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制作方法

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。

发明领域

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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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发明的这些和其它优势。下述内容只是关于本发明的一些优选实施方式的描述。为了评定本发明的整个范围，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，该路径穿过多个晶粒。

图3b显示对于3重量％的预合金化铜的铜映射线扫描。

图3c显示对于3重量％的混合铜的铜映射线扫描。

图4是铝-铜相图。

详述

本文公开了一种含铁粉末金属组合物，当将所述组合物的粉末金属压实并烧结以提供随后铸造在铝或铝合金中的嵌件时，其提供冶金结合。通过以一定方式将足够量的铜添加到含铁粉末金属中以产生微结构，该微结构具有在压实并烧结组件的粉末表面铜(或者甚至为游离铜)含量高的铜梯度，可以将所得嵌件铸造到铝基材料中并与之反应并与之形成冶金结合。因此，与可以仅依靠机械结合(例如，铸造材料在嵌件周围凝固的宏观几何接合)的常规嵌件不同，通过该化学变化可以形成甚至更牢固的冶金结合。

图1显示了示例性部件100的侧视图，该示例性部件100可以通过将嵌件102铸造到铝材料104中而形成。如图所示，该部件100可以是用于发动机中的凸轮轴或曲轴的轴承的一半轴承支架。由此，其具有呈径向向内面对半圆柱形表面形式的轴承接收表面106，该径向向内面对半圆柱形表面形式可与具有另一半径向向内面对半圆柱形表面的部件配对以在其之间捕获轴承，其中，轴承可以支撑凸轮轴或曲轴。嵌件102还具有通常为平面的配合表面108，该配合表面108定位成与其他部件接触，并具有两个沿垂直于轴承接收表面106中心轴方向延伸的螺纹孔110或螺栓孔。当该部件100和配合部件的配合表面放置在一起时，这些螺纹孔110可用于帮助将部件与螺栓或其他紧固件固定在一起。

还应注意，插入件102具有外周112，当将铝材料104铸造在其周围时，该外周112具有几何形状，帮助将嵌件104机械固定在铝材料中。

通过采用粉末金属组合物(通常包含多个单独颗粒和一定量的蜡/润滑剂)，将粉末金属组合物压实以形成具有嵌件粗糙几何形状的预制件(通常在工具和模具中进行单轴压缩的情况下)，然后对预制件进行烧结，以使单独颗粒彼此融合在一起，同时降低孔隙率，可以由粉末金属形成嵌件如嵌件102。压实和烧结可能是分开并依次发生的，也可能是同时发生的(例如，作为粉末锻造步骤的一部分)。在烧结期间，当对预制件进行烧结以形成嵌件102时，该部件在烧结期间致密化，并且随着该过程继续,孔尺寸减小并且封闭。在组件烧结之后，可以进行附加的精加工或机械加工步骤，例如，孔110的钻孔或开孔或轴承接收表面106尺寸的精密精加工。

为了形成所示的部件100，以一定形式放置嵌件102，并在嵌件102周围铸造铝材料，通常是铝合金(例如a380，其具有3重量％至4重量％的铜，0.1重量％的镁、最大1.3重量％的铁，最大0.35重量％的锡，最大0.5重量％的镍，3重量％的锌、0.5重量％的锰、7.5重量％至9.5重量％的硅、总计不超过0.5重量％的其它金属，并且余量为铝)。尽管因为a380是一种众所周知的压铸铝合金而在上文提及了a380，但a380是代表，而不是限制可以使用的铝铸造材料。

尤其是，为了能够在铸造期间在烧结粉末金属嵌件102和铝材料104之间进行反应冶金结合，可以对用于形成嵌件102的粉末金属合金组合物进行改性。已经发现，通过向用于制造嵌件的含铁(ferrous)粉末金属组合物中添加适量的铜可以形成铜梯度，产生嵌件102的富铜表面(含铁晶粒颗粒中铜含量较高，或者铜以游离铜的形式存在)，这可以促进导致嵌件102和铝材料104之间冶金结合的反应形成，并且该冶金结合比铸造期间发生的常规机械结合具有牢固的连接。

为了促进嵌件102和铝材料104之间的冶金结合，使含铁粉末金属中的铜增加到等于或大于3.5重量％的量。该3.5重量％的铜超过了铜在铁晶粒中的固溶度极限，并导致出现铜梯度，其中，在烧结粉末金属颗粒表面上形成较高的铜含量，并且甚至可能存在游离铜。

因此，用于生产用于铸造成铝铸件的烧结粉末金属嵌件的粉末金属合金组合物可以包含多个粉末金属颗粒，所述粉末金属颗粒包含铁粉末金属基底(即，铁粉末金属的晶粒，其可能包括一些或全部的铜和/或碳)，含量为占组合物3.5重量％或更多的铜(与基底粉末预合金化和/或混合)，含量占组合物0.1重量％至1.0重量％的碳，以增加额外强度。尽管现已发现碳不一定是铁粉末金属基底的一部分，但可以预见，在大多数情况下，碳将存在于铁粉末金属基底中。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102时，该烧结粉末金属嵌件102具有铜梯度，所述铜梯度在烧结粉末金属嵌件102的表面上提供比烧结粉末金属嵌件晶粒中心处更高的铜浓度。

预期铜可以以铁粉末金属基底中的预合金化铜的形式和/或混合含铜粉末金属(其可以简单地是与铁粉末金属基底混合的元素铜粉末金属)的形式添加至铁粉末金属基底中。因此，在一些形式中，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。在一个形式中，达到3.5重量％阈值的100％所添加铜可能都来自混合含铜粉末金属，并且铁粉末金属基底中根本不存在预合金化铜。可以预见的是，与混合铜相反，至少一些量的铜可以有利地形成富铜粉末表面，因为混合铜——与预合金化铜不同——可以导致铜梯度增加(从如下图3b和3c中的结构结果将显而易见)。

例如，在一些形式中，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％。类似地，预期在铁粉末金属基底中，占粉末金属合金组合物1重量％、2重量％或3重量％的铜可以预合金化，并且存在额外量的混合铜以达到3.5重量％的总阈值(例如，对于1重量％的预合金化铜，存在至少2.5重量％的混合铜)。

现在参考图2a-2c，生产锻造试验后，1重量％的预合金化铜/2重量％的混合铜的微观结构；2重量％的预合金化铜/1重量％的混合铜的微观结构；3重量％的预合金化铜的微观结构。同样，为了清楚起见，预合金化铜在铁或含铁粉末金属中预合金化。可以看出，所有3％的铜样品均具有铁素体、珠光体和离散的mns相。

参考图2d，微观结构中同样存在游离铜。

现在转到图3a-3c，在一些制备的样品上进行了铜映射，以显示晶粒上的铜梯度和铜分布。图3a显示了用于线扫描的示例路径(其使用具有edx的jeoljsm-6460lvsem来进行)。该线扫描在足以穿过多个在先颗粒的距离上进行，以显示相对均匀性。以7微米的增量进行采样。

图3b显示了3重量％的预合金化样品的铜映射结果，而图3c显示了3重量％的混合铜样品的铜映射结果。在预合金化样品中可以看到铜分布的相对均一性，在混合铜样品中可以看到的明显峰和谷(分别代表晶粒的富铜表面和晶粒中心的无铜区域)。

应注意，将铜混合到已经具有3重量％的预合金化铜的铁粉末金属基底中将导致在表面处具有高铜的结合铜曲线。这是因为铜在铁中的溶解度极限为约4重量％，并且混合铜将不能显著扩散到预合金化铁晶粒中。

最后，转向图4，显示了铝-铜相图。在铸造期间，当熔融的铝(或铝合金)与铜接触时，表面上一些量的铜会溶解到铝中。考虑到铸造和冷却的速率，预期并非所有的铜都将溶解到铝液中。这将产生一些铜百分比低的局部铝液区域。随着液体al-cu熔体冷却，将形成α相，并且取决于动力学和所溶解的铜组成，很可能会形成一些量的α相加θ相。这在铝铸造材料和铜之间产生了局部区域，沿着该局部区域形成了冶金结合。

应当理解的是，可在本发明的精神和范围内对这些优选的实施方式进行各种其它修改和改变。所以，本发明不应局限于所述的实施方式。为了确定本发明全部范围，应当参考所附的权利要求。