专利名称：粒子分散铜合金及其生产方法
背景技术：
发明领域本发明涉及一种粒子分散铜合金，其中粒子分散在铜合金组成的基体(matrix)中，并涉及一种生产粒子分散铜合金的方法。
相关技术说明根据汽车内燃机中气缸直径中活塞的往复运动，产生燃烧气体。为内燃机提供了排出口以便排出燃烧气体。排出口通过阀门被打开/关闭。
为排出口提供阀座以便密封燃烧气体。与排出口打开/关闭操作相一致的进行前/后运动的阀门与阀座发生滑动接触。因此，需要阀座在耐磨性方面是优秀的。
迄今已经采用由铁-基烧结材料制成的座或由铜-基自熔性合金制成的座作为阀座。这样一种阀座为如下气缸直径安排。在座是由铁-基烧结材料制成的情况中，制造环形构件并在压力下强制引入。另一方面，在座是由铜-基自熔性合金制成的情况中，在临近气缸直径开口的地方进行包层(cladding)(或填充)。
近年来，环境保护已被高度关注。因此，尝试了更清洁的内燃机气体排放和减少的燃料消耗比。按照这样的尝试，当燃料在内燃机中燃烧时，减少了燃料与空气的比率。换句话说，燃料变稀了。然而，当实施上述燃烧方法时，已知的由铁-基烧结材料或由铜-基自熔性合金制成的座在相对短的时间内被不合需要地磨损。
为了改进铜-基自熔性合金制成的座的耐磨性，例如，优选在铜-基自熔性合金中分散硬粒子。从这个观点，日本早期公开专利公布No.2001-105177提出具有三维Laves结构的硅化物作为硬粒子分散在铜-基自熔性合金中。
在此技术情况中，硬粒子的平均粒径分布在50到200μm范围内。在如上所述含有粗粒子作为硬粒子的粒子分散铜合金情况中，表面粗糙度过分地增大。当阀门产生滑动接触时，摩擦热会不合需要地增大。
另一方面，日本专利No.3373076和日本早期公开专利公布No.2002-194462公开了这样的事实，即硅化物从构成铜合金的成分中结晶或沉积出，并被提供为硬粒子。然而，在此情况中，因为所述硬粒子可能不会均匀地分散，难于使整个所述座的耐磨性一致。
发明概述本发明的一般目的是提供一种粒子分散铜合金，其中硬粒子基本上是均匀地分散的。
本发明的主要目的是提供粒子分散铜合金，其中表面粗糙度也充分小。
本发明的另一个目的是提供生产上述粒子分散铜合金的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种粒子分散铜合金，包含分散在铜合金组成的基体中的粒子；所述粒子分散铜合金包含6到15重量％的Co、3到8重量％的Cr和Mo中的至少任何一种、0.3到1重量％的W、0.5到1.8重量％的Fe、8到15重量％的Ni、0.08到0.2重量％的C、1.5到4重量％的Si、0.5到0.8重量％的Al、0.1到0.3重量％的P、以及不可避免的杂质和Cu作为余量，其中粒子具有平均粒径为8到20μm，并且具有粒度分布宽度为0.1到100μm，和任意横截面中被粒子占有的面积比是10到20％。
本发明中，硬质相粒子在任意横截面中占有的面积比是10到20％。就是说，在基体中硬质相粒子基本均匀地分散。因此，整个合金的硬度基本均匀。当硬度高时，耐磨性也优秀。因此，整个合金的耐磨性是令人满意的和均匀的。
而且，因为平均粒径和粒度分布宽度在预定的范围内，所以也避免了表面粗糙度的增加。
因为以预定组成比包括预定组分的粒子(硬质相)分散在铜合金中，并且粒子的平均粒径、粒度分布宽度和在任意横截面中占有的面积比被设定在如上所述的预定范围内，所以相对精细和微小的硬质相粒子基本上均匀分散在基体中。于是，可以获得粒子分散铜合金，在其各处耐磨性是令人满意的并基本上是均匀的。
而且，本发明中，与已知的粒子分散铜合金相比，粒子占有的面积比提高了约10到40％。当硬粒子占有的面积比如上述所提高时，耐磨性也提高。
根据本发明的另外一个方面，提供了一种生产粒子分散铜合金的方法，所述铜合金包含分散在由铜合金组成的基体中的粒子，其中在任意横截面中粒子占有的面积比是10到20％，所述方法包含以下步骤通过将Cu合金粉末与Co合金粉末以所述Cu合金粉末与所述Co合金粉末在1到15∶99到85的重量比混合而制备混合粉末，所述Cu合金粉末具有10到150μm的粒度并含有6到12重量％的Ni、2到5重量％的Si、1到10重量％的Cr和Mo中的至少任何一种、2到10重量％的Co、0.3到1重量％的Al、0.3到1.2重量％的P、0.5到1.5按重量计算的Fe、以及不可避免的杂质和Cu作为余量，并且所述Co合金粉末具有10到150μm的粒度并含有20到35重量％的Cr和Mo中的至少任何一种、1到3重量％的Ni、1到2.5重量％的Si、3到8重量％的W、1到3重量％的Fe、0.8到2重量％的C、以及不可避免的杂质和Co作为余量；和借助于激光或等离子体加热混合粉末以制备粒子分散铜合金。
当上述步骤执行时，可以容易并简单地获得如上所述的粒子分散铜合金。特别是，因为使用了穿透到混合粉末内部的激光或等离子体，可以容易地提高混合粉末的分散性和Cu合金粉末的基体形成。
混合粉末可在金属构件上加热。在此程序中，粒子分散铜合金以处于和金属构件连接的状态形成。换句话说，形成了包层部分(Claddedportion)。
不特别限定金属构件的材料，但是可以是Al合金作为优选实例。
当连同附图进行描述时，本发明的上述和其它目的、特征、和优势将由下面的描述变得更明显，其中本发明的优选实施方案通过说明性的实施例表示。
附图简述
图1是放大的剖视图，图解主要部件以说明在Al合金构件的沉陷部分(depressed portion)上提供包层部分的状态，所述包层部分由依据本发明实施方案的粒子分散铜合金组成。
图2是说明实施例1的包层部分的扫描电镜(SEM)照片；和图3是说明比较例1的包层部分的扫描电镜(SEM)照片。
优选实施方案说明依据本发明的粒子分散铜合金及其生产方法将根据通过优选实施方案举例说明的附图详细地解释如下。
图1表示了放大的剖视图，图解主要部件以说明在Al合金构件10的沉陷部分12上提供包层部分14的状态。在此实施方案中，所述包层部分14由粒子分散铜合金形成。
提供沉陷部分12作为环形阶梯式部分以在邻近通孔16的地方扩张直径。因此，在此安排中，包层部分14具有环形形状。
粒子作为硬质相基本均匀地分散在包层部分14中作为基体的Cu合金中，即在根据本发明实施方案的粒子分散铜合金中。就是说，包层部分14借助于粒子具有高硬度。粒子主要由Cr2C3组成。例如，也提出了其它碳化物、合金、和硅化物的粒子。
包层部分14的组分和及其比率是6到15重量％的Co、3到8重量％的Cr和Mo中的至少任何一种、0.3到1重量％的W、0.5到1.8重量％的Fe、8到15重量％的Ni、0.08到0.2重量％的C、1.5到4重量％的Si、0.5到0.8重量％的Al、0.1到0.3重量％的P、以及包括不可避免的杂质和Cu的余量(balance)。就是说，例如，Cr的组成比不仅代表基体的组成，而且代表基体和所有粒子中的组成。上述其它组分同样如此。
可包含Cr和Mo之一或其组合。当两者都被包含时，Mo和Cr的总量可以是总共3到8重量％。优选地，Mo按重量计算是0.3到1％，余量是Cr。
Co作为成核组分用于沉积硬质相(粒子)。如果Co小于6％，改善硬度的效果差，因为粒子过分精细和微小。另一方面，如果Co超过15％，硬度被过分提高，因为粒子变得过分粗糙。与包层部分14进行滑动接触的构件被迅速磨损。在包层过程中会发生断裂。
作为与C反应的结果，Cr或Mo主要以碳化物的状态存在，起成核的作用，如Co同样的方式以沉积硬质相。Cr和Mo单独改善包层部分14的耐热性和耐磨性。如果Cr或Mo按重量计算小于3％，不能获得充分的效果。另一方面，如果Cr或Mo按重量计算高于8％，在包层过程中包层部分14中趋于发生毛细状裂纹。而且，硬质相粒子的分散状态容易趋于不均匀。
W改善包层部分14的耐磨性并抑制毛细状裂纹。如果W按重量计算小于0.3％，难以获得这些效果。另一方面，如果W按重量计算超过1％，硬质相粒子的分散趋于不均匀。
Fe是为粒子提供高硬度的组分。特别是，当Fe形成铁合金时，此效果优秀。因为Fe是相对便宜的，可以以低成本改善包层部分14的硬度。
Ni是影响包层过程中自熔融性质和与包层部分14进行滑动接触的构件的粘附磨蚀的组分。就是说，如果Ni在稍后描述的Cu合金粉末和Co合金粉末中的总比例按重量计算小于8％，在包层过程中两种合金粉末的自熔融性质不足。另一方面，如果Ni按重量计算超过15％，对于与包层部分14进行滑动接触的构件，例如，阀门，可能会引起粘附磨蚀。
C与一部分Cr或Mo一起形成碳化物，这样C作为沉积的硬粒子存在。就是说，C有助于提高包层部分14的硬度，并且因此有助于耐磨性的改善。如果C按重量计算不超过0.08％，此效果不足。如果C按重量计算超过2％，因为包层部分14的硬度过分提高，与包层部分14进行接触的构件趋于被磨损。
Si对于表达自熔融性质起作用。而且，一部分Si作为硅化物存在为包层部分14提供高硬度。如果Si按重量计算小于1.5％，那么自熔融性质表达不充分，并且硅化物的量不足。另一方面，如果Si按重量计算超过4％，因为硅化物的晶界沉积量过分提高，在包层后的冷却中，毛细状裂纹趋于发生。
Al是表达自熔融性质的组分。而且，Al有助于提高包层部分14的硬度。如果Al按重量计算小于0.5％，包层部分14的硬度不足。另一方面，如果Al按重量计算超过0.8％，在包层部分14中，毛细状裂纹趋于发生。
当制备合金粉末时，P是降低熔融金属粘度的组分，以使粉化粉末容易形成。就是说，P起了所谓熔剂的作用，其减小合金表面，并降低氧化物的熔点。如果P按重量计算小于0.1％，此效果不足。另一方面，如果P按重量计算超过0.3％，在凝固过程中会引起裂缝。P也是表达自熔融性质的组分。
在上述包层部分14中，硬粒子的平均粒径设定在8到20μm的范围内。其粒度分布宽度是0.1到100μm。当平均粒径和粒度分布宽度设定在上述范围内时，包层部分14的表面粗糙度也下降。因此，可以抑制与包层部分14接触的构件的磨损。
如果粒度小于0.1μm，尽管需要使起始原料的粒径是精细和微小的，包层部分14的耐磨性没有很大地改善，这从成本角度看是不利的。另一方面，如果粒度大于100μm，那么由粒子产生的硬部分在包层部分14中间歇形成，并且硬部分延伸到由基体产生的软部分。因此，例如，当对包层部分14进行切削加工时，在刀片工具上发生振动。
假定包层部分14的任意横截面的面积是100，被粒子占有的面积是10到20％。
在一般的粒子分散铜合金情况中，其中Co合金粒子分散在上述Cu自熔性合金中，粒子的平均粒径约为300μm，粒度分布宽度大，并且粒子分布不均匀。任意横截面中粒子占有的面积一般约为13％。然而，当横截面不同，此值也不同。此值可以小于10％或大于20％。就是说，即使在相同的粒子分布铜合金的情况中，粒子占有的面积取决于横截面而不同，并变化很大。
从上述清楚地理解，在根据本发明实施方案的粒子分布铜合金的情况中，硬质相粒子基本上均匀地分布。此外，硬质相粒子的平均粒径和粒度分布宽度与一般的粒子分布铜合金相比非常小。此外，任意横截面中粒子占有的面积在恒定范围内。因此，基本上均匀地表达非常优秀的耐磨性，与根据本发明实施方案的粒子分散铜合金中的部分，即包层部分14中的部分无关。
可提供包层部分14如下。
首先，制备Al合金构件10。当具有复杂形状如汽缸盖的构件被用作Al合金构件10时，例如，它可通过铸造形成。
例如通过粉化法(atomize method)，制备含有6到12重量％的Ni、2到5重量％的Si、1到10重量％的Cr和Mo中的至少任何一种、2到10重量％的Co、0.3到1重量％的Al、0.3到1.2重量％的P、0.5到1.5按重量计算的Fe、以及不可避免的杂质和Cu作为余量的成为基体(Cu合金)的粉末，即铜合金粉末。在此情况中，由于Al的存在，基体的硬度改善，自熔融性质也令人满意。由于P的存在，当进行粉化法时，金属表面减小，氧化物的熔点降低以减小熔融金属的粘度，并且粉化粉末容易获得。此外，P也作为自熔融元素起作用。
当保持粒度分布宽度在10到150μm范围内时，制备Cu合金粉末。如果粒度分布宽度小于10μm，当激光如稍后所述透射穿过粉末时，能量数量下降。结果，传送到Al合金构件10的热量下降。因此，在Al合金构件10上的沉积作用难以提高。另一方面，如果粒度分布宽度大于150μm，因为硬质相粒子的晶粒长大被过分提高，硬质相粒子的平均粒径和粒度分布宽度提高。
另一方面，制备了成为硬质相粒子的Co合金粉末。就是说，制备了20到35重量％的Cr和Mo中的至少任何一种、1到3重量％的Ni、1到2.5重量％的Si、3到8重量％的W、1到3重量％的Fe、0.8到2重量％的C、以及不可避免的杂质和Co作为余量的混合粉末，然后如Cu合金粉末的同样方式进行粉化法，用这样制备的混合粉末获得了Co合金粉末。
当保持粒度分布宽度是10到100μm时，制备Co合金粉末。如果粒度分布宽度小于10μm，那么激光几乎不能如稍后所述透射穿过粉末，并因此难以熔化粉末。所以，在Al合金构件10上的沉积几乎不提高。另一方面，如果粒度分布宽度大于100μm，那么硬质相粒子的晶体长大被过分提高。结果，提高了硬质相粒子的平均粒径和粒度分布宽度。
随后，如上所述获得的Co合金粉末和Cu合金粉末互相混合以制备混合粉末。在此步骤中，混合比以重量比表示是(Co合金粉末)∶(Cu合金粉末)＝1到15∶99到85。用上述混合比，形成了包层部分14，其包含6到15重量％的Co、3到8重量％的Cr和Mo中的至少任何一种、0.3到1重量％的W、0.5到1.8重量％的Fe、8到15重量％的Ni、0.08到0.2重量％的C、1.5到4重量％的Si、0.5到0.8重量％的Al、0.1到0.3重量％的P、以及不可避免的杂质和Cu作为余量。
随后，所述混合粉末装料到Al合金构件10的沉陷部分12中，然后用激光或等离子体加热。
因为混合粉末的粒度如上述所规定，激光容易地透射穿过混合粉末。从而，混合粉末被充分加热。因此，它熔化并沉积在Al合金构件10上形成包层部分14。由于上面规定的混合物组分和组成比，包层部分14可被防止毛细状裂纹。
在包层部分14中，硬质相粒子，其中平均粒径为8到20μm和粒度分布宽度为0.1到100μm，在沉积过程中基本上均匀分布。而且，由Cr和C在Co合金中形成的碳化物和从Si源产生的硅化物被沉积。此外，在任意横截面中硬质相粒子的面积比是10到20％。
当如上所述硬质相粒子基本上均匀分布时，包层部分14在包层部分各处具有基本上均匀的高硬度。而且，因为硬质相粒子的面积比大，耐磨性提高并且耐氧化性优秀，产生即使在高温下也显著下降的磨损。
此类型的粒子分散铜合金优选用作构件的材料，例如需要耐磨性的阀座。
在上述实施方案中，尽管粒子分布铜合金是在Al合金构件10的沉陷部分12上形成的，它不限于此，而是可形成在任何其它金属构件上。
提供粒子分散铜合金作为金属构件上的包层部分14不是必需的。
实施例1到3当保持粒度分布在10到150μm范围内时，通过粉化法制备包含8到10重量％的Ni、2.5到3.5重量％的Si、4到5重量％的Cr、2到3重量％的Co、0.5到1重量％的Mo、0.5到0.9重量％的Al、0.7到1.2重量％的Fe、以及不可避免的杂质和Cu作为余量的Cu自熔性合金粉末。
另一方面，当保持粒度分布在10到100μm范围内时，借助于粉化法制备包含23到28重量％的Cr、1.5到2重量％的Ni、2到2.3重量％的Si、3.5到4.5重量％的W、1.2到1.5重量％的Fe、0.8到1.2重量％的Mo、1.4到1.6重量％的C、以及不可避免的杂质和Co作为余量的Co合金粉末。
上述Cu自熔性合金粉末和Co合金粉末以(Cu自熔性合金粉末)∶(Co合金)＝95∶5、90∶10和85∶15的重量比混合，获得了三种类型的混合粉末。
每一种混合粉末单独在Al合金构件10的通孔16的开口附近提供的沉陷部分12上沉积，以提供具有厚度为2.5mm的包层部分14。获得的样品分别指定为实施例1到3。
通过电子显微镜(SEM)获得了实施例1到3包层部分14的任意横截面。图2表示了实施例1的包层部分14的SEM照片。图2中视觉上可确认的基本圆形的区域是沉积的硬质相粒子。作为SEM观察的结果，对于所有的包层部分14，硬质相粒子的平均粒径是10μm，并且粒度分布宽度是0.1到100μm。
通过对各自的包层部分14的任意横截面进行二进制值变换(binaryvalue conversion)而确定的由硬质相粒子占有的面积比分别是10.6％、15.2％和19.1％。
为了对比，通过仅使用Cu自熔性合金来提供包层部分。将此样品指定为比较例1。其SEM照片表示在图3中。从图3可清楚地理解，在仅由Cu自熔性合金组成的包层部分中，几乎辨认不出沉积粒子的存在。
通过粉化法，将约10重量％的Co合金加入到Cu自熔性合金中以形成合金。此合金粉末用于提供包层部分。将此样品指定为比较例2。
比较例2中，尽管可辨认硬质相粒子的分散，但是平均粒径非常大，即300μm，并且粒度分布宽度也大。而且，在任意横截面中硬质相的面积比平均是13％，但是依赖于横截面是非常不同的。这意味着硬质相粒子的分散是不均匀的。
对于上述实施例1和2以及比较例1和2的各自包层部分，进行了耐磨性测试。就是说，将连接到凸轮轴的阀门插入到Al合金构件10的通孔16中。当用煤气喷灯加热阀门和包层部分时，通过旋转凸轮轴，阀门前后运动，在阀门和包层部分之间产生滑动接触。所述喷灯在理论的空气-燃料比率(14.7)下燃烧，并且凸轮轴以3,000rpm旋转。结果，比较例1和2中的磨损量是140μm和70μm。相反，实施例1和2中的磨损量非常小，即45μm和30μm。
通过使用具有预定粒度的Cu合金粉末和Co合金粉末的混合粉末，可获得在耐磨性方面优秀的粒子分散铜合金，从所述结果这一点是清楚的。
尽管详细地说明和描述了本发明的某些优选实施方案，但是应当理解，可以在不背离后附权利要求的范围的情况下，进行各种各样的改变和修改。
权利要求
1.一种粒子分散铜合金，其包含分散在由铜合金组成的基体中的粒子，所述粒子分散铜合金含有6到15重量％的Co、3到8重量％的Cr和Mo中的至少任何一种、0.3到1重量％的W、0.5到1.8重量％的Fe、8到15重量％的Ni、0.08到0.2重量％的C、1.5到4重量％的Si、0.5到0.8重量％的Al、0.1到0.3重量％的P、以及不可避免的杂质和Cu作为余量，其中所述粒子平均粒径为8到20μm和粒度分布宽度为0.1到100μm，和在任意横截面中被所述粒子占有的面积比是10到20％。
2.权利要求1的粒子分散铜合金，其中所述粒子是Co合金粒子、碳化物粒子、或硅化物粒子。
3.权利要求1的粒子分散铜合金，其中所述粒子分散铜合金是在金属构件(10)开口处提供的并与阀门发生滑动接触的阀座。
4.权利要求3的粒子分散铜合金，其中所述金属构件(10)是由Al合金组成的。
5.一种生产粒子分散铜合金的方法，所述粒子分散铜合金包含分散于由铜合金组成的基体中的粒子，其中在任意横截面中被所述粒子占有的面积比是10到20％；所述方法包括如下步骤通过将Cu合金粉末和Co合金粉末以所述Cu合金粉末和所述Co合金粉末以1到15∶99到85的重量比混合以制备混合粉末，所述Cu合金粉末粒度为10到150μm并含有6到12重量％的Ni、2到5重量％的Si、1到10重量％的Cr和Mo中的至少任何一种、2到10重量％的Co、0.3到1重量％的Al、0.3到1.2重量％的P、0.5到1.5重量％的Fe、以及不可避免的杂质和Cu作为余量，并且所述Co合金粉末具有10到150μm的粒度并含有20到35重量％的Cr和Mo中的至少任何一种、1到3重量％的Ni、1到2.5重量％的Si、3到8重量％的W、1到3重量％的Fe、0.8到2重量％的C、以及不可避免的杂质和Co作为余量，以制备混合粉末；和通过激光或等离子体加热所述混合粉末以制备所述粒子分散铜合金。
6.权利要求5的生产所述粒子分散铜合金的方法，其中所述混合粉末在金属构件(10)上加热以获得处于与所述金属构件(10)连接的状态中的所述粒子分散铜合金。
7.权利要求6的生产所述粒子分散铜合金的方法，其中由Al合金制成的构件用作所述金属构件(10)。
8.权利要求6的生产所述粒子分散铜合金的方法，其中所述粒子分散铜合金被制造为在所述金属构件(10)的开口处提供的并与阀门发生滑动接触的阀座。
9.权利要求5的生产所述粒子分散铜合金的方法，其中所述Cu合金粉末和所述Co合金粉末是分别通过粉化法而单独制备的，并且然后将所述Cu合金粉末和所述Co合金粉末互相混合。
10.权利要求5的生产所述粒子分散铜合金的方法，其中Co合金粒子、碳化物合金粒子、和硅化物粒子被生成作为所述粒子。
全文摘要
包括Co合金粒子、碳化物合金粒子、和硅化物粒子的硬质相粒子基本上均匀分散遍及包层部分(14)的由Cu自熔性合金组成的基体。包层部分(14)含有6到15重量％的Co、3到8重量％的Cr和Mo之一、0.3到1重量％的W、0.5到1.8重量％的Fe、8到15重量％的Ni、0.08到0.2重量％的C、1.5到4重量％的Si、0.5到0.8重量％的Al、和0.1到0.3重量％的P、以及不可避免的杂质和Cu作为余量。所述硬质相粒子具有平均粒径为8到20μm和粒度分布宽度为0.1到100μm，并且在包层部分(14)的任意横截面中占10到20％。
文档编号F01L1/00GK1932057SQ20061015365
公开日2007年3月21日 申请日期2006年9月12日 优先权日2005年9月13日
发明者松木祥悟, 辻井芳孝 申请人:本田技研工业株式会社