專利名稱：用于凸輪凸角和其它高磨損制品的燒結(jié)合金的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及粉末冶金。更具體地，本發(fā)明涉及適用于高磨損應(yīng)用的燒結(jié)的鐵基粉末金屬合金制品。最具體地，本發(fā)明涉及燒結(jié)的鐵基粉末金屬制品，例如氣閥機(jī)構(gòu)(valve train)部件，包括凸輪凸角和其它閥部件。
2.相關(guān)技術(shù)內(nèi)燃機(jī)的氣閥機(jī)構(gòu)典型包括一個或多個凸輪軸。用于活塞驅(qū)動的內(nèi)燃機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)以精確方式移動推桿、升降桿(lifter)或其它可移動構(gòu)件。當(dāng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)時，凸輪凸角必須在適當(dāng)位置并且以適當(dāng)?shù)臅r序使可移動構(gòu)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(lián)合的凸輪凸角是經(jīng)受滑動磨損過程的部件的實(shí)例。這些部件是通過機(jī)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(guān)于材料選擇的設(shè)計靈活性。已經(jīng)認(rèn)識到組裝凸輪軸與傳統(tǒng)的機(jī)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(chǎn)品品質(zhì)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(qiáng)度的具有滾輪從動件的氣閥機(jī)構(gòu)中。用于這些應(yīng)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(jié)制造的。組裝凸輪軸典型不用于具有滑動從動件的氣閥機(jī)構(gòu)。組裝凸輪軸不用于滑動應(yīng)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(xué)不相容。這種不相容導(dǎo)致凸輪凸角和從動件之間的擦傷/點(diǎn)蝕(pitting)。
在具有滑動從動件的氣閥機(jī)構(gòu)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(jīng)證實(shí)在傳統(tǒng)的氣閥機(jī)構(gòu)設(shè)計中當(dāng)在滑動接觸條件下使用時，冷硬鑄鐵(CCI)的優(yōu)勢大于替代材料例如可硬化鋼。已經(jīng)考慮使用冷硬鑄鐵凸輪凸角用于組裝凸輪軸應(yīng)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(jī)加工操作以獲得成品凸輪凸角的必要尺寸精度相關(guān)的局限性。然而，多閥發(fā)動機(jī)的擴(kuò)大地使用和發(fā)展需要使用具有更大設(shè)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(gòu)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(jīng)考慮使用粉末金屬技術(shù)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(jié)技術(shù)(例如液相燒結(jié))一起進(jìn)行燒結(jié)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(jīng)報道了粉末金屬合金在滑動應(yīng)用中的成功應(yīng)用。這些專利教導(dǎo)了通過液相燒結(jié)燒結(jié)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(dǎo)的在制造凸輪凸角中成功使用粉末金屬技術(shù)的另一實(shí)例，其教導(dǎo)使用Fe-C-P-Ni-Cr-Mo液相燒結(jié)的合金以便獲得較高的點(diǎn)蝕和擦傷抵抗性。由上述實(shí)例可見，相關(guān)技術(shù)教導(dǎo)了高度合金化的材料和專門的燒結(jié)技術(shù)如液相燒結(jié)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(dǎo)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(dǎo)了一種形成燒結(jié)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?zé)Y(jié)該制品。在這些專利中，重點(diǎn)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(qiáng)度，并且不損失粉末混合物的可壓縮性或燒結(jié)成部件的可成形性。設(shè)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(kuò)散來制造均質(zhì)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(qiáng)度應(yīng)用的含Mn合金族(即Fe-Mn-Mo-Cr-C)，和2)用于高延展性和燒結(jié)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(fā)可用以制造用于組裝凸輪軸應(yīng)用以及其它高磨損應(yīng)用的凸輪凸角的燒結(jié)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(jī)加工或其它整修操作，并且該材料沒有相關(guān)技術(shù)的燒結(jié)粉末合金材料的缺點(diǎn)。
發(fā)明概述本發(fā)明的鐵基燒結(jié)粉末金屬制品由鐵基粉末混合物制成，該鐵基粉末混合物的基本組成為0.5-3.0重量％Mo、1.0-6.5重量％Cr、1.0-5重量％V和余量的鐵和雜質(zhì)。此外，本發(fā)明的制品優(yōu)選由具有總量小于4重量％的合金化元素、余量的鐵和雜質(zhì)的鐵基粉末制成，所述合金化元素選自Mo、Cr和V。優(yōu)選將Mo預(yù)合金化到基質(zhì)鐵粉末中，優(yōu)選以高碳鐵鉻粉末的形式添加Cr，并且優(yōu)選以鐵釩粉末的形式添加V。該制品還優(yōu)選包含具有0.7-1.2重量％碳的外表面和外層(case)。優(yōu)選通過制品的滲碳添加碳以充分形成滲碳外層至所需的深度。還優(yōu)選通過例如淬火對該制品進(jìn)行處理，以便在其中具有細(xì)微分散的鉻和釩的碳化物的外層中形成馬氏體基體。
本發(fā)明包含由上述低合金Fe基粉末材料形成的Fe基燒結(jié)粉末制品，可對其進(jìn)行熱處理以形成具有耐磨性的外表面和外層，該耐磨性等于或優(yōu)于由冷硬鑄鐵形成的制品的耐磨性。材料和處理的組合作用導(dǎo)致在加工表面具有優(yōu)異耐磨性的制品，這是由于在表面和外層中存在分散于硬質(zhì)馬氏體顯微組織中的細(xì)的Cr和V的碳化物。
本發(fā)明的一個目標(biāo)是通過如下方法提供中等密度(7.0-7.3g/cm3)的Fe基燒結(jié)粉末金屬制品，該方法包括成型混合有高碳鐵鉻粉末和鐵釩粉末的高可壓縮性的Fe-Mo預(yù)合金化粉末基質(zhì)，在還原氣氛中以固態(tài)對成型體進(jìn)行燒結(jié)，無需形成為致密化目的的液相，和對燒結(jié)成的部件進(jìn)行滲碳和淬火以形成含有鉻和釩的碳化物以及馬氏體的表面和外層，所述鉻和釩的碳化物由混合的鐵合金獲得，且所述馬氏體由鉬合金化并滲碳的鐵的淬火獲得，由此獲得包含具有均勻分散的鉻和釩碳化物的硬質(zhì)馬氏體基體的雙重結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選將Mo預(yù)合金化到基質(zhì)鐵粉末中，以高碳鐵鉻粉末的形式添加Cr以保護(hù)其不發(fā)生氧化，并以鐵釩粉末的形式添加V。與如果使用高氧、低碳鐵鉻所需的高溫和真空燒結(jié)相比，以這種形式添加的兩種元素能夠在常規(guī)燒結(jié)溫度下進(jìn)行燒結(jié)。
與相關(guān)技術(shù)的合金相反，用于形成本發(fā)明制品的鐵基粉末混合物含有至少1％的鉻和1％的釩，并且不含用以在燒結(jié)階段提供碳的附加石墨。通過燒結(jié)制品的滲碳在合金中引入碳。為了優(yōu)先在部件表面形成鉻和釩的碳化物，使用高碳勢進(jìn)行滲碳使得在表面引入足夠的碳量以便在外層中形成平均0.7-1.2重量％的C。
本發(fā)明的制品具有高的耐磨性，并且在滑動磨損應(yīng)用中提供了常規(guī)冷硬鑄鐵的成本有效的替代，例如在1型氣閥機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中的平面挺桿與凸輪凸角間的滑動觸點(diǎn)。
附圖簡述本專利或申請文件含有至少一幅彩色附圖。在需要并支付必要費(fèi)用時本局將提供具有(一副或多副)彩色附圖的該專利或?qū)＠暾埞_的副本。
當(dāng)結(jié)合下面的詳細(xì)說明和附圖進(jìn)行考慮時，將更容易理解本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的凸輪軸的透視圖；圖2是圖1的凸輪軸的凸輪凸角的透視圖；圖3是沿圖2的截面3-3的截面視圖；圖4是圖3的區(qū)域4的放大圖5是在如圖4所大致示出的、本發(fā)明燒結(jié)粉末合金的表面區(qū)域5內(nèi)以200X拍攝的光學(xué)顯微照片；圖6是圖5的區(qū)域6以1000X拍攝的光學(xué)顯微照片；和圖7是如圖4中所大致示出的、本發(fā)明燒結(jié)粉末合金的芯部區(qū)域7的以200X拍攝的光學(xué)顯微照片。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述本發(fā)明的制品優(yōu)選可包括凸輪軸，該凸輪軸具有至少一個且優(yōu)選多個由這里所進(jìn)一步描述的鐵基燒結(jié)粉末金屬合金制造的凸輪凸角。圖1中描繪了適用于內(nèi)燃機(jī)的常規(guī)構(gòu)造的組裝凸輪軸10。凸輪軸10通常包括凸輪軸管12。將發(fā)動機(jī)所需要的多個凸輪凸角固定到凸輪軸管12的外表面上?？梢詫⑵渌馆嗇S部件例如齒輪16固定到凸輪軸管12的外表面上。盡管這里通常稱為“凸輪軸管”，盡管該元件典型是中空的但其不必是圓筒形的并且可具有適于容納和旋轉(zhuǎn)多個凸輪凸角和其它凸輪軸部件的任何整體形狀和一致或不一致的橫截面。因此，這里使用“凸輪軸管”通常用于指凸輪凸角14固定于其上的凸輪軸12的中心旋轉(zhuǎn)部件，并不局限于任何特別的圓筒形或非圓筒形構(gòu)造。
每個凸輪凸角14的凸角形區(qū)域18具有預(yù)定的凸輪形狀或輪廓，并進(jìn)行尺寸加工以精確控制可動構(gòu)件或與其嚙合的構(gòu)件的運(yùn)動。更具體地，凸輪凸角14的輪廓且特別是凸角形區(qū)域18的形狀和尺寸使得當(dāng)凸輪軸管12旋轉(zhuǎn)時，凸輪凸角14的運(yùn)動為與其嚙合的可動部件賦予精確的擺動或往復(fù)運(yùn)動。在圖1中，例如，鄰近凸輪凸角14顯示的可動構(gòu)件是升降桿22和推桿24。當(dāng)凸輪軸10旋轉(zhuǎn)時，每一凸輪凸角14的表面形狀和尺寸連同沿凸輪軸管12長度的它們的各種角位置和軸位置協(xié)同工作，以便以期望的方式和時序適當(dāng)?shù)匾苿影l(fā)動機(jī)的推桿22。該同步運(yùn)動確保所有發(fā)動機(jī)汽缸的進(jìn)氣閥和排氣閥正確地工作。
結(jié)合凸輪軸管12和多個凸輪凸角14的凸輪軸10傳統(tǒng)上是由鑄鐵或鋼制造成如這里所述的單一部件。這包括使用冷硬鑄鐵以便在凸輪凸角輪廓上獲得必要的耐磨性。這些制造方法是耗時和昂貴的，并且已知僅能生產(chǎn)有限尺寸精度的凸輪軸。因此，典型需要大量的研磨和/或拋光以便對每個凸輪凸角和其它凸輪軸部件進(jìn)行成形，并適當(dāng)調(diào)整每個部件的表面形狀和尺寸。當(dāng)不進(jìn)行這種大量的最終加工時，凸輪凸角將不能與它們所聯(lián)合的可動部件適當(dāng)嚙合。鍛造或鑄造的凸輪軸必須由基本上均勻化學(xué)組成的材料構(gòu)成。這是一個公知的缺點(diǎn)，因?yàn)榭赡芟Ｍ馆嗇S管和凸輪凸角具有顯著不同的物理性能從而最佳地承受多個部件所經(jīng)歷的明顯不同的機(jī)械環(huán)境。
根據(jù)本發(fā)明，通過分別生產(chǎn)凸輪軸管12和凸輪凸角14然后以希望的位置將凸輪凸角14組裝到凸輪軸管12外表面上來制造凸輪軸10。例如在圖1的凸輪軸10的情形中，可分別制造具有如圖2所大致示出地構(gòu)造的單獨(dú)凸輪凸角12，然后設(shè)置在凸輪軸管12周圍。通過將凸輪軸管12穿過每個凸輪凸角14中的孔20來組裝部件，然后將凸輪凸角14以希望的軸位置和角取向固定在凸輪軸管12的外表面。相對于現(xiàn)有方法，這種制造方法提供了更大的靈活性，由此用于構(gòu)造凸輪軸管、凸輪凸角和安裝在凸輪軸上的其它部件的材料可以不同。例如，凸輪凸角14可由特別耐滑動磨損、耐熱應(yīng)力和耐反復(fù)接觸疲勞的材料制成，而凸輪軸管可由較為便宜的材料例如機(jī)加工的軟鋼制成。
根據(jù)本發(fā)明，用于內(nèi)燃機(jī)凸輪軸10的制品例如凸輪凸角14是由Fe基燒結(jié)粉末金屬組合物構(gòu)成。由該組合物構(gòu)成的制品表現(xiàn)出適用于高溫、高磨損應(yīng)用例如上述凸輪凸角輪廓18的改良的強(qiáng)度和耐磨性，并且該制品也非常適于氣閥機(jī)構(gòu)應(yīng)用，然而并不限制于此。除強(qiáng)度和耐磨性之外，由根據(jù)本發(fā)明的燒結(jié)粉末金屬組合物制得的制品具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性、良好的可機(jī)加工性、以及在相對低的燒結(jié)溫度下進(jìn)行處理的能力，這從制造和性能的觀點(diǎn)而言是有利的。
除凸輪凸角外，根據(jù)本發(fā)明的材料和方法可應(yīng)用于其中需要鐵基粉末金屬體系中的良好強(qiáng)度、耐磨性、可機(jī)加工性和尺寸穩(wěn)定性性能的其它制品。因此，盡管說明書針對于凸輪凸角或其它相關(guān)的氣閥機(jī)構(gòu)部件(共同為閥磨損部件)，應(yīng)理解的是本發(fā)明也可以應(yīng)用于并且希望應(yīng)用于需要相同或相似性能的其它部件。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，由鐵基粉末金屬混合物制造包含燒結(jié)鐵基粉末金屬閥磨損部件如凸輪凸角14的制品，該鐵基粉末金屬混合物的基本組成為0.5-3.0重量％Mo、1.0-6.5重量％鉻、1.0-5重量％釩和余量的鐵和雜質(zhì)。表1說明了該燒結(jié)制品的組成范圍和該范圍內(nèi)的優(yōu)選組成選擇，并且下文所述是關(guān)于實(shí)施例1。
表1
將鐵基粉末金屬混合物成型到約7.0-7.3g/cm3的中等密度直至閥磨損部件制品如凸輪凸角14的期望最終形狀尺寸。然后在還原氣氛或真空中以約1121℃(2050)-1260℃(2300)的相對低的燒結(jié)溫度對制品進(jìn)行燒結(jié)以獲得完全燒結(jié)的結(jié)構(gòu)。然后在滲碳環(huán)境中對燒結(jié)制品進(jìn)行熱處理以便在燒結(jié)合金制品表面產(chǎn)生約0.7-1.2重量％C的碳含量。優(yōu)選地，該碳濃度不僅存在于制品的表面而且其延伸到約0.5-1mm的外層深度?？赏ㄟ^任何適合的滲碳方法進(jìn)行滲碳，但優(yōu)選在954℃(1750)-1037℃(1900)范圍的溫度下在滲碳?xì)夥障逻M(jìn)行。還優(yōu)選使用高于在外層中獲得希望碳濃度所需碳勢的碳勢進(jìn)行滲碳。認(rèn)為這種方法可促進(jìn)在制品表面30處形成更大的碳化物濃度。完全以固態(tài)進(jìn)行燒結(jié)并且無需且不導(dǎo)致液相的產(chǎn)生以便在具有優(yōu)異耐磨性、可機(jī)加工性和尺寸穩(wěn)定性的燒結(jié)制品中獲得完全致密的顯微組織，下面將參考所給出的實(shí)施例進(jìn)行解釋。
參考圖3和4，本發(fā)明的制品具有低合金的Fe基芯部26和包括外表面30的滲碳外層28。圖5和6是滲碳外層28的光學(xué)顯微照片，顯示了鉻和釩的碳化物分散網(wǎng)絡(luò)和馬氏體基體。圖7是芯部區(qū)域26的光學(xué)顯微照片，顯示了貝氏體/珠光體基體以及富Cr/V相的位置。
該粉末混合物優(yōu)選包含基本由預(yù)合金化的鐵粉末組成的基質(zhì)Fe粉末，該預(yù)合金化鐵粉末含有約0.5-3.0重量％的Mo和余量的Fe和雜質(zhì)。該基質(zhì)Fe-Mo合金粉末可以從許多粉末金屬供應(yīng)商處購得。表1說明了該基質(zhì)Fe粉末的顆粒尺寸的典型分布。
表2
該粉末混合物還包含1-6.5重量％的鉻。添加鉻用以形成碳化物以便促進(jìn)制品的外層28和外表面30中的碳化物網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。優(yōu)選以高碳鐵鉻粉末的形式向混合物中添加鉻。這種鐵鉻粉末可從市場上購得。表3中提供了典型的可購得的鐵鉻粉末的組成實(shí)例。
表3
該粉末混合物還包含1-5重量％的釩。還添加釩用以促進(jìn)制品外層28且特別是外表面30中的分散碳化物網(wǎng)絡(luò)的形成。這種鐵釩粉末可從市場上獲得。表3中也提供了典型的可從市場上獲得的鐵釩粉末的組成和尺寸分布。
實(shí)施例1為了評價使用這里描述的燒結(jié)粉末金屬合金制成的根據(jù)本發(fā)明的凸輪凸角的性能，由具有表1中“實(shí)施例1”所示組成的燒結(jié)制品制造多個凸輪凸角。在標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)測試夾具中對由這種燒結(jié)粉末金屬合金制得的凸輪凸角進(jìn)行測試，對這里所述類型的幾種其它燒結(jié)粉末金屬合金也進(jìn)行測試。比較這些測試結(jié)果以評價根據(jù)本發(fā)明的制品相關(guān)的磨損性能改良。
由具有下列一般性描述的組成的合金制造所測試的凸輪凸角Fe-Ni-Mo-C合金燒結(jié)硬化的材料；低密度(～7.0g/cm3)；Fe-Mo-Cr-V-C合金本發(fā)明的材料；外層硬化，中等密度(7.0-7.3g/cm3)；Fe-Mo-C合金外層硬化，高密度(＞7.25g/cm3)；和Fe-Mo-C合金外層硬化，極高密度(＞7.4g/cm3)；表4中給出這些合金的組成。
表4
將用于測試的粉末金屬凸輪凸角制成Ford 1.81D排氣輪廓的形狀，并相對于100Cr6標(biāo)準(zhǔn)磷化扁鋼墊片進(jìn)行測試。使用粉末金屬扁鋼墊片進(jìn)行另外的受限測試。
使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的測試夾具評價凸輪凸角的磨損和擦傷性能。該夾具由MIRA(英國汽車工業(yè)研究協(xié)會)設(shè)計和制造，并且下面的參考文獻(xiàn)中對其進(jìn)行了更為詳細(xì)的描述(1)Wykes，F(xiàn)C，“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夾具測試中，通過與電動機(jī)連接的滑輪驅(qū)動凸輪。從動件(梃桿)直接設(shè)置在凸輪上方，并使用彈簧加載的活塞通過推桿在頭部組件中施加可變載荷。通過位于凸輪附近的噴油嘴將加熱的油泵入接觸區(qū)域并排回到油箱。通過凸輪軸末端的計數(shù)器記錄測試期間的旋轉(zhuǎn)數(shù)。在每個測試頭部上，以恒定的速度、載荷、油溫和油流速運(yùn)行凸輪和從動件對并持續(xù)設(shè)定的時間。在測試最后，通過重量損失評價部件，并使用適合的基準(zhǔn)標(biāo)度在視覺上評價點(diǎn)蝕。對于這種特定的測試，設(shè)計測試條件以引起部件的磨損而不是引入點(diǎn)蝕，并因此選擇無添加劑、低粘度的礦物油，Largo P1，并以500rpm的低速運(yùn)轉(zhuǎn)以使任何流體動力效應(yīng)最小化。在測試期間將油溫維持在100℃。使用磷化的100Cr6梃桿進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測試50小時。
圖8中所示的表格總結(jié)了這些測試的結(jié)果，下面作進(jìn)一步描述。
Fe-Ni-Mo-C首先在637MPa下測試Fe-Ni-Mo-C合金持續(xù)50小時。凸輪尖被嚴(yán)重磨損，凸輪升程極大損失。將應(yīng)力減小到500MPa表明材料的磨損令人滿意，沒有明顯的磨損。這在第二次測試中得到證實(shí)。因此極限載荷是約500MPa。
Fe-Mo-C高密度的Fe-Mo-C材料(密度大于7.25g/cm3)在637MPa的高磨損下失效，并且在500MPa較低應(yīng)力下也失效。進(jìn)一步減少載荷到400MPa允許凸輪令人滿意地運(yùn)轉(zhuǎn)，通過重復(fù)測試加以證實(shí)。因此極限載荷是約400MPa。
Fe-Mo-C極高密度的Fe-Mo-C材料(密度大于7.4g/cm3)也在637MPa的高磨損下失效，但在500MPa的較低應(yīng)力下沒有顯示出磨損。再次通過重復(fù)測試加以證實(shí)。因此與Fe-Ni-Mo-C合金相似，確定極限載荷為約500MPa。
Fe-Mo-Cr-V-C與其它任何材料不同，在637MPa的起始載荷下，根據(jù)本發(fā)明的燒結(jié)合金沒有顯示出磨損。因此，測試(樣品A)繼續(xù)進(jìn)行100小時的時間，還是沒有損壞(distress)或可辨別的磨損。停止600MPa下的重復(fù)測試(樣品B)，使得如果其它測試需要，還可以使用該凸輪。在600MPa下相對于粉末金屬墊片測試第三凸角(樣品C)，并對100Cr6部件進(jìn)行測試。
在更高應(yīng)力下進(jìn)行進(jìn)一步測試以確定其極限。在700MPa下當(dāng)相對于100Cr6或PM墊片(樣品B和D)運(yùn)行時，沒有觀察到磨損。樣品B對于這個更高載荷安裝有新的100Cr6墊片。
使用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)油而非Largo P1礦物油加速測試以評價這種本發(fā)明材料的性能。此外，施加827MPa的設(shè)計極限，因此在稍微減小的800MPa應(yīng)力下使用Ford AL 3612機(jī)油測試樣品E和F。不幸的是，由于夾具的缺陷，不可能以500rpm運(yùn)轉(zhuǎn)樣品F，因此以700rpm進(jìn)行測試持續(xù)按比例較短的時間，并使循環(huán)次數(shù)相同。再一次沒有觀察到任一墊片的磨損。
然后增加載荷到850MPa(使用相同的部件)，并以700rpm運(yùn)行兩樣品持續(xù)另外50小時。再一次沒有觀察到磨損，因此進(jìn)一步將載荷增加到900MPa。因此，通過在50小時后沒有明顯磨損的簡單失效準(zhǔn)則，本發(fā)明的材料能經(jīng)受至少900MPa。
使用不純礦物油Largo P1提供了四種粉末金屬凸輪凸角材料的清楚等級評定。僅有本發(fā)明的材料能夠在600MPa和更高下進(jìn)行而沒有明顯的磨損。高密度的Fe-Mo-C合金顯示出最差的耐磨性能，極限僅為400MPa，而Fe-Ni-Mo-C和極高密度的Fe-Mo-C材料在500MPa下顯示出磨損。
相對于100Cr6和PM墊片的進(jìn)一步測試顯示本發(fā)明的材料能夠至少承受900MPa，該水平顯著超過了典型的工作載荷。
顯然，根據(jù)上面的教導(dǎo)，本發(fā)明能夠進(jìn)行許多調(diào)整和變化。因此，應(yīng)理解的是在附屬權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以以不同于這里具體所述方式的方式實(shí)施本發(fā)明。通過權(quán)利要求限定本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種Fe基燒結(jié)粉末金屬制品，該制品由鐵基粉末金屬混合物制成，所述鐵基粉末金屬混合物的基本組成為0.5-3.0重量％Mo、1-6.5重量％Cr、1-5重量％V和余量的Fe和雜質(zhì)。
2.權(quán)利要求1的粉末金屬制品，其中以Fe-Mo合金粉末的形式向所述混合物中添加Mo，該Fe-Mo合金粉末的基本組成為0.5-3.0重量％Mo和余量的Fe和雜質(zhì)。
3.權(quán)利要求1的粉末金屬制品，其中以鐵鉻粉末的形式向混合物中添加Cr。
4.權(quán)利要求3的粉末金屬制品，其中所述鐵鉻粉末是高碳鐵鉻粉末。
5.權(quán)利要求1的粉末金屬制品，其中以鐵釩粉末的形式向混合物中添加V。
6.權(quán)利要求1的粉末金屬制品，其中將粉末金屬混合物成型到約7.0-7.3g/cm3的密度。
7.權(quán)利要求1的粉末金屬制品，其中在約1121-1260℃的溫度下燒結(jié)所述粉末金屬混合物。
8.權(quán)利要求1的粉末金屬制品，其中所述制品包含凸輪凸角。
9.權(quán)利要求1的粉末金屬制品，其中所述制品還包含由外表面向內(nèi)延伸的滲碳外層。
10.權(quán)利要求9的粉末金屬制品，其中該外層具有0.7-1.2重量％C的組成。
11.權(quán)利要求10的粉末金屬制品，其中該外層由表面向內(nèi)延伸約0.5-1.0毫米。
12.由鐵基粉末金屬混合物制成的Fe基燒結(jié)粉末金屬凸輪凸角，鐵基粉末金屬混合物的基本組成為0.5-3.0重量％Mo、1-6.5重量％Cr、1-5重量％V和余量的Fe和雜質(zhì)，所述凸輪凸角具有包含0.7-1.2重量％C的滲碳外層。
13.權(quán)利要求12的粉末金屬制品，其中以Fe-Mo合金粉末的形式向混合物中添加Mo，所述Fe-Mo合金粉末的基本組成為0.5-3.0重量％的Mo和余量的Fe和雜質(zhì)。
14.權(quán)利要求12的粉末金屬制品，其中以鐵鉻粉末的形式向混合物中添加Cr。
15.權(quán)利要求14的粉末金屬制品，其中所述鐵鉻粉末是高碳鐵鉻粉末。
16.權(quán)利要求12的粉末金屬制品，其中以鐵釩粉末的形式向混合物中添加V。
17.權(quán)利要求12的粉末金屬制品，其中將粉末金屬混合物成型到約7.0-7.3g/cm3的密度。
18.權(quán)利要求12的粉末金屬制品，其中成型所述粉末金屬混合物，并在約1121-1260℃的溫度下進(jìn)行燒結(jié)。
19.權(quán)利要求12的粉末金屬制品，其中所述制品包含凸輪凸角。
20.具有至少一個Fe基燒結(jié)粉末金屬凸輪凸角的凸輪軸，所述至少一個Fe基燒結(jié)粉末金屬凸輪凸角由Fe基粉末金屬混合物制得，該Fe基粉末金屬混合物的基本組成為0.5-3.0重量％Mo、1-6.5重量％Cr、1-5重量％V和余量的Fe和雜質(zhì)，所述凸輪凸角具有包含0.7-1.2重量％C的滲碳外層。
21.制造Fe基燒結(jié)粉末金屬制品的方法，該方法包括如下步驟制備基本組成如下的粉末金屬混合物0.5-3.0重量％Mo、1-6.5重量％Cr、1-5％重量V和余量的Fe和雜質(zhì)；成型該混合物以形成制品；燒結(jié)該制品；和對該制品進(jìn)行滲碳以形成由制品的外表面向內(nèi)延伸的滲碳外層。
22.權(quán)利要求21的方法，其中以Fe-Mo合金粉末的形式向混合物中添加Mo，所述Fe-Mo合金粉末的基本組成為0.5-3.0重量％Mo和余量的Fe和雜質(zhì)。
23.權(quán)利要求21的方法，其中以鐵鉻粉末的形式向混合物中添加Cr。
24.權(quán)利要求21的方法，其中所述鐵鉻粉末是高碳鐵鉻粉末。
25.權(quán)利要求21的方法，其中以鐵釩粉末的形式向混合物中添加V。
26.權(quán)利要求21的方法，其中對所述混合物進(jìn)行成型以獲得約7.0-7.3g/cm3的密度。
27.權(quán)利要求21的方法，其中在約1121-1260℃的溫度下進(jìn)行燒結(jié)。
28.權(quán)利要求21的方法，其中所述制品包含凸輪凸角。
29.權(quán)利要求21的方法，其中所述滲碳外層具有約0.5-1.0mm的厚度。
30.權(quán)利要求21的方法，其中所述外層具有約0.7-1.2重量％C的組成。
31.權(quán)利要求21的方法，該方法進(jìn)一步包括如下步驟在所述滲碳之后對制品進(jìn)行淬火。
32.權(quán)利要求31的方法，其中所述外層包含馬氏體基體顯微組織。
33.權(quán)利要求32的方法，其中所述外層還包含馬氏體基體內(nèi)的分散Cr和V碳化物的網(wǎng)絡(luò)。
全文摘要
用于凸輪凸角和在燒結(jié)期間要求優(yōu)異最終形狀穩(wěn)定性的其它高溫、高磨損應(yīng)用的鐵基燒結(jié)粉末金屬制品，所述鐵基燒結(jié)粉末金屬制品包含基本組成如下的粉末金屬混合物0.5－3.0重量％Mo、1－6.5重量％Cr、1－5重量％V和余量的Fe和雜質(zhì)。這些制品還具有0.7－1.2重量％C的滲碳外層。外層的滲碳之后，對制品進(jìn)行淬火以形成具有分散的Cr和V碳化物網(wǎng)絡(luò)的馬氏體基體。所得的燒結(jié)制品具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性，并具有優(yōu)異的可機(jī)加工性和尺寸穩(wěn)定性。
文檔編號C22C5/00GK101068641SQ200580041605
公開日2007年11月7日 申請日期2005年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月19日
發(fā)明者S·尼加魯拉, J·R·L·特拉索拉斯 申請人:Pmg俄亥俄公司