用于连杆的合金粉末组合物以及使用其制造连杆的方法与流程

本公开涉及具有改进的机械性能例如强度的用于连杆的合金粉末组合物，以及制造在其中可容易钻螺栓孔的连杆的方法。

背景技术：

在制造连杆的常规方法中，在锻造后执行淬火/回火(Q/T)工序以增加强度。在这样的常规制造工序中，额外需要复杂的工序，包括用于完成连杆的首次加工、诸如淬火/回火(Q/T)的热处理工序以及后续的二次加工。此外，由于热处理引起的硬度增加，制造工序应当执行两次。此外，可能发生因淬火导致的连杆变形和弯曲。

以上公开的背景技术的提供有助于对本公开的理解，不应解释为本领域普通技术人员已知的常规技术。

具体实施方式

本公开从以上问题的角度出发而做出，并且本发明构思的一个方面提供具有优异的机械性能如优异的强度的连杆用合金粉末组合物，以及制造在其中钻螺栓孔可容易地加工的连杆的方法。

根据本公开中的示例性实施方式，基于100wt％的合金粉末组合物，用于连杆的合金粉末组合物包括0.5-0.8wt％的碳(C)、0.8-1.2wt％的铜(Cu)、1.6-2.0wt％的铬(Cr)、0.4wt％或更少(但不为0)的锰(Mn)、0.2wt％或更少(但不为0)的硫(S)、余量的铁(Fe)以及其他不可避免的杂质。

铬(Cr)与铜(Cu)的重量比可以为1.33至2.30。

根据本公开中的另一个示例性实施方式，用于制造连杆的方法包括：通过将合金粉末注入模具且之后用压机(press)压制，模制出初步成型产品，其中基于100wt％的合金粉末，所述合金粉末包括0.5-0.8wt％的碳(C)、0.8-1.2wt％的铜(Cu)、1.6-2.0wt％的铬(Cr)、0.4wt％或更少但大于0的锰(Mn)、0.2wt％或更少但大于0的硫(S)、余量的铁(Fe)和其他不可避免的杂质。对初步成型产品进行烧结和锻造。对锻造的初步成型产品进行再加热并冷却。然后对冷却的初步成型产品进行回火。

合金粉末中的铬(Cr)与铜(Cu)的重量比可以为1.33至2.30。

在再加热中，再加热的温度可以为880-950℃，并且再加热可以在烧结炉中在氢氛下执行。

在冷却中，可以以2-3℃/s的速率执行冷却。

回火可以在450-600℃下执行。

附图说明

根据以下与附图相结合的详细描述，将更清楚地理解本公开的以上和其他目的、特征和其他优点。

图1图示根据本公开的一个实施方式经历冷却控制的连杆的图像。

图2图示根据本公开的一个实施方式的结晶化的微小铜(minute copper)和渗碳体组织的图像。

图3是图示连杆的屈曲评估结果的图。

具体实施方式

现在将对本公开中的示例性实施方式作出详细参考，其实例在附图中进行了说明。在全部附图中相同的附图标记将被用于表示相同或相似的部件。

图1图示根据本公开的一个实施方式经历冷却的连杆的图像，图2图示根据本公开的一个实施方式的结晶化的微小铜和渗碳体组织的图像。

根据本公开中的示例性实施方式，基于100wt％的合金粉末组合物，连杆用合金粉末组合物包括0.5-0.8wt％的碳(C)、0.8-1.2wt％的铜(Cu)、1.6-2.0wt％的铬(Cr)、0.4wt％或更少但大于0的锰(Mn)、0.2wt％或更少但大于0的硫(S)、余量的铁(Fe)和其他不可避免的杂质。

在下文中，详细描述了在根据本公开的连杆用合金粉末组合物中钢的成分。

碳(C)：0.5-0.8％

碳(C)可以使强度增加且有利于热处理。当碳(C)以小于0.5％的量添加时，机械性能例如强度降低。此外，当碳(C)以大于0.8％的量添加时，脆性增加并且在连杆的表面产生粗的渗碳体。因此，碳(C)的量被限制在0.05-0.15％。

铜(Cu)：0.8-1.2％

铜(Cu)可以增强淬透性(hardenability)。当铜(Cu)以小于0.8％的量添加时，机械性能可降低。此外，当铜(Cu)以大于1.2％的量添加时，加工性能可降低。因此，铜(Cu)的量被限制在0.10-1.0％。

铬(Cr)：1.6-2.0％

铬(Cr)可以增加强度和淬火性能。当铬(Cr)以小于1.6％的量添加时，机械性能可降低。当铬(Cr)以大于2.0％的量添加时，烧结期间在连杆表面上产生氧化物的风险增加。因此，铬(Cr)的量被限制在1.6-2.0％。

锰(Mn)：0.4％或更低(但不为0)

锰(Mn)可降低钢中存在的元素的毒性。当锰(Mn)以大于0.4％的量添加时，其与硫结合形成MnS。当MnS过量形成时，疲劳强度增加。因此，锰(Mn)的量被限制在0.4％或更低。

硫(S)：0.2％或更低(但不为0)

硫(S)可以与锰结合形成夹杂物。当硫(S)以大于0.2％的量添加时，其与锰结合形成MnS。当MnS过量形成时，疲劳强度增加。因此，硫(S)的量被限制在0.2％或更低。

在根据本公开的用于连杆的合金粉末组合物中，铬(Cr)与铜(Cu)的重量比为1.33至2.30。

铜(Cu)和铬(Cr)是影响淬透性增加的元素。表述“淬透性”表示钢通过淬火硬化成马氏体在钢铁淬火硬化时的硬化容易程度的性能。

但是，当由于高含量的铜(Cu)或者低含量的铬(Cr)导致铬(Cr)与铜(Cu)的重量比小于1.33时，例如当如图2所示的铬(Cr)与铜(Cu)的重量比为0.9时，由微小铜的结晶引起在连杆表面上过度地产生渗碳体组织，因此，疲劳强度降低。

当由于低含量的铜(Cu)或高含量的铬(Cr)导致铬(Cr)与铜(Cu)的重量比高于2.30时，例如当如下表1的比较例5确定的铬(Cr)与铜(Cu)的重量比为3.0时，屈服强度与其中铬(Cr)与铜(Cu)的重量比为1.33-2.30的情况相比有显著降低。

此外，当在烧结之后执行模制时，锻造压力可能增加且延展性可能降低。因此，模压性能可能整体上恶化。

对于实施例和比较例中每个材料的拉伸测试的结果汇总于下表1中。在此，对冷却前的性能进行了数值上的比较。

表1

当将实施例与比较例1进行比较时，可确定比较例1另外包含V而不是Cu。此外，能够确定Cr以小于1.6％的量添加。相应地，能够确定在比较例1中，屈服强度和抗张强度明显更低，且硬度也比实施例的更低。

当将实施例与比较例2进行比较时，可确定比较例2不包含Cr，而另外包含Mo。由于这一区别，比较例2与实施例相比表现出显著更低的屈服强度、抗张强度和硬度。

当将实施例与比较例3进行比较时，可确定比较例3另外包含Mo并且包括小于1.6％的量的Cr。相应地，能够确定，比较例3与实施例相比表现出显著更低的屈服强度、抗张强度和硬度。

当将实施例与比较例4进行比较时，可确定比较例4不包含Cu，但是另外包括Mo。此外，可确定比较例4包括大于2.0％的量的Cr。由于这些区别，比较例4与实施例相比表现出显著较低的屈服强度和抗张强度。但实施例4的硬度与实施例的类似。

当将实施例与比较例5进行比较时，可确定实施例5另外包含Mo并且包括大于2.0％的量的Cr。相应地，能够确定，在比较例5中，屈服强度显著较低，而抗拉强度和硬度与实施例的那些类似。

根据本公开的制造连杆的方法包括：通过将合金粉末注入模具且之后用压机压制，来模制出初步成型产品，所述合金粉末基于100wt％的合金粉末包括：0.5-0.8wt％的碳(C)、0.8-1.2wt％的铜(Cu)、1.6-2.0wt％的铬(Cr)、0.4wt％或更少(但不为0)的锰(Mn)、0.2wt％或更少(但不为0)的硫(S)、余量的铁(Fe)和其他不可避免的杂质。对初步成型产品进行烧结。然后对烧结的初步成型产品进行锻造。对锻造的初步成型产品进行再加热并冷却。然后对冷却的初步成型产品进行回火。

合金粉末中铬(Cr)与铜(Cu)的重量比可以为1.33至2.30。

在再加热中，再加热的温度可以为880-950℃，并且再加热可以在烧结炉中在氢氛下执行。

在冷却中，冷却可以以2-3℃/s的速率执行。

此外，回火可以在450-600℃下执行。

在模制中，将具有以上组成的金属粉末插入模具中，接着在室温下通过压机压制。使用4-6吨/cm²的压力。制造出具有与连杆相同形状的初步成型产品。小头、大头和杆是一体形成的。

在烧结中，为实现粉末间的化学结合，使用氢气和氮气在1100-1140℃下在烧结炉中对结合较弱的初步成型产品进行烧结。在烧结中，当对粉末形式的成型产品进行加热时，粉末颗粒结合，成型产品由此硬化成为成型形状。因此，在烧结后初步成型产品的强度增加。

接下来，在锻造中，将烧结的初步成型产品投入冲模(die)以进行锻造压制，并且向其施加模压压力以增加初步成型产品的总体密度。在此，模压压力为200-600吨/cm³。

在再加热中，对锻造的初步成型产品再次加热以防止在锻造之后晶粒在空气冷却期间变粗、进而降低强度。再加热可以在880-950℃下在烧结炉中在氢氛下进行。

当再加热温度低于880℃时，奥氏体组织不被100％转变，因此，在冷却时可能无法100％地形成为马氏体组织。此外，当再加热的温度高于950℃时，晶粒变粗，因此，性能例如强度可降低。

在冷却中，对加热的初步成型产品进行冷却以通过引发向马氏体组织的转变而增强强度。可以在执行冷却的同时将冷却速率控制在2-3℃/s。当执行冷却控制时，冷却进行至400℃或更低。

由于初步成型产品的各部件的体积不同，在控制期间各部件具有不同的冷却速率。体积较小的小头和杆具有相对较高的冷却速率，因此，它们的强度由于形成为马氏体组织而增加。在体积较大的大头的情况下，其冷却速率相对较低，因此，回火效应自发地发生。因此，表现出允许进行螺栓孔钻钻孔处理的硬度值。

当以这样的方式促进制造处理时，即使是在使用裂解加工(fracture splitting)实施裂解(splitting)时形变也减少了，因此，可以使用常规的裂解加工代替其中使用激光刻痕(laser notch)的加工分割法。因此，制造成本降低。

当控制冷却速率低于2℃/s时，完全形变成为马氏体组织是不可能的，并且形成了奥氏体残余物。因此，机械性能例如强度可能降低。另一方面，当冷却控制速率高于3℃/s时，由于快速冷却，初步成型产品弯曲，并且大头的硬度值可能增加。因此，钻孔和抛光变得困难，因此，加工成本增加。

在表2中，在仅使控制的冷却速率变化的情况下，比较了由根据本发明用于连杆的合金粉末组合物制成的连杆的机械性能，例如抗弯强度。该合金粉末组合物包括0.7％的碳(C)、1％的铜(Cu)、1.8％的铬(Cr)、0.4％或更少的锰(Mn)、0.2％或更少的硫(S)和余量的铁(Fe)。

表2

屈曲是其中连杆因向其施加的压缩荷载而弯曲的现象。抗弯强度是在连杆弯曲前施加至连杆的荷载。此外，基于连杆大头的底表面测定弯曲度。具体而言，弯曲度可以通过以下方程(1)获得：

(小头上侧的距离(step)-小头下侧的距离)/2---------------------方程(1)

在过冷却技术规范的情况下，屈服强度和抗张强度增加。但是，受控的冷却速率高，因此，由于快速冷却而使弯曲度大。当发生弯曲时，如表2所示连杆的抗弯强度降低。此外，在常规冷却技术规范的情况下，受控的冷却速率低，因此弯曲度小。但是，整体的屈服强度、抗张强度和抗弯强度低。

参考图3，其是图示对连杆屈曲进行评估的图，可以确定在一定值或更高值下抗弯强度线性增加，但是在约2mm或更高值下不出现线性的抗弯强度增加，相反地，在约3mm或更高值下抗弯强度降低。

在回火中，在恒定的温度范围内对冷却的初步成型产品加热。回火可以在450-600℃下执行以向初步成型产品提供韧性并降低其硬度值。

当回火在低于450℃下执行时，初步成型产品的韧性变得不足且硬度值增加。因此，加工变得困难。另一方面，当回火在高于600℃下执行时，初步成型产品的机械性能例如强度可能降低。

与在钢锻造之后经历Q/T处理的连杆相比，在根据上述制造连杆的方法制造的连杆的情况下，机械性能例如屈服强度、抗张强度和芯部硬度是极好的。

通过将冷却速率控制在2-3℃/s来代替根据常规方法通过热处理例如淬火将连杆整体快速冷却，小头和杆由于其体积小而相对快速地冷却，大头由于其体积大则相对较慢地冷却。因此，可显示出自发的回火效应。

将通过根据本公开的连杆制造方法制造的连杆与在钢锻造之后经历Q/T处理的连杆的机械性能进行了比较。结果总结在下表3中。

表3

如表3所示，能够确定的是，与在钢锻造之后经历Q/T处理的连杆相比，通过根据本公开的连杆制造方法制造的连杆具有增强的屈服强度、抗张强度和芯部硬度。此外，能够确定的是，在通过根据本公开的连杆制造方法制造的连杆中，大头的芯部硬度低于小头或杆的芯部硬度。因此，大头的硬度值相对较低，因此有利于加工。

如从上述说明中显而易见的，本公开提供了用于连杆的合金粉末组合物。通过控制合金粉末组合物中的影响淬透性增加的铜(Cu)与铬(Cr)的重量比，可以预期机械性能例如疲劳强度和抗张强度的增强。

此外，能够预期的是，根据使用本公开的合金粉末制造连杆的方法，通过在实施冷却时控制冷却速率，显示出整体上优异的机械性能，同时，体积大的大头具有优异的模压性能。

尽管已出于说明性的目的公开了本公开的示例性实施方式，但本领域技术人员能够认识到，在不偏离如所附权利要求公开的发明的范围和主旨的情况下，多种修改、添加和替换是可行的。