CN106513686B - 轻质活塞销和制造轻质活塞销的方法 - Google Patents

轻质活塞销和制造轻质活塞销的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及轻质活塞销和制造轻质活塞销的方法。制造轻质活塞销的方法，包括：制备包含铬、碳和铁的基础金属粉末、TiC粉末以及粘结剂的混合物，将该混合物金属粉末注射成型(MIM)为活塞销的形状，将该成型体脱脂以从混合物中除去粘结剂，烧结该失去粘结剂的成型体，在该烧结混合物中形成由围绕TiC粉末的碳化铬组成的中间层，并且将该烧结混合物的基体结构转化为马氏体结构。

Description

轻质活塞销和制造轻质活塞销的方法
技术领域
本公开涉及轻质活塞销(lightweight piston pin)，以及制造该轻质活塞销的方法。更具体地，本公开涉及具有改善的弹性的轻质活塞销，以及其制造方法。
背景技术
往复式发动机是构造成使用活塞以通过连杆将气缸中产生的压力传输至与该活塞相连的曲轴，从而提供驱动力的发动机。在多数类型中，通过连杆和曲轴将活塞的线性往复运动转化为转动运动。
在这方面，连杆具有可旋转地连接到曲轴的曲柄销的大端，以及通过活塞销附接至活塞的小端。压力一旦在往复式发动机的汽缸中生成，其施加于活塞上，从而被传输以旋转曲轴。
在往复式发动机中，通常是圆柱杆的活塞销穿过活塞销座(piston boss)和连杆从而将活塞与连杆连接。活塞销参与将活塞的运动传输至连杆，在传输过程中，当其弹性差时可能断裂，且当其重量较重时，有造成产生的驱动力的较大损失的倾向。因此，高弹性、轻质的活塞销对于改善耐用性和燃料效率是理想的。
通常，活塞销是由已经经过诸如锻造的热处理的韧性钢制成的。这种活塞销会遭受高密度和弹性不足的问题。为解决该问题，开发了金属粉末注射成型(Metal powderInjection Molding)(MIM)，但是由MIM制造的活塞，虽然密度较低，但与传统的活塞相比展现较低的强度和弹性。
因此，已经进行许多尝试以将基础金属粉末以外的TiC粉末用于MIM。例如，可以用于MIM的材料在日本的传统技术中公开。
在此专利中，所述工具钢包含1.4～2.0wt％的碳、1.0wt％或更少的硅、1.0wt％或更少的锰、11.0～13.0wt％的铬、0.3～2.3wt％的钛、0.75wt％或更少的镍和铜的组合、5.0wt％或更少的选自钼、钒、钨和它们的组合的增强元素。
该工具钢具有以下优势：碳化钛抑制晶粒变粗；扩大烧结温度范围以增加产率；以及降低钛的量以减少生产成本。
然而，该技术是针对工具钢，而没有提到对于处于极度振动下的活塞销有用的弹性的增加。
发明内容
因此，本公开是考虑到现有技术中发生的以上问题而作出的，并且本公开的一个目的是提供呈现低密度和高弹性性能的轻质活塞销，以及其制造方法。
为了实现以上目的，本公开提供了制造轻质活塞销的方法，包括以下步骤：制备基础金属粉末、TiC粉末和粘结剂的混合物，基础金属粉末包含铬、碳和铁；将该混合物金属粉末注射成型(MIM)为活塞销形状以形成成型体；将成型体脱脂(degreasing)以从混合物中除去粘结剂；烧结失去粘结剂的成型体以形成烧结混合物；形成由在烧结混合物中围绕TiC粉末的碳化铬组成的中间层；并且将烧结混合物的基体结构(matrix structure)转化为马氏体结构。
在一种实施方式中，通过将烧结步骤的烧结混合物维持在1000～1050℃下2～4小时以在TiC粉末周围沉积碳化铬，并且然后炉冷(furnace cooling)该烧结混合物来进行中间层形成步骤。
在另一种实施方式中，该制备步骤是通过将具有1～10μm的粒径的基础金属粉末、具有0.5～5μm粒径的TiC粉末、和液体粘结剂混合来进行的。
在另一种实施方式中，该制备步骤通过将含有基础金属粉末：TiC粉末的重量比为78～82％:18～22％的混合物与粘结剂混并来制备，该基础金属粉末包含，按重量计：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％，以及不可避免的杂质。
在另一种实施方式中，成型步骤是在180～205℃下进行的。
在另一种实施方式中，脱脂步骤在120℃下进行7小时或更久。
在另一种实施方式中，烧结步骤在真空中、在1200～1250℃下进行20小时或更久。
在另一种实施方式中，马氏体转化步骤是通过在950～1050℃下加热，在300℃或更低下空气冷却以产生马氏体结构，并且然后在500～600℃下回火来进行的。
根据另一方面，本公开提供了轻质活塞销，其通过金属粉末注射成型(MIM)包含铬、碳和铁的基础金属粉末，和TiC粉末的混合物制造，其中该活塞销具有马氏体结构，由碳化铬围绕的TiC分散在其中。
在一种实施方式中，基础金属粉末包含，按重量计：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％，以及不可避免的杂质。
在另一种实施方式中，混合物是通过将含有基础金属粉末：TiC粉末的重量比为78～82％:18～22％的混合物与粘结剂混并而制备的。
附图说明
由下面结合附图进行的详细描述，本公开的以上和其他目的、特征和优点将会更加清楚地理解，其中：
图1是根据本公开的一种实施方式的活塞销的基体结构的图像，其中由碳化铬围绕的TiC分散在马氏体基体中。
图2A示出了根据本公开的一种实施方式的没有再加热的活塞销的钢基体结构的图像(烧结后没有再加热)；
图2B示出了根据本公开的一种实施方式的再加热2小时的活塞销的钢基体结构的图像(烧结后再加热2h)；
图2C示出了根据本公开的一种实施方式的再加热4小时的活塞销的钢基体结构的图像(烧结后再加热4h)；
图3A示出了钢的基体结构的图像，其中基础金属粉末和TiC粉末的粒径在基准程度之内，其中TiC在烧结时是均匀分布的(基础金属粉末1～10μm，TiC粉末0.5～5μm)；
图3B示出了钢的基体结构的图像，其中基础金属粉末和TiC粉末的粒径超出基准程度，其中TiC在烧结时局部聚结(aggregate)(基体金属粉末大于10μm；TiC粉末大于5μm)；
图4A示出了比较例1中制备的活塞销的抗压测试的结果图像；
图4B示出了实施例1中制备的活塞销的抗压测试的结果图像；
图4C示出了实施例2中制备的活塞销的抗压测试的结果图像；
图4D示出了比较例2中制备的活塞销的抗压测试的结果图像；
图5A示出了比较例1中制备的活塞销在抗压测试中的应力-应变曲线；
图5B示出了实施例1中制备的活塞销在抗压测试中的应力-应变曲线；
图5C示出了实施例2中制备的活塞销在抗压测试中的应力-应变曲线；并且
图5D示出了比较例2中制备的活塞销在抗压测试中的应力-应变曲线。
附图标号：
100:TiC
200:碳化铬
300:聚集区域
400:销断裂。
具体实施方式
本文中使用的术语仅为了描述特定实施方式的目的，而不旨在限制本公开的示例性实施方式。除非上下文另外明确地指示，如本文使用的，除非上下文另外明确指明，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式。如本文使用的，术语“和/或”以及“至少一个”包括相关列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。还应当理解，当本文中使用术语“包含”、“含有”和/或“包括”时，指示存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件及/或部件，但并不排除存在或附加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件及/或其组合。
除非另外有定义，本文使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)与示例性实施方式所属领域的普通技术人员通常所理解的具有同样的含义。此外应当进一步理解的是，例如，在通常使用的词典中定义的那些术语的术语应被解释为具有与它们在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且不得以理想化或者过度形式化的意义进行解释，除非明确规定如此定义。
下文将结合附图给出根据本公开的实施方式的轻质活塞销的制造的描述。除非另外指定，否则术语“％”是指重量％。
根据其一个方面，本公开涉及制造轻质活塞销的方法。
本公开的轻质活塞销是通过基本由铬、碳、和铁组成的基础金属粉末以及TiC粉末的混合物制备的。基础金属粉末必须在经受烧结和热处理工艺后形成马氏体。基础金属粉末的组成优选地遵循SKD11钢的组成，但不限于此。
SKD11钢具有以下组分：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％，Fe：余量，以及不可避免的杂质。SKD11钢可加工性不佳，展现优异的耐磨性。本文中引入了MIM以克服这种低可加工性并实现该钢的加工。
此外，可以使用粘结剂以为混合物提供可塑性和流动性。对粘结剂的种类和量没有给予具体限制。可以考虑到可塑性和流动性，对粘结剂的种类和量做出选择。然而，考虑到金属粉末的性能，液体有机粘结剂是优选的。
如将在随后详细描述的，优选基础金属粉末和TiC粉末的尺寸分别在1至10μm和0.5至5μm范围内，且其之间的重量比在18～22％:78～82％范围内。
一旦将粘结剂混合至基础金属粉末和TiC粉末的混合物中，使得到的混合料经受金属粉末注射成型(MIM)为活塞销。在这方面，将混合料成型为比想要获得的真实活塞更大的尺寸，因为成型体将随着粘结剂的消除而收缩。
此后，进行以下步骤以完成活塞销：脱脂成型的混合物以除去粘结剂，烧结失去粘结剂的混合物，形成围绕TiC粉末的碳化铬的中间层，以及将基体转化为马氏体基体。
成型步骤、脱脂步骤，以及烧结步骤可以根据MIM工艺进行。优选地，成型步骤可以在180～205℃下进行，脱脂步骤在120℃下进行7小时或更久，并且烧结步骤在1200～1250℃下在真空中进行20小时或更久。中间层形成步骤可以在烧结步骤后立即进行。当烧结设备不同于热处理设备时，在随后的步骤之前将烧结混合物冷却至600℃。
由于高硬度，TiC倾向于脆性断裂。因此，可以使TiC通过被相对高韧性的马氏体围绕而具有高弹性和适当的韧性。然而，当直接分布在马氏体结构中时，TiC可以脱离马氏体结构。脱离马氏体结构的TiC可能经受脆性断裂。因此，TiC优选地被碳化铬围绕，从而TiC可以稳定地熔合入马氏体。
图2A是在烧结步骤完成之后而没有再加热，已经立即进行马氏体转化钢基体结构图像。如所示的，当TiC(黑色)、碳化铬(暗灰色)，和马氏体(浅灰色)分开形成时，TiC从马氏体基体中脱离。
相反地，图1、2B和2C示出了，其中TiC(黑色)被碳化铬(灰色)所围绕的钢形态。像这样，当TiC分布在马氏体基体中，同时被碳化铬围绕时，TiC会改善钢的弹性并且防止了产生脆性断裂。
为了构造该结构，在烧结步骤后，进行通过在预定的温度下加热烧结混合物形成中间层的步骤。
该中间层形成步骤是通过将烧结混合物维持在1000～1050℃下2～4小时，以将碳化铬在TiC周围粉末沉积，随后通过炉冷至600℃或更低以稳定该相来进行的。炉冷，特征在于低冷却速率，允许没有突然相变的稳定相。此外，在炉冷之后可以采用粗加工。
在中间层形成步骤中，当加热时间小于2小时时，碳化铬沉积不足从而不能充分包围TiC。另一方面，超过4小时的加热时间延长了工作时间并增加能量消耗，以及使得TiC颗粒变粗。
在中间层形成步骤之后，进行马氏体转化步骤，其中将烧结混合物在950～1050℃下加热并且然后空气冷却至300℃或更低，以将基体结构转化为马氏体结构。此后，在500～600℃下进行回火以减少过多的刚性并提供韧性。
实施例
在下面的实施例中，制备各种活塞销并测量物理性能。
图4A至5D示出了实施例1和2以及比较例1和2。
比较例1是传统的钢批量产品，由碳化的SCM415制成，具有4.25mm的厚度(Φ18×9.5×42)和56.9g的重量。
比较例2是由Fe-25％TiC在220℃的回火温度下制成的钢产品，具有2.5mm的厚度(Φ18×13×42)和33.2g的重量。
实施例1是由Fe-20％TiC在220℃的回火温度下制成的钢产品，具有4.25mm的厚度(Φ18×9.5×42)和50.7g的重量。
实施例2是由Fe-20％TiC在550℃的回火温度下制成的钢产品，具有3.5mm的厚度(Φ18×11×42)和46.3g的重量。
在与连杆结合后，使活塞销经受抗压测试。如图4A至4D中所示，观察到比较例1以及实施例1和2的活塞销，直至连杆应变(strain)(80KN或更高)，既没有经受变形也没有断裂。因此，根据本公开制备的活塞销展现相当于传统批量产品的物理性能，但是比传统的批量产品轻。
相反地，比较例2的活塞销，虽然由于TiC含量超过本公开限定的上限而轻得多，但会经受脆性断裂。如上所述，脆性断裂更有可能发生在高硬度的高含量TiC上。
图5A至5D示出了实施例1和2以及比较例1和2的活塞销在抗压测试中的应力-应变曲线。如在图5A至5D中可以看出的，比较例1以及实施例1和2的活塞销在82KN下开始应变，其不归因于活塞销，而归因于连杆。换言之，活塞销附接的连杆在活塞销断裂之前变形。比较例2的活塞销在70KN开始应变并最终断裂。
当以100％的基础金属粉末和TiC粉末的混合物为基准，使用TiC的量为18％时，活塞销具有高密度，具有的减重效果可以忽略，其可能不会带来燃料效率的改善。在大于22％的TiC含量下，TiC粉末量过大而在基体内分布不均匀。当TiC不是均匀分布，而是局部聚结时，活塞销可能经受脆性断裂，并显示差的可加工性。因此，基础金属粉末和TiC粉末的混合物优选具有18～22％的TiC含量。此外，当基础金属粉末和TiC粉末的粒径大于预定的标准时，TiC分布不均匀，而是聚结的。TiC的聚结在图3B中示出。
在图3A中，当基础金属粉末和TiC粉末的粒径分别在1至10μm和0.5至5μm的范围内时，TiC在马氏体基体中是均匀分布的。
另一方面，当基础金属粉末和TiC粉末分别具有大于10μm和5μm的粒径时，TiC可能会局部聚集，如图3B中所示。TiC的聚结导致脆性增加和可加工性下降。然而，较小的粒径需要更大量的工作时间和能量。因此，基础金属粉末和TiC粉末优选分别具有1～10μm和0.5～5μm的粒径。
所以，活塞销的金属结构中的TiC颗粒在0.24～0.26的泊松比下展现最优选的性能。在小于0.24的泊松比下，TiC颗粒具有长棒状和增加的韧性。大于0.26的泊松比会导致TiC的聚结，从而增加活塞销的脆性。
本公开的另一方面涉及通过金属粉末注射成型(MIM)包含铬、碳和铁的基础金属粉末，和TiC粉末的混合物制造的轻质活塞销，其中该活塞销具有马氏体结构，由碳化铬围绕的TiC粉末分散在其中。
活塞销的单独组分如上所述。
如目前为止描述的，根据本公开的轻质活塞销和制备该轻质活塞销的方法呈现以下的效果：
首先，该活塞销具有低密度并且轻，因而有利于增加燃料效率。
其次，该活塞销由于其改善的弹性，具有增加的寿命。
最后，尽管其体积较小，该活塞销展现相当于传统活塞销的性能。
虽然出于说明性的目的披露了本发明的优选实施方式，然而，本领域中的技术人员将认识到在没有背离所附权利要求中所公开的本发明的范围和精神的前提下可以进行各种改变、添加以及替换。

Claims (9)

1.一种制造轻质活塞销的方法，包括以下步骤：
制备包含铬、碳和铁的基础金属粉末，TiC粉末以及粘结剂的混合物；
将所述混合物金属粉末注射成型为活塞销形状以形成成型体；
将所述成型体脱脂以从所述混合物中除去所述粘结剂；
烧结失去粘结剂的所述成型体以形成烧结混合物；
将所述烧结步骤的所述烧结混合物维持在1000～1050℃下2～4小时以在TiC粉末周围沉积碳化铬，并且然后炉冷所述烧结混合物；并且
将所述烧结混合物的基体结构转化为马氏体结构，
其中，所述制备步骤通过将含有所述基础金属粉末:所述TiC粉末的重量比为78～82％:18～22％的混合物与所述粘结剂混并来制备。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述制备步骤通过将具有1～10μm的粒径的所述基础金属粉末、具有0.5～5μm粒径的所述TiC粉末和液体粘结剂混合来进行。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述基础金属粉末包含，按重量计：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以及不可避免的杂质以形成100％。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述成型步骤是在180～205℃下进行的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述脱脂步骤在120℃下进行7小时或更久。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述烧结步骤在真空中、在1200～1250℃下进行20小时或更久。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述烧结混合物的基体结构转化为马氏体结构的步骤通过在950～1050℃下加热，在300℃或更低下空气冷却以产生马氏体结构，并且然后在500～600℃下回火进行。
8.一种轻质活塞销，所述轻质活塞销是通过金属粉末注射成型包含铬、碳和铁的基础金属粉末，以及TiC粉末的混合物制造的，其中所述活塞销具有由碳化铬围绕的所述TiC粉末分散在其中的马氏体结构，所述混合物是通过将含有所述基础金属粉末:所述TiC粉末的重量比为78～82％:18～22％的混合物与粘结剂混并而制备的。
9.根据权利要求8所述的轻质活塞销，其中，所述基础金属粉末包含，按重量计：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以及不可避免的杂质以形成100％。
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