CN109996897B - 具有优异导热性的渗铜的钼和/或钨基粉末金属合金 - Google Patents
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Abstract
提供一种用于内燃机、例如阀座镶嵌件的烧结材料。该材料包括压制的基础粉末金属混合物和渗透到该基础粉末金属混合物的孔隙中的富铜相。该基础粉末金属混合物包括Mo和W中的至少一种，以及至少一种添加剂，例如B、N和/或C。Mo和/或W的量为基于该材料总重量的50重量％至85重量％。该至少一种添加剂的总含量为基于该材料总重量计的0.2‑25重量％。该富铜相的含量为基于该材料总重量的15重量％至50重量％。该材料还具有至少70W/mK的导热率。
Description
相关申请的交叉引用
该美国实用专利申请要求2016年9月28日提交的美国临时专利申请No.60/400,867和2017年8月3日提交的美国实用专利申请No.15/668,368的优先权，这两项专利申请的内容通过引用整体地结合于本文中。
背景技术
1.技术领域
本发明一般涉及粉末金属材料，以及形成粉末金属材料的方法，例如用于阀导承(或称气门导管)和阀座(或称气门座)镶嵌件的粉末金属材料。
2.相关技术
粉末金属材料经常用于形成用于机动车辆应用的具有改进的耐磨性和/或导热性的部件，例如阀导承和阀座镶嵌件。在发动机运转期间，典型的排气阀座镶嵌件可以达到400℃至500℃之间的温度。由于发动机的苛刻环境，用于形成阀导承和阀座镶嵌件的材料优选地具有高热硬度和润滑性的组合。最近，更期望还提供具有高导热率的阀座镶嵌件和阀导承。这些材料还应该从低温(例如在发动机起动时)到高温下提供足够的耐磨性，例如当发动机以高性能运行并以全额定功率运行时。仍然需要在高温和低温下具有优异的硬度、导热性和耐磨性的材料，例如用于要求苛刻的内燃机应用(尤其是阀座镶嵌件)的粉末金属基材料。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种阀座镶嵌件，其包括含有基础粉末金属混合物和富Cu(铜)相的材料。基础粉末金属混合物包括Mo(钼)和W(钨)中的至少一种。基础粉末金属混合物还包括多个孔隙，并且富铜相位于基础粉末金属混合物的孔隙中。
本发明的另一方面提供一种用于内燃机的材料，包括基础粉末金属混合物和富铜相。基础粉末金属混合物包括Mo和W中的至少一者。基础粉末金属混合物还包括至少一种添加剂，并且该至少一种添加剂包括B、N和C中的至少一者。基础粉末金属混合物包括多个孔隙；富铜相位于基础粉末金属混合物的孔隙中。
本发明的另一方面提供一种制造阀座镶嵌件的方法。该方法包括压制基础粉末金属混合物，该基础粉末金属混合物包括Mo和W中的至少一种；用富铜相渗透基础粉末金属混合物；烧结渗透的基础粉末金属混合物。
本发明的又一方面提供一种制造用于内燃机的材料的方法。该方法包括以下步骤：用富铜相渗透基础粉末金属混合物，该基础粉末金属混合物包括Mo和W中的至少一种；烧结渗透的基础粉末金属混合物。
该材料在高温和低温下都可提供优异的硬度、导热性和耐磨性。因此，该材料优选用于内燃机的阀导承和阀座镶嵌件。更具体地，该材料从低温(例如发动机起动时的约0℃至100℃)至高温(例如当发动机以高性能运行并以满额定粉末运行时的300℃至500℃)均提供了良好的耐磨性和导热性的平衡。
附图的简要说明
本发明的其它优点将是容易理解的，因为当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，可以更好地理解本发明的优点，其中：
图1是内燃机的包括由根据本发明一个实施例的材料形成的阀座镶嵌件的一部分的一个例子；
图2是图示了根据本发明实施例的示例性材料相对于对比材料的耐磨性的图表。
图3是图示了根据本发明实施例的材料相对于对比材料的导热率的图表。
图4是图示了根据本发明实施例的材料相对于对比材料的热硬度的图表。
图5是图示了根据本发明实施例的材料相对于对比材料的热硬度的图表。
图6是图示了根据本发明实施例的材料相对于对比材料的硬度(HV10)的图表。
图7包括表格和图表，示出了两种对比材料(合金A和B)与根据本发明一示例性实施例的材料(合金C)相对于氧化铝配对物的磨损测试结果对比；
图8包括四个图表，说明合金A和B与合金C相对于钴铬钨硬质合金6配对物的磨损试验结果对比；
图9是示出了在合金C所形成的阀座上的用测功机进行的机动车发动机测试的结果的图。
示例实施例的详细描述
本发明的一个方面提供了由基础粉末金属混合物和渗透的铜相或网络形成的材料，其在内燃机中遇到的温度范围内具有优异的在导热性和耐磨性之间的平衡。该材料优选用于阀座镶嵌件应用中，例如用于形成如图1所示的阀座镶嵌件。该材料还可用于形成阀导承或经受内燃机苛刻条件的另一部件。
基础粉末金属混合物包含钼(Mo)和钨(W)中的至少一种。在一个实施例中，基础粉末金属混合物包含Mo和W二者。Mo和/或W通常以基于基础粉末金属混合物的总重量的75.0重量％至99.8重量％的量存在。
基础粉末金属混合物还包括至少一种添加剂或化合物，也称为附加元素，硬质颗粒，硬质相或摩擦成分。选择至少一种添加剂以改善基础粉末金属混合物的耐磨性，同时还在最终材料中实现相对高的导热性。在基础粉末金属混合物中使用的添加剂的量不会妨碍在高温下在材料上形成的Mo和/或W润滑氧化物(lubricious oxides)，例如在发动机运行时的应用中。例如，所形成的氧化物可包括MoO3，其是具有非常低的摩擦系数的化合物，因此有助于改善耐磨性。耐磨性是温度的函数，并且是多种因素的组合。例如，可以选择至少一种添加剂以改善低温下的耐磨性，而润滑氧化物改善较高温度下的耐磨性能。还可以调节添加剂的量，使得最终材料和铜相的导热率为至少70W/mK，对于最终材料和铜相优选至少90W/mK，并且更优选的是，对于最终材料为至少100W/mK，对于铜相为至少110W/mK。还可以选择添加剂，使得成品材料的硬度在从室温到500℃时在55HRA以上。
根据一个实施例，所述至少一种添加剂包括硼(B)、氮(N)和碳(C)中的至少一种；并且可选地包括银(Ag)，钴(Co)，铬(Cr)，铁(Fe)，锰(Mn)，铌(Nb)，镍(Ni)，磷(P)，硫(S)，钽(Ta)，钛(Ti)，钒(V)和锆(Zr)中的至少一种。在基础粉末金属混合物中，所有添加剂的总和为基于基础粉末金属混合物总重量的0.2-25重量％，并且任何B、N和C的总和为基于基础粉末金属混合物总重量的0.2-5.0重量％。B、N和C中的至少一者在固溶体中的溶解度优选在Cu、W和/或Mo中是低的，例如小于基于基础粉末金属混合物总重量的0.1重量％。根据一个优选的实施例，石墨是被选择用来在包括Mo的基础粉末金属材料中使用时在300℃和450℃下显著地改善耐磨性的添加剂。可用于形成基础金属混合物的示例组合物包括Mo、V和N；Mo和C；W和C；Mo、W和B；Mo和MoC；以及Mo、V和N。
根据一典型的工艺，将基础粉末金属混合物压制成所需的形状。在该示例性实施例中，将基础粉末金属混合物压制成阀座镶嵌件的形状。在压制基础粉末金属混合物之后，基础粉末金属混合物包括多个孔隙。在该示例性实施例中，基础粉末金属混合物具有海绵形态。然而，基础粉末金属混合物不限于海绵形态。其它结构也是可能的。通常，基础粉末金属混合物的孔隙率为基于基础粉末金属混合物总体积计的10体积百分比(体积％)至50体积％。
基础粉末金属混合物的骨架的孔隙通常在烧结过程中通过渗透工艺填充铜相。铜相可以是纯铜、铜合金或铜基材料。铜相的导热率在21℃(室温)下为至少70W/mK，更优选为至少90W/mK，最优选为至少110W/mK。例如，如果铜相是纯铜，则铜相在室温下具有约390W/mK的导热率。铜相通常填充孔隙的体积。
成品材料(最终材料)是烧结材料，包括渗透到压制的基础粉末金属混合物的孔隙中的铜相。如上所述，基础粉末金属混合物包括Mo和/或W，并且Mo和/或W的量通常以基于成品材料总重量的50重量％至85重量％的量存在。
成品材料的基础粉末金属混合物还包括至少一种添加剂或化合物，以改善耐磨性，同时还保持相对高的导热性。如上所述，该至少一种添加剂通常包括硼(B)、氮(N)和碳(C)中的至少一种；并且可选地包括银(Ag)，钴(Co)，铬(Cr)，铁(Fe)，锰(Mn)，铌(Nb)，镍(Ni)，磷(P)，硫(S)，钽(Ta)，钛(Ti)，钒(V)和锆(Zr)中的至少一种。所述至少一种添加剂的含量为基于材料总重量的至少0.2重量％且不大于25.0重量％。此外，任何B、N和C的总和应为基于材料总重量的0.2重量％至5.0重量％。
成品材料还包括布置在基础粉末金属混合物的孔隙中的铜相。通常，铜相的含量为基于材料总重量的15重量％至50重量％。
成品材料提供了耐磨性和导热性的优异组合。通过在高温操作期间形成存在于材料之中或材料之上的润滑氧化物(例如MoO3和/或WO3)来改善耐磨性。例如，材料的摩擦系数通常为0.2至0.5，并且可以高达0.8。成品材料通常还具有至少70W/mK，优选至少90W/mK，更优选至少100W/mK的导热率。
材料的硬度在从室温到高达500℃下通常高于55HRA。由于有利的性能，当用于形成内燃机的部件(例如阀座镶嵌件)时，该材料表现良好。
如上所述，Mo和/或W的存在，就在内燃机的特定工况(其包括高温和氧元素或氧化合物的存在)下在材料之中或材料之上形成润滑氧化物，MoO3和/或WO3。润滑氧化物的形成随温度而增加。然而，在400℃以上，这些氧化物不形成稳定的氧化物层，并且该材料会产生过度氧化。润滑氧化物改善了材料的摩擦系数。
典型的排气阀座镶嵌件可达到400℃至500℃之间的温度。然而，在排气应用场合中使用的铜渗透的高合金钢/工具钢的典型导热率仅为约30W/mK至50W/mK。根据本发明的材料的高导热率通常为至少70W/mK，因此可以帮助将阀座镶嵌件的温度降低至接近400℃或以下，同时还保持可接受的耐磨性。在该适中的温度下，可以产生润滑氧化物而同时不会产生过多的氧化物。
此外，润滑氧化物的形成可以显著地帮助减少在内燃机中遭受的中温到高温下的磨损。但是，该材料需要能够支持阀(或称气门)所造成的高冲击力。轻元素(B，C和N)与添加剂的组合的存在用于改善硬度，包括热硬度，因此改善在低温至中温下的耐磨性。通过形成硬质沉淀物，例如MoC，W2C，MoB，或者固溶强化相如Cu中的Ni，就可以获得在室温到500℃下的较高硬度。此外，组合物中存在的N(氮)形成氮化物或碳氮化物。
如上所述，该材料可以使用传统的粉末金属工艺制造。用铜渗透Mo和/或W基质的工艺还允许使用传统粉末金属技术的大量可制造性。然而，对于如阀座镶嵌件这样要求苛刻的、其中耐磨性需要从低温(发动机起动)到高温(高性能发动机以全额定功率运行)均优良的应用中所使用的材料，热硬度、润滑氧化物和导热性的独特组合是独一无二的。在低温下，硬度有助于耐磨。随着温度升高，热硬度略微降低，但生成的润滑氧化物成为提高耐磨性的主要机制。高导热率有助于限制阀座镶嵌件的温度，使其不会达到产生过多氧化物的高温。
图2是图示了根据本发明实施例的示例性材料相对于对比粉末金属材料的耐磨性的图。更具体地，该图包括在300℃和450℃下以微米/小时为单位测量的每种材料的磨损。Tribaloy T400和FM-3010是可用于重载阀座镶嵌件应用的两种对比示例材料。作为本发明实施例的示例的MoCu材料，显示出其之前未被预期的优异耐磨性。粉末金属材料的标称组成在图10中提供。此外，除了图9的测功机测试之外，本公开中讨论的所有磨损测试都是使用相同的测试程序完成的。该测试程序是滑动球试验，使用40N的施加力、50毫米/秒的标称滑动速度和720m的总滑动距离。
图3是图示了根据本发明实施例的材料相对于对比材料的导热率的图。粉末金属材料的标称组成在图10中提供。本发明实施例材料的导热率接近用于VSI应用的高导热率Cu合金。
图4是图示了根据本发明实施例的材料在不同温度下相对于对比材料的热硬度(HRA)的图表。粉末金属材料的标称组成在图10中提供。表观硬度测试参考ISO 4498，MPIF43和ASTM E18进行。
图5是图示了根据本发明一实施例的材料在暴露于600℃之前和之后相对于对比材料的在25℃下的热硬度(HRA)的图。粉末金属材料的标称组成在图10中提供。表观硬度测试参考ISO 4498，MPIF 43和ASTM E18进行。将测试的样品在600℃下在空气中暴露25-30分钟。标称加热速率约为3.5℃/分钟，并且标称冷却速率约为9.5℃/分钟。图5图示了与高导热率的铜基材料相比，本发明的示例性实施例的材料在暴露于高温时不显示软化。
图6是图示了根据本发明实施例的材料在各种温度下相对于对比材料的硬度(HV10)的图表。第一曲线(浅蓝色)是消除应力的纯钼。第二、第三、第四和第五点(红色，绿色，紫色和深蓝色点)是用于电子产品热管理的MoCu型材料。第二点(红色)的材料为50重量％的钼和50％重量的铜。第三点(绿色)的材料为70重量％的钼和30％重量％的铜。第四点(紫色)的材料为50重量％的钨和50重量％的铜。第五点(深蓝色)的材料为70重量％的钨和30重量％的铜。第六曲线(橙色)是根据本发明一实施例的示例材料，其可被用于被称为Mix 5B的阀座应用。
图7显示了两种对比材料(合金A和B)和根据本发明一示例性实施例的材料(合金C)相对于氧化铝配对物的磨损测试结果相比。合金A和B是典型的高合金化的铜渗透阀座镶嵌件用钢。由于合金C的润滑性，在300℃时的耐磨性显著改善。由于合金A和B的导热率相对较低，在应用中可以达到400-500℃的温度。由于其高导热性，可以预期合金C在用于发动机时其温度将显著地更低。合金C在高温下，例如450℃下也能很好地发挥作用。
图8显示了合金A和B与合金C相对于钢配对物的另外的磨损测试结果对比。粉末金属材料的标称组成在图10中提供。无论配对材料如何，都会产生合金C的润滑氧化物。在相对抵靠钢时，没有可测量的钢磨损，而合金C的磨损非常小。对于合金A和B，磨损量很大，特别是钢的磨损。如果钴合金作为配对物，钴配对物相对抵靠合金C时的磨损量可忽略不计，但相对抵靠合金A和B时有显著的磨损量。
图9示出了在由合金C形成的阀座镶嵌件上的用测功机进行的机动车发动机测试的结果。该测试在用于赛车应用的材料上进行。在测试期间，使阀座镶嵌件相对抵靠钛涂层阀门运行。测试结果表明，合金C在测试后具有非常低的磨损量。在测试的示例性阀座镶嵌件上的最大磨损为约25μm，而接受磨损的最大极限为50μm。
当材料用于形成阀座镶嵌件时，高导热性可改善热流并将其从阀头传递到水冷的发动机缸盖中。这可以通过改变燃烧动态，改善发动机性能，减少磨损和/或降低其它部件成本，来帮助发动机设计者。材料的导热率高于含铁基材料。此外，基础粉末金属混合物中的添加剂、硬质颗粒或摩擦成分改善了性能，例如用以获得耐磨性、导热性或其它优点。此外，当含Mo和/或W的基础粉末金属混合物包括海绵形态时，海绵型的结构允许改善可制造性和铜渗透。
鉴于上述教导，本发明的许多修改和变化是可能的，并且可以在权利要求的范围内以不同于具体描述的方式实施。还预期所有权利要求和所有实施例的所有特征可以彼此组合，只要这种组合不会彼此矛盾。
Claims (18)
1.一种阀座镶嵌件，包括：
材料，所述材料包含基础粉末金属混合物和富铜相；
所述基础粉末金属混合物包括钼(Mo)和钨(W)中的至少一种,其含量为基于所述基础粉末金属混合物总重量的75.0重量％至99.8重量％；
所述基础粉末金属混合物包括至少一种添加剂，并且所述至少一种添加剂包括B、N和C中的至少一种，其以基于所述基础粉末金属混合物总重量的0.2-5.0重量％的量存在；
所述基础粉末金属混合物包括多个孔隙；
所述富铜相位于所述基础粉末金属混合物的所述孔隙中；并且
所述材料具有至少70W/mK的导热率。
2.根据权利要求1所述的阀座镶嵌件，其中，所述B、N和C中的至少一种在所述基础粉末金属混合物中的溶解度小于基于所述基础粉末金属混合物总重量的0.1重量％。
3.根据权利要求1所述的阀座镶嵌件，其中，所述至少一种添加剂可选地包括硅(Si)、银(Ag)、钴(Co)、铬(Cr)、铁(Fe)、锰(Mn)、铌(Nb)、镍(Ni)、磷(P)、硫(S)、钽(Ta)、钛(Ti)、钒(V)和锆(Zr)中的至少一种；并且
所述至少一种添加剂的总含量为基于所述材料总重量的0.2-25重量％。
4.根据权利要求1所述的阀座镶嵌件，其中，所述基础粉末金属混合物包括选自以下组的组合：Mo、V和N；Mo和C；W和C；Mo、W和B；Mo和MoC；以及Mo、V和N。
5.根据权利要求1所述的阀座镶嵌件，其中，所述基础粉末金属混合物包括Mo；并且所述至少一种添加剂包括C和N。
6.根据权利要求1所述的阀座镶嵌件，其中，所述基础粉末混合物包括Mo；并且所述至少一种添加剂包括Si、C和N。
7.根据权利要求1所述的阀座镶嵌件，其中，所述富铜相的含量为基于所述材料总重量的15重量％至50重量％。
8.根据权利要求1所述的阀座镶嵌件，其中，所述富铜相是纯铜、铜合金或铜基材料；并且，所述富铜相在21℃下具有至少70W/mK的导热率。
9.根据权利要求1所述的阀座镶嵌件，其中，所述基础粉末金属混合物的孔隙率为基于所述基础粉末金属混合物总体积的10体积百分比(体积％)至50体积％；并且，所述富铜相填充所述孔隙的体积。
10.根据权利要求1所述的阀座镶嵌件，其中，所述材料具有高达0.8的摩擦系数，并且所述材料在从21℃到高达500℃的温度下具有高于55HRA的硬度。
11.根据权利要求1所述的阀座镶嵌件，其中，所述B、N和C中的至少一种在所述基础粉末金属混合物中的溶解度小于基于所述基础粉末金属混合物总重量的0.1重量％；
所述至少一种添加剂可选地包括硅(Si)、银(Ag)、钴(Co)、铬(Cr)、铁(Fe)、锰(Mn)、铌(Nb)、镍(Ni)、磷(P)、硫(S)、钽(Ta)、钛(Ti)、钒(V)和锆(Zr)中的至少一种；
所述至少一种添加剂的总含量为基于所述材料总重量的0.2-25重量％；
所述基础粉末金属混合物的孔隙率为基于所述基础粉末金属混合物总体积的10体积百分比(体积％)至50体积％；
所述基础粉末金属混合物是被压制的；
所述富铜相是纯铜、铜合金或铜基材料；
所述富铜相在21℃下的导热率为至少70W/mK；
所述富含铜的相填充所述孔隙的体积；
所述富铜相的含量为基于所述材料总重量的15重量％至50重量％；
所述材料的摩擦系数可达0.8；
所述材料的硬度在从21℃到500℃的温度下为大于55HRA；并且
所述材料是烧结的。
12.一种用于内燃机的材料，包括：
基础粉末金属混合物和富铜相，
所述基础粉末金属混合物包括Mo和W中的至少一种,其含量为基于所述基础粉末金属混合物总重量的75.0重量％至99.8重量％；
所述基础粉末金属混合物包括至少一种添加剂，所述至少一种添加剂包括B、N和C中的至少一种，其以基于所述基础粉末金属混合物总重量的0.2-5.0重量％的量存在；
所述基础粉末金属混合物包括多个孔隙；
所述富铜相位于所述基础粉末金属混合物的所述孔隙中；并且
所述材料具有至少70W/mK的导热率。
13.根据权利要求12所述的材料，其中，所述富铜相具有至少70W/mK的导热率。
14.根据权利要求13所述的材料，其中，所述材料具有至少90W/mK的导热率，并且所述富铜相具有至少90W/mK的导热率。
15.根据权利要求14所述的材料，其中，所述材料具有至少100W/mK的导热率，并且所述富铜相具有至少110W/mK的导热率。
16.根据权利要求13的材料，其中，
所述至少一种添加剂可选地包括硅(Si)、银(Ag)、钴(Co)、铬(Cr)、铁(Fe)、锰(Mn)、铌(Nb)、镍(Ni)、磷(P)、硫(S)、钽(Ta)、钛(Ti)、钒(V)和锆(Zr)中的至少一种；
所述至少一种添加剂的总含量为基于所述材料总重量的0.2-25重量％；
所述基础粉末金属混合物的孔隙率为基于所述基础粉末金属混合物总体积的10体积百分比(体积％)至50体积％；
所述基础粉末金属混合物是被压制的；
所述富铜相是纯铜；铜合金或铜基材料；
所述富铜相在21℃下的导热率为至少70W/mK；
所述富含铜的相填充所述孔隙的体积；
所述富铜相的含量为基于所述材料总重量的15重量％至50重量％；
所述材料的摩擦系数可达0.8；
所述材料的硬度在从21℃到500℃的温度下为大于55HRA；并且
所述材料是烧结的。
17.一种制造如权利要求1-11中任一项所述的阀座镶嵌件的方法，包括以下步骤：
压制基础粉末金属混合物，所述基础粉末金属混合物包括Mo和W中的至少一种；用富铜相渗透所述基础粉末金属混合物；和
烧结所述渗透的基础粉末金属混合物。
18.一种制造如权利要求12-16中任一项所述的用于内燃机的材料的方法，包括步骤：
压制基础粉末金属混合物，所述基础粉末金属混合物包括Mo和W中的至少一种；用富铜相渗透基础粉末金属混合物；和
烧结所述渗透的基础粉末金属混合物。
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