CN101918162B - 预合金铜粉锻造的连接杆 - Google Patents

Abstract

提供一种用于制造连接杆的工艺，其包括压实、烧结和粉末锻造粉末金属的步骤，粉末金属包括碳源和主要由铁和铜组成的预合金粉末。由该工艺制成的连接杆具有用在发动机内的足够硬度和强度且不需要任何另外的淬火或回火。

Description

预合金铜粉锻造的连接杆

相关申请的交叉引用

本申请要求于2008年1月4日提交的题为“预合金铜粉锻造连接杆(PREALLOYED COPPER POWDER FORGED CONNECTING ROD)”的美国临时专利申请序列号第60/019,122号的优先权，其全部内容以参见的方式纳入本文。

关于联邦赞助研发的声明

无

技术领域

本发明总地涉及连接杆。具体来说，本发明涉及一种由预合金粉末金属制成的粉末锻造的连接杆。

背景技术

在往复活塞和内燃机中，连接杆将活塞连接到曲轴。每个连接杆具有附连到活塞内的肘节销的较小端和附连到曲轴的较大端。当发动机高速运行时，连接杆经受强烈的循环应力。因为该应用要求连接杆具有较大的强度和硬度，所用这些连接杆通常由钢或钢合金制成。此外，该应用需要连接杆的端部与肘节销和曲轴之间精确连接以确保发动机的顺利运行。因此，连接杆的各端的内径必须精确地定尺寸。

材料和机械要求的该组合使粉末冶金，且具体是粉末锻造优于诸如铸造成为的更常规的制造方法的用于连接杆的流行制造方法。铸造部件无法提供连接杆结构的足够的尺寸控制。此外，铸造部件需要对连接杆的坚固且坚硬的材料进行大量的机加工。缺少尺寸控制意味着很难对需要去除的材料进行机加工。该加工实施成本高且致使产生大量的废料。而使用粉末冶金制成的连接杆比浇铸部件显然具有更好的尺寸精度。该增加的尺寸控制量减少了在加工期间必须去除的材料量，并降低了二次加工操作的成本。

使用粉末冶金制备连接杆是多步骤工艺。首先，将通常与润滑剂和蜡混合的粉末金属压入设置成形成“生坯”压坯的工具和模内。然后将该生坯压坯在炉内在刚好低于主粉末金属成分的熔点以下的温度下烧结。该烧结通常在还原气氛下进行以防止连接杆在高温下氧化。尽管烧结的连接杆比生坯压坯坚固得多，但烧结连接杆并不是完全致密的。因为烧结连接杆不是完全致密的，所以连接杆的强度受到损害。为了进一步增加该密度，连接杆可以是粉末锻造的。在粉末锻造期间，将烧结的连接杆插入模具内并在高温下经受应力。在高温下施加应力引起材料内的塑性流动，去除多余的孔隙并产生几乎完全致密的连接杆。

但是，当由钢或钢合金制成时，即使该几乎完全致密的锻造连接杆也不认为适用于发动机。当加热到一定温度以上时，具有一定量碳的钢可在微结构内形成奥氏体相。冷却时，该奥氏体相可形成马氏体相。马氏体和形成的其它相的量由部件的冷却曲线决定，并可用对所冷却的材料的温度、时间、相变图表(TTT图表)来估计。马氏体相非常坚硬，但也非常脆。由于该脆性，连接杆不能经受在其用于发动机期间所施加的循环应力。此外，由于马氏体相硬且脆，所以也降低了连接杆的可加工性。为了降低该脆性，连接杆必须在低于固溶化温度的温度下回火以通过碳扩散将马氏体相部分地相变成珠光体和贝氏体。该相变使钢变坚韧并增加其展延性，使连接杆适用于发动机。该回火步骤通常是耗时的并会需要相当的花费来提供实现所要求的微结构及其相应材料特性所必须的能量。

除了工艺变化之外，也可通过添加合金元素来改变连接杆的某些材料特性。某些合金元素可直接改变钢的材料特性，而另一些可防止形成不合要求的内含物。此外，大多数合金元素或这些元素的组合仅在一定范围内是有效的。太少或太多的合金元素或合金元素的组合可能不合要求地改变连接杆的微结构和特性。

可将合金元素混合到粉末内或可与铁粉预合金。粉末的混合包括将两种或多种不同粉末机械混合以形成具有每种原始粉末的各个晶粒的混合粉末。相反，预合金包括将合金元素化学添加到铁粉以形成在单个晶粒内具有铁和合金元素的粉末。

可与钢形成合金的一种元素是铜。众所周知，铜可以是粉末金属的成分并可用作铁强化剂。多个专利和专利申请揭示了使用铜作为用于与铁粉组合的分开的混合粉末。参见授予阿卡基(Akagi)等人的美国专利第6,391,083号和伊里亚(Ilia)的美国专利申请09/919,426和11/253,298。具体来说，伊里亚(Ilia)专利申请揭示了在生产连接杆时使用混合的铁粉和元素铜粉末的组合。

同样，还已知钢内有铜与其它合金元素的预合金。授予康多(Kondo)等人的美国专利第3,901,661号揭示了用于粉末锻造的预合金钢粉末，包括高达0.5重量％的碳、0.8至5.0重量％的铜、0.1至0.7重量％的钼以及高达0.6重量％的锰。康多专利中将由粉末制成的部件在粉末锻造后淬火和回火以产生足够的硬度(第7栏第15-35行)。此外，所揭示范围内的钼含量是实现足够的硬度或强度所需要的合金元素(第5栏第35-45行)。

因此，需要提供一种用于形成连接杆的更有效的工艺。具体来说，理想的是减少烧结次数并降低烧结温度来处理连接杆，因此降低能耗，同时仍提供具有足够和改进材料和机械性能的连接杆。

发明内容

本发明提供一种用粉末金属制造钢连接杆的工艺，粉末金属包括主要由铁和铜组成的预合金粉末。

用于制造该连接杆的工艺包括压实、烧结和粉末锻造步骤。在压实步骤中，将粉末金属压实以形成生坯部件，粉末金属包括诸如混合石墨粉末的碳源和主要由铁和铜组成的预合金粉末。可选地，也可将其它粉末与粉末金属混合。在烧结步骤期间，将生坯部件在高温下烧结一段时间以形成烧结部件。尽管比生坯压坯更致密，但烧结部件与锻制材料相比仍具有相当量的孔隙。在粉末锻造步骤期间该孔隙率可大大降低。在粉末锻造期间，将烧结部件置于模具内并在高温下经受机械应力。在高温下施加应力会使部件内的材料塑性流动并减少孔的数量。此外，因为部件置于模具内，限制了连接杆的尺寸，因此改进了最终部件的尺寸精确度。

相当出人意料的是，通过上述工艺在类似或减少的烧结次数和类似或降低的温度下制成的连接杆比用混合铜制成的连接杆具有更高的硬度和强度。不需要诸如回火之类的进一步热处理步骤来降低锻造的连接杆的脆性。为了在使用前使连接杆变坚韧并改进连接杆的展延性，通常认为有必要进行回火。

通过该工艺制成的连接杆致使更好的能量利用。该工艺能够减少烧结次数并降低烧结温度，以及能够免除回火步骤。

制造连接杆的该工艺和形成的连接杆可包含多种变型。例如，粉末金属还可包括硫化锰以改进连接杆的可加工性。此外，粉末金属也可包括混合元素铜粉末来补充铁-铜预合金粉末。也可将本领域技术人员已知的其它粉末与本发明的粉末金属成分混合。

本发明具有多个优点。因为将铜预合金到铁粉内，所以减少了连接杆内的铜分离。因为铜是预合金的，所以连接杆可在较低温度下烧结较短的时间，因此减少加工产品所必须的能量。但由该工艺制成的连接杆与由具有类似重量百分比的混合形式铜的粉末制成的连接杆相比具有改进的材料特性。由该工艺制成的连接杆具有比用具有混合铜的粉末制成的粉末锻造材料更高的硬度和抗拉强度。铜的预合金还消除了对重力给料板来说常见的不合要求的混合铜粉末分离的问题。

本发明的这些和其它特征和优点会从以下详细说明书中显现出来。

附图说明

在说明书中，参照示出本发明实施例的附图。

图1是连接杆的立体图；

图2是在一次烧结锻造操作之后由包含3重量％的铜的预合金铁粉制成的连接杆的梁截面的显微照片；

图3是在两次烧结锻造操作之后由包含3重量％的铜的预合金铁粉制成的连接杆的梁截面的显微照片；以及

图4是在一次烧结加上旋转锻造操作之后由包含3重量％的铜的预合金铁粉制成的连接杆的梁截面的显微照片。

具体实施方式

现参见图1，示出连接杆10。该连接杆10具有中部梁部分12，该梁部分12一体地连接到活塞端14和曲轴端16。该活塞端14具有可连接到活塞的肘节销的小孔18。该曲轴端18具有可连接到发动机的曲轴的大孔20。当发动机工作时，燃烧循环使活塞在发动机气缸内往复运动，致使连接杆的曲轴端16的位置周期性变化。

该连接杆10通过粉末金属工艺制成。该工艺通常包括压实、烧结和粉末锻造步骤。

该工艺中的第一步骤是压实步骤。在压实步骤期间，将粉末金属材料压实到比最终所要求的连接杆稍大的生坯压坯内。压实通常通过压力机来进行，该压力机具有容纳粉末金属的给料板以及工具和模具组。为了用粉末金属填充模具内腔，将给料板滑过由工具下部密封在下端上的模具腔。接着，给料板滑回以露出填充好的内腔。然后压力机的工具将内腔内的粉末金属压实以形成生坯压坯。最后，工具的下半部将生坯压坯从模具顶出。

应当理解，压实步骤的实质是将粉末金属从松散颗粒变成一体化生坯压坯。尽管以上描述了典型的压实步骤，但可对压实步骤进行本领域的技术人员已知的各种改型而不偏离本发明的精神。

用于形成连接杆的粉末金属可包括碳源和主要由铁和铜组成的预合金粉末。这意味着预合金粉末实质上不包含例如钼的任何其它合金元素。预合金铜的优点之一在于在铜在重力给料板内不会发生分离。如果将铜作为分开的粉末进行混合，则给料板的循环运动会致使铜粉末分离。该分离会致使一批部件的部件成分不均匀。具体来说，当合金元素内小的百分比变化会致使材料特性的大变化时，保持粉末金属的均匀是很重要的。

可将粉末金属与其它粉末混合，其它粉末包括但不限于硫化锰、石墨和铜粉。

通常添加硫化锰来提高连接杆的可加工性。因为小孔18和大孔20的内径必须尺寸精确，所以它们通常进行机加工来定尺寸。此外，连接杆在孔20端的端部部分通常断开并用螺栓再附连，所以必须在孔20的相反侧上钻出并攻出螺栓孔。因此，包含这种硫化锰会使该加工容易得多。应当注意，太多的硫会致使形成硫化铁，这会不利地影响材料的强度。因此，根据添加硫化锰的形式以及其必须扩散的时间量，较佳的是限制硫化锰的量。

可添加石墨作为碳源来改进部件的强度，尽管也可利用其它碳源。此外，也可将分开的元素铜粉末与预合金粉末混合。

还应当理解，粉末金属可包括一定量的润滑剂和聚合物粘合剂来促进生坯压坯从模具顶出并促进便于操作且不会断裂的一体式压坯的形成。该润滑剂和聚合物粘合剂通常是烃类并可提供一定量的碳。

一旦将部件压实成生坯压坯，该工艺可选配地包括“烧熔”步骤。在该步骤中，将生坯压坯暴露在比烧结温度低得多的温度下，但该温度足够高以使大部分润滑剂和聚合物粘合剂分解。润滑剂和聚合物粘合剂的烧熔减少部件内的碳含量，并提供部件的初始弱烧结来改进否则会成为脆性部件的操作性。

在烧结步骤过程中，将该部件在低于粉末金属的主要成分的熔融温度的温度下穿过烧结炉来烧结生坯压坯。烧结是取决于温度的扩散控制过程。在烧结温度下的高扩散率使各个粉末金属颗粒彼此“嵌入(neck)”以降低部件整体的表面能量。在进行烧结时，粉末金属颗粒之间形成的孔尺寸会减小且该部件密度会增加。由于密度增加而材料未损失，所以该部件尺寸收缩。发生收缩的量根据粉末金属材料、烧结时间和部件几何形状而变化。因为在烧结期间部件的尺寸收缩，且在锻造期间孔隙减小，所以设计成形成生坯压坯的工具必须具有比所要求的最终部件稍大的尺寸。

发明人已经发现，如果将铜预合金而不是混合，则在烧结步骤期间可实现许多优点。因为铜是预合金的，所以在烧结期间不必等待元素铜粉末扩散到铁基体内来实现所要求的微结构形态。因此，混合铜可减少烧结次数并降低烧结温度。烧结次数的减少和温度降低可降低能耗，降低处理连接杆的成本。因为铜是铁素体的加强剂，将铜预合金在铁基体内会提高连接杆的强度。

即使在烧结之后，该部件仍然并非完全致密的。当材料内的孔大小减小时，它们形成内部孔穴。为了通过烧结去除这些多孔孔穴，必须将该体积作为空位从材料扩散出去。将材料烧结足够长的时间来进行空位扩散是不切实际的。部件显著远非完全致密的情况是有问题的，原因是这会对部件的强度造成不利影响。因此，在连接杆可以使用之前必须进一步处理。

考虑到该工艺可能包括重复烧结步骤来实现混合粉末的充分扩散。

为了消除其余的孔隙并提高部件的强度，该工艺还包括粉末锻造烧结部件的步骤。在粉末锻造中，将烧结部件置于模具内，如果必要可加热，并经受长时间的机械应力。在高温下施加应力会使部件内的材料塑性流动。此后，大大地去除材料内的其余空穴，形成几乎完全致密的最终部件。因为将部件插入模具内，该模具加工成所要求的最终部件的尺寸，所以锻造部件的尺寸接近所要求的最终部件尺寸。

尽管本发明的工艺不需要对连接杆进一步加热处理来具有用于发动机内的足够材料特性，但该部件可经受热处理或其它锻造后处理来改变材料的微结构或机械特性。

在粉末锻造之后，这些部件可经受二次加工操作。在连接杆的情况下，该加工操作会在小端和大端的内径上进行，断开曲柄和支承帽(bearing cap)并加工螺纹孔。

现参照图2、3和4，示出本发明的一个粉末金属成分的显微照片。图2示出已经一次烧结并然后粉末锻造的样品的微结构。图3示出已经两次烧结并然后粉末锻造的样品的微结构。图4示出已经一次烧结并然后旋转锻造的样品的微结构。三个显微照片中的每个的粉末金属合成物包括预合金粉末金属，该预合金粉末金属包括3重量％的铜和铁。所有的样品都用包含4％的苦醇的蚀刻溶液蚀刻并然后用包含2％的硝酸乙醇的蚀刻溶液蚀刻以露出晶界和微结构。所有的显微照片在下部左右手侧角落具有指示比例尺长度为40微米的比例尺。因此，平均晶粒大小约为10至30微米。

所有的显微照片示出微结构几乎不包含或完全不包含马氏体。缺少马氏体意味着材料无需在用于发动机之前回火，因为该材料不是脆性的。而是，可以看出，微结构包括珠光体(白色薄层晶粒)和铁素体(实心晶粒)。也可形成贝氏体。此外，细长灰色晶粒包括硫化锰添加剂以改进部件的可加工性。无马氏体的微结构指示材料不是脆性的且因此在使用前不需要任何锻造后热处理。

测量由元素铜粉末、预合金铁和铜粉末、以及预合金粉末和元素粉末的混合物制成的多个样品的机械特性。制备第一样品，其包括1％的预合金铜和2％的混合铜。制备第二样品，其包括2％的预合金铜和1％的混合铜。制备第三样品，其包括3％的预合金铜。三种预合金粉末中每个的材料的其余部分为铁。还将石墨和硫化锰混合到每种粉末金属内。将所有的样品压实并然后在2080℉的温度下烧结。在烧结期间，样品暴露于2000℉以上温度的时长约为14分钟。两次烧结锻造样品是再烧结过的。在一次或多次烧结步骤之后，将所有的样品进行粉末锻造。烧结锻造和两次烧结锻造的样品是烧结过并然后在2080℉的温度下锻造过的。烧结且旋转锻造的样品是单次烧结并然后在2125℉的温度下旋转锻造过的。

表1示出具有各种铜化学组成的五个样品中的每个在失效之前能够承受的最大载荷。

表1

在失效前的最大拉力载荷(lbs)

表1显示含有3％的铜都为预合金铜的样品在失效之前所承受的载荷比制备的含有某些百分比的铜为混合铜的样品大。

表2示出在样品的非倒角侧和倒角侧上的平均表面硬度。

表2

平均表面硬度(HRC)

表2显示当样品中预合金铜的量增加时平均表面硬度趋向于增加。还可发现，在不同样品的相同部位测量时，两次烧结锻造样品具有的表面硬度比一次烧结锻造样品大。此外，在样品的相似部位测量时，烧结且旋转锻造的样品具有的表面硬度比另两种工艺的样品甚至更大。

表3示出由各种预合金铜和混合铜材料的混合物中的每种制成的连接杆的不同部件部位的锻造密度和碳含量。

表3

锻造密度(g/cm³)和碳含量

在连接杆的相同部位测量时，所有连接杆的锻造密度都相似。具体地说，在类似处理过时，由各种粉末化学成分中的每种制成的连接杆的密度具有类似的锻造密度。既然样品都具有类似的密度，因此可以说表1和2中示出的机械性能的差异不是密度增加的结果，而是本发明工艺造成的烧结部件的微结构的差异的结果。

尽管仅参照连接杆描述了本发明，但用于制造连接杆的上述工艺也可用于制造任何其它粉末金属部件。该工艺通过避免马氏体相变对需要高强度和良好可加工性的粉末金属是最有价值的。

具体来说，意味着本发明并不限于本文所包含的实施例和说明，而是包括这些实施例的改型，这些改型包括落入以下权利要求书范围内各实施例的各部分和不同实施例的各元素的组合。

Claims (11)

1.一种用于制造连接杆的工艺，包括：

将粉末金属压实成生坯压坯，所述粉末金属包括碳源和基本上由铁和1至5重量％的铜构成的预合金粉末；

将所述生坯压坯烧结一段时间以形成烧结部件；以及

粉末锻造所述烧结部件，所述粉末锻造在所述烧结部件内产生塑性流动以形成连接杆。

2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述连接杆在用于发动机之前不需要进一步热处理。

3.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，还包括在锻造所述连接杆之后和将所述连接杆热处理之前将所述连接杆安装在发动机内的步骤。

4.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述碳源是混合石墨粉末。

5.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述粉末金属还包括混合硫化锰粉末。

6.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述粉末金属还包括混合铜粉末。

7.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述预合金粉末主要由铁和约3重量％的铜组成。

8.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述连接杆具有基本上不含马氏体的微结构。

9.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，还包括将所述生坯压坯烧结两次，然后使所述烧结部件经受粉末锻造。

10.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述粉末锻造通过旋转锻造炉来进行。

11.一种通过权利要求1所述的方法制成的连接杆。