CN110300635A - 测温冶金材料 - Google Patents

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Abstract

提供了一种测试用测温粉末金属材料，用于复制在实际粉末金属材料在内燃机内使用期间的所述实际粉末金属材料。所述测温粉末金属材料包括孔隙且其硬度按以下方程:Δ硬度/Δ温度＝>0.5HV/℃，随温度变化而下降。通过首先调整所述测温粉末金属材料的热导率或控制所述测温粉末金属材料的孔隙率来复制所述实际粉末金属材料，然后对所述测温粉末金属材料发动机测试，从而可以使用所述测温粉末金属材料在所述实际粉末金属在内燃机中使用时对所述实际粉末金属材料的性能进行评估。例如，所述材料的热导率可以通过用铜对测温粉末金属材料进行熔渗而进行调控。

Description

测温冶金材料
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2016年12月16日提交的序号为62/435,280的美国临时专利申请和2017年12月15日提交的序号为15/844,277的美国实用专利申请的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
背景技术
1.发明领域
本发明总体来说涉及一种测温材料，更具体地涉及一种测温粉末金属材料，一种制备测温粉末金属材料的方法，以及利用温测粉末金属材料的应用。
2.相关技术
粉末金属材料经常用于形成具有改进的耐磨性和/或导热性的部件，用于机动车辆应用，例如气阀导管和气阀底座嵌环。典型的废气阀底座嵌环在发动机运行时可以达到400℃-500℃。由于发动机的严苛工作环境，用来制作气阀导管和气阀底座嵌环的材料最好具备高的热硬度。最近，人们更希望提供一个具有高热导率的气阀导管和气阀底座嵌环。上述材料同时应具备从低温(如在发动机启动时)到高温(如当发动机在高性能下并在全功率下运行)环境中足够好的耐磨性。除了硬度和热导率性能外，材料的孔隙率及密度也是重要的特征。
在粉末金属材料在内燃机中使用之前，通常要对用于气阀导管和气阀底座嵌环的粉末金属材料的性能进行测试。测试用粉末金属材料的热导率能够真实反映内燃机实际使用和生产的粉末金属材料的热导率是非常重要的。然而，由于材料孔隙结构的原因，测试用粉末金属材料的热导率变化非常大。目前已知的锻造测温材料如EN19T或AISI4140有固定的热导率；所以，当所述材料被测试时，所述锻造测温材料的温度梯度不能反映当锻造材料在内燃机气阀导管和气阀底座嵌环使用时所获得的温度梯度。
发明内容
本发明一方面提供了一种测试用测温粉末金属材料，用于复制实际粉末金属材料在内燃机中使用之时的所述实际粉末金属材料，所述测温粉末金属材料包括孔隙且其硬度根据以下方程:Δ硬度/Δ温度＝>0.5HV/℃随温度变化而下降。
本发明另一方面提供了一种测试用测温粉末金属材料的制备方法，所述测试用粉末金属材料复制实际粉末金属材料在内燃机中使用之时的所述实际粉末金属材料，所述方法包括调整所述测温粉末金属材料的热导率。
例如，测试用测温粉末金属材料的制备方法，所述测试用粉末金属材料估算在实际粉末金属材料在内燃机中使用期间的所述实际粉末金属材料的性能，所述方法包括调整所述测温粉末金属材料的热导率使得测温粉末金属材料的热导率模拟在实际粉末金属材料在内燃机中使用期间所述实际粉末金属材料的热导率。所述材料的热导率可以通过控制材料的孔隙率和/或用铜对材料孔隙进行熔渗而进行调整和控制。
本发明另一方面提供了一种利用测温粉末金属材料估算实际粉末金属材料在实际粉末金属材料在内燃机中使用期间性能的方法；所述方法包括调整测温粉末金属材料的热导率。
例如，利用测温粉末金属材料估算实际粉末金属材料在实际粉末金属材料在内燃机中使用期间性能(例如，热导率和温度)的方法。所述方法包括在测试前调整测温粉末金属材料孔隙率或用铜对测温粉末金属材料进行熔渗。所以，在测试过程中，测温粉末金属的热导率可以模拟实际粉末金属材料在实际粉末金属材料在内燃机中使用期间的热导率。
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是内燃机的一部分的示例，包括由根据本发明的一个实施例的测温粉末金属材料形成的气阀底座嵌件；
图2A是根据本发明的一个实施例(示例A)和四种对比粉末金属材料(示例B-E)的测温粉末金属材料硬度相对回火温度变化的理论说明；
图2B显示了对比材料(W1、O1、S1、A2和M2)硬度相对回火温度的变化；
图3包括标准锻造测温材料(AISI 1541)和在气阀导管和气阀底座嵌环中使用的标准粉末金属材料的化学组成(示例1-5)；
图4显示了图3中所示材料的热导率相对于温度的变化；
图5包括示例性测温粉末金属材料组合物；
图6显示了一个图5所示的示例性测温粉末金属材料组合物中的一个和对比锻造材料的硬度相对于温度的变化。
示例性实施例的详细描述
本发明一方面提供了一种用于复制在内燃机运行状态下的实际粉末金属材料的测试用测温粉末金属材料。根据一个实施例所示，测温粉末金属材料用于复制在气阀底座应用中使用的或者被用于形成气阀底座应用的构件，例如，形成如图1所述的环绕气阀12的气阀底座嵌环10的粉末金属材料。测温粉末金属材料也可以用于复制在气阀导管或在经受内燃机的严苛环境的其他零部件中使用的粉末金属材料。例如，测温粉末金属材料可以用于复制电导率为10至100W/mK的气阀导管和气阀底座嵌环中使用的粉末金属材料。
测试用测温粉末金属材料具有控制的或调整的热导率，其复制内燃机操作中的实际粉末金属材料的热导率。测温粉末金属材料也可以被调整成复制一系列不同热导率的粉末金属材料。该测温粉末金属材料的温度梯度比其他用于测试目的的材料更准确。所以，当测温粉末金属材料在应用到内燃机之前被测试时，该材料允许更准确地预估了内燃机的工作温度，提供了对内燃机工作状况的更精确的模拟。
粉末金属材料的热导率会因材料多孔性质发生很大变化。根据本发明一实施例，为了控制或者调整测试的测温粉末金属材料的热导率从而更准确地表现生产过程中以及发动机运行状态下的实际粉末金属材料的热导率，测试的测温粉末金属材料的孔隙用铜进行熔渗处理。该热导率也可以通过其他方式调节测温粉末金属材料中孔隙率的量进行控制或调整。例如，孔隙率可以通过材料的生坯密度来进行控制，无论是否采用铜熔渗。受控的孔隙率或铜熔渗有助于更准确估算内燃机温度及更好模拟实际的内燃机状态。
适合在100℃到600℃温度范围内(发动机通常工作的温度条件)使用的测温粉末金属材料优选地或者被要求具备一些特殊的特性。例如，测温粉末金属材料的硬度随温度变化曲线常常是重要的。图2A是根据本发明的一个实施例(示例A)的测温粉末金属材料和四种对比粉末金属材料(示例B-E)的硬度变化相对于回火温度变化的图示说明。图2A中的曲线是理论性的，说明了适宜回火曲线和不适宜回火曲线的概念。示例A的测温粉末金属材料在所述应用的所关注的区域内的硬度按照方程Δ硬度/Δ温度＝>0.5HV/℃，随着温度变化呈现均匀下降的趋势。这一特性是适合用来测试内燃机工作状态的。在示例B中，粉末金属材料的二次硬化引起了不一致的硬度降低，证明该材料不适合做测试。示例C的粉末金属材料也具有不一致的硬度下降，其不适合用作测试。在示例D中，粉末金属材料的硬度下降不够大(<0.5HV/℃)导致其不能可靠估算温度变化。示例E的粉末金属材料在所关注的区域内具有在某些温度范围内呈现不一致的硬度下降，导致其也不能提供可靠的温度测算。
图2B显示了对比材料(具体为被称之为W1、O1、S1、A2和M2的典型工具钢)硬度相对回火温度的变化。图2B的回火曲线来源于文献，其显示了不同的回火行为。这些曲线在每一个标记的温度下持续1小时。回火曲线1对应的是W1和O1材料。正如W和O族工具钢展示的一样，回火曲线1表明当回火温度增加后其表现了低抗软化性。回火曲线2对应的是S1材料。如S1工具钢展示的一样，回火曲线2说明其有中等的抗软化性。回火曲线3对应A2材料，回火曲线4对应M2材料。正如二次硬化工具钢A2和M2展示的一样，回火曲线3和回火曲线4分别展现了较高和很高的抗软化性。回火曲线1,3,4特别不适合做测温材料。回火曲线2或许适合作为锻造测温材料。
如上所述，不同化学成分可以用来制备测温粉末金属材料。如上所讨论，测温粉末金属材料的热导率可以通过控制孔隙率或用铜对孔熔渗进行调控。根据一个实施例，当材料没有用铜进行熔渗时，孔隙率可以达到测温粉末金属材料理论密度的80％到95％，其密度为6.2-7.4g/cm3。在此种情况下，测温粉末金属材料的热导率可以达到15-40W/mK。根据另一个实施例，测温粉末金属材料是用铜熔渗的。典型铜含量占测温粉末金属材料总质量的10wt.％-50wt.％，其典型密度为7.2-8.4g/cm3。在此情况下，测温粉末金属材料的热导率可以达到10-100W/mK或者25-80W/mK。如果测温粉末金属材料中包含50wt.％的铜，其热导率可以达到100W/mK。测温粉末金属材料的热导率可随温度变化而显著变化。
图3包括一个图表，其提供了五个可用于制作气阀导管和气阀底座嵌环的标准粉末金属材料的化学组成。图3中1-5号示例的化学组成与图2中A-E示例的化学组成是不同的。图3也包括了一个标准锻造测温材料的示例，具体为AISI1541钢。图3中每个示例残留组分由铁和其他可能的杂质组成。图3所示化学组成的数值是基于材料总质量的质量百分比，也称混合物或者合金。
如图4所示，1-5号示例材料为粉末金属，那些材料的热导率会随温度变化增加或降低。图4曲线显示了标准锻造测温材料(AISI 1541)和标准气阀导管和气阀底座嵌环粉末金属材料(1-5号示例)之间热导率的不一致。示例1和示例2是用铜熔渗的气阀底座嵌环的低合金钢。示例1和2的热导率随着温度变化而降低。示例3和示例4是用铜熔渗的在气阀底座嵌环中使用的高合金钢。示例3和4的热导率随着温度变化而增加。示例5是没有铜熔渗，在气阀底座嵌环中使用的多孔高合金钢。示例5的热导率随温度的变化相对稳定。由于粉末金属材料的孔隙结构，不可能在液体中对粉末金属材料进行淬火处理，因为液体可以进入孔隙中从而影响材料的热导率和热物理行为。一种为了烧除油而对粉末金属材料加热的标准方法会影响材料温度估算的敏感性。用水进行淬火太过激烈，会引起精细薄壁部件如气阀导管或气阀底座嵌环的大幅度变形或破裂。
如图3所示，AISI 1541钢是对比测温材料。但该材料并不是粉末金属而是锻造材料。和图4中EN19T合金钢相似的，AISI 1541钢和其他锻造材料的热导率随着温度而降低。对于锻造材料来说，要获得合适微结构(如EN19T)，先奥氏体化然后进行油淬火以获得期望的马氏体微结构。在气阀导管或气阀底座嵌环烧结周期中使用的标准粉末金属的烧结过程不能使传统锻造材料(如EN19T)达到完全的硬化。测温粉末金属材料应该比锻造材料更加合金化。所述测温粉末金属材料被设计为不经过液体淬火媒介就能达到完全硬化。所述测温粉末金属材料也被设计应呈现图2中示例材料A所展现的回火行为以便适合测温应用。
图5中显示了其他可以用作本发明测温粉末金属材料的示例材料，包括FLN4C-4005,FLN4-4400,FLN4-4405和FLNC-4405。
根据一个实施例，测温粉末金属材料包含，基于所述粉末金属材料总重量计，量为0.4wt.％至0.7wt.％的碳,3.6wt.％至4.4wt.％的镍,0.4wt.％至0.6wt.％的钼,0.05wt.％至0.3wt.％的锰,1.3wt.％至1.7wt.％的铜,其余为铁或可能的杂质。
根据另一实施例，测温粉末金属材料包含，基于所述粉末金属材料总重量计，量为0.3wt.％的碳,3.0wt.％至5.0wt.％的镍,0.65wt.％至0.95wt.％的钼,0.05wt.％至0.3wt.％的锰,其余为铁或可能的杂质。
根据另一实施例，测温粉末金属材料包含，基于所述粉末金属材料总重量计，量为0.4wt.％至0.7wt.％的碳,3.0wt.％至5.0wt.％的镍,0.65wt.％至0.95wt.％的钼,0.05wt.％至0.3wt.％的锰,其余为铁或可能的杂质。
根据另一实施例，测温粉末金属材料包含，基于所述粉末金属材料总重量计，量为0.4wt.％至0.7wt.％的碳,1.0wt.％至3.0wt.％的镍,0.65wt.％至0.95wt.％的钼,0.05wt.％至0.3wt.％的锰,1.0wt.％至3.0wt.％的铜,其余为铁或可能的杂质。
图6显示了如图5中的示例性测粉末金属材料组合物，具体为FLN4C-4005，以及对比锻造材料，具体为EN19T，的硬度随温度变化曲线。
本发明另一方面提供了一种测试用测温粉末金属材料的制备方法，所述测试用粉末金属材料复制实际粉末金属材料在内燃机中使用之时的所述实际粉末金属材料。根据一实施例，所述方法包括通过控制测温粉末金属材料的孔隙率来调整测温粉末金属材料的热导率。根据另一实施例，除了控制材料孔隙率或者作为控制材料孔隙率的替代，所述方法还包括用铜对材料孔隙进行熔渗来调整测温粉末金属材料的热导率。
在测温应用中使用的测温粉末金属材料样品的处理工艺是大多数粉末金属钢的典型处理工艺。根据最终期待的热导率，粉末首先被压制成特定的密度。该工艺接下来包括烧结上述压制粉末，如在1120℃，75％N2/25％H2气氛下烧结30分钟。对于用铜熔渗的材料，烧结可以在熔渗步骤中进行。接下来是烧结材料的冷却。冷却速率应尽可能足够快，如5℃/s，以获得马氏体结构。烧结后，可对材料进行回火处理，如在100℃下一个小时。如图2所示，为了测试烧结后的粉末金属材料，我们在预定时间下(如2小时)建立一个回火曲线。烧结后的样品在不同温度下回火，对其微硬度进行测量以获得硬度随温度变化曲线。
本发明另一方面提供了一种测试测温金属粉末材料的方法，所述方法在实际粉末金属材料在内燃机中使用期间估算所述实际粉末金属材料的热导率和温度。所述方法通常包括在测试前控制测试金属材料的孔隙率和或对用铜对其孔隙熔渗，使得测试材料的热导率模拟在材料在内燃机中使用期间产生的实际金属材料的热导率。
本发明另一方面提供了一种利用测温粉末金属材料估算实际粉末金属材料在实际粉末金属材料在内燃机中使用期间性能的方法；所述方法包括调整测温粉末金属材料的热导率。例如，所述方法首先包括调整或控制测温粉末材料的孔隙率或用铜对测温粉末金属材料孔隙进行熔渗。所述方法还包括对所述测温粉末金属材料进行发动机测试，在发动机测试期间或之后测量所述测温粉末金属材料的性能。所述方法还包括基于对测温粉末金属材料性能进行测量从而估算在实际粉末金属材料在内燃机中使用期间实际金属粉末材料的性能。例如，为了估算实际粉末金属材料的性能，所述方法包括在发动机测试期间或之后测量测温粉末金属材料的温度和热导率。
根据一个实施例，所述方法包括在发动机测试期间或之后测量测温粉末金属材料的微硬度，绘制测温粉末金属材料的回火曲线并根据微硬度数值估算在实际粉末金属材料在内燃机中使用期间实际金属粉末材料的的温度。除此之外，我们可以创建实际粉末金属材料的温度梯度分布图。
根据另一实施例，所述测试用粉末金属材料在实际粉末金属材料在内燃机气阀底座嵌环中使用期间估算所述实际粉末金属材料的温度。在此情况下，测温粉末金属材料样品按照标准气阀底座嵌环应有的方式被安装和准备。接下来，发动机被预先设定运行特定时间，比如说2小时，与获得图2回火曲线相近的时间。测试结束后，将测温粉末金属材料样品拆解，并进行截面安装，以便进行微硬度测量。如上所述，在需要估算其温度的区域测量测温金属粉末材料的微硬度。测温粉末金属材料样品的回火曲线被创建并被用来，根据已经测量的微硬度估算其温度从而绘制出气阀底座嵌环应用的温度梯度分布图。相同或相似的方法可以用于估算其他发动机应用领域中实际粉末金属材料的温度。
显然，根据上述教导，本发明的许多修改和变型是可能的，并可以在本发明范围内进行除具体描述外的其他实践。考虑到所描述的所有特征和所有实施实例都可以彼此组合，只要这些组合不会相互矛盾。

Claims (25)

1.一种测试用测温粉末金属材料，用于复制实际粉末金属材料在内燃机中使用之时的所述实际粉末金属材料，所述测温粉末金属材料包括孔隙且其硬度根据以下方程随温度变化而下降:Δ硬度/Δ温度＝>0.5HV/℃。
2.如权利要求1所述的测温粉末金属材料，其中，所述测温粉末材料中的所述孔隙是用铜对其进行熔渗的。
3.如权利要求2所述的测温粉末金属材料，其中，所述测温粉末金属包括，基于所述测温粉末金属材料的总重量计，量为10wt.％至50wt.％的铜。
4.如权利要求3所述的测温粉末金属材料，其中，所述测温粉末金属材料的密度为7.2g/cm3至8.4g/cm3。
5.如权利要求4所述的测温粉末金属材料，其中，所述测温粉末金属材料的热导率为10W/mK至100W/mK或25W/mK至80W/mK。
6.如权利要求1所述的测温粉末金属材料，所述测温粉末金属材料的硬度随着温度变化而均匀下降。
7.如权利要求1所述的测温粉末金属材料，所述测温粉末金属材料的孔隙率为测温粉末金属材料理论密度的80％至95％。
8.如权利要求1所述的测温粉末金属材料，所述测温粉末金属材料的密度为6.2g/cm3至7.4g/cm3。
9.如权利要求8所述的测温粉末金属材料，所述测温粉末金属材料的热导率为15W/mK至40W/mK。
10.如权利要求1所述的测温粉末金属材料，所述测温粉末金属材料复制用于形成气阀底座的构件的粉末金属材料。
11.如权利要求1所述的测温粉末金属材料，所述测温粉末金属材料包含，基于所述粉末金属材料总重量计，量为0.4wt.％至0.7wt.％的碳,3.6wt.％至4.4wt.％的镍,0.4wt.％至0.6wt.％的钼,0.05wt.％至0.3wt.％的锰,1.3wt.％至1.7wt.％的铜,其余为铁或可能的杂质。
12.如权利要求1所述的测温粉末金属材料，所述测温粉末金属材料包含，基于所述粉末金属材料总重量计，量为0.3wt.％的碳,3.0wt.％至5.0wt.％的镍,0.65wt.％至0.95wt.％的钼,0.05wt.％至0.3wt.％的锰,其余为铁或可能的杂质。
13.如权利要求1所述的测温粉末金属材料，所述测温粉末金属材料包含，基于所述粉末金属材料总重量计，量为0.4wt.％至0.7wt.％的碳,3.0wt.％至5.0wt.％的镍,0.65wt.％至0.95wt.％的钼,0.05wt.％至0.3wt.％的锰,其余为铁或可能的杂质。
14.如权利要求1所述的测温粉末金属材料，所述测温粉末金属材料包含，基于所述粉末金属材料总重量计，量为0.4wt.％至0.7wt.％的碳,1.0wt.％至3.0wt.％的镍,0.65wt.％至0.95wt.％的钼,0.05wt.％至0.3wt.％的锰,1.0wt.％至3.0wt.％的铜,其余为铁或可能的杂质。
15.一种测试用测温粉末金属材料的制备方法，所述测试用测温粉末金属材料复制实际粉末金属材料在内燃机中使用之时的所述实际粉末金属材料，所述方法包括调整或控制所述测温粉末金属材料的热导率的步骤。
16.如权利要求15所述的方法，包括通过调整或者控制所述测温粉末金属材料的孔隙率来调整或者控制所述热导率。
17.如权利要求15所述的方法，包括通过用铜熔渗所述测温粉末金属材料的孔隙来调整或者控制所述热导率。
18.一种使用测温粉末金属材料估算实际粉末金属在内燃机中使用之时的所述实际粉末金属材料的性能的方法，包括调整或控制所述测温粉末金属材料的热导率的步骤。
19.如权利要求18所述的方法，包括通过调整或控制所述测温粉末金属材料的孔隙调整或者控制所述热导率。
20.如权利要求18所述的方法，包括通过用铜对所述测温粉末金属材料的孔隙进行熔渗以调整或控制所述热导率。
21.如权利要求18所述的方法，包括对所述测温粉末金属材料进行发动机测试；在所述发动机测试期间或之后测量所述测温粉末金属材料的性能；并且基于所测试的测温粉末金属材料的所测得的性能，估算在所述实际粉末金属材料在内燃机中使用时所述实际粉末金属材料的性能。
22.如权利要求21所述的方法，包括在所述发动机测试期间或之后测量所述测温粉末金属材料的温度。
23.如权利要求21所述的方法，包括在发动机测试期间或之后测量所述粉测温末金属材料的热导率。
24.如权利要求21所述的方法，包括：在所述发动机测试期间或之后测量所述测温粉末金属材料的微硬度；绘制所述测温粉末金属材料的回火曲线；并且
基于所述微硬度，使用所述回火曲线估算在所述实际粉末金属在内燃机中使用时所述实际粉末金属的温度。
25.如权利要求21所述的方法，包括绘制所述实际粉末金属材料的温度梯度分布图。
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