用于凸轮凸角和其它高磨损制品的烧结合金

1.发明领域

本发明一般涉及粉末冶金。更具体地，本发明涉及适用于高磨损应用的烧结的铁基粉末金属合金制品。最具体地，本发明涉及烧结的铁基粉末金属制品，例如气阀机构(valve train)部件，包括凸轮凸角和其它阀部件。

2.相关技术

内燃机的气阀机构典型包括一个或多个凸轮轴。用于活塞驱动的内燃机的凸轮轴典型包括具有凸角形外表面的多个凸轮凸角，这些凸轮凸角运转以精确方式移动推杆、升降杆(lifter)或其它可移动构件。当凸轮轴旋转时，凸轮凸角必须在适当位置并且以适当的时序使可移动构件啮合。因此，凸轮凸角必须以精确的相对轴位置和角取向定位在凸轮轴上。凸轮轴和它们的联合的凸轮凸角是经受滑动磨损过程的部件的实例。这些部件是通过机加工由整体铸造、锻造或棒料材料制造的。近年来，存在使用组装凸轮轴的趋势以便减小重量并且为高磨损表面和部件例如凸轮凸角、轴承和其它部件提供关于材料选择的设计灵活性。已经认识到组装凸轮轴与传统的机加工凸轮轴相比，可提供成本有效的替代物，以及提供改良的产品品质和性能特征。目前，组装凸轮轴主要用于在滚动接触中需要高疲劳强度的具有滚轮从动件的气阀机构中。用于这些应用的凸轮凸角材料是通过锻造各种铸造或棒料坯料制造的，以及通过粉末锻造和烧结制造的。组装凸轮轴典型不用于具有滑动从动件的气阀机构。组装凸轮轴不用于滑动应用的原因在于目前的凸轮凸角材料与从动件(梃杆垫片)材料之间的摩擦学不相容。这种不相容导致凸轮凸角和从动件之间的擦伤/点蚀(pitting)。

在具有滑动从动件的气阀机构中，使用铸造的凸轮轴，并且特别是使用冷硬铸铁制得的铸造凸轮轴。已经证实在传统的气阀机构设计中当在滑动接触条件下使用时，冷硬铸铁(CCI)的优势大于替代材料例如可硬化钢。已经考虑使用冷硬铸铁凸轮凸角用于组装凸轮轴应用，但通常没有利用其的原因是与铸造凸轮凸角部件的精度以及需要利用相对昂贵的二次机加工操作以获得成品凸轮凸角的必要尺寸精度相关的局限性。然而，多阀发动机的扩大地使用和发展需要使用具有更大设计灵活性的凸轮轴，包括高的耐磨性，与整体铸造的凸轮轴构造不同的组装凸轮轴，以及精密部件如凸轮凸角的接近最终形状的形成。

为了满足这些要求，已经考虑使用粉末金属技术用于从子组件制造凸轮轴的部分。然而，低于完全致密的粉末金属部件(即，没有与施加压力或使用特定烧结技术(例如液相烧结)一起进行烧结以获得全密度的那些部件)不能获得冷硬铸铁的磨损性能。在美国专利US4,243,414和英国专利UK 2,187,757中已经报道了粉末金属合金在滑动应用中的成功应用。这些专利教导了通过液相烧结烧结到几乎全密度的高度合金化的粉末金属组合物的使用。Yoshikatsu Nakamura等人的SAE出版物第960302号中公开了所报导的在制造凸轮凸角中成功使用粉末金属技术的另一实例，其教导使用Fe-C-P-Ni-Cr-Mo液相烧结的合金以便获得较高的点蚀和擦伤抵抗性。由上述实例可见，相关技术教导了高度合金化的材料和专门的烧结技术如液相烧结的使用，以便获得高的耐磨性。

美国专利US 3,698,877、5,476,632和5,540,883中了公开与来自铁、铁铬金属间化合物和碳的混合物的铬的合金化。美国专利US3,698,877教导了通过混合铁与碳以及所谓的σ相中的脆性FeCr来制造高密度零件的方法。美国专利US 5,476,632和US 5,540,883教导了一种形成烧结部件的方法，该方法包括：将碳、铁铬合金粉末和润滑剂与可压缩的元素粉末混合，压制该混合的混合物以便形成制品，和然后在还原气氛中或在真空下高温烧结该制品。在这些专利中，重点在于通过添加基本的(elemental)铁合金或母合金与Cr、Mo和Mn合金化以便获得高强度，并且不损失粉末混合物的可压缩性或烧结成部件的可成形性。设计这些专利中所述的方法以便通过基本的合金化元素在真空炉中的高温固相扩散来制造均质的Cr-Mn-Mo钢。上述专利中描述了两个主要的合金族：1)用于高强度应用的含Mn合金族(即Fe-Mn-Mo-Cr-C)，和2)用于高延展性和烧结后成形操作的无Mn合金族(即Fe-Mo-Cr-C)。在这两种情形中，在成型前以粉末形式添加碳。碳的范围是0.1-0.6重量％，而这对于与合金化元素形成碳化物是不够的。

因此，希望开发可用以制造用于组装凸轮轴应用以及其它高磨损应用的凸轮凸角的烧结粉末金属合金材料，该材料可形成接近最终的形状，并且其无需大的二次机加工或其它整修操作，并且该材料没有相关技术的烧结粉末合金材料的缺点。

发明概述

本发明的铁基烧结粉末金属制品由铁基粉末混合物制成，该铁基粉末混合物的基本组成为：0.5-3.0重量％Mo、1.0-6.5重量％Cr、1.0-5重量％V和余量的铁和杂质。此外，本发明的制品优选由具有总量小于4重量％的合金化元素、余量的铁和杂质的铁基粉末制成，所述合金化元素选自Mo、Cr和V。优选将Mo预合金化到基质铁粉末中，优选以高碳铁铬粉末的形式添加Cr，并且优选以铁钒粉末的形式添加V。该制品还优选包含具有0.7-1.2重量％碳的外表面和外层(case)。优选通过制品的渗碳添加碳以充分形成渗碳外层至所需的深度。还优选通过例如淬火对该制品进行处理，以便在其中具有细微分散的铬和钒的碳化物的外层中形成马氏体基体。

本发明包含由上述低合金Fe基粉末材料形成的Fe基烧结粉末制品，可对其进行热处理以形成具有耐磨性的外表面和外层，该耐磨性等于或优于由冷硬铸铁形成的制品的耐磨性。材料和处理的组合作用导致在加工表面具有优异耐磨性的制品，这是由于在表面和外层中存在分散于硬质马氏体显微组织中的细的Cr和V的碳化物。

本发明的一个目标是通过如下方法提供中等密度(7.0-7.3g/cm3)的Fe基烧结粉末金属制品，该方法包括：成型混合有高碳铁铬粉末和铁钒粉末的高可压缩性的Fe-Mo预合金化粉末基质，在还原气氛中以固态对成型体进行烧结，无需形成为致密化目的的液相，和对烧结成的部件进行渗碳和淬火以形成含有铬和钒的碳化物以及马氏体的表面和外层，所述铬和钒的碳化物由混合的铁合金获得，且所述马氏体由钼合金化并渗碳的铁的淬火获得，由此获得包含具有均匀分散的铬和钒碳化物的硬质马氏体基体的双重结构。

优选将Mo预合金化到基质铁粉末中，以高碳铁铬粉末的形式添加Cr以保护其不发生氧化，并以铁钒粉末的形式添加V。与如果使用高氧、低碳铁铬所需的高温和真空烧结相比，以这种形式添加的两种元素能够在常规烧结温度下进行烧结。

与相关技术的合金相反，用于形成本发明制品的铁基粉末混合物含有至少1％的铬和1％的钒，并且不含用以在烧结阶段提供碳的附加石墨。通过烧结制品的渗碳在合金中引入碳。为了优先在部件表面形成铬和钒的碳化物，使用高碳势进行渗碳使得在表面引入足够的碳量以便在外层中形成平均0.7-1.2重量％的C。

本发明的制品具有高的耐磨性，并且在滑动磨损应用中提供了常规冷硬铸铁的成本有效的替代，例如在1型气阀机构系统中的平面挺杆与凸轮凸角间的滑动触点。

附图简述

本专利或申请文件含有至少一幅彩色附图。在需要并支付必要费用时本局将提供具有(一副或多副)彩色附图的该专利或专利申请公开的副本。

当结合下面的详细说明和附图进行考虑时，将更容易理解本发明的这些和其它特征和优点。

图1是本发明的凸轮轴的透视图；

图2是图1的凸轮轴的凸轮凸角的透视图；

图3是沿图2的截面3-3的截面视图；

图4是图3的区域4的放大图；

图5是在如图4所大致示出的、本发明烧结粉末合金的表面区域5内以200X拍摄的光学显微照片；

图6是图5的区域6以1000X拍摄的光学显微照片；和

图7是如图4中所大致示出的、本发明烧结粉末合金的芯部区域7的以200X拍摄的光学显微照片。

优选实施方案的详细描述

本发明的制品优选可包括凸轮轴，该凸轮轴具有至少一个且优选多个由这里所进一步描述的铁基烧结粉末金属合金制造的凸轮凸角。图1中描绘了适用于内燃机的常规构造的组装凸轮轴10。凸轮轴10通常包括凸轮轴管12。将发动机所需要的多个凸轮凸角固定到凸轮轴管12的外表面上。可以将其它凸轮轴部件例如齿轮16固定到凸轮轴管12的外表面上。尽管这里通常称为“凸轮轴管”，尽管该元件典型是中空的但其不必是圆筒形的并且可具有适于容纳和旋转多个凸轮凸角和其它凸轮轴部件的任何整体形状和一致或不一致的横截面。因此，这里使用“凸轮轴管”通常用于指凸轮凸角14固定于其上的凸轮轴12的中心旋转部件，并不局限于任何特别的圆筒形或非圆筒形构造。

每个凸轮凸角14的凸角形区域18具有预定的凸轮形状或轮廓，并进行尺寸加工以精确控制可动构件或与其啮合的构件的运动。更具体地，凸轮凸角14的轮廓且特别是凸角形区域18的形状和尺寸使得当凸轮轴管12旋转时，凸轮凸角14的运动为与其啮合的可动部件赋予精确的摆动或往复运动。在图1中，例如，邻近凸轮凸角14显示的可动构件是升降杆22和推杆24。当凸轮轴10旋转时，每一凸轮凸角14的表面形状和尺寸连同沿凸轮轴管12长度的它们的各种角位置和轴位置协同工作，以便以期望的方式和时序适当地移动发动机的推杆22。该同步运动确保所有发动机汽缸的进气阀和排气阀正确地工作。

结合凸轮轴管12和多个凸轮凸角14的凸轮轴10传统上是由铸铁或钢制造成如这里所述的单一部件。这包括使用冷硬铸铁以便在凸轮凸角轮廓上获得必要的耐磨性。这些制造方法是耗时和昂贵的，并且已知仅能生产有限尺寸精度的凸轮轴。因此，典型需要大量的研磨和/或抛光以便对每个凸轮凸角和其它凸轮轴部件进行成形，并适当调整每个部件的表面形状和尺寸。当不进行这种大量的最终加工时，凸轮凸角将不能与它们所联合的可动部件适当啮合。锻造或铸造的凸轮轴必须由基本上均匀化学组成的材料构成。这是一个公知的缺点，因为可能希望凸轮轴管和凸轮凸角具有显著不同的物理性能从而最佳地承受多个部件所经历的明显不同的机械环境。

根据本发明，通过分别生产凸轮轴管12和凸轮凸角14然后以希望的位置将凸轮凸角14组装到凸轮轴管12外表面上来制造凸轮轴10。例如在图1的凸轮轴10的情形中，可分别制造具有如图2所大致示出地构造的单独凸轮凸角12，然后设置在凸轮轴管12周围。通过将凸轮轴管12穿过每个凸轮凸角14中的孔20来组装部件，然后将凸轮凸角14以希望的轴位置和角取向固定在凸轮轴管12的外表面。相对于现有方法，这种制造方法提供了更大的灵活性，由此用于构造凸轮轴管、凸轮凸角和安装在凸轮轴上的其它部件的材料可以不同。例如，凸轮凸角14可由特别耐滑动磨损、耐热应力和耐反复接触疲劳的材料制成，而凸轮轴管可由较为便宜的材料例如机加工的软钢制成。

根据本发明，用于内燃机凸轮轴10的制品例如凸轮凸角14是由Fe基烧结粉末金属组合物构成。由该组合物构成的制品表现出适用于高温、高磨损应用例如上述凸轮凸角轮廓18的改良的强度和耐磨性，并且该制品也非常适于气阀机构应用，然而并不限制于此。除强度和耐磨性之外，由根据本发明的烧结粉末金属组合物制得的制品具有优异的尺寸稳定性、良好的可机加工性、以及在相对低的烧结温度下进行处理的能力，这从制造和性能的观点而言是有利的。

除凸轮凸角外，根据本发明的材料和方法可应用于其中需要铁基粉末金属体系中的良好强度、耐磨性、可机加工性和尺寸稳定性性能的其它制品。因此，尽管说明书针对于凸轮凸角或其它相关的气阀机构部件(共同为阀磨损部件)，应理解的是本发明也可以应用于并且希望应用于需要相同或相似性能的其它部件。

根据本发明的优选实施方案，由铁基粉末金属混合物制造包含烧结铁基粉末金属阀磨损部件如凸轮凸角14的制品，该铁基粉末金属混合物的基本组成为：0.5-3.0重量％Mo、1.0-6.5重量％铬、1.0-5重量％钒和余量的铁和杂质。表1说明了该烧结制品的组成范围和该范围内的优选组成选择，并且下文所述是关于实施例1。

                 表1

将铁基粉末金属混合物成型到约7.0-7.3g/cm3的中等密度直至阀磨损部件制品如凸轮凸角14的期望最终形状尺寸。然后在还原气氛或真空中以约1121℃(2050)-1260℃(2300)的相对低的烧结温度对制品进行烧结以获得完全烧结的结构。然后在渗碳环境中对烧结制品进行热处理以便在烧结合金制品表面产生约0.7-1.2重量％C的碳含量。优选地，该碳浓度不仅存在于制品的表面而且其延伸到约0.5-1mm的外层深度。可通过任何适合的渗碳方法进行渗碳，但优选在954℃(1750)-1037℃(1900)范围的温度下在渗碳气氛下进行。还优选使用高于在外层中获得希望碳浓度所需碳势的碳势进行渗碳。认为这种方法可促进在制品表面30处形成更大的碳化物浓度。完全以固态进行烧结并且无需且不导致液相的产生以便在具有优异耐磨性、可机加工性和尺寸稳定性的烧结制品中获得完全致密的显微组织，下面将参考所给出的实施例进行解释。

参考图3和4，本发明的制品具有低合金的Fe基芯部26和包括外表面30的渗碳外层28。图5和6是渗碳外层28的光学显微照片，显示了铬和钒的碳化物分散网络和马氏体基体。图7是芯部区域26的光学显微照片，显示了贝氏体/珠光体基体以及富Cr/V相的位置。

该粉末混合物优选包含基本由预合金化的铁粉末组成的基质Fe粉末，该预合金化铁粉末含有约0.5-3.0重量％的Mo和余量的Fe和杂质。该基质Fe-Mo合金粉末可以从许多粉末金属供应商处购得。表1说明了该基质Fe粉末的颗粒尺寸的典型分布。

                                        表2  颗粒尺寸分析； +250μm -250μm至+150μm -150μm至+45μm -45μm  重量％ 痕量 9.9 65.9 24.2

该粉末混合物还包含1-6.5重量％的铬。添加铬用以形成碳化物以便促进制品的外层28和外表面30中的碳化物网络的发展。优选以高碳铁铬粉末的形式向混合物中添加铬。这种铁铬粉末可从市场上购得。表3中提供了典型的可购得的铁铬粉末的组成实例。

                                       表3

该粉末混合物还包含1-5重量％的钒。还添加钒用以促进制品外层28且特别是外表面30中的分散碳化物网络的形成。这种铁钒粉末可从市场上获得。表3中也提供了典型的可从市场上获得的铁钒粉末的组成和尺寸分布。

实施例1

为了评价使用这里描述的烧结粉末金属合金制成的根据本发明的凸轮凸角的性能，由具有表1中“实施例1”所示组成的烧结制品制造多个凸轮凸角。在标准工业测试夹具中对由这种烧结粉末金属合金制得的凸轮凸角进行测试，对这里所述类型的几种其它烧结粉末金属合金也进行测试。比较这些测试结果以评价根据本发明的制品相关的磨损性能改良。

由具有下列一般性描述的组成的合金制造所测试的凸轮凸角：

Fe-Ni-Mo-C合金：烧结硬化的材料；低密度(～7.0g/cm3)；

Fe-Mo-Cr-V-C合金：本发明的材料；外层硬化，中等密度(7.0-7.3g/cm3)；

Fe-Mo-C合金：外层硬化，高密度(＞7.25g/cm3)；和

Fe-Mo-C合金：外层硬化，极高密度(＞7.4g/cm3)；

表4中给出这些合金的组成。

                                            表4

将用于测试的粉末金属凸轮凸角制成Ford 1.81D排气轮廓的形状，并相对于100Cr6标准磷化扁钢垫片进行测试。使用粉末金属扁钢垫片进行另外的受限测试。

使用工业标准的测试夹具评价凸轮凸角的磨损和擦伤性能。该夹具由MIRA(英国汽车工业研究协会)设计和制造，并且下面的参考文献中对其进行了更为详细的描述：

(1)Wykes，FC，“Summary Report on Performance of a Numberof Cam and Cam Follower Material Combinations Tested in the MIRACam and Follower Test Machine”，MIRA Report第3期，1970；和

(2)Chatterley，T.C，“Cam and Cam Follower Reliability”，SAE Paper 885033，1988。

在MIRA夹具测试中，通过与电动机连接的滑轮驱动凸轮。从动件(梃杆)直接设置在凸轮上方，并使用弹簧加载的活塞通过推杆在头部组件中施加可变载荷。通过位于凸轮附近的喷油嘴将加热的油泵入接触区域并排回到油箱。通过凸轮轴末端的计数器记录测试期间的旋转数。在每个测试头部上，以恒定的速度、载荷、油温和油流速运行凸轮和从动件对并持续设定的时间。在测试最后，通过重量损失评价部件，并使用适合的基准标度在视觉上评价点蚀。对于这种特定的测试，设计测试条件以引起部件的磨损而不是引入点蚀，并因此选择无添加剂、低粘度的矿物油，Largo P1，并以500rpm的低速运转以使任何流体动力效应最小化。在测试期间将油温维持在100℃。使用磷化的100Cr6梃杆进行标准测试50小时。

图8中所示的表格总结了这些测试的结果，下面作进一步描述。

Fe-Ni-Mo-C

首先在637MPa下测试Fe-Ni-Mo-C合金持续50小时。凸轮尖被严重磨损，凸轮升程极大损失。将应力减小到500MPa表明材料的磨损令人满意，没有明显的磨损。这在第二次测试中得到证实。因此极限载荷是约500MPa。

Fe-Mo-C

高密度的Fe-Mo-C材料(密度大于7.25g/cm3)在637MPa的高磨损下失效，并且在500MPa较低应力下也失效。进一步减少载荷到400MPa允许凸轮令人满意地运转，通过重复测试加以证实。因此极限载荷是约400MPa。

Fe-Mo-C

极高密度的Fe-Mo-C材料(密度大于7.4g/cm3)也在637MPa的高磨损下失效，但在500MPa的较低应力下没有显示出磨损。再次通过重复测试加以证实。因此与Fe-Ni-Mo-C合金相似，确定极限载荷为约500MPa。

Fe-Mo-Cr-V-C

与其它任何材料不同，在637MPa的起始载荷下，根据本发明的烧结合金没有显示出磨损。因此，测试(样品A)继续进行100小时的时间，还是没有损坏(distress)或可辨别的磨损。停止600MPa下的重复测试(样品B)，使得如果其它测试需要，还可以使用该凸轮。在600MPa下相对于粉末金属垫片测试第三凸角(样品C)，并对100Cr6部件进行测试。

在更高应力下进行进一步测试以确定其极限。在700MPa下当相对于100Cr6或PM垫片(样品B和D)运行时，没有观察到磨损。样品B对于这个更高载荷安装有新的100Cr6垫片。

使用标准机油而非Largo P1矿物油加速测试以评价这种本发明材料的性能。此外，施加827MPa的设计极限，因此在稍微减小的800MPa应力下使用Ford AL 3612机油测试样品E和F。不幸的是，由于夹具的缺陷，不可能以500rpm运转样品F，因此以700rpm进行测试持续按比例较短的时间，并使循环次数相同。再一次没有观察到任一垫片的磨损。

然后增加载荷到850MPa(使用相同的部件)，并以700rpm运行两样品持续另外50小时。再一次没有观察到磨损，因此进一步将载荷增加到900MPa。因此，通过在50小时后没有明显磨损的简单失效准则，本发明的材料能经受至少900MPa。

使用不纯矿物油Largo P1提供了四种粉末金属凸轮凸角材料的清楚等级评定。仅有本发明的材料能够在600MPa和更高下进行而没有明显的磨损。高密度的Fe-Mo-C合金显示出最差的耐磨性能，极限仅为400MPa，而Fe-Ni-Mo-C和极高密度的Fe-Mo-C材料在500MPa下显示出磨损。

相对于100Cr6和PM垫片的进一步测试显示本发明的材料能够至少承受900MPa，该水平显著超过了典型的工作载荷。

显然，根据上面的教导，本发明能够进行许多调整和变化。因此，应理解的是在附属权利要求的范围内，可以以不同于这里具体所述方式的方式实施本发明。通过权利要求限定本发明。

发明背景