專利名稱：多材料連桿的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及連桿，例如用在往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的連桿，尤 其涉及由粉末金屬制成的連桿，無論是鍛造的還是非鍛造的連桿。
背景技術(shù)：
在往復(fù)式活塞和內(nèi)燃機(jī)中使用的連桿在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中承受著 非常大的應(yīng)力，因此必須非常堅(jiān)固，而且優(yōu)選重量輕。足夠堅(jiān)固和重量 足夠輕的金屬材料一般也是非常硬的。對于連桿來說，連桿的端必須加 工軸承孔， 一個(gè)用于曲柄銷，另一個(gè)用于活塞的肘銷，通常還必須對連 桿的曲柄端進(jìn)行鉆孔并攻螺紋以便于將連桿的曲柄軸蓋部緊固到連桿 的其余部分上。利用具有所需強(qiáng)度和重量的組合的傳統(tǒng)材料形成連桿導(dǎo) 致很難加工連桿，尤其是導(dǎo)致增加了在加工操作中使用的工具和裝置的
磨損和撕裂。因此，現(xiàn)有技術(shù)中的連桿的典型方案是為了機(jī)械加工性而 折衷強(qiáng)度和重量.
因此，存在對改進(jìn)的連桿的需要，該連桿具有可接受的機(jī)械加工性 但不降低強(qiáng)度.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種一體式多材料粉末金屬連桿，該連桿具有適合于與 連桿中的產(chǎn)品性能需求相匹配的高強(qiáng)度和高機(jī)械加工性的局部化區(qū)域。 連桿的柄部或者中心梁部由一種相對高強(qiáng)度的粉末金屬材料制成，端部由一種或多種更容易加工的粉末化金屬材料制成。因此，通常會(huì)發(fā)生最 高應(yīng)力的中心梁部是高強(qiáng)度材料，以抵抗這些應(yīng)力，端部由較低強(qiáng)度的 材料制成，以更容易加工，但仍然具有所需的強(qiáng)度。正如這里^f吏用的， 機(jī)械加工性指的是加工一種金屬的相對容易性，各種機(jī)械加工性指數(shù)是 眾所周知的，它們提供了在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下工程材料的機(jī)械加工性的 相對量度標(biāo)準(zhǔn)。
在考慮了下面的詳細(xì)描述、附圖以及所附的權(quán)利要求后，本發(fā)明的 這些以及其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)會(huì)變得更容易理解。


圖l是包括本發(fā)明的連桿的立體圖。
圖2是為評價(jià)包括本發(fā)明的連桿而制造的試樣的立體圖。
圖3是給料箱的立體圖，該給料箱具有三個(gè)腔室以填充模具來制造 圖2中的試樣。
圖4是示出用于制造圖2中的試樣的給料器的擺動(dòng)部件的立體圖。 圖5是示出像圖2中的試樣壓制后的立體圖。
圖6A-C是試樣的視圖，圖6A是頂部立體圖，圖6B是縱向切開后 的試樣，圖6C是切面的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1，本發(fā)明的連桿10具有中心梁部12，該中心梁部12在其 第一端上具有一體連接的活塞端14，并且在其相對的第二端上具有一體 連接的曲柄端16。利用"一體連接"，我們指中心梁部12、活塞端14 和曲柄端16部成型成一個(gè)單元。活塞端14具有較小的孔18，該孔18 用于貫穿接收活塞(未示出)的肘銷(和軸承，如果適用的話)，曲柄 端16具有較大的孔20,該孔20用于貫穿接收曲柄軸的軸頸和軸承(未 示出)。曲柄端16還可以在孔20的側(cè)面處設(shè)置相對的凹槽24，這些凹 槽24集中應(yīng)力以便通過從曲柄端16的基部28裂開的斷面可以將曲柄 端16的曲柄軸蓋部26分離，這樣就在所述蓋與連桿的其余部分之間形成了分界面，該分界面允許以位置精度非常高的形式將所述蓋重新安裝
到所述其余部分上。自所述曲柄端16在所述孔20的相對兩側(cè)的軸承蓋 26和基部28上鉆出與所述梁部12大致平行的縱向孔，也可以對基部 28上的孔攻螺紋以便于在曲柄軸蓋26和基部28斷裂分離后可以使用具 有或不具有螺帽的螺栓將曲柄軸蓋26緊固到基部28上。美國專利申請 公報(bào)第2004/0074335中示出使用螺栓將曲軸蓋連接到連桿的曲柄端基 部的示例。
所述梁部12由一種或多種粉末金屬材料制成，所述活塞端14和曲 柄端16由一種或多種不同的粉末金屬材料制成。例如，當(dāng)前的粉末金 屬連桿由可加工的粉末金屬材料制成，因此，犧牲了強(qiáng)度和硬度。在本 發(fā)明的連桿中，所述梁部12由強(qiáng)度更強(qiáng)、硬度更硬的粉末金屬材料制 成，因此可加工性比當(dāng)前用于連桿的一般粉末金屬材料的可加工性差。 所述活塞端14和曲柄端16由可加工性比所述梁部12相對更好的粉末 金屬材料制成，可以與當(dāng)前用于連桿的粉末金屬材料具有相同的、差不 多的可加工性。另外，活塞端14的粉末金屬材料可以與曲柄端16的粉 末金屬材料不同，或者是相同的材料。
在一種形式中，所述梁部12由鋼粉末材料制成，所述鋼粉末材料 包括鐵( 一般至少卯wt.。/。)、鎳1.75-2.00wt.%、鉬0.50-0.60wt.%、錳 0.10-0.25wt。/。和碳0.10-0.卯wt.。/。。在一種優(yōu)選的形式中，所述梁部12 由MPIF (金屬粉末工業(yè)聯(lián)盟)P/F-4660改良低合金鋼材料制成，所述 改良低合金鋼材料具有鐵、鎳1.75-2.00wt.%、鉬0.50-0.60wt.%、錳 0.10-0.25界1.%和碳(如約0.60wt。/o的石墨)。在一種形式中，所述活塞 端14和曲柄端16由相同的材料制成，所述材料是一種鋼粉末材料，包 括鐵(一般至少90wt.%)、銅1.8-2.2wt.%、硫化錳0.3-0.5wt.%、錳 0.10-0.25wt.。/。和碳0.30-0.70wt.。/。。在一種形式中，所述活塞端14和曲 柄端16均由MPIF P/F-11C60制成，MPIF P/F-11C60是一種適合于連 桿的銅鋼粉末金屬材料，因此具有很好的可加工性。MPIF P/F-11C60 包括鐵、銅1.8-2.2wt.%、硫化錳0.3-0.5wt.%、錳0.10-0.25wt.。/。和碳(如 約0.60wt,/o的石墨)。
在優(yōu)選的成品零件中MPIF P/F-4660改良材料的硬度為約HRC45 (可以在HRC40-50的范圍內(nèi))，在優(yōu)選的成品零件中MPIF P/F-11C60的硬度為約HRC25 (可以在HRC20-30的范圍內(nèi))。在優(yōu)選的成品零件 中MPIF P/F-4660改良材料的抗拉強(qiáng)度為約1650MPa (可以在 1400-1900MPa的范圍內(nèi))，在優(yōu)選的成品零件中MPIF P/F-11C60的抗 拉強(qiáng)度為約卯OMpa (可以在700-llOOMpa的范圍內(nèi))。大多數(shù)當(dāng)前連 桿的失效主要在梁部中，因此梁部12具有的強(qiáng)度增加?；钊?4和曲 柄端16需要更軟的材料以便于進(jìn)行孔18和20的加工，還便于曲柄端 螺栓孔的鉆孔和/或攻螺紋。優(yōu)選地，活塞端14和曲柄端16的燒結(jié)材 料貫穿整個(gè)活塞端14和曲柄端16具有一致的成分。
在一個(gè)示例性的實(shí)施方式中，在優(yōu)選的成品零件中MPIF P/F-4660 改良材料的密度為約7.88g/cc (約99%的理論密度)，并且在優(yōu)選的成 品零件中MPIFP/F-11C60的密度為約7.80g/cc (約99%的理論密度)。 優(yōu)選95%以上的理論密度。在另一個(gè)示例性的實(shí)施方式中，在優(yōu)選的成 品連桿10的梁部12中MPIF P/F-4660改良材料的密度為約7.80g/cc， 在優(yōu)選的成品連桿10的活塞端14和曲柄端16中MPIF P/F-11C60的密 度低于7.80g/cc。在該示例性的實(shí)施方式中，活塞端14和曲柄端16中 的較低的密度使活塞端14和曲柄端16具有更好的機(jī)械加工性。通過在 形成所述活塞端14和曲軸端16的過程中使用比在形成所述梁部12的 過程中使用的金屬粉末具有更大顆粒尺寸的金屬粉末來獲得活塞端14 和曲柄端16的較低的燒結(jié)材料密度。還可以通過在形成所述活塞端14 和曲柄端16的過程中使用比在形成連桿10的所述梁部12的過程中所 使用的壓制壓力更低的粉末壓制壓力來獲得活塞端14和曲柄端16的較 低的燒結(jié)材料密度。
在還一個(gè)示例性的實(shí)施方式中，所述梁部12具有包括第一化學(xué)成 分的第一區(qū)和包括另一種不同于第一化學(xué)成分的化學(xué)成分的第二區(qū)。這 樣就可以對所述梁部12的抗拉強(qiáng)度和/或硬度進(jìn)行調(diào)整。另外，為了進(jìn) 一步調(diào)整所述梁部12的抗拉強(qiáng)度和/或硬度，所述第一區(qū)可以具有第一 密度，所述第二區(qū)可以具有不同于第一密度的密度。
開發(fā)了用于評估雙重材料連桿概念的工具。所述已開發(fā)的工具基于 用來制造彎曲疲勞桿的裝置。在圖2中示出實(shí)際的試樣零件30,該試樣 零件30具有大端36、小端34和一體連接端部34和36的梁部32。虛 線示出端部材料與梁部材料之間的近似邊界。在圖1中已經(jīng)示出了所述邊界，因?yàn)樗隽翰?2的顏色比端部14和16的顏色更深。
與實(shí)驗(yàn)工具一起還設(shè)計(jì)和構(gòu)造了新的給料器。實(shí)驗(yàn)是在500噸的 Alpha壓力機(jī)上進(jìn)行的。
參見圖3-5，所述給料器包括具有三個(gè)腔室40、 42、 44的給料箱， 每個(gè)腔室與相鄰的腔室由分隔壁46或48隔開，并且使用了在燒結(jié)粉末 金屬模制技術(shù)中常見的擺動(dòng)給料思想。給料箱的兩個(gè)端部腔室容納 MPIFP/F 11C60粉末金屬材料，中間腔室44 (與腔室40由壁46隔開， 并且與腔室42由壁48隔開)容納MPIFP/F4660改良材料。
給料系統(tǒng)安裝在壓力機(jī)上，并且制造三個(gè)初始試樣。圖3示出從背 面觀察給料系統(tǒng)時(shí)的給料箱38，所述給料箱38具有三個(gè)腔室40、 42 和44。圖4示出從壓力機(jī)的前面觀察給料系統(tǒng)時(shí)給料器的擺動(dòng)部件47, 該擺動(dòng)部件47是從給料箱38到模具49移動(dòng)、并將粉末傳送到模具49 的部件。圖5示出了壓制后的零件30，在被壓制并脫模后該零件30在 模具工作臺(tái)上鄰近模具49 (圖中示出的模具49處于脫模的位置，模具 的頂面與周圍的工作臺(tái)平齊)。擺動(dòng)部件47的隔間51、 53、 55在它們 運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的腔室42、 44、 40下方時(shí)被填充。所述擺動(dòng)部件47從那里 移動(dòng)到模具49上方，以從所述三個(gè)隔間51、 53、 55的底部對模具49 進(jìn)行填充，然后模具工作臺(tái)57上升，在所述擺動(dòng)部件47之下形成模具 脫空。這種運(yùn)動(dòng)在所述隔間51、 53、 55下面形成吸力，以便提供吸入 填充，從而在所述壓力機(jī)移動(dòng)進(jìn)入填充位置時(shí)將粉末金屬材料保持成柱 狀，在端部和梁部之間的粉末對粉末接觸面上沒有明顯的混合，這對于 多材料連桿的成功來說是期望的。如果硬的MPIFP/F4660改良材料混 合到了連桿的端部，所述零件就不可加工了，或者至少是很難加工，從 而造成嚴(yán)重的刀具損壞，導(dǎo)致很高的成本損失。
使用給料系統(tǒng)和Alpha壓力機(jī)來生產(chǎn)試樣。壓制后，對零件燒結(jié)并 檢查材料分布。這是通過蝕刻切斷的零件來完成的。蝕刻造成MPIF P/F 4660改良材料嚴(yán)重變暗，從而容易地區(qū)分材料的分布。圖6A-C示出了 獲得的零件的三個(gè)視圖。圖6C示出了在切割面看去的試樣的截面，從 而施壓方向相對于該圖片是垂直的。MPIFP/F4660改良材料蝕刻的較 暗，并且以均勻的柱狀形式分布。圖6B示出了測試零件的俯視圖，圖 6A是整個(gè)零件的俯視圖。也可以使用其它填充模具的裝置來制造多材料連桿。例如，連桿的 梁部與端部之間的粉末-粉末邊界可以由工具套件或給料箱中的薄板
來限定，以在對模具進(jìn)行填充時(shí)將三個(gè)部分中的材料保持相互隔開。然 后，在對模具進(jìn)行填充后將所述薄板收回，以允許相鄰部分的粉末金屬 材料相互接觸。如下所述，該裝置在所述端部與梁部之間產(chǎn)生平滑的材 料分界面?？蛇x地，通過使用連續(xù)壓制技術(shù)，可以對連桿的兩個(gè)端部輕 輕地壓制，僅需足夠保持其外形即可，然后將中間(梁)材料放置在最 終壓制之前形成的腔內(nèi)。無論如何，都期望在成品連桿中保持端部材料 與梁部材料分離。換句話說，可以在活塞端的燒結(jié)材料與中心梁部的燒 結(jié)材料之間的過渡區(qū)域的縱向截面視圖中看到平滑的、優(yōu)選是直的分界
線(見圖6C中的35a)。同樣，可以在曲柄端的燒結(jié)材料與中心梁部的 燒結(jié)材料之間的過渡區(qū)域的縱向截面視圖中看到平滑的、優(yōu)選是直的分 界線(見圖6C中的35b)?；钊说臒Y(jié)材料與中心梁部的燒結(jié)材料之 間以及曲柄端的燒結(jié)材料與中心梁部的燒結(jié)材料之間的平滑(優(yōu)選是直 的)材料分界面在連桿中提供了更均勻的特性，并且避免了會(huì)使所述端 部的可加工性降低的梁部材料與連桿的端部材料的混合。
已經(jīng)相當(dāng)詳細(xì)地對作為本發(fā)明示例的連桿和測試零件進(jìn)行了描述。 很明顯，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行修改和變 型。例如，對于梁部或者端部可以使用不同的材料，端部本身可以是不 同的材料?？梢跃哂腥我獠煌瑪?shù)目的部分，例如，中心梁部本身可以具 有多個(gè)材料或密度不同的部分。此外，所述零件可以是燒結(jié)的粉末金屬 (P/M)材料或者粉末鍛造(P/F)材料，在此使用的術(shù)語"粉末金屬" 或"燒結(jié)材料"包括粉末金屬材料，不管所述粉末金屬材料是否是鍛造 的(例如其僅是燒結(jié)的)。此外，所述梁部可以由空氣淬火粉末金屬材 料制成，或者不由空氣淬火粉末金屬材料制成，所述端部可以由非空氣 淬火粉末金屬材料制成，或者不由非空氣淬火粉末金屬材料制成。 一個(gè) 空氣淬火粉末金屬材料的例子是含有足夠多的碳和其它合金元素的粉 末鋼，所述其它合金元素從其轉(zhuǎn)變溫度范圍之上在空氣或其它氣體介質(zhì) 中冷卻期間完全硬化。這些鋼在不經(jīng)歷淬火過程的情況下獲得它們的馬 氏體結(jié)構(gòu)。鉻、鎳、鉬和錳的添加劑對于獲得這樣的結(jié)果是有效的。
因此，本發(fā)明不應(yīng)該被限制在所描述的優(yōu)選實(shí)施方式內(nèi)，而應(yīng)該由 隨后的權(quán)利要求來限定。工業(yè)實(shí)用性
本發(fā)明涉及連桿，例如用在往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中的連桿。
權(quán)利要求
1. 一種連桿，包括中心梁部，該梁部包括具有第一化學(xué)成分和第一密度的第一燒結(jié)材料，所述第一燒結(jié)材料具有第一抗拉強(qiáng)度，所述第一燒結(jié)材料具有第一機(jī)械加工性；一體地連接到所述梁部的第一端；以及一體地連接到所述梁部、與所述第一端相對的第二端，所述第二端包括在整個(gè)第二端一致的第二燒結(jié)材料，所述第二燒結(jié)材料具有不同于所述第一化學(xué)成分的第二化學(xué)成分，所述第二燒結(jié)材料具有不同于所述第一密度的第二密度，所述第二燒結(jié)材料具有低于所述第一抗拉強(qiáng)度的第二抗拉強(qiáng)度，所述第二燒結(jié)材料具有高于所述第一機(jī)械加工性的第二機(jī)械加工性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的連桿，其中所述第一端包括在整個(gè)第一端上一致的第三燒結(jié)材料，所述第三燒 結(jié)材料具有不同于所述第一化學(xué)成分的第三化學(xué)成分，所述第三燒結(jié)材 料具有不同于所述第一密度的第三密度，所述第三燒結(jié)材料具有低于所 述第一抗拉強(qiáng)度的第三抗拉強(qiáng)度，所述第三燒結(jié)材料具有高于所述第一 機(jī)械加工性的第三機(jī)械加工性。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的連桿，其中 所述第二燒結(jié)材料與第三燒結(jié)材料相同。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的連桿，其中 所述第二燒結(jié)材料與第三燒結(jié)材料不同。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的連桿，其中所述第一燒結(jié)材料具有包括第一化學(xué)成分的第一區(qū)和包括第四化 學(xué)成分的第二區(qū)，所述第四化學(xué)成分與第一化學(xué)成分不同。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的連桿，其中所述第 一燒結(jié)材料具有包括第 一密度的第 一 區(qū)和包括第四密度的 第二區(qū)，所述第四密度與第一密度不同。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的連桿，其中 所述第一密度大于所述第二密度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的連桿，其中所述梁部的第 一燒結(jié)材料與所述第二端的第二燒結(jié)材料之間的材 料分界面是平滑的。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的連桿，其中所述第一抗拉強(qiáng)度在1400-1900MPa的范圍內(nèi)，所述第二抗拉強(qiáng)度 在700-1100MPa的范圍內(nèi)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的連桿，其中所述第一燒結(jié)材料的硬度在HRC40-50的范圍內(nèi)，所述第二燒結(jié)材 料的硬度在HRC20-30的范圍內(nèi)。
11. 一種連桿，包括中心梁部，該梁部包括具有第一化學(xué)成分的第一燒結(jié)材料，所述第 一燒結(jié)材料具有第一抗拉強(qiáng)度，所述第一燒結(jié)材料具有第一機(jī)械加工 性；一體地連接到所述梁部的第一端；以及一體地連接到所述梁部、與所述第一端相對的第二端，所述第二端包括在整個(gè)第二端上一致的第二燒結(jié)材料，所述第二燒結(jié)材料具有不同于第一化學(xué)成分的第二化學(xué)成分，所述第二燒結(jié)材料具有低于第一抗拉強(qiáng)度的第二抗拉強(qiáng)度，并且所述第二燒結(jié)材料具有高于第一機(jī)械加工性 的第二機(jī)械加工性，其中，所述梁部的第一燒結(jié)材料與所述第二端的第二燒結(jié)材料之間 的材料分界面是平滑的。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的連桿，其中 所述第 一燒結(jié)材料具有第 一密度；所述第二燒結(jié)材料具有不同于所述第一密度的第二密度；以及 所述笫一端包括在整個(gè)第一端上一致的第三燒結(jié)材料，所述笫三燒 結(jié)材料具有不同于所述第一化學(xué)成分的第三化學(xué)成分，所述第三燒結(jié)材 料具有不同于所述第一密度的第三密度，所迷第三燒結(jié)材料具有低于所述第 一抗拉強(qiáng)度的第三抗拉強(qiáng)度，并且所述第三燒結(jié)材料具有高于所述 第一機(jī)械加工性的第三機(jī)械加工性。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的連桿，其中 所述第二燒結(jié)材料與第三燒結(jié)材料相同。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的連桿，其中 所述第二燒結(jié)材料與第三燒結(jié)材料不同。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的連桿，其中所述第 一燒結(jié)材料具有包括第 一化學(xué)成分的第 一 區(qū)和包括第四化 學(xué)成分的第二區(qū)，所述第四化學(xué)成分與第一化學(xué)成分不同。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的連桿，其中所述第 一燒結(jié)材料具有包括第 一密度的第 一 區(qū)和包括第四密度的 第二區(qū)，所述第四密度與第一密度不同。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的連桿，其中 所述第一密度大于所述第二密度。
18. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的連桿，其中所述第一抗拉強(qiáng)度在1400-l卯0MPa的范圍內(nèi)，所述第二抗拉強(qiáng)度 在700-1100MPa的范圍內(nèi)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的連桿，其中所述第一燒結(jié)材料的硬度在HRC40-50的范圍內(nèi)，所述第二燒結(jié)材 料的硬度在HRC20-30的范圍內(nèi)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的連桿，其中 所述材料分界面是直的。
全文摘要
一種燒結(jié)粉末金屬連桿，具有(i)由強(qiáng)度較大的材料制成的中心梁部；和(ii)由具有更高可加工性的材料制成的曲柄端和活塞端，所述燒結(jié)粉末金屬連桿可以是鍛造的，也可以是非鍛造的。
文檔編號(hào)B22F7/06GK101421063SQ200780013212
公開日2009年4月29日 申請日期2007年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月13日
發(fā)明者喬爾·H·曼德爾, 唐納德·J·菲利普斯, 蒂莫西·E·海曼, 邁克爾·P·馬拉 申請人:Gkn燒結(jié)金屬股份有限公司