CN101755060B - 功能上分段的粉末金属构件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制造铁质一体构件的方法以及从该方法得到的构件。本发明的方法对希望具有提高的强度的构件部分进行有选择的快速冷却而对希望具有更好的机械加工性的部分进行有选择的受控冷却。受控冷却可包括冷却、再加热以及再冷却。结果是可以得到一种构件，其在快速冷却的区域中具有局部的高强度，而在较缓慢冷却的区域中具有局部改变的冶金性能以改进机械加工性。

Description

功能上分段的粉末金属构件
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2007年7月11日的题为“功能上分段的粉末金属构件(Functionally Graded Powder Metal Components)”的美国临时专利申请序列号60/959,052的权益，该申请以引用方式完整地包含于此。
关于联邦赞助的研究或开发的声明
不适用。
技术领域
本发明涉及烧结和锻造的粉末金属(PM)构件。特别是，本发明涉及由单种合金制成但在其不同部分中具有不同特性的构件。
背景技术
大多数粉末金属构件完全由单种铁质材料构成。然而，许多粉末金属构件具有许多部分，每个部分都具有不同的、有时甚至是矛盾的材料要求(例如硬度、强度、机械加工性等等)。用单种铁质材料来满足所有不同的要求通常意味着这些部分中的一些或全部的材料性会需要妥协，以便所有部分可满足它们的特殊的最低要求。
具有不同要求的粉末金属构件的一个例子是车用连接杆。内燃机中受力最大的构件之一——车用连接杆具有多个部分，这些部分中的一些部分具有与其它部分不同的要求。如图1中可见，车用连接杆10包括I形梁区域(区域A)、活塞销端部(区域B)以及曲柄轴端部(区域C)。
在I梁区域中，理想的是具有尽可能最轻的质量和尽可能最高的材料强度。这些要求对于改善经济性以及对于在抵御纵向弯曲和拉伸的同时执行传递直线运动和旋转运动的设计功能来说是必需的。
另一方面，活塞销端部和曲柄轴端部必须具有很好的机械加工性。活塞销端部和曲柄轴端部各自机加工成具有紧密的公差以确保正确的配合和功能。在曲柄轴端部内孔(区域D)一侧，必须在螺栓凸块中钻出螺栓孔、用铰刀扩孔并进行攻丝，以供在连接杆的端部从连接杆的其余部分断裂开之后保持住连接杆的端部不让其脱落的螺栓之用。在大量生产时，如果能经济地机加工这些区域则会带来很大的收益。
然而，例如热处理操作所造成的强度增加会导致机械加工性的降低。由于这样的折衷，就必须在强度与机械加工性之间进行权衡。梁部分强度高的连接杆将难于进行机加工。相反，容易机加工的连接杆则可能更易于在I形梁部分中发生破坏。利用传统的制造方法很难达到强度与机械加工性之间的适当平衡，且这样的平衡通常会导致至少一个区域的材料性能不够理想。
因此，需要一种改进的在同一个一体的整体结构中具有不同的特性的构件。
发明内容
本发明提供一种制造铁质一体构件的方法以及从该方法得到的构件。例如在连接杆的情况中，即便在整个连接杆中使用相同的材料，该方法也可产生在连接杆的不同部分中具有不同的理想性能的连接杆。
一种本发明的方法对希望具有提高的强度的构件部分进行有选择的快速冷却而对希望具有更好的机械加工性的部分进行有选择的受控冷却。受控冷却可包括冷却、再加热以及再冷却。结果是可以得到一种构件，其在快速冷却的区域中具有局部的高强度，而在较缓慢冷却的区域中具有局部改变的冶金性能以改进机械加工性。
在连接杆的情况中，对I形梁进行有选择的快速冷却而对销和曲柄区域进行有选择的受控冷却，该受控冷却可以是再加热和再冷却。结果是可以得到一种连接杆，其在I形梁区域中具有局部的高强度，而在那些端部处由于改变的冶金性能而相对于I形梁区域具有更好的机械加工性。
有选择的快速冷却可以多种方式来实现。例如，可利用诸如定向气刀之类的对流技术来实现热传递，或可利用适当位置上的合适散热片来通过传导进行热传递。例如可利用选择区域的快速局部感应加热以及受控的局部冷却来实现有选择的再加热以及选择的局部区域的受控再冷却，从而实现所想要的性能。加热可实施成使得被加热的微结构可以是完全的奥氏体或可以包括奥氏体和铁素体的混合物。加热/受控冷却可实施成使得所得的选择区域具有与I形梁的冶金性能相比显著改变的冶金性能，具体来说是较低的硬度、较低的强度以及不同的微结构。特别是，连接杆的I形梁可通过形成更高百分比的细珠光体而具有芯部硬度和强度，该更高的百分比在一典型的应用中为在螺栓凸块区域中5-7％，其高于在I形梁中的百分比。与此同时，理想的是缓慢冷却螺栓凸块的耳部，以通过增加珠层薄片间距来获得一更有利于钻孔和攻丝的结构。此外，可对螺栓凸块的耳部和/或I形梁区域进行冷却，以产生从奥氏体到贝氏体或马氏体或两者、或者两者都结合有细珠光体的相变。这些是强度较高的相，但更难于机加工。
构件的材料可以是任何的铁质PM材料。在一种应用中，连接杆由2％铜的11C60PM材料制成。将梁、曲柄过渡区域以及销过渡区域从1700°F的起始温度以一定的速率在30秒中冷却到1240°F或以下的温度。之后，保持冷却速率，以在50秒之后(从与原来的30秒相同的起点算起)达到1200°F或以下的温度。在螺栓凸块耳部区域和内孔区域，冷却速率控制成在最少180秒之后才达到1250°F或以上的温度。应予理解的是，对于不同的合金和具有不同最终性能的连接杆，各个区域中的热处理过程的时间和温度是不同的。
本发明的前述和其它目的和优点将在下面的详细描述中变得清楚起来。在描述中，可参照示出本发明较佳实施例的附图。
附图说明
图1是连接杆的立体图，示出连接杆的不同区域；
图2是连接杆的平面图，表示出三个不同的区域或称部分；
图3是一种特定的连接杆材料下在不同的连接杆部位处的冷却的时间-温度曲线图；
图4A是连接杆以剖面表示的示意图，其中预加热的质量块插入在内孔中；
图4B是从连接杆的端部之一以及图4A所示的质量块的上方所见的视图，示出加热的质量块上的绝热层；
图5A是用于受控地冷却一系列连接杆的传送系统的俯视图；
图5B是图5A的传送系统的示意性侧视图；
图6A是类似于图5A的视图，但示出用于再加热连接杆的端部的另一工位；以及
图6B是图6A所示传送系统的一部分的侧视图。
具体实施方式
图1和2示出一构件，特别是一连接杆10，其具有肘节销端部区域B、曲柄端部区域C以及在这两个端部区域B和C之间的I形梁区域A。线12将I形梁区域A与肘节销端部区域B分开，而线14将曲柄端部区域C与I形梁区域A分开。曲柄端部区域C包括两个螺栓凸块耳部D。线16和18划分两个凸块耳部D与连接杆10的曲柄端部区域C的其余部分。曲柄端部区域C包括曲柄内孔E，肘节销端部区域B包括内孔F。如上所述，内孔E和F以及螺栓凸块耳部D是在锻造连接杆10之后再机加工的。接着如下所述地对连接杆10进行加工。
一种使用粉末金属制作连接杆的典型方法是首先将粉末金属合金压实成连接杆的形状，然后烧结该压实的构件，锻造它，并有选择地快速冷却和/或以不同的速率控制其各个冷却部分(如将在下文描述的)，去除构件的毛刺以除去飞边，有选择地结合受控的构件各个部分的再冷却(如果需要的话)来进行再加热，喷丸硬化构件，对构件进行平面磨削，标记构件，在构件中机加工出粗镗孔，在耳部D中机加工螺栓孔，使端部C的承载帽部分断开，安装螺栓，对构件进行平面磨削，然后对内孔、曲柄端部内孔以及肘节销内孔进行抛光(如果需要的话)。可以不包括这些步骤中的一些步骤，或可以包括其它制造步骤，或对合金进行改性，视需要而定。
现参见图3，图中示出由单种粉末金属合金，即带有2％的铜添加剂的11C60制成的连接杆内不同部位的冷却的时间-温度曲线图。值得注意的是，由图3中底部的三根曲线代表的I形梁区域A比图3中顶部的四根曲线代表的端部区域B和C冷却得快。需注意的是，图3中的轴线是以兰金度数表示的，兰金度数可以通过从兰金温度减去大致460度来转换成华氏度数。
I形梁的快速冷却导致较高的硬度和较高的强度，但机械加工性较差。端部B和C冷却较慢导致较低的硬度和强度，但机械加工性较好。I形梁区域A，包括所指出的过渡区域的部分，较佳的是快速冷却以形成细珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合物。应予理解的是，形成马氏体所需的有选择淬火的时间和温度取决于所用的的合金。
对于带有2％的铜添加剂的11C60，快速冷却意味着在大致30秒内使温度下降到1240°F(1700R)或以下。再保持该温度(为马氏体转变温度或稍低于马氏体转变温度)20秒(从时间计算起点开始总计50秒)。11C60包含铁、1.8-2.2重量％的铜、0.3-0.5重量％的硫化锰、0.10-0.25重量％的锰以及碳(为大致0.60重量％的石墨)。
对于端部，将冷却控制成保持温度高于材料的马氏体过渡温度一段足够长的时间以防止在端部的形成马氏体。在采用11C60材料的情况下，这意味着端部保持在1250°F(1710R)以上的温度下最少180秒。通过将端部保持在该温度，就给予碳足够的时间来扩散以避免在冷却过程中形成马氏体。
参见图4A和4B，图中示出实现连接杆10的各个区域之间的不同冷却的一种方式。在该例子中，将预加热的质量块20和22放置在连接杆端部的内孔中并与之匹配地接触，以将端部保持在马氏体转变温度以上所需的时间段，同时快速地冷却I形梁区域A。在11C60材料的情况中，预加热的质量块20和22从时间计算起点起将端部保持在1250°F(1710R)或以上至少180秒，同时通过将I形梁放置在冷却氛围中而将其在从时间计算起点起的30秒内快速冷却到1240°F(1700R)并在50秒后冷却到1200°F(1660R)以下。如图4B所示，可如所需地在连接杆的内孔与质量块20之间设置绝热层24，以有选择地将质量块20与内孔隔离，以便控制对连接杆10的该端部的热输入。
可替代的是，如果使用如图5A和5B所示的传送系统可以在端部与I形梁之间的冷却中形成足够的差别，则也可以无需在端部上使用加热的质量块。在该系统中，连接杆10沿着传送带30排齐并在气刀冷却器32下方通过，该气刀冷却器将冷却空气或另一冷却介质仅传递到I形梁区域A之上，而端部区域B和C则处于不加速冷却的环境氛围中。可替代的是，参见图6A和6B，可以仅在端部B和C之上使用感应加热器38和40。可以与感应加热器38和40同时使用冷却器32。此外，感应加热器38和40可用于在连接杆已被完全冷却到环境温度之后将端部B和C再加热到1700°F(2160R)的起始温度或以上，之后，将端部的冷却控制成在长于180秒之后冷却到1250°F(1710R)或以上。
连接杆10的材料可以是对应于热处理的任何合适的材料。例如，为了制作粉末金属连接杆，可以使用含1％至3％铜的11C60粉末金属材料。
现已相当详细地描述了本发明的较佳实施例。对于本领域的普通技术人员来说，对所描述的较佳实施例的许多修改和变化将是显而易见的。因此，本发明不应被局限于所述的实施例。

Claims (20)

1.一种包括在整个所述构件中一体的铁质粉末金属材料的构件，所述构件具有至少两个区域，所述区域中的一个区域被机加工而另一个区域不被机加工，其中，使所述机加工区域比所述未机加工区域冷却得慢，从而使所述未机加工区域比所述机加工区域具有更高百分比的微结构，所述微结构选自包含以下一种或多种微结构的组：细珠光体、贝氏体和马氏体。
2.如权利要求1所述的构件，其特征在于，通过对所述未机加工区域以比所述机加工区域高的速率进行冷却来产生所述未加工区域中的更高百分比。
3.如权利要求1所述的构件，其特征在于，整个所述构件由相同的粉末金属材料制成。
4.如权利要求1所述的构件，其特征在于，所述构件是用于内燃机的连接杆。
5.如权利要求4所述的构件，其特征在于，所述连接杆的端部包括机加工区域，而所述连接杆连接所述端部的中间区域是未机加工区域。
6.如权利要求5所述的构件，其特征在于，所述连接杆的中间区域的强度高于所述连接杆的端部。
7.如权利要求5所述的构件，其特征在于，所述构件由添加有2％的铜的11C60粉末金属材料构成。
8.如权利要求7所述的构件，其特征在于，所述中间区域在30秒内或更短时间内从至少1700°F冷却到1240°F。
9.如权利要求8所述的构件，其特征在于，所述中间区域在附加的20秒之后冷却到1200°F或以下。
10.如权利要求7所述的构件，其特征在于，所述连接杆的端部以一定速率冷却，以在至少180秒之后从至少1700°F的温度冷却到1250°F或以上的温度。
11.如权利要求5所述的构件，其特征在于，所述连接杆的中间区域以一定速率从锻造温度淬火，以在所述中间区域形成细珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合物。
12.如权利要求11所述的构件，其特征在于，所述连接杆的中间区域在淬火之后保持在恰好低于马氏体转变温度的一温度下一段时间。
13.如权利要求11所述的构件，其特征在于，所述连接杆的端部可控制地以一定速率冷却，以避免在所述端部形成细珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合物。
14.一种制造如权利要求1所述的构件的方法，包括再加热所述构件并以不同的速率冷却所述构件的所述两个区域以在所述可机加工区域中实现较高的机械加工性而在另一区域中实现较高的强度。
15.一种有选择地热处理由单种粉末金属材料制成的构件的方法，该方法包括：
加热具有至少两个区域的所述构件；
有选择地冷却所述构件的所述区域包括快速冷却所述构件的至少一个区域以及缓慢冷却所述构件的至少一个区域。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述加热所述构件的步骤包括将所述构件的温度升高到锻造温度。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述快速冷却包括将所述构件的一个区域淬火到马氏体转变温度或以下，并且缓慢冷却所述构件的另一区域包括将所述区域保持在所述马氏体转变温度以上的一温度一段足够长的时间以阻止形成马氏体。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述构件的缓慢冷却的所述区域呈现相对于所述构件的快速冷却的所述区域提高的机械加工性。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：再加热所述构件并以不同的速率冷却所述构件的所述两个区域，以在较缓慢冷却的所述区域中实现较高的机械加工性，而在快速冷却的所述区域中实现较高的强度。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述构件是具有两个端部区域以及位于其间的I形梁区域的连接杆。
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