用于铝铸件的烧结粉末金属嵌件的粉末金属合金组合物制造技术

粉末金属合金组合物用于生产用于铸造入铝铸件中的烧结粉末金属嵌件。粉末金属合金组合物包含铁粉末金属基底、铜和碳，以使得铜占粉末金属合金组合物的3.5重量％或更高，并且碳含量占粉末金属合金组合物的0.1至1.0重量％。在将粉末金属合金组合物压实并烧结以形成烧结粉末金属嵌件后，该烧结粉末金属嵌件具有铜梯度，所述铜梯度在烧结粉末金属嵌件的表面上提供比烧结粉末金属嵌件晶粒中心更高的铜浓度。嵌件表面处的较高铜浓度能够在铸造期间与铝铸件形成牢固的冶金结合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于铝铸件的烧结粉末金属嵌件的粉末金属合金组合物相关申请的交叉引用本申请要求享受2017年11月30日提交的名为《用于铝铸件的烧结粉末金属嵌件的粉末金属合金组合物》的美国临时专利申请号62/592,814的优先权，其通过引用全文纳入本文以用于所有目的。联邦资助研究或开发的声明无。专利
本公开涉及一种改进的含铁粉末金属合金组合物，用于形成用于铸造入铝铸件的烧结粉末金属嵌件。
技术介绍
在活塞发动机中，凸轮轴用于控制阀门，并且曲轴通过连杆与活塞连接，以便将线性运动转换成随后可以有效利用的旋转运动(例如，驱动车辆运动)。该轴由轴承保持和支撑，所述轴承在发动机运行期间使轴能够旋转。在发动机运转期间，这些轴承和连接到轴承的轴经受相当大的发动机负荷，因此需要在结构上的适当支撑。虽然需要支撑发动机轴的轴承结构支架，但还存在一些发动机设计考虑(例如，减轻重量以提高燃料经济性、降低材料成本)，这些发动机设计考虑导致许多现代发动机机体(engineblock)尽可能地由铝或其合金而不是铁或其合金铸造而成。虽然利用铝有助于减轻重量，但使用铝基发动机机体而不是铁基发动机机体通常需要对容纳轴承的区域进行进一步支撑。对于铸铝发动机机体，通常将往往由铸铁制成的支撑嵌件铸入铝发动机机体中。当凸轮轴拴住并施加发动机负载时，这些嵌件在轴承支架区域中提供提高的强度和刚性。作为一个具体实例，对于主轴承嵌件(“MBI”)，该嵌件可以由铸铁形成，然后将铝合金(通常为A380铝合金)铸造在铸铁嵌件周围。在铸造期间，将嵌件机械锁定在适当位置，并且使铸造材料在嵌件的几何形状部分周围凝固，以将嵌件保持在适当位置。
技术实现思路
本文公开了一种用于形成轴承嵌件的改进的粉末金属组合物，其可以在发动机生产中铸造到铝或铝合金中。尽管常规的铸铁嵌件依靠嵌件几何特征中铸造铝或铝合金的机械联锁，但是在所公开的含铁烧结粉末金属轴承嵌件的微观结构中，在烧结粉末金属嵌件表面上的铜优先更高。烧结粉末金属嵌件表面上增加的含铜量使得能够在与铝铸造材料接触时产生冶金结合。为了在嵌件表面处实现铜的增加以在铸造期间形成该冶金结合，可以对含铁嵌件的粉末金属配方进行精心设计，从而在粉末金属嵌件制造期间形成铜梯度，其可以在铸造期间被进一步利用。根据一个方面，公开了一种粉末金属合金组合物，用于生产用于铸造成铝铸件的烧结粉末金属嵌件。粉末金属合金组合物包含铁粉末金属基底、添加到铁粉末金属基底的铜和碳，以使得铜占粉末金属合金组合物的3.5重量％或更高，并且碳含量占粉末金属合金组合物的0.1至1.0重量％。可以预期，在铁粉末金属基底和/或混合含铜粉末金属中，铜可以作为预合金化铜提供。在将粉末金属合金组合物压实并烧结以形成烧结粉末金属嵌件后，该烧结粉末金属嵌件具有铜梯度，所述铜梯度在烧结粉末金属嵌件的表面上提供比烧结粉末金属嵌件晶粒中心更高的铜浓度。在组合物的一些形式中，混合含铜粉末金属可以是元素铜粉末金属。该混合含铜粉末金属还可以是非含铁的(意味着在含铁组合物的情况下不可能被描述为预合金化)在组合物的一些形式中，存在于粉末金属合金组合物中的铜可以在铁粉末金属基底中部分地预合金化，并且还可以部分地存在于与铁粉末金属基底混合的混合含铜粉末金属中。在该形式中，在铁粉末金属基底中预合金化铜的量可以占粉末金属合金组合物的3重量％，并且混合含铜粉末金属中的铜可以超过粉末金属合金组合物的0.5重量％。在其它形式中，通常预期在铁粉末金属基底中预合金化铜的量可以占粉末金属合金组合物的1重量％、2重量％或3重量％(并且其余的铜由混合的含铜粉末提供)。在组合物的一些形式中，存在于粉末金属合金组合物中的铜可以包含至少3.5重量％的以混合含铜粉末金属形式提供的铜。可能的情况是，添加到铁粉末金属基底中的所有铜均来自混合含铜粉末金属，并且铁粉末金属基底中不存在预合金化铜。在组合物的一些形式中，铁粉末金属基底可以包含，至少部分包含碳。根据另一方面，公开了一种用于铸造成铝铸件的烧结粉末金属嵌件。所述烧结粉末金属嵌件包括：含有任意的如本文所述粉末金属合金组合物的烧结体，其中，粉末金属合金组合物的多个颗粒烧结在一起以形成烧结体。所述烧结体具有铜梯度，其导致所述烧结粉末金属嵌件表面上的铜浓度高于所述烧结粉末金属嵌件晶粒中心的铜浓度。在将烧结粉末金属嵌件铸造到铝铸造材料中时，该梯度和该嵌件表面处和增加的铜量有助于与铝铸件的铝铸造材料形成冶金结合。在嵌件的一些形式中，所述烧结体可以包括：在其横向侧部上的一对相对端；在位于所述一对相对端之间的主体一侧上的轴承接收表面，其中，所述轴承接收表面适于将轴承容纳于其中；以及一对螺栓孔，其在垂直于轴承接收表面的轴线的轴向上延伸穿过主体。在嵌件的一些形式中，烧结体的微观结构可包括铁素体晶粒、珠光体晶粒和离散的MnS晶粒。在嵌件的一些形式中，烧结体的微观结构包含游离铜。在一些形式中，微观结构中的至少一些游离铜可能是由相邻铁晶粒达到其铜溶解度极限而产生。根据另一方面，公开了一种部件，其包括如本文所述和如上所述的烧结粉末金属嵌件，并且其中烧结粉末金属嵌件已铸造到铝铸造材料中，并且在铝铸造材料和烧结粉末金属嵌件中的铜之间形成了冶金结合。在部件的一些形式中，在烧结粉末金属嵌件表面处的铜与铝铸造材料之间的冶金结合区域的微观结构可以包括Al-Cu的α相和θ相。在部件的一些形式中，冶金结合可以是包含彼此混和或彼此扩散或分散的铝原子和铜原子的界面层。根据另一方面，公开了一种形成烧结粉末金属嵌件和利用嵌件形成铸件的方法。将上文和本文所公开的粉末金属合金组合物压实并烧结以形成烧结粉末金属嵌件(其中，粉末金属合金组合物包含铁粉末金属基底、以铁粉末金属基底中的预合金化铜和/或混合含铜粉末金属的形式添加到铁粉末金属基底中的铜、)，以使得铜占粉末金属合金组合物的3.5重量％或更多，碳占粉末金属合金组合物的0.1-1.0重量％。烧结粉末金属嵌件具有铜梯度，该铜梯度提供了烧结粉末金属嵌件表面上的铜浓度高于烧结粉末金属嵌件晶粒中心的铜浓度。在该方法的一些形式中，该方法还包括将烧结粉末金属嵌件铸造到铝铸造材料中以形成具有铸造烧结粉末金属嵌件的铝铸件，其中粉末金属嵌件表面的铜与铝铸造材料形成冶金结合。将由以下详细描述和附图了解本专利技术的这些和其它优势。下述内容只是关于本专利技术的一些优选实施方式的描述。为了评定本专利技术的整个范围，对于权利要求书应理解这些优选的实施方式并非旨在于是权利要求书范围内的仅有的实施方式。附图说明图1是其中具有烧结粉末金属嵌件的铸件部件的侧视图。图2A-2C是3重量％铜亚铁微结构的微观结构，其中，图2A、2B和2C中铜的预合金化量分别为1重量％、2重量％和3重量％，并且任意剩余的铜达到3重量％的混合铜形式的铜。图2D显示了在具有1重量％的预合金化铜的2重量％混合样品中的一些少量铜。图3A是样品的示例性显微照片，其显示了沿其测定铜浓度的路径，其中，该路径穿过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种粉末金属合金组合物，用于生产用于铸造入铝铸件中的烧结粉末金属嵌件，所述粉末金属合金组合物包含：/n铁粉末金属基底；/n铜，其以铁粉末金属基底中的预合金化铜和混合含铜粉末金属中的至少一种形式添加至铁粉末金属基底，以使得铜占粉末金属合金组合物的3.5重量％或更高；以及/n碳，其量占粉末金属合金组合物的0.1重量％至1.0重量％；/n其中，在将粉末金属合金组合物压实并烧结以形成烧结粉末金属嵌件后，该烧结粉末金属嵌件具有铜梯度，所述铜梯度在烧结粉末金属嵌件的表面上提供比烧结粉末金属嵌件晶粒中心更高的铜浓度。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171130 US 62/592,8141.一种粉末金属合金组合物，用于生产用于铸造入铝铸件中的烧结粉末金属嵌件，所述粉末金属合金组合物包含：
铁粉末金属基底；
铜，其以铁粉末金属基底中的预合金化铜和混合含铜粉末金属中的至少一种形式添加至铁粉末金属基底，以使得铜占粉末金属合金组合物的3.5重量％或更高；以及
碳，其量占粉末金属合金组合物的0.1重量％至1.0重量％；
其中，在将粉末金属合金组合物压实并烧结以形成烧结粉末金属嵌件后，该烧结粉末金属嵌件具有铜梯度，所述铜梯度在烧结粉末金属嵌件的表面上提供比烧结粉末金属嵌件晶粒中心更高的铜浓度。


2.如权利要求1所述的粉末金属合金组合物，其中，混合含铜粉末金属是元素铜粉末金属。


3.如权利要求1所述的粉末金属合金组合物，其中，存在于粉末金属合金组合物中的铜在铁粉末金属基底中部分地预合金化，并且部分存在于与铁粉末金属基底混合的混合含铜粉末金属中。


4.如权利要求3所述的粉末金属合金组合物，其中，在铁粉末金属基底中预合金化的铜的量占粉末金属合金组合物的3重量％，并且混合含铜粉末金属中的铜超过粉末金属合金组合物的0.5重量％。


5.如权利要求1所述的粉末金属合金组合物，其中，存在于粉末金属合金组合物中的铜包含至少3.5重量％的以混合含铜粉末金属形式提供的铜。


6.如权利要求5所述的粉末金属合金组合物，其中，添加至铁粉末金属基底的所有铜均来自混合含铜粉末金属，并且在铁粉末金属基底中不存在预合金化铜。


7.如权利要求1所述的粉末金属合金组合物，其中，存在于粉末金属合金组合物中的铜部分预合金化在铁粉末金属基底中，并且预合金化在铁粉末金属基底中的铜的量选自下组：占粉末金属合金组合物的1重量％、2重量％和3重量％。


8.如权利要求1所述的粉末金属合金组合物，其中，铁粉末金属基底中包含至少部分碳。


9.如权利要求1所述的粉末金属合金组合物，其中，粉末金属合金组合物包含多种粉末金属颗粒。


10.一种用于铸造入铝铸件中的烧结粉末金属嵌件，所述烧结粉末金属嵌件包括：
含有如权利要求1所述的粉末金属合金组合物的烧结体，其中，粉末金属合金组合物的多个颗粒烧结...

【专利技术属性】
技术研发人员：I·W·唐纳德森，
申请(专利权)人：GKN烧结金属有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US