CN103567451B - 利用金属粉末注射成型来制造配气机构零部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用金属粉末注射成型来制造配气机构零部件的方法，包括：通过将金属粉末与粘合剂混合来获得用于注射成型的原材料；通过将所获得的用于注射成型的原材料注入到具有配气机构零部件形状的模具中形成成型体；对所述成型体进行溶剂萃取；通过对溶剂萃取后的成型体进行脱粘合剂和烧结来形成烧结体；对所述烧结体进行尺寸加工；对所述尺寸加工后的烧结体进行真空渗碳；和对真空渗碳后的烧结体进行抛光。

Description

利用金属粉末注射成型来制造配气机构零部件的方法
技术领域
本发明涉及一种利用金属粉末注射成型来制造配气机构零部件的方法，更具体涉及这样一种利用金属粉末注射成型来制造配气机构零部件的方法，其通过利用具有较高尺寸精度的金属粉末注射成型来取代传统熔模铸造法，从而降低成本，并通过控制粉末组合物而具有改良的物理特性。
背景技术
内燃机是一种通过在燃烧室内燃烧从外部吸入的空气和燃料来生成粉末的装置，该装置具有用于将空气和燃料吸入到燃烧室中的进气阀和用于释放在燃烧室中燃烧的引爆气体的排气阀。这些进气阀和排气阀由凸轮轴打开和关闭，该凸轮轴通过与曲轴的旋转互锁而旋转。此外，用于操作进气阀和排气阀的一系列部件，如传动凸轮、凸轮轴、挺杆、摇臂和摇臂连接件，被称为配气机构。
此外，汽车行业正在开发各种环保型车辆，其目的在于将二氧化碳排放量减小至50g/km，该排放量是到2020年为止现有水平的35%~50%，并且这些行业正在将重点集中在技术开发，以满足2025年美国公司平均燃油经济性法规中规定的23.2km/l（54.5mpg）的燃料效率。
最近，连续可变气门挺柱（CVVL）正被应用于车辆发动机，该挺杆通过根据发动机转速控制进气阀的高度通过优化进气量最大限度地提高燃料效率和发动机性能。
图1是示出摇臂的示例性视图；图2是示出摇臂连接件的示例性视图；图3是示出摇臂和摇臂连接件的组合结构的示例性视图；以及图4是示出连续可变气门挺柱的示例性视图，如图所示，摇臂100和摇臂连接件110作为连续可变气门挺柱120的部件工作。
由于诸如摇臂100和摇臂连接件110的配气机构零部件，必须在恶劣条件下使用很长一段时间，因此需要较高的耐久性和精度，如强度、抗磨损性和抗冲击性。
以前，利用与普通铸造方法相比具有相对较高的尺寸精度熔模铸造方法，被用于制造配气机构零部件，但是对于具有复杂形状的配气机构零部件，该方法需要许多额外的处理，以便在铸造之后获得最终形状。
此外，当通过熔模铸造方法进行制造时，配气机构零部件展现出较高的机械强度，但是尺寸精度降低了，因此，由于增加了额外的处理，因此增大了加工成本和材料损耗。
以上提供作为本发明相关技术的说明仅仅是用于帮助理解本发明的背景，并且不应被解释为包括在本领域的技术人员熟知的相关技术中。
发明内容
已提出本发明以解决与现有技术相关的上述问题。本发明提供一种利用金属粉末注射成型来制造多个配气机构零部件的方法，该方法提高尺寸精度。此外，本发明可以通过利用取代作为配气机构零部件一般制造方法的常规熔模铸造方法的金属粉末注射成型，来提高经济效率，并且该方法可以通过确立最优的粉末组合物和工艺条件而被应用到恶劣条件下，例如发动机中。
根据本发明的利用金属粉末注射成型来制造多个配气机构零部件的方法，包括：通过将金属粉末与粘合剂混合来获得用于注射成型的原材料；通过将所获得的用于注射成型的原材料注入到具有配气机构零部件形状的模具中形成成型体；对成型体进行溶剂萃取；通过对溶剂萃取后的成型体进行脱粘合剂和烧结来形成烧结体；对烧结体进行尺寸加工；对尺寸加工后的烧结体进行真空渗碳；和对真空渗碳后的烧结体进行抛光。
此外，在本发明的一个实施例中，在获得用于注射成型的原材料的过程中，将约93重量%的金属粉末与约7重量%的粘合剂进行混合。该金属粉末包括：约2重量%的镍（Ni）、约0.5重量%的钼（Mo）、约0.25重量%的碳（C）、以及整个组合物中剩余重量百分比的铁（Fe）。
此外，在形成烧结体的过程中，在真空条件下利用氩气，将脱粘合剂后的成型体加热到约1250℃或更高的温度2小时（浸泡）。
此外，在真空渗碳中：将尺寸加工后的烧结体加热到约890℃，并利用乙炔（C2H2）气体对经尺寸加工后的烧结体渗碳1小时，然后在约890℃进行碳扩散10分钟，接着将尺寸加工后的烧结体冷却到约820℃，并在约820℃进行碳扩散20分钟。
在本发明的另一个实施例中，真空渗碳包括：将尺寸加工后的烧结体加热到约180℃，保持该温度90分钟，然后通过利用约80℃的油浴对碳扩散的烧结体进行淬火之后，对烧结体进行冷却。
配气机构零部件是摇臂或摇臂连接件。
附图说明
参考仅作为说明在下文中给出的并因此不限制本发明的附图所说明的某些示例性实施例，现将详细描述本发明的上述和其他特征，并且其中：
图1是示出根据相关现有技术的摇臂的示例性视图；
图2是示出根据相关现有技术的摇臂连接件的示例性视图；
图3是示出根据相关现有技术的摇臂和摇臂连接件的组合结构的示例性视图；
图4是示出根据相关现有技术的连续可变气门挺柱的示例性视图；
图5是示出根据本发明示例性实施例的利用金属粉末注射成型来制造配气机构零部件的方法的示例性流程图；
图6是示出根据本发明示例性实施例的脱粘合剂和烧结过程的示例性曲线图；
图7是示出根据本发明示例性实施例的真空渗碳和淬火过程的示例性曲线图；以及
图8是示出根据本发明示例性实施例的配气机构零部件（摇臂）的硬度测试结果的示例性曲线图。
应当理解的是，附图不必按比例绘制，而是呈现出说明本发明基本原理的各种优选特征的简化表示。本文中所公开的本发明的特定设计特征，包括例如特定尺寸、方向、位置和形状，这些特征将部分地由预期的特定应用和使用环境来确定。
在附图中，在全部的几张图中，附图标记始终指代本发明的相同或等同部件。
具体实施方式
可以理解的是，本文中所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似的术语包括一般而言的机动车辆，比如包含运动型多用途车辆（SUV）、公共汽车、货车，各种商用车辆的客车、包含各种轮船和舰船的船只、飞行器等等，并且包括混合动力车辆、电动汽车、混合动力电动汽车、氢动力汽车和其它替代燃料汽车（例如，从除了石油以外的资源中取得的燃料）。
本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并非旨在限制本发明。除非上下文明确指出，否则如本文中所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”等意图也包括复数形式。还应该理解的是，在本说明书中使用“包括”和/或“包含”等术语时，是意图说明存在该特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件，而不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元素、组件、和/或其组合的存在或增加。如本文中所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。
除非明确指出或可从上下文明显看出，否则如本文中使用的术语“约”被理解为在本领域中的正常公差范围内，例如，在平均数的两个标准偏差内。“约”可以被理解为在规定值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%或0.01%内。除非从上下文可以明确知道，否则本文所提供的所有数值都可由术语“约”修正。
接下来，参考附图详细说明本发明。
本发明利用具有较高尺寸精度的金属粉末注射成型取代了用于制造配气机构零部件的常规熔模铸造方法。
金属粉末注射成型（MIM）是一种新的粉末冶金成型技术，是粉末冶金技术与用于复杂塑料部件的大规模生产的注射成型方法相结合的技术，并且该方法可以包括：将精细的金属粉末与粘合剂混合；将该混合物注入到模腔中；将粘合剂从成型体中脱除；以及在高温下，仅烧结该粉末，以获得配气机构的零部件。
此外，与由熔模铸造制造的产品相比，由金属粉末注射成型制造的产品具有改良的尺寸精度。因此，需要相关现有技术的后处理过程，如对表面的热处理以提高物理性能。在相关技术中，因为对Fe-2wt%Ni-0.9wt%C脱碳，由于对材料（例如，薄壁部件和厚壁部件之间的差异）进行碳控制有难度，因此，难以获得所需的物理性能。
图5是示出根据本发明示例性实施例的利用金属粉末注射成型来制造配气机构零部件的方法的示例性流程图，下面详细描述实施例。
1.混合步骤（S100）
可以将金属粉末与粘合剂进行混合，以获得用于注射成型的原材料。为了流动性并保持在注射成型过程中金属粉末的形状，可以添加粘合剂，并且该粘合剂可以是普通的有机粘合剂，包含结合剂（如聚乙烯）或润滑剂（如石蜡和硬脂酸）。具体地，可以均匀地进行混合，以便具有约93重量%的金属粉末和约7重量%的粘合剂，以获得用于注射成型的原材料。
当金属粉末的量小于约93重量%时，在注射过程中的流动性可能仍然是良好的，但是脱粘合剂过程可能需要更长时间。因此，当金属粉末的量大于约93重量%时，该成型体在注射过程中可能具有较低的强度。
另外，可以通过分别供应每个金属原子然后向其添加钼（Mo）来混合金属粉末，具体地，可以混合羰基Fe(1)（含有约0.76重量%的碳（C））、羰基Fe(2)（含有约0.03重量%的碳（C））、镍（Ni）和钼（Mo），以便具有如下比例：约2重量%的镍（Ni）、约0.5重量%的钼（Mo）、约0.25重量%的碳（C）和整个组合物中剩余重量百分比的铁（Fe）。
此外，可以在约160℃，以约30rpm（转/分）混合约3小时。在以较低温度混合较短时间时，该粘合剂由于流动性而不混合，而在以较高温度混合较长时间时，该粘合剂在混合过程中可能会脱粘合剂。
2.注射步骤（S110）
在以下条件下所获得的用于注射成型的原材料可被注入到配气机构零部件的模具中，即约145℃的喷嘴温度、约33mm/s的注射速度、约3.5MPa的注射压力以及约30℃的模具温度，从而形成成型体。可以根据用于注射成型的原材料的流动性以及粘合剂的蒸发来确定喷嘴温度和模具温度，并可以根据注射成型装置的光滑注射和过载来确定注射压力和注射速度。
3.溶剂萃取步骤（S120）
通过上述方法形成的成型体可以预先浸没在正庚烷（n-heptane）溶液中以缩短脱粘合剂时间，并且可以在约40℃温度下溶剂萃取约10至12小时，以除去成型体中的大部分粘合剂。当温度大于40℃时，由于在适当的萃取路径形成于成型体中之前，用于除去粘合剂的反应速度变得过快而可能形成裂纹，因此，应力可集中在该成型体内。
另外，当温度小于40℃时，可能不会形成裂纹，但是由于增加了萃取溶剂所需的时间，因此可能增加工艺成本。
4.脱粘合剂和烧结步骤（S130）
图6是示出根据本发明一个示例性实施例的脱粘合剂和烧结过程的示例性曲线图。
脱粘合剂是被配置成在烧结之前基本上除去成型体中的粘合剂的工艺，可以进行热脱粘合剂以除去残留在溶剂萃取后的成型体中的粘合剂。
用于除去粘合剂的常规方法是一种可以通过缓慢加热成型体的热脱粘合剂而将粘合剂蒸发的方法。然而，在粘合剂蒸发时，可能会出现成型体变形，如扭转或弯曲，因为大多数粘合剂在较低温度下会缓慢蒸发，但当达到某个温度时可能会突然蒸发。
因此，如图6所示，为了防止成型体的变形，可以在约25℃温度下进行抽真空操作大约10分钟，并以约8L/min的速率填充氮气（N2），可以增大并保持该温度，以逐步地除去粘合剂，从而尽量减少成型体的变形。
此外，用于脱除粘合剂的路径可以在低温范围内形成于该成型体中，可以在中温度范围内对较低温度的粘合剂进行脱除，并且可以在高温度范围内依次地对较高温度的粘合剂进行脱除。
此外，真空条件可以通过抽真空实现，以大约5L/min的速率供给氩气（Ar），并且可以将脱粘合剂后的成型体加热至大约1250℃或更高，进行烧结，其中该温度可以保持大约2小时（例如浸泡），并且可以连续地进行以形成烧结体。在烧结过程中，可以通过致密化和颗粒生长（particle growth）使成型体固化。可以在单独的烧结炉中进行烧结，然而，也可在真空脱粘合剂烧结炉中在脱粘合剂工艺之后连续地进行烧结。
5.尺寸加工步骤（S140）
为了确定烧结体的尺寸，可以在大约100kgf/cm2的压力下对烧结体的尺寸进行加工。
6.真空渗碳处理步骤（S150）
图7是根据本发明示例性实施例的真空渗碳和淬火过程的示例性曲线图。如图7所示，可以将经尺寸加工后的烧结体加热大约30分钟至大约890℃的渗碳温度，然后可以利用乙炔（C2H2）气体作为碳源，进行大约1小时的渗碳。
此外，通过将温度保持在大约890℃10分钟左右，并在10分钟左右将该温度降低到大约820℃，并将温度保持在大约820℃20分钟左右，渗碳的碳（carburized carbon）可被扩散大约40分钟。
此外，可以利用油浴将碳扩散的烧结体淬火至大约80℃，以确保硬度和强度，并可进行回火，这使得温度升高至大约180℃，以将该温度保持大约90分钟，然后降低温度以提高韧性。
此外，通过利用乙炔（C2H2）气体作为渗碳并通过在真空气氛下渗碳来控制碳势脉冲（carbon potential pulse），可以获得具有均一深度的渗碳层深度，而与厚度无关。
7.抛光步骤（S160）
可以对真空渗碳的烧结体进行抛光大约2小时，以使其表面光滑。
表1
深度（mm） 摇臂硬度（Hv0.3）
0 684.9
0.05 707.1
0.1 675.4
0.2 670.7
0.3 586.3
0.4 560
0.5 557.1
0.6 529.9
0.7 475.6
1 385.3
1.5 385.3
2 395.6
图8和表1是根据本发明一个示例性实施例的配气机构零部件（例如，摇臂）的硬度测试结果的示例性曲线图和表格。如图所示，作为渗碳热处理的结果，摇臂100在其表面上具有约700Hv的硬度，从该表面至其深层部分具有约400Hv或以上的硬度；其有效渗碳层深度为约0.52mm；密度为7.6g/cc。
从各种测试的结果来看，摇臂100的基本物理性质为：7.5g/cc的密度、650Hv或以上的表面硬度、300Hv或以上的从表面到深层部分的硬度，以及0.3～0.6mm的有效渗碳层深度。
此外，作为测量根据本发明制造的摇臂100的机械强度的结果，摇臂具有940MPa的拉伸强度、0.5%的伸长率以及9.1J/cm2的冲击强度。
本发明可以通过利用具有较高尺寸精度的金属粉末注射成型方法来代替常规的熔模铸造方法（例如，根据本发明的摇臂100的尺寸精度为约0.13%，其要比根据传统熔模铸造方法的0.65%尺寸精度的摇臂100好5倍），通过降低加工成本和由额外加工过程产生的材料损失来降低费用。
另外，通过金属粉末注射成型来制造，本发明具有以下优点：通过控制组合物和工艺条件而均匀地渗碳，从而确保物理性质与常规熔模铸造方法的物理性质相同，例如，改进的强度和表面硬度。
本发明已参考其示例性实施例详细地描述。然而，在本领域的技术人员可以理解，在这些实施例中作出的变更和修改不背离本发明的原则和精神，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种利用金属粉末注射成型来制造多个配气机构零部件的方法，包括：
通过将金属粉末与粘合剂混合来获得用于注射成型的原材料；
通过将所获得的用于注射成型的原材料注入到具有配气机构零部件形状的模具中形成成型体；
对所述成型体进行溶剂萃取；
通过对溶剂萃取后的成型体进行脱粘合剂和烧结来形成烧结体；
对所述烧结体进行尺寸加工；
对所述尺寸加工后的烧结体进行真空渗碳；和
对真空渗碳后的烧结体进行抛光，
其中在获得用于注射成型的原材料的过程中，将93重量％的金属粉末与7重量％的粘合剂进行混合，
所述金属粉末包括：2重量％的镍、0.5重量％的钼、0.25重量％的碳、以及整个组合物中剩余重量百分比的铁，并且
在形成烧结体的过程中，在真空条件下利用氩气，将所述脱粘合剂后的成型体加热到1250℃或更高的温度2小时，
所述真空渗碳包括：
将所述尺寸加工后的烧结体加热到890℃；
利用乙炔气体，对所述经尺寸加工后的烧结体渗碳1小时；
在890℃进行碳扩散10分钟；
将所述尺寸加工后的烧结体冷却到820℃；和
在820℃进行碳扩散20分钟，并且
所述真空渗碳还包括：
将所述尺寸加工后的烧结体加热到180℃；
保持所述温度90分钟；和
通过利用80℃的油浴对所述碳扩散的烧结体进行淬火之后，对所述尺寸加工后的烧结体进行冷却。
2.如权利要求1所述的利用金属粉末注射成型来制造多个配气机构零部件的方法，其中所述多个配气机构零部件包括摇臂或摇臂连接件。
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