本公開涉及輕質(zhì)活塞銷(lightweight piston pin)，以及制造該輕質(zhì)活塞銷的方法。更具體地，本公開涉及具有改善的彈性的輕質(zhì)活塞銷，以及其制造方法。

背景技術(shù)：

往復(fù)式發(fā)動機是構(gòu)造成使用活塞以通過連桿將氣缸中產(chǎn)生的壓力傳輸至與該活塞相連的曲軸，從而提供驅(qū)動力的發(fā)動機。在多數(shù)類型中，通過連桿和曲軸將活塞的線性往復(fù)運動轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動運動。

在這方面，連桿具有可旋轉(zhuǎn)地連接到曲軸的曲柄銷的大端，以及通過活塞銷附接至活塞的小端。壓力一旦在往復(fù)式發(fā)動機的汽缸中生成，其施加于活塞上，從而被傳輸以旋轉(zhuǎn)曲軸。

在往復(fù)式發(fā)動機中，通常是圓柱桿的活塞銷穿過活塞銷座(piston boss)和連桿從而將活塞與連桿連接。活塞銷參與將活塞的運動傳輸至連桿，在傳輸過程中，當(dāng)其彈性差時可能斷裂，且當(dāng)其重量較重時，有造成產(chǎn)生的驅(qū)動力的較大損失的傾向。因此，高彈性、輕質(zhì)的活塞銷對于改善耐用性和燃料效率是理想的。

通常，活塞銷是由已經(jīng)經(jīng)過諸如鍛造的熱處理的韌性鋼制成的。這種活塞銷會遭受高密度和彈性不足的問題。為解決該問題，開發(fā)了金屬粉末 注射成型(Metal powder Injection Molding)(MIM)，但是由MIM制造的活塞，雖然密度較低，但與傳統(tǒng)的活塞相比展現(xiàn)較低的強度和彈性。

因此，已經(jīng)進行許多嘗試以將基礎(chǔ)金屬粉末以外的TiC粉末用于MIM。例如，可以用于MIM的材料在日本的傳統(tǒng)技術(shù)中公開。

在此專利中，所述工具鋼包含1.4～2.0wt％的碳、1.0wt％或更少的硅、1.0wt％或更少的錳、11.0～13.0wt％的鉻、0.3～2.3wt％的鈦、0.75wt％或更少的鎳和銅的組合、5.0wt％或更少的選自鉬、釩、鎢和它們的組合的增強元素。

該工具鋼具有以下優(yōu)勢：碳化鈦抑制晶粒變粗；擴大燒結(jié)溫度范圍以增加產(chǎn)率；以及降低鈦的量以減少生產(chǎn)成本。

然而，該技術(shù)是針對工具鋼，而沒有提到對于處于極度振動下的活塞銷有用的彈性的增加。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本公開是考慮到現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)生的以上問題而作出的，并且本公開的一個目的是提供呈現(xiàn)低密度和高彈性性能的輕質(zhì)活塞銷，以及其制造方法。

為了實現(xiàn)以上目的，本公開提供了制造輕質(zhì)活塞銷的方法，包括以下步驟：制備基礎(chǔ)金屬粉末、TiC粉末和粘結(jié)劑的混合物，基礎(chǔ)金屬粉末包含鉻、碳和鐵；將該混合物金屬粉末注射成型(MIM)為活塞銷形狀以形成成型體；將成型體脫脂(degreasing)以從混合物中除去粘結(jié)劑；燒結(jié)失去粘結(jié)劑的成型體以形成燒結(jié)混合物；形成由在燒結(jié)混合物中圍繞TiC粉末的碳化鉻組成的中間層；并且將燒結(jié)混合物的基體結(jié)構(gòu)(matrix structure)轉(zhuǎn)化為馬氏體結(jié)構(gòu)。

在一種實施方式中，通過將燒結(jié)步驟的燒結(jié)混合物維持在1000～1050℃下2～4小時以在TiC粉末周圍沉積碳化鉻，并且然后爐冷(furnace cooling)該燒結(jié)混合物來進行中間層形成步驟。

在另一種實施方式中，該制備步驟是通過將具有1～10μm的粒徑的基礎(chǔ)金屬粉末、具有0.5～5μm粒徑的TiC粉末、和液體粘結(jié)劑混合來進行的。

在另一種實施方式中，該制備步驟通過將含有基礎(chǔ)金屬粉末：TiC粉末的重量比為78～82％:18～22％的混合物與粘結(jié)劑混并來制備，該基礎(chǔ)金屬粉末包含，按重量計：C：1.4～1.6％，Si：0.4％或更少(0％除外)，Mn：0.6％或更少(0％除外)，P：0.03％或更少(0％除外)，S：0.03％或更少(0％除外)，Cr：11～13％，Mo：0.8～1.2％，V：0.2～0.5％，余量的Fe以形成100％，以及不可避免的雜質(zhì)。

在另一種實施方式中，成型步驟是在180～205℃下進行的。

在另一種實施方式中，脫脂步驟在120℃下進行7小時或更久。

在另一種實施方式中，燒結(jié)步驟在真空中、在1200～1250℃下進行20小時或更久。

在另一種實施方式中，馬氏體轉(zhuǎn)化步驟是通過在950～1050℃下加熱，在300℃或更低下空氣冷卻以產(chǎn)生馬氏體結(jié)構(gòu)，并且然后在500～600℃下回火來進行的。

根據(jù)另一方面，本公開提供了輕質(zhì)活塞銷，其通過金屬粉末注射成型(MIM)包含鉻、碳和鐵的基礎(chǔ)金屬粉末，和TiC粉末的混合物制造，其中該活塞銷具有馬氏體結(jié)構(gòu)，由碳化鉻圍繞的TiC分散在其中。

在一種實施方式中，基礎(chǔ)金屬粉末包含，按重量計：C：1.4～1.6％，Si：0.4％或更少(0％除外)，Mn：0.6％或更少(0％除外)，P：0.03％或更 少(0％除外)，S：0.03％或更少(0％除外)，Cr：11～13％，Mo：0.8～1.2％，V：0.2～0.5％，余量的Fe以形成100％，以及不可避免的雜質(zhì)。

在另一種實施方式中，混合物是通過將含有基礎(chǔ)金屬粉末：TiC粉末的重量比為78～82％:18～22％的混合物與粘結(jié)劑混并而制備的。

附圖說明

由下面結(jié)合附圖進行的詳細(xì)描述，本公開的以上和其他目的、特征和優(yōu)點將會更加清楚地理解，其中：

圖1是根據(jù)本公開的一種實施方式的活塞銷的基體結(jié)構(gòu)的圖像，其中由碳化鉻圍繞的TiC分散在馬氏體基體中。

圖2A示出了根據(jù)本公開的一種實施方式的沒有再加熱的活塞銷的鋼基體結(jié)構(gòu)的圖像(燒結(jié)后沒有再加熱)；

圖2B示出了根據(jù)本公開的一種實施方式的再加熱2小時的活塞銷的鋼基體結(jié)構(gòu)的圖像(燒結(jié)后再加熱2h)；

圖2C示出了根據(jù)本公開的一種實施方式的再加熱4小時的活塞銷的鋼基體結(jié)構(gòu)的圖像(燒結(jié)后再加熱4h)；

圖3A示出了鋼的基體結(jié)構(gòu)的圖像，其中基礎(chǔ)金屬粉末和TiC粉末的粒徑在基準(zhǔn)程度之內(nèi)，其中TiC在燒結(jié)時是均勻分布的(基礎(chǔ)金屬粉末1～10μm，TiC粉末0.5～5μm)；

圖3B示出了鋼的基體結(jié)構(gòu)的圖像，其中基礎(chǔ)金屬粉末和TiC粉末的粒徑超出基準(zhǔn)程度，其中TiC在燒結(jié)時局部聚結(jié)(aggregate)(基體金屬粉末大于10μm；TiC粉末大于5μm)；

圖4A示出了比較例1中制備的活塞銷的抗壓測試的結(jié)果圖像；

圖4B示出了實施例1中制備的活塞銷的抗壓測試的結(jié)果圖像；

圖4C示出了實施例2中制備的活塞銷的抗壓測試的結(jié)果圖像；

圖4D示出了比較例2中制備的活塞銷的抗壓測試的結(jié)果圖像；

圖5A示出了比較例1中制備的活塞銷在抗壓測試中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

圖5B示出了實施例1中制備的活塞銷在抗壓測試中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；

圖5C示出了實施例2中制備的活塞銷在抗壓測試中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；并且

圖5D示出了比較例2中制備的活塞銷在抗壓測試中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

附圖標(biāo)號：

100:TiC

200:碳化鉻

300:聚集區(qū)域

400:銷斷裂。

具體實施方式

本文中使用的術(shù)語僅為了描述特定實施方式的目的，而不旨在限制本公開的示例性實施方式。除非上下文另外明確地指示，如本文使用的，除非上下文另外明確指明，單數(shù)形式“一個”、“一種”和“該”旨在也包括復(fù)數(shù)形式。如本文使用的，術(shù)語“和/或”以及“至少一個”包括相關(guān)列出項目中的一個或多個的任何和所有組合。還應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)本文中使用術(shù)語“包含”、“含有”和/或“包括”時，指示存在所述的特征、整體、步驟、操作、元件及/或部件，但并不排除存在或附加一個或多個其它特征、整體、步驟、操作、元件、部件及/或其組合。

除非另外有定義，本文使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)與示例性實施方式所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常所理解的具有同樣的含義。此外應(yīng)當(dāng)進一步理解的是，例如，在通常使用的詞典中定義的那些術(shù)語的術(shù)語應(yīng)被解釋為具有與它們在相關(guān)領(lǐng)域的上下文中的含義一致的含義，并且不得以理想化或者過度形式化的意義進行解釋，除非明確規(guī)定如此定義。

下文將結(jié)合附圖給出根據(jù)本公開的實施方式的輕質(zhì)活塞銷的制造的描述。除非另外指定，否則術(shù)語“％”是指重量％。

根據(jù)其一個方面，本公開涉及制造輕質(zhì)活塞銷的方法。

本公開的輕質(zhì)活塞銷是通過基本由鉻、碳、和鐵組成的基礎(chǔ)金屬粉末以及TiC粉末的混合物制備的?；A(chǔ)金屬粉末必須在經(jīng)受燒結(jié)和熱處理工藝后形成馬氏體?；A(chǔ)金屬粉末的組成優(yōu)選地遵循SKD11鋼的組成，但不限于此。

SKD11鋼具有以下組分：C：1.4～1.6％，Si：0.4％或更少(0％除外)，Mn：0.6％或更少(0％除外)，P：0.03％或更少(0％除外)，S：0.03％或 更少(0％除外)，Cr：11～13％，Mo：0.8～1.2％，V：0.2～0.5％，F(xiàn)e：余量，以及不可避免的雜質(zhì)。SKD11鋼可加工性不佳，展現(xiàn)優(yōu)異的耐磨性。本文中引入了MIM以克服這種低可加工性并實現(xiàn)該鋼的加工。

此外，可以使用粘結(jié)劑以為混合物提供可塑性和流動性。對粘結(jié)劑的種類和量沒有給予具體限制?？梢钥紤]到可塑性和流動性，對粘結(jié)劑的種類和量做出選擇。然而，考慮到金屬粉末的性能，液體有機粘結(jié)劑是優(yōu)選的。

如將在隨后詳細(xì)描述的，優(yōu)選基礎(chǔ)金屬粉末和TiC粉末的尺寸分別在1至10μm和0.5至5μm范圍內(nèi)，且其之間的重量比在18～22％:78～82％范圍內(nèi)。

一旦將粘結(jié)劑混合至基礎(chǔ)金屬粉末和TiC粉末的混合物中，使得到的混合料經(jīng)受金屬粉末注射成型(MIM)為活塞銷。在這方面，將混合料成型為比想要獲得的真實活塞更大的尺寸，因為成型體將隨著粘結(jié)劑的消除而收縮。

此后，進行以下步驟以完成活塞銷：脫脂成型的混合物以除去粘結(jié)劑，燒結(jié)失去粘結(jié)劑的混合物，形成圍繞TiC粉末的碳化鉻的中間層，以及將基體轉(zhuǎn)化為馬氏體基體。

成型步驟、脫脂步驟，以及燒結(jié)步驟可以根據(jù)MIM工藝進行。優(yōu)選地，成型步驟可以在180～205℃下進行，脫脂步驟在120℃下進行7小時或更久，并且燒結(jié)步驟在1200～1250℃下在真空中進行20小時或更久。中間層形成步驟可以在燒結(jié)步驟后立即進行。當(dāng)燒結(jié)設(shè)備不同于熱處理設(shè)備時，在隨后的步驟之前將燒結(jié)混合物冷卻至600℃。

由于高硬度，TiC傾向于脆性斷裂。因此，可以使TiC通過被相對高韌性的馬氏體圍繞而具有高彈性和適當(dāng)?shù)捻g性。然而，當(dāng)直接分布在馬氏 體結(jié)構(gòu)中時，TiC可以脫離馬氏體結(jié)構(gòu)。脫離馬氏體結(jié)構(gòu)的TiC可能經(jīng)受脆性斷裂。因此，TiC優(yōu)選地被碳化鉻圍繞，從而TiC可以穩(wěn)定地熔合入馬氏體。

圖2A是在燒結(jié)步驟完成之后而沒有再加熱，已經(jīng)立即進行馬氏體轉(zhuǎn)化鋼基體結(jié)構(gòu)圖像。如所示的，當(dāng)TiC(黑色)、碳化鉻(暗灰色)，和馬氏體(淺灰色)分開形成時，TiC從馬氏體基體中脫離。

相反地，圖1、2B和2C示出了，其中TiC(黑色)被碳化鉻(灰色)所圍繞的鋼形態(tài)。像這樣，當(dāng)TiC分布在馬氏體基體中，同時被碳化鉻圍繞時，TiC會改善鋼的彈性并且防止了產(chǎn)生脆性斷裂。

為了構(gòu)造該結(jié)構(gòu)，在燒結(jié)步驟后，進行通過在預(yù)定的溫度下加熱燒結(jié)混合物形成中間層的步驟。

該中間層形成步驟是通過將燒結(jié)混合物維持在1000～1050℃下2～4小時，以將碳化鉻在TiC周圍粉末沉積，隨后通過爐冷至600℃或更低以穩(wěn)定該相來進行的。爐冷，特征在于低冷卻速率，允許沒有突然相變的穩(wěn)定相。此外，在爐冷之后可以采用粗加工。

在中間層形成步驟中，當(dāng)加熱時間小于2小時時，碳化鉻沉積不足從而不能充分包圍TiC。另一方面，超過4小時的加熱時間延長了工作時間并增加能量消耗，以及使得TiC顆粒變粗。

在中間層形成步驟之后，進行馬氏體轉(zhuǎn)化步驟，其中將燒結(jié)混合物在950～1050℃下加熱并且然后空氣冷卻至300℃或更低，以將基體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為馬氏體結(jié)構(gòu)。此后，在500～600℃下進行回火以減少過多的剛性并提供韌性。

實施例

在下面的實施例中，制備各種活塞銷并測量物理性能。

圖4A至5D示出了實施例1和2以及比較例1和2。

比較例1是傳統(tǒng)的鋼批量產(chǎn)品，由碳化的SCM415制成，具有4.25mm的厚度(Φ18×9.5×42)和56.9g的重量。

比較例2是由Fe-25％TiC在220℃的回火溫度下制成的鋼產(chǎn)品，具有2.5mm的厚度(Φ18×13×42)和33.2g的重量。

實施例1是由Fe-20％TiC在220℃的回火溫度下制成的鋼產(chǎn)品，具有4.25mm的厚度(Φ18×9.5×42)和50.7g的重量。

實施例2是由Fe-20％TiC在550℃的回火溫度下制成的鋼產(chǎn)品，具有3.5mm的厚度(Φ18×11×42)和46.3g的重量。

在與連桿結(jié)合后，使活塞銷經(jīng)受抗壓測試。如圖4A至4D中所示，觀察到比較例1以及實施例1和2的活塞銷，直至連桿應(yīng)變(strain)(80KN或更高)，既沒有經(jīng)受變形也沒有斷裂。因此，根據(jù)本公開制備的活塞銷展現(xiàn)相當(dāng)于傳統(tǒng)批量產(chǎn)品的物理性能，但是比傳統(tǒng)的批量產(chǎn)品輕。

相反地，比較例2的活塞銷，雖然由于TiC含量超過本公開限定的上限而輕得多，但會經(jīng)受脆性斷裂。如上所述，脆性斷裂更有可能發(fā)生在高硬度的高含量TiC上。

圖5A至5D示出了實施例1和2以及比較例1和2的活塞銷在抗壓測試中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。如在圖5A至5D中可以看出的，比較例1以及實施例1和2的活塞銷在82KN下開始應(yīng)變，其不歸因于活塞銷，而歸因于連桿。換言之，活塞銷附接的連桿在活塞銷斷裂之前變形。比較例2的活塞銷在70KN開始應(yīng)變并最終斷裂。

當(dāng)以100％的基礎(chǔ)金屬粉末和TiC粉末的混合物為基準(zhǔn)，使用TiC的量為18％時，活塞銷具有高密度，具有的減重效果可以忽略，其可能不會帶來燃料效率的改善。在大于22％的TiC含量下，TiC粉末量過大而在基體內(nèi)分布不均勻。當(dāng)TiC不是均勻分布，而是局部聚結(jié)時，活塞銷可能經(jīng)受脆性斷裂，并顯示差的可加工性。因此，基礎(chǔ)金屬粉末和TiC粉末的混合物優(yōu)選具有18～22％的TiC含量。此外，當(dāng)基礎(chǔ)金屬粉末和TiC粉末的粒徑大于預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)時，TiC分布不均勻，而是聚結(jié)的。TiC的聚結(jié)在圖3B中示出。

在圖3A中，當(dāng)基礎(chǔ)金屬粉末和TiC粉末的粒徑分別在1至10μm和0.5至5μm的范圍內(nèi)時，TiC在馬氏體基體中是均勻分布的。

另一方面，當(dāng)基礎(chǔ)金屬粉末和TiC粉末分別具有大于10μm和5μm的粒徑時，TiC可能會局部聚集，如圖3B中所示。TiC的聚結(jié)導(dǎo)致脆性增加和可加工性下降。然而，較小的粒徑需要更大量的工作時間和能量。因此，基礎(chǔ)金屬粉末和TiC粉末優(yōu)選分別具有1～10μm和0.5～5μm的粒徑。

所以，活塞銷的金屬結(jié)構(gòu)中的TiC顆粒在0.24～0.26的泊松比下展現(xiàn)最優(yōu)選的性能。在小于0.24的泊松比下，TiC顆粒具有長棒狀和增加的韌性。大于0.26的泊松比會導(dǎo)致TiC的聚結(jié)，從而增加活塞銷的脆性。

本公開的另一方面涉及通過金屬粉末注射成型(MIM)包含鉻、碳和鐵的基礎(chǔ)金屬粉末，和TiC粉末的混合物制造的輕質(zhì)活塞銷，其中該活塞銷具有馬氏體結(jié)構(gòu)，由碳化鉻圍繞的TiC粉末分散在其中。

活塞銷的單獨組分如上所述。

如目前為止描述的，根據(jù)本公開的輕質(zhì)活塞銷和制備該輕質(zhì)活塞銷的方法呈現(xiàn)以下的效果：

首先，該活塞銷具有低密度并且輕，因而有利于增加燃料效率。

其次，該活塞銷由于其改善的彈性，具有增加的壽命。

最后，盡管其體積較小，該活塞銷展現(xiàn)相當(dāng)于傳統(tǒng)活塞銷的性能。

雖然出于說明性的目的披露了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，然而，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將認(rèn)識到在沒有背離所附權(quán)利要求中所公開的本發(fā)明的范圍和精神的前提下可以進行各種改變、添加以及替換。