時，凸輪凸角必須在適當位置并且以適當的時序使可移動構件嚙合。因此，凸輪凸角必須以精確的相對軸位置和角取向定位在凸輪軸上。凸輪軸和它們的聯合的凸輪凸角是經受滑動磨損過程的部件的實例。這些部件是通過機加工由整體鑄造、鍛造或棒料材料制造的。近年來，存在使用組裝凸輪軸的趨勢以便減小重量并且為高磨損表面和部件例如凸輪凸角、軸承和其它部件提供關于材料選擇的設計靈活性。已經認識到組裝凸輪軸與傳統的機加工凸輪軸相比，可提供成本有效的替代物，以及提供改良的產品品質和性能特征。目前，組裝凸輪軸主要用于在滾動接觸中需要高疲勞強度的具有滾輪從動件的氣閥機構中。用于這些應用的凸輪凸角材料是通過鍛造各種鑄造或棒料坯料制造的，以及通過粉末鍛造和燒結制造的。組裝凸輪軸典型不用于具有滑動從動件的氣閥機構。組裝凸輪軸不用于滑動應用的原因在于目前的凸輪凸角材料與從動件(梃桿墊片)材料之間的摩擦學不相容。這種不相容導致凸輪凸角和從動件之間的擦傷/點蝕(pitting)。

在具有滑動從動件的氣閥機構中，使用鑄造的凸輪軸，并且特別是使用冷硬鑄鐵制得的鑄造凸輪軸。已經證實在傳統的氣閥機構設計中當在滑動接觸條件下使用時，冷硬鑄鐵(CCI)的優勢大于替代材料例如可硬化鋼。已經考慮使用冷硬鑄鐵凸輪凸角用于組裝凸輪軸應用，但通常沒有利用其的原因是與鑄造凸輪凸角部件的精度以及需要利用相對昂貴的二次機加工操作以獲得成品凸輪凸角的必要尺寸精度相關的局限性。然而，多閥發動機的擴大地使用和發展需要使用具有更大設計靈活性的凸輪軸，包括高的耐磨性，與整體鑄造的凸輪軸構造不同的組裝凸輪軸，以及精密部件如凸輪凸角的接近最終形狀的形成。

為了滿足這些要求，已經考慮使用粉末金屬技術用于從子組件制造凸輪軸的部分。然而，低于完全致密的粉末金屬部件(即，沒有與施加壓力或使用特定燒結技術(例如液相燒結)一起進行燒結以獲得全密度的那些部件)不能獲得冷硬鑄鐵的磨損性能。在美國專利US4,243,414和英國專利UK?2,187,757中已經報道了粉末金屬合金在滑動應用中的成功應用。這些專利教導了通過液相燒結燒結到幾乎全密度的高度合金化的粉末金屬組合物的使用。Yoshikatsu?Nakamura等人的SAE出版物第960302號中公開了所報導的在制造凸輪凸角中成功使用粉末金屬技術的另一實例，其教導使用Fe-C-P-Ni-Cr-Mo液相燒結的合金以便獲得較高的點蝕和擦傷抵抗性。由上述實例可見，相關技術教導了高度合金化的材料和專門的燒結技術如液相燒結的使用，以便獲得高的耐磨性。

美國專利US?3,698,877、5,476,632和5,540,883中了公開與來自鐵、鐵鉻金屬間化合物和碳的混合物的鉻的合金化。美國專利US3,698,877教導了通過混合鐵與碳以及所謂的σ相中的脆性FeCr來制造高密度零件的方法。美國專利US?5,476,632和US?5,540,883教導了一種形成燒結部件的方法，該方法包括：將碳、鐵鉻合金粉末和潤滑劑與可壓縮的元素粉末混合，壓制該混合的混合物以便形成制品，和然后在還原氣氛中或在真空下高溫燒結該制品。在這些專利中，重點在于通過添加基本的(elemental)鐵合金或母合金與Cr、Mo和Mn合金化以便獲得高強度，并且不損失粉末混合物的可壓縮性或燒結成部件的可成形性。設計這些專利中所述的方法以便通過基本的合金化元素在真空爐中的高溫固相擴散來制造均質的Cr-Mn-Mo鋼。上述專利中描述了兩個主要的合金族：1)用于高強度應用的含Mn合金族(即Fe-Mn-Mo-Cr-C)，和2)用于高延展性和燒結后成形操作的無Mn合金族(即Fe-Mo-Cr-C)。在這兩種情形中，在成型前以粉末形式添加碳。碳的范圍是0.1-0.6重量％，而這對于與合金化元素形成碳化物是不夠的。

因此，希望開發可用以制造用于組裝凸輪軸應用以及其它高磨損應用的凸輪凸角的燒結粉末金屬合金材料，該材料可形成接近最終的形狀，并且其無需大的二次機加工或其它整修操作，并且該材料沒有相關技術的燒結粉末合金材料的缺點。

發明概述