CN106270528A - 制造阀座环的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于由第一材料(2)和第二材料(3)制造阀座环(4)的方法，其中，通过使金属熔体雾化来处理所述两种材料(2,3)，以便它们具有大约5至13μm的平均颗粒尺寸，现在将粉末状的材料(2,3)分别加工为具有基本上小于300μm，优选小于150μm，并且大于15μm的颗粒尺寸的可流动的颗粒，将1至5％的重量的比例或有机冲压添加剂混合，将两种颗粒相继填充到冲压工具中并且随后以400<p<700MPa的压力(p)单轴冲压，通过以50℃<t<700℃的加热移除有机冲压添加剂，对阀座环(4)进行预烧结和最终烧结。

Description

制造阀座环的方法
技术领域
本发明涉及用第一材料和第二材料制造阀座环的方法。本发明额外涉及根据所述方法制造的阀座环。
背景技术
在Thomazic,A…Kamdem,Y.:“通过传统的粉末冶金的双材料成分的制造”，PM2010世界冶金大会-用于改善PM II的工具-设计测试&评估；Bouvard,Didier(Grenoble INP/CNRS)“通过传统的粉末冶金的双材料成分的制造”，Vol.5,p.25，全部描述了双材料的粉末冶金制造，即，由两种不同的材料构成的部件。因此，能够将两种不同的材料相继地填充到空腔中并且随后将这些共同处理为可控体(坯体)。在已描述的情况中，铁基WC硬金属(WC-Fe)的硬且固态的成分被用作第一材料，并且坚韧的铁基材料(Fe)用作第二材料。在例如WC-Fe的情况下处于600MPa的压缩导致69％TD的坯材密度，并且在富铁材料的情况下为74％TD(TD：材料的理论密度)。在600MPa的接合单轴冲压后，成型体被创建，这在烧结之后允许两种材料的复合。为了评估冲压预备的颗粒的适合性并且为了理解两种材料的复合物的形成，密度曲线被测量。一方面所选择的粉末复合物被选择以便初始的材料密度只是略微不同，并且在烧结期间这些增加至大致与密度端值相同。
能够观察到密度改变的曲线在中间温度的范围中明显不同。必然地，这必然导致两种材料的结合区域中的机械应力。
而且描述了相关的两种材料首先在层压体的创建期间被填充到空腔中，这指示了材料与模具之间的材料相互作用。
然而，冲压之后的密度分布的评估以及在烧结之后的成分中观察到的裂缝示出了由两种材料制造阀座环的粉体技术在技术上能够掌握只是具有难度。然而，存在许多应用，其中这样的材料结合会提供技术上的益处。
发明内容
本发明因此解决如下问题：说明一种改进的方法，通过该方法阀座环能够由两种材料制造，而不具有现有技术中已知的缺点。
根据本发明，所述问题通过独立权利要求1的主题解决。有益的实施例为从属权利要求的主题。
本发明基于如下的主要构思：首先选择功能材料制造阀座环，所述功能材料作为阀座环已经得到了证明，特别是在内燃机的汽缸盖中的恶劣的条件下。在下一个步骤中，选择第二材料，其在粉体技术加工中-特别是通过烧结-允许在接合区域中与第一材料结合而没有损坏，并且由于其机械性能，诸如足够的耐热性，类似的膨胀系数等，而能够用作第一(功能)材料的载体。在根据本发明的阀座环中，由两种材料制造出高质量的粉末和颗粒，提供了技术上的前提条件以通过冲压和烧结将相应的双材料制造为层部件。根据本发明，第一材料包括大约15至30％的重量的钼、大于5至30％的铬、0至5％的重量的硅、0至2％的重量的碳、和达到5％的重量的其他元素以及其余比例的钴，并且第二材料包括大约10至12％的重量的铬、0.4至0.8％的重量的锰、0.5至1％的重量的硅、0.5至0.9％的重量的碳、大约3％的重量的其他元素以及其余的铁。
通过对金属熔体进行雾化来制造两种材料，其结果是它们达到大约5至13μm的平均颗粒尺寸。在此之后，粉末状的材料分别被加工为具有基本上小于300μm，优选小于150μm，并且大于15μm的颗粒尺寸的可流动的颗粒，特别是通过流化床造粒(fluidised bedgranulation)、喷雾干燥或筛选造粒(spray drying or screen granulation)的方式处理，其中1至5％，特别是4％的重量比例的处于长链烃(烷烃)的形式的有机冲压添加剂，这在内部使颗粒结合并且同时有助于粉末颗粒彼此的滑离以及关于冲压模具的壁被引入。两种颗粒现在被相继填充到冲压工具中并且随后在单个轴中以400<p<700MPa的压力冲压，在此期间有机冲压添加剂通过以50℃<t<700℃的加热而被移除。阀座环现在被预烧结并且随后最终烧结，其中预烧结特别是以1110℃<t<1130℃的温度执行，并且随后以大约1240℃的温度最终烧结。
在特别优选的实施例中，包括如下元素的合金被选择为第一材料：23％的重量的钼、16％的重量的铬、1％的重量的硅、2％的重量的铁、0.5％的重量的碳、大约3％的重量的其他元素以及其余为钴。作为第二材料，选择包含11％的重量的铬、0.6％的重量的锰、0.7％的重量的硅，0.7％的重量的碳、大约2％ 的重量的其他元素以及其余为铁的合金。这些通过已知的方法使用通过将金属熔体雾化而获得的大约5至13μm的平均颗粒尺寸而被加工为高质量的粉末。一旦这些粉末已经被加工为可自由流动的颗粒(填充密度：大约2.4g/cm3；颗粒尺寸：<150μm(100目)并且优选大于15μm，具有1至5％的重量比例的有机物成分(冲压添加剂))，两种粉末被相继填充到冲压工具(环)中并且随后以400至700MPa的压力p接合地单轴冲压。根据所使用的冲压压力，它们在65至大约80％TD(TD：材料的理论密度)的各个层中达到相对的材料密度。为了制造这样的对应于最小应用需要(高强度、没有开放的孔隙率)的材料，它们首先从结合剂中释放(移除有机添加剂，特别是在从50℃至大约700℃的温度范围中的冲压辅助)并且烧结以便两种成分至少达到93％TD(TD：材料的理论密度)的密度。为了使其得到确保，需要大约6至12％的线性收缩量。在“烧结”期间，颗粒更加靠近地移动到一起并且保持在该位置。这通过在所有空间方向上改变长度来完成，在此改变6至12％。通过同样的质量(结合剂被移除)，容积被减小并且因此将密度增加至所述的93％TD的数值。在该过程中，颗粒间的空腔(孔)被大大地减小7至0％，这对应于93至100％TD的密度。其中除了出现在材料之间的该界面，所述界面不具有任何破坏(裂缝、硬或脆的结合)，实现了来自两种不同材料的阀座环的可靠的粉体技术制造。
除了双材料成分的实际制造，上述的钴基合金材料与铁基材料的结合额外地提供了出乎意料并且因此关于根据现有技术的由钴合金支撑的铸造阀座环的技术上使用的版本的意想不到的益处。通过这些材料的精良的结合，即“简单、花费有效、低耐热性”和“复杂、昂贵和耐热性”，这在线性热膨胀系数(CTE)、导热率(WLF)、弹性模量和剪切模量以及以期望的方式的应用温度的区域中的蔓延特性方面是不同的，实现了相比于在过去已经被认为是部分地适合应用的铸造钴基材料阀座环提供更好的功能特性。这在松弛性能的比较中-即，技术使用的过程期间阀座环的形状和尺寸的改变，在相同运转条件下的钴基(铸造或烧结的)上的纯功能材料(第一材料)与烧结后的钴基/铁基阀座环(双材料)的比较中得到了表明。
具体地，相比于纯功能材料的阀座环的“重叠”通过所使用的结合材料较小苛刻地减小，这提供了相对于从由于松弛的结果的汽缸盖的安装孔的“冲突”(压配合)更大的安全性。
在具体的情况中，例如在内燃机的排气阀的情况中，需要将阀座环(VSR)冲压为预制的并且精确定位的汽缸盖的孔。制造之后，阀座环具有限定的大直径(+20至大约+80μm)-相比于孔-也称作“重叠”。对于阀座环的安装，阀座环例如冷却至其“冷”直径小于“暖”状态下的孔的直径。因此，其能够容易地冲压为准备好的孔。在阀座环和汽缸盖的温度的前提条件之后，阀座环以应力的预计算的状态压配合，并且因此相对于冲突是得到保证的。该应力在内燃机的运转期间由于热流的复杂的负荷状态而改变，这经由阀和阀座环以热膨胀系数(CTE)、弹性和剪切模量与导热率以及剩余温度-依靠的机械特性(强度、蔓延性能)流入到汽缸盖中，并且以这种方式导致运转期间形状的所引起的应力的改变，此处也称作松弛。通过该松弛，阀座环的剩余应力状态改变，同时如在本发明中描述的，同类材料基本上不同于在层中构成的材料。
本发明的进一步重要的特征和益处从属权利要求、附图以及在附图的帮助下的相关附图描述获得。
可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，提到的特征以及那些留待在下文中说明的特征不仅能够用于叙述的结合中，而且可用于其他的结合中或通过它们自身使用。
附图说明
本发明优选的示例性实施例示出在附图中并且在接下来的描述中更加详细地说明，其中相同的附图标记指代相同的或相似的或者功能上等同的部件。在每种情况下示意性地示出有：
图1示出了在去除结合剂之后/预烧结之后的分层压缩的形式(右侧)与紧密烧结(左侧)之后的分层压缩的形式的比较；钴基合金(第一材料)位于顶部，铁基(第二材料)位于底部，
图2示出了烧结层复合物的结构：铁基材料(顶部)，铁基与钴基之间的过渡区域(中间)以及烧结之后的功能材料钴基(底部)，
图3示出了处于不同放大的铁基材料(顶部)以及铁基与烧结后的钴基(底部)之间的过渡地带，
图4示出了烧结后的第一材料(钴基)的非独立(engine-based)松弛试验，
图5示出了铸造钴基材料的非独立松弛试验，
图6示出了钴基和不适合的铁基材料之间的烧结后的复合材料的非独立松弛试验。
具体实施方式
复合物部件1，特别是阀座环4，能够通过例如根据本发明的发明制造：起初，通过将金属熔体雾化并随后填充到环形的冲压工具φa＝50mm,φi＝35mm而获得钴基材料(第一材料2)和铁基材料(第二材料3)的颗粒。为此目的，大约40g的钴基颗粒和大约37g的铁基颗粒被相继填充到冲压工具的空腔中并且以520MPa的压力冲压。以该压力，钴基粉末(第一材料2)达到5.85g/cm3(67％TD)的材料密度并且铁基粉末(第二材料3)达到5.5g/cm3(70.5％TD)。
平行于根据本发明的阀座环4(分层的压缩)，纯粉末或者颗粒的成型体作为参考而制造，为了获得关于自由烧结的信息-通过与复合物配对(composite partner)相互作用而没有任何障碍。
在第一步骤中，在技术连续式炉(technical continuous furnace)(加热：3至5K/min；烧结温度：1110至1130℃；保持时间：大约25至35分钟；气氛：N2-H2(5至20％H2)，冷却至室温：5至10K/min)中进行有机添加剂的移除和成型体的“预烧结”。在第二步骤中，烧结完成(加热：5至10K/min；最大温度：1240℃；保持时间：50至60分钟；冷却至室温：大约20至10K/min；气氛：N2-H2(5至20％H2)：RT升至1100℃，真空：从1100至1240℃，冷却：(5至20％H2))。
对钴基参考样本的评估产生了8.2至8.55g/cm3(94至大约98％TD)。硬度(HRC)合计为45和53。铁基参考材料达到7.2至7.6g/cm3(92至97％TD)以及49至50的硬度值(HRC)，其中在两种情况下差别归因于位置以及因此的实际烧结温度和起作用的烧结时间。
在烧结过程期间，层压体(阀座环4)展现出形状的改变。在已选择的系统的情况下，发生从预烧结(1120℃)向紧密烧结(1240℃)的收缩量差别，这通过图1中的相反的锥度可看出。预烧结之后(图1右侧)，出现铁基区域(第二材料3)的稍微更大的收缩量，紧密烧结之后，钴基区域(第一材料2)的收缩量更大(图1左侧)。
然而这也暗示了为了达到紧缩公差需要两种粉末(材料2和3)的收缩量方式的更好的配合。不仅由于最终收缩量的差别，烧结期间的收缩量差别导致复合物部分1，特别是阀座环4的圆锥形变形。特别是在两种材料2、3的不同的收缩量最大值(即，不同的收缩量曲线)期间，达到非可逆变形，这即使在相同的最终收缩量的情况下也会导致更大的公差。由于阀座环4能够通过机加工由烧结体制造，所以锥度并不有助于限制提供根据本发明的功能。导致紧缩公差的烧结过程中的改进能够为本发明的改进的主题。
在图2和图3中，示出了烧结后的阀座环4的结构。图2示出了第二材料3(铁基，基本材料)与第一材料2(钴基，功能材料)之间的边界层只有大约50至100μm宽，并且示出了其没有展现出任何损坏或临界脆性相，这对于在机械和热改变的负荷下的应用是特别重要的。如上所述，形成为阀座环4的复合物部分1必须被具有重叠地引入到汽缸盖中。在运转期间，热流从阀/阀座环(VSR)移向汽缸盖，这导致了阀座环4中的温度梯度。在同类成分(非根据本发明)中，松弛从座区域向支撑区域减小，随后在冷状态下测量的移去的阀座环的重叠在支撑区域的方向上增加。
图4描述了在430℃的测试温度的烧结后的钴基第一材料2上的改变。在热区域(级别1)中，-33μm的总松弛是最大的，同时在测试后仍然保持50μm18μm的原始重叠。在平均温度(级别2)的区域中，重叠仍然合计为29μm。在冷端(级别3)处，-12μm的总松弛是最低的，最终重叠是相当高的。
相比于烧结后的材料2(图4)，图5示出了关于相同成分的铸造材料的结果。在此，材料出于意料地在全部测量位置(热至冷或者级别1至3)中示出了更高的松弛。级别1的最终重叠合计为只有10μm，在冷区域中测试(移除)之后的重叠仍然合计为32μm。
在铁基基体材料(此处)的不适合的材料特性的情况下，A17(材料序号：1.4542或者17-4PH)示出在图6中，在全部温度范围中确定了更高的总松弛。在冷位置(级别3)中，重叠损失，这从负数值(-27μm)是明显的。由于间隙中的腐蚀为临界的并且关于汽缸盖中的粘合剂的逐步损失是相同的。
相比于纯烧结后的材料，用于功能材料2(在此为第一材料钴基)和基本材料3(在此为第二材料，特别是铁基材料)的烧结后的材料2、3的合适 的结合导致重叠条件的逆转。相比于纯烧结后的版本的18μm(图4)以及铸造版本的10μm(图5)，第一材料2(移除后的功能材料)在冷侧(级别1)的重叠仍然合计为26μm。因此确保了在所选择的试验条件下在复合物材料中，相比于根据现有技术的阀座环功能材料2具有在汽缸盖中的更强的压配合。
大体上，根据本发明的阀座环4能够由具有大约15至30％的重量的钼、大约5至30％的重量的铬、0至5％的重量的硅、0至2％的重量的碳和达到5％的重量的其他元素以及剩余比例为钴的第一材料2，和具有10至12％的重量的铬、0.4至0.8％的重量的锰、0.5至1％的重量的硅、0.5至0.9％的重量的碳、大约3％的重量的其他元素以及其余为铁的第二材料3制造，其中两种材料2、3起初为雾化为金属熔体直到它们具有大约5至13μm的平均颗粒尺寸。现在粉末状的材料2、3随后分别加工为具有基本上小于300μm(优选小于150μm且大于15μm)的颗粒尺寸的可流动的颗粒，特别是通过流化床造粒(fluidised bedgranulation)、喷雾干燥或筛选造粒(spray drying or screen granulation)，其中有机冲压添加剂的重量比例达到1至5％，所述有机冲压添加剂用作粉末颗粒与成型润滑剂之间的结合剂被引入为长链烃(例如，烷烃)。两种颗粒现在被相继(即，首先是颗粒状的第一材料2，并且随后是颗粒状的第二材料3)填充到冲压工具中，并且随后使用400<p<700MPa的冲压压力单轴地冲压。有机冲压添加剂通过以50℃<t<700℃的加热而被移除，其中阀座环4起初被预烧结，特别是以1110℃<t<1130℃的温度，并且随后最终烧结，特别是以大约1240℃的温度t。
在此，具有22至24％的重量的钼、15至17％的重量的铬、0.5至1.5％的重量的硅、1.5至2.5％的重量的铁、0.3至1％的重量的碳、大约4％的重量的其他元素以及其余为钴的合金能够用于第一材料，特别是即使是具有23％的重量的钼、16％的重量的铬、1％的重量的硅、2％的重量的铁、0.5％的重量的碳、大约3％的重量的其他元素以及其余为钴的合金。
对于第二材料3，使用具有10至12％的重量的铬、0.4至0.8％的重量的锰、0.5至1％的重量的硅、0.5至0.9％的重量的碳、大约3％的重量的其他元素以及其余为铁的钢，特别是具有11％的重量的铬、0.6％的重量的锰、0.7％的重量的硅、0.7％的重量的碳、大约2％的重量的其他元素以及其余为铁的合金。
颗粒在冲压2中以520MPa的冲压压力冲压，其中第一材料2被压缩至大约5.85g/m3的密度，并且第二材料3被压缩至大约5.5g/m3的密度。加工中的颗粒在冲压工具中以如下方式冲压：基于未烧结压缩的第一材料2的相对密度从第二材料3的相对密度以最大±3％偏离。阀座环4在具有5％<H2<20％的比例的H2的N2-H2环境中预烧结大约25至35分钟，并且在具有5％<H2<20％的H2的成分的N2-H2环境中最终烧结大约50至60分钟。
在预烧结期间在该情况下加热优选以3至5℃/分钟进行，并且冷却至室温以大约5至10℃/分钟进行，然而在最终烧结期间加热以5至10℃/分钟进行并且冷却至室温以大约10至20℃/分钟进行。在此，在真空下阀座环4在N2-H2环境中烧结至温度T＝1100℃并且以1110℃<T<1240℃的温度进行烧结。
以这种方式制造的根据本发明的阀座环4在-40℃<T<600℃之间的温度范围中具有如下特性：8.0至19.5μm/mK的热膨胀，150至250GPa的弹性模量以及900至2000MPa的压缩屈服强度。除此之外，阀座环4在轴向上的第一材料2的区域中具有线性收缩量，所述线性收缩量最大合计为所述第二材料3的区域中的线性收缩量的±2％。

Claims (16)

1.一种用于由第一材料(2)和第二材料(3)制造阀座环(4)的方法，所述第一材料(2)具有大约15至30％的重量的钼、大约5至30％的重量的铬、0至5％的重量的硅、0至2％的重量的碳、和达到5％的重量的其他元素并且剩余的比例为钴，而所述第二材料(3)具有10至12％的重量的铬、0.5至0.8％的重量的锰、0.5至1％的重量的硅、0.5至0.9％的重量的碳、大约3％的重量的其他元素并且其余为铁，所述方法包括：
-通过使金属熔体雾化来处理所述两种材料(2,3)，以便它们具有大约5至13μm的平均颗粒尺寸，
-现在将粉末状的材料(2,3)分别加工为具有基本上小于300μm，优选小于150μm，并且大于15μm的颗粒尺寸的可流动的颗粒，
-将1至5％的重量的有机冲压辅助物的成分混合，将两种颗粒相继填充到冲压工具中并且随后以400<p<700MPa的压力(p)单轴冲压，
-通过以50℃<t<700℃的加热移除有机冲压添加剂，
-对阀座环(4)进行预烧结和最终烧结。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于
所述阀座环(4)在1110℃<t<1130℃的温度预烧结，并且在大约1240℃的温度最终烧结。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于
所述粉末状的材料(2,3)通过流化床造粒、喷雾干燥或筛选造粒的方式加工为分别具有基本上小于300μm，优选小于150μm，并且大于15μm的颗粒尺寸的可流动的颗粒。
4.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于
对于所述第一材料(2)使用具有22至24％的重量的钼、15至17％的重量的铬、0.5至1.5％的重量的硅、1.5至2.5％的重量的铁、0.3至1％的重量的碳、大约4％的重量的其他元素并且其他为钴的合金。
5.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于
对于所述第二材料(3)使用具有10至12％的重量的铬、0.4至0.8％的重量的锰、0.5至1％的重量的硅、0.5至0.9％的重量的碳、大约3％的重量的其他元素并且其他为铁的钢。
6.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于
对于所述第一材料(2)使用具有23％的重量的钼、16％的重量的铬、1％的重量的硅、2％的重量的铁、0.5％的重量的碳、大约3％的重量的其他元素并且其余为钴的合金。
7.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于
对于所述第二材料(3)使用具有11％的重量的铬、0.6％的重量的锰、0.7％的重量的硅、0.7％的重量的碳、大约2％的重量的其他元素并且其余为铁的合金。
8.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于
所述颗粒在所述冲压工具中以520MPa的冲压压力被冲压，其中所述第一材料(2)被压缩为大约5.85g/cm3的密度，并且所述第二材料(3)被压缩为大约5.5g/cm3的密度。
9.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于
冲压工具中的颗粒以如下的方式压缩：基于未烧结压缩的所述第一材料(2)的相对密度从所述第二材料(3)的相对密度以最大±3％偏离。
10.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于
所述阀座环(4)在具有5％<H2<20％的比例的H2的N2-H2环境中预烧结大约25至35分钟。
11.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于
阀座环(4)在具有5％<H2<20％的H2的成分的N2-H2环境中最终烧结大约50至60分钟。
12.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于
在预烧结期间加热以3至5℃/分钟进行，并且冷却至室温以大约5至10℃/分钟进行。
13.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于
在最终烧结期间加热以5至10℃/分钟进行，并且冷却至室温以大约10至20℃/分钟进行。
14.根据前面的权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于
在真空下阀座环(4)在N2-H2环境中烧结至温度T＝1100℃并且以1110℃<T<1240℃的温度进行烧结。
15.一种阀座环(4)，其根据前面的权利要求中任一项所述的方法制造，在-40℃<T<600℃之间的温度范围中具有如下特性：
-8.0至19.5μm/mK的热膨胀，
-150至250GPa的弹性模量，
-900至2000MPa的压缩屈服强度。
16.根据权利要求15所述的阀座环，
其特征在于
所述阀座环(4)在轴向上的所述第二材料(2)的区域中具有线性收缩量，所述线性收缩量最大合计为所述第二材料(3)的区域中的线性收缩量的±2％。
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