铸造部件常常根据其机械特性的限制进行设计以便利用强度与重量的 比率。由于寻求高的燃烧压力和温度，更加严格的排放需求也是一个起作 用的因素。由于铸造材料、特别是工程应用中的灰铸铁的物理特征，在部 件的某些区域中常常达到引起失效的热疲劳极限。当发生这种情况时，对 于部件的所有者来说修理铸件和其它部件是困难且耗时的，经常导致很长 的停工期和花费很大成本。对铸件的修理通常包括通过机加工去除铸件的 被损坏的部分，随后通过焊接重建被损坏的区域。
易于被损坏的部件的示例是内燃发动机的气缸盖。由于发动机的反复 加热和冷却，气缸盖常常达到其热疲劳极限，并在开口附近、例如阀座、 燃料喷射器孔和排气端口产生裂纹。与汽缸盖相关的另一问题是翘曲。当 发生翘曲时，气缸盖的下表面变得不平坦且不能合适地密封。一些翘曲的 气缸盖可被铣削直到火侧表面重新平坦为止。但是，铣削表面将减小汽缸 盖的厚度，使得气缸盖更易于在将来发生操作性破坏。不能被铣平的气缸 盖通常被废弃。
生产具有改进的气缸盖耐热性的局部区域的铸件的一个示例是授于 Raush等人的美国专利4,337,736(’736专利)。’736专利公开了这样一种 铸铁气缸盖，该铸铁气缸盖具有在阀桥区域周围金属性地(metallically) 结合到气缸盖以便在此区域内提供强化的由抗热疲劳合金材料制成的预成 形工件。该预成型工件具有薄的可熔区段，当热的基材被浇铸在所述可熔 区段上时，所述可熔区段发生熔化。尽管‘736专利中公开了可提供抗热 性改进的局部区域，但是它成本较高且应用有限。
本发明旨在克服上述一个或多个问题。

应当理解，上文的总体描述和下文的详细描述都仅仅是示例性和说明 性的，对要求保护的发明不构成限制。
本发明的一个方面涉及一种生产部件的方法。该方法可包括：形成包 含孔穴部分的部件，将该部件加热至第一预定温度，以及向孔穴部分中添 加一定量的熔融填充材料。然后该熔融填充材料可进一步加热孔穴部分以 使填充材料化学地结合于孔穴部分。
本发明的另一方面涉及部件自身。该部件可包括由第一种材料制成的 第一部件部分，和由熔融填充材料制成的第二部件部分。第一部件部分可 制成带有孔穴部分。熔融填充材料可被浇铸到孔穴部分中，使得第二部件 部分化学地结合于第一部件部分。
附图说明
附图示出了本发明的多个示例性实施例，且和说明书一起用于解释本 发明的原理，该附图结合在此说明书中并形成说明书的一部分。在附图中：
图1是根据本发明的实施例的气缸盖的下表面的正视图；
图1a是图1的气缸盖沿线1a-1a的剖视图；
图2是根据本发明的实施例的图1的气缸盖的第一部件部分的下表面 的正视图；
图2a是图2的第一部件部分沿线2a-2a的剖视图；
图2b是图2的第一部件部分沿线2a-2a的包含坝和插塞的剖视图；
图2c是图2的第一部件部分在添加第二部件部分后沿线2a-2a的剖视 图；
图2d是图2的第一部件部分在添加第二部件部分和去除坝和插塞后的 沿线2a-2a的剖视图；以及
图3是描述根据本发明的一个实施例生产部件的方法的流程图。

图1是根据本发明的实施例的部件的下(火侧)表面12的正视图，在 此例中该部件是气缸盖10。气缸盖10可包括被结合层65分开的第一部件 部分15和第二部件部分60。在此情况下，气缸盖10可处于铸造和一些机 加工之后的粗制状态。除火侧表面12和上表面(未示出)之外，该气缸盖 10还可包括多个侧表面14。火侧表面12可铸造成具有与每个气缸(未示 出)相关联的多个阀孔20。在最后机加工火侧表面12、阀孔20和其它所 需的开口、例如与每个气缸(未示出)相关联的燃料喷射器孔(未示出) 之后，可将火侧表面12紧固于气缸体(未示出)。
图1a是图1的气缸盖10沿线1a-1a的剖视图。阀孔20更清楚地显示 为延伸通过第二部件部分60并进入第一部件部分15中。结合层65显示为 代表在第一部件部分15和第二部件部分60之间的冶金的或化学的结合部。 尽管示出的是灰铸铁气缸盖10，但是应当指出本发明并不局限于用于由灰 铸铁铸造的气缸盖10，而是可以应用到由例如为延性铁、锻钢、低碳钢、 不锈钢、铝等的各种其它金属制成的铸造和非铸造部件。尽管第二部件部 分60也可以是灰铸铁，但是根据与第一部件部分60的兼容性，第二部件 部分60可以是多种其它材料中的任何一种，例如延性铁、低碳钢、不锈钢、 因科镍合金、铝等。在第一部件部分15和第二部件部分60的基材相同的 情况下，第二部件部分60的微结构与第一部件部分15可明显不同，从而 使得物理特性不同。
图2是根据本发明的实施例的气缸盖10的第一部件部分15的下表面 的正视图。可在第一部件部分15中生成多个孔穴部分30。图2a是图2的 第一部件部分15沿线2a-2a的剖视图。该剖视图更清晰地显示出铸造在气 缸盖10中的孔穴部分30和阀孔20。孔穴部分30可构造为接纳一定量的 熔融填充材料以便形成第二部件部分60。当熔融填充材料形成第二部件部 分60时，在整个说明书和附图中这些术语可互换。
下面参考附图3，其中提供了描述根据本发明的一个实施例制造部件 10的方法的流程图。在第一控制块200中，部件10的第一部件部分15可 制成为在预定区域内具有孔穴部分30。这可在图2和图2a中示出。制造 具有至少一个孔穴部分30的第一部件部分15可以是例如为铸造、锻造、 机加工等的多个操作中的任何一个。孔穴部分30可形成为使得孔穴部分 30自身提供一个区域以便接收和容纳熔融填充材料60而无需模具进行操 作。在控制块202中，孔穴部分30可根据需要进行清洁以便提供这样的表 面，该表面适于在添加熔化的填充材料60时形成冶金结合。这可能并不总 是需要的，但是可包括机加工等以便在孔穴部分30中提供无氧化物表面。
在第三控制块204中，部件10可被预热至预定温度。预热温度将根据 围绕孔穴部分30的材料的类型和厚度以及被添加至孔穴部分30中的熔融 填充材料60的类型和数量而改变。为了合适地确定预热温度，可能需要进 行计算机仿真或实验。可能希望尽可能多地预热第一部件部分15而不损害 部件10。根据部件10，损害的类型可包括由于原始表面过热或熔化而引起 的应力消除和翘曲。另一方面，无法将部件10预热至足够高的温度会在浇 注熔融填充材料或两种材料之间没有结合时造成母体材料裂缝。在一个实 施例中，用于铸铁气缸盖10的预热温度可在950°F至2000°F的范围内。 对于某些类型的气缸盖10，已发现1100°F的预热温度可减小应力和翘曲， 同时减小裂缝的危险。
在第四控制块206中，将一定量的填充材料60或第二部件部分熔化和 浇注到第一部件部分15的孔穴部分30中。由于第一部件部分15和第二部 件部分60的熔点可能相同或不同，第二部件部分60的熔点可被超出以导 致在孔穴部分30处进一步加热第一部件部分15。当熔融填充材料60或第 二部件部分以及第一部件部分冷却时，在填充材料60和第一部件部分15 之间在结合层65处可形成冶金结合。在最后的控制块208中，包括固化的 填充材料60的部件10可被机加工成最终的部件形状。
工业适用性
本发明的实施例可应用于制造具有改进的物理特性，例如改进的热疲 劳特性、硬度等的局部区域的各种部件。现在结合图2a、2b、2c和2d， 详细描述用于在制备有孔穴部分30的固化的母体材料上浇铸熔融的填充 材料60的方法。
如图2a所示，第一部件部分15可制造成在预定的位置处具有孔穴部 分30以便接纳熔融的填充材料60。孔穴部分30可被设计在部件30的预 定位置以代替部件30的一部分，在该部分处经验显示相似的部件已经损坏 或需要修理。通过经验或有限元分析识别的关键的或易裂缝的区域是本发 明可应用的典型区域。设想孔穴部分30可根据需要清洁以便提供这样的表 面，该表面适于在添加熔融填充材料60时形成冶金结合。
图2b是图2的第一部件部分15沿线2a-2a的包括坝50和插塞40的 剖视图。插塞40可防止熔融的填充材料60进入气缸盖10的原始结构。所 述插塞可由耐热材料，例如可机加工的石墨等制成。在一个实施例中，所 述插塞能够承受非常高的温度而不变形，且可导热。插塞40不是必需的， 而还可以是各种形状和尺寸以便填充特定的结构。例如，填充并保护阀孔 20的插塞40被机加工成基本等于相应的粗制阀孔20的形状和尺寸。插塞 40可被推进阀孔20中，从而防止填充材料60穿过或填充阀孔20。此外， 坝50可定位成围绕火侧表面12上的孔穴部分30。坝50可以这样的方式 定位在火侧表面12上：其中，将熔融的填充材料60浇注到孔穴部分30 中提供了填充材料60的冒口。类似于插塞40，坝50可由可机加工的石墨 制成。坝50可允许多余的熔融填充材料60被添加到孔穴部分30以允许冷 却期间的收缩。
如在第二控制块204中描述的，气缸盖10可在炉中被预热至第一温度。 在一个实施例中，第一温度范围是950°F至2000°F，更优选地1050°F至 1150°F。可将具有就位的石墨插塞40和坝50的气缸盖10从预热炉移到被 加热的绝缘的箱(未示出)，该箱适配成保持第一温度范围，并允许添加 熔融的填充材料60。
通过熔化制备一定量的填充材料60，例如铸铁，或适于在孔穴部分30 中达到要求的梯度特性的其它材料。例如，填充材料60可在坩埚中被熔化 并以足以完成和母体材料的无孔隙结合的温度被保持在熔炉中。在气缸盖 10的情况下，该温度可约为2725°F。填充材料60可具有与气缸盖10或部 件相似的化学成分，或者可根据要求的特性而具有非常不同的化学成分。
本发明中可以设想，可能需要将第一部件部分15的孔穴部分30局部 地加热到第二预定温度。第二预定温度可根据母体材料的类型、质量和壁 厚以及填充材料60的体积而变化。第二预定温度的范围足够热以允许孔穴 部分30和填充材料60之间的结合，但是又足够冷以防止填充材料60熔通 孔穴部分30的母体材料。该范围的下限可通过仿真和/或实验确定，并可 考虑例如与母体材料和/或填充材料有关的材料收缩、结合强度、微结构和 应力等因素。影响结合点的因素可包括母体材料的类型和体积，填充材料 的类型和体积，母体部件的化学性质。此外，第二预热温度可防止填充材 料60快速冷却，继而保持期望的机械特性。此外或可替代地，熔融的填充 材料60可被加热到超过其熔点以进一步增加对第一部件部分15的加热。
还可向孔穴部分30施加一定量的焊剂(未示出)。该焊剂可用于去除 氧化物、其它污染物，并有利于在熔融填充材料60被浇注后填充材料60 在孔穴部分30上的湿润能力。通常的焊剂可由基于硼砂的材料制成。在孔 穴部分30的温度处于第二温度范围内的情况下，可从熔炉中取出熔融填充 材料60。可从熔融填充材料60中撇去熔融填充材料的表面上漂浮的熔渣。 将基本无熔渣的熔融填充材料60浇注和填充孔穴部分30，如图2c所示。 在一个实施例中，可允许填充材料从孔穴部分30中溢出并沿着坝50升至 下表面12上方。
在添加熔融的填充材料60之后，可允许部件10冷却。在一个实施例 中，可使用压缩空气将部件10或部件10的一部分部分地冷却。附装有扩 散器且附装到压缩空气源的杆(未示出)可在填充材料60上方在周围移动。 在一个实施例中，为了实现期望的机械特性，例如硬度和微结构，希望采 用根据化学性质足以冷却孔穴部分30的整个体积的冷却速率，以实现在孔 穴部分30和填充材料60之间的新形成的结合层65处的基体结构的预期的 微结构或转化产物。例如，使用铸铁和根据受影响的材料的体积，可能希 望在30-180秒的时间段内将孔穴部分30的温度降至1100°F至1200°F的 范围内。在全部孔穴部分30被填充后，优选地以低到足以避免部件的扭曲 或裂缝的速率将气缸盖10冷却。然后，如图2d所示，可去除插塞40和坝 50。然后，可将气缸盖10机加工到原始的规格以形成所需的阀座(未示出) 和燃料喷射器孔(未示出)，以便组装气缸盖10进行使用。