专利名称：铜基烧结材料及其应用和由该烧结材料制造模制构件的方法
技术领域：
本发明涉及一种用来制造耐热和耐机械应力的，特别是耐冲击和耐摩擦构件的并由一种基体金属粉末生产的烧结材料。此外，本发明还涉及上述烧结材料的应用以及由该烧结材制造模制构件的方法。
例如用这种类型的烧结材料制造承受高温气体或气体混合物，象燃烧气体的机器模制构件。这就涉及到活塞式发动机的部件，例如气门座圈。
在西德专利DE-PS2114160中已公开一种烧结材料，它由一种铁基材料构成，还含有碳和铅并加入其他合金成分。这种烧结材料相对现有材料具有较高的导热性。同样，由该烧结材料制成的气门座圈的耐热性和耐腐蚀性也应提高。但是，由于该基体材料是铁基材料，因而导热性和耐腐蚀性的提高被限制在较低的范围内。
一种用于往复活塞式内燃机气门座圈在DE-OS3528526中公开。其中，气门座是由两个环构成的，在气门配合面设置的内气门环是由一种耐热的非粉末冶金生产的高硬材料构成的，而设置在座中的外气门环是由一种导热良好的、同样是非粉末冶金材料构成的。然而，必须注意的是，大量的热在气门的配合面区中，亦即在内气门环处产生。热量从那里首先通过内气门环，然后通过外气门环导出。对此，用于内座环的高硬耐热材料仅在有限的范围内是适合的，因为它仅有一般的导热性。
本发明的任务在于，创立一种烧结材料，它的耐热性和抗机械应力，如冲击和摩擦应力都显著高于那些已知的烧结材料。同时，本发明的特殊任务是创立一种适合于制造气门座圈的烧结材料，也提供一种应用该烧结材料制造耐热和耐磨的模制构件，尤其是气门座圈的方法。
有关烧结材料的任务，本发明是这样解决的，即基体金属粉末由一种大约70-100%(重量)铜的铜组分和一种0-30%(重量)合金组分组成，该合金组分为钴和/或铬和/或铁和/或锰和/或镍和/或钨和/或碳。这种烧结材料象公知的烧结材料那样，还含有生产条件带来的杂质。
与铁基烧结材料相比，本发明烧结材料具有高出数倍的导热性。这就使得在机械应力作用下，如冲击和/或摩擦及在高温条件下，热量能够十分好地散出，在相应的温度和气体或气体混合物，如燃气情况下，会形成具有润滑作用的氧化物。因此，该烧结材料在不用附加润滑剂的情况下就能产生抗机械应力，例如抗金属与金属的直接接触作用应力的性能。一种或多种氧化物形成一种润滑层，该层可靠地避免这种烧结材料与另一种金属材料直接接触时发生短暂和局部范围的焊接现象。本发明烧结材料还具有在任何时候自动修复的自润滑特性。
这一作用一方面可通过铜基材料来实现，这种铜基材料与其他金属材料相比，不仅具有很高的导热性，而且还可形成具有足够分离和润滑作用的氧化物。其次，就是添加一种或多种合金成分，它们在高温下同样形成氧化物。按照本发明一个特殊特征，这种热状况能够与例如它在内燃发动机、尤其内燃机的燃烧室中占支配地位相适应。此外，本发明烧结材料具有特别低的摩擦系数。虽然它是一种较软的烧结材料，但是这种烧材料由于其另外的特性而具有高耐磨性。因此它在高温下比现有的具有较高硬度的铁基烧结材料能够持久地承受更高的机械应力。
本发明一个优选方案的特征在于，铜组分为95-100%(重量)，而合金组分为5-0%(重量)。尤其本发明的金属合金元素组分由钴1-3%(重量)组成。而生产带来的杂质成分，按本发明最多可为0.5%(重量)。最大颗粒尺寸约为150μm，中等颗粒尺寸约为45-60μm。
本发明还可以如此进行组合，即在基体金属粉末中掺入一种高合金化的附加金属粉末作为硬化相，并且该硬化相部分最多为30%(重量)。但是由于经济性的原因，硬化相部分也可以降至最多为10%(重量)。硬化相部分最高为30%(重量)或者为10%(重量)取决于基体金属粉末和附加金属粉末总和。由此得出，在基体金属粉末中的铜组分和合金组分在基体粉末和附加金属粉末的总和中相对地占较小的分额。当采用本发明的粉末冶金法时，可以制成如此的组织结构，即在高导热的基体中嵌入大体均匀分布的降低磨损的组织成分。
在本发明的方案中，硬化相成分按重量百分比为铬24-28，镍21-25，钨10-14，碳1.5-2.0，其余为钴。按照本发明，该硬化相也可以为如下成分铬28-32，钨5-10，碳0.3-2.5，其余为钴。在上述两种硬化相成分情况下，该基体金属粉末可以是一种非金属化的纯铜粉末。基体在以后的烧结过程中通过扩散与钴合金化。
按照本发明另一种方案，硬化相的另一种成分(按重量%)为铬23-27，镍8-12，锰8-12，碳0.4-0.6，其余为铁。
按照本发明，这种烧结材料本身及其不同的改型材料可以用于制造耐热和/或耐磨的模制构件，这种构件承受高温气体或气体混合物，例如燃气的作用。此外在本发明的方案中，可能涉及到密封、导引、支承或阀门元件。这些元件可用作机器零件，如活塞式发动机及其附加装置。同样，也可以用于涡轮压缩机或排气系统以及废气循环系统。
按照本发明的优选方案，该烧结材料可以用来制造内燃机气门座上，特别是内燃机气门座圈。由该烧结材料或其不同改型材料生产的气门座圈，能够很好地将燃烧放出的热量导出。这样就提供了在高于现有温度下进行燃烧的可能性，因此提高了内燃机的效率。
热量是从最热的气门配合面通过气门座圈导出的。因此，用一种比现有气门耐热较差的并因此而价廉的材料制造气门是可能的。这就提供优选的可能性，即在使用现有的用于制造气门的材料的情况下，实现更高的燃烧温度，而不损坏气门。
按照本发明烧结材料的氧化物可产生上述的分离和润滑作用。因此，磨损降低。与此相反，公知的气门座圈为了降低磨损是用一种高硬材料制成的。为了使这种公知的气门本身不在接触表面承受过度磨损，这种公知的硬气门座圈是与这样一种气门配对的，该气门在公知气门座配合而区域内以昂贵代价表面堆焊一层高硬度保护层。公知的耐热高硬材料具有较低的导热性，由此它起到热流从气门向气门座圈传导的路障作用。
这一缺点可通过本发明的气门座圈加以消除。虽然本发明的烧结材料是比较软的，但是由它制造的气门座圈的耐磨性却是较高的。其具体原因也在于，通过氧化物在气门座圈上形成层具有一种分离和润滑性能。
当在本发明另一个方案中采用烧结材料制造的内燃机气门座是带有一个设置在座孔中的座环和一个在气门的配合面上设置的气门座圈的情况下，在气门配合面上设置的气门座圈无论如何必须由本发明烧结材料构成。这一优选的解决方案是基于这种认识，即如果在气门配合面上设置的气门座圈至少具有高导热性，气门的特殊热量就可以最好地导出。与此相反，如果在座孔中设置的座环的导热性高于在气门配合面上设置的气门座圈，气门只能少量散热。
按照本发明，上面所述的每一种烧结材料构成方案都可以用于制造气门座圈。一种优选的方案在于，在铜基材料中，金属合金元素组分由1-3%(重量)钴组成。
本发明还涉及一种用本发明烧结材料制造耐热和耐磨模制构件，特别是气门座圈的方法。其中，金属粉末与一种润滑剂混合，然后该混合物被压制成一种模制坯并在约1000℃下和保护气氛中进行烧结。如果在本发明的方案中形成一种硬化相，该方法在于，在作为基体粉末的金属粉末中除了润滑剂外，还要掺入高合金化的附加金属粉末作为硬化相，然后该混合物被压制成模制坯并在约1000℃下和保护气氛中进行烧结。
至于润滑剂，它是一种公知的挤压辅助剂。这种辅助剂添加到金属粉末或金属粉末混合物中，以改善可压制性，其含量为0.5-1%(重量)。在原有的烧结工序之前，该润滑剂在大约400℃的温度下可不留残余物地分解并排出。在烧结之后，该润滑剂在烧结材料中就不再存在了。这样，所加润滑剂的种类和数量就不会影响烧结材料的性能。作为润滑剂例如可以使用硬脂酸锌。
用本发明的方法可以形成这样的组织，其中，在一种高导热合金基体中嵌入大体上均匀分布的减少磨损的组织成分。采用粉末冶金法制造模制构件，特别是气门座圈，不仅显示提高构件耐磨性的可能性，而且还提供一种特别价廉生产的优点，因为以此方法可价廉而大量地制造座圈毛坯，以后毛坯不需要或者仅需要少量精加工。而压制工序可以用同轴压制技术实现，而且在必要时可将模制件在烧结之后进行精压。
使用本发明的气门座圈使气门具有所述的高导热性。其结果是，该气门不致过热。因此，在进气门的喉道中不会产生沉积，而在应用公知的气门座圈时，则必然出现沉积。那里的沉积是由于汽油-空气混合物在由于热滞留造成很热的气门头的喉道区过早和失控燃烧的结果。而应用本发明的气门座圈就可以避免这种带有不希望的沉积物的焦化作用。而且气门的温度也处在产生焦化作用所必需的最低温度以下。
本发明的其他特征和优点从下面不是限定本发明的实施例的描述和所涉及的附图中得出。附图表示
图1是本发明粉末冶金生产的颗粒-双相烧结材料组织示意图，图2是图1中的烧结材料放大125倍的实际显微组织图，图3是通过汽缸盖的局部剖面图，它示出一个带气门座圈的气门座，以及图4是通过汽缸盖的局部剖面图，它示出一个本发明的带气门座圈和座环的气门座。
在图1中所示的颗粒-双相烧结材料中，降低磨损的组织成分，即一种硬化相11基本上均匀分布地嵌入一种基体材料，即一种铜基材料12中。在这种情况下，该硬化相11最好有一种上述的成分。同时，硬化相11部分最多为30%(重量)，而相应的铜基材料12部分至少为70%(重量)。
图3示出一个内燃机汽缸盖22，一个位于其中的通道14。在通道14的下部区中有一个气门座孔15。在座孔15中仅设置一个气门座圈21，它由本发明的烧结材料制成。一个气门18以其在气门头19上制成的气门配合面20与气门座圈21隔一定距离地位于图示断开位置上。
图4示出一个通过内燃机汽缸盖22的局部剖面图。与图3实施例不同的是，在座孔15中设置一个座环16，它与一个气门圈17相连接。不仅座环16而且气门圈17都由本发明烧结材料制成。
本发明烧结材料的特性以及尤其它应用于气门座圈就可实现一种高负荷下的运行。这种应用例如可以出现在带有涡轮增压的柴油发动机的进气门上，或者也可以出现在采用无铅燃料的四冲程发动机排气门上。按照本发明的结构布置能够达到所需的气门工作寿命，而不用对气门头的配合面特殊进行表面耐磨堆焊。甚至减少气门座圈和对应的气门头的磨损。
权利要求
1.由一种基体金属粉末生产的用于制造耐热和耐机械应力的，特别是耐冲击和耐摩擦构件的烧结材料，其特征在于，基体金属粉末由一种约70-100%(重量)铜的铜组分和一种0-约30%(重量)合金组分构成，合金组分为钴和/或铬和/或铁和/或锰和/或镍和/或钨和/或碳。
2.按照权利要求1的烧结材料，其特征在于，铜组分为95-100%(重量)，合金组分为5-0%(重量)。
3.按照权利要求2的烧结材料，其特征在于，金属合金元素组分由1-3%(重量)钴组成。
4.按照权利要求1至3中之一的烧结材料，其特征在于，最大颗粒尺寸为约150μm，而中等颗粒尺寸为约45-60μm。
5.按照权利要求1至4中之一的烧结材料，其特征在于，在基体金属粉末中掺入一种高合金化附加金属粉末作为硬化相，并且该硬化相部分最多为30%(重量)。
6.按照权利要求5的烧结材料，其特征在于，硬化相成分(重量%)为铬24-28，镍21-25，钨10-14，碳1.5-2.0，其余为钴。
7.按照权利要求5的烧结材料，其特征在于，硬化相成分(重量%)为铬28-32，钨5-10，碳0.3-2.5，其余为钴。
8.按照权利要求6或7的烧结材料，其特征在于，基体金属粉末是一种非合金化的纯铜粉末。
9.按照权利要求5的烧结材料，其特征在于，硬化相成分(重量%)为铬23-27，镍8-12，锰8-12，碳0.4-0.6，其余为铁。
10.按照权利要求1至9中之一所述的烧结材料用于制造耐热和/或耐磨模制构件，该构件承爱高温气体或气体混合物，例如燃气。
11.按照权利要求10烧结材料用于制造密封，导引，支承和气门元件。
12.按照权利要求11烧结材料用于制造内燃机气门座，特别是内燃机气门座圈。
13.按照权利要求12烧结材料用于制造内燃机气门座，它具有一个在座孔中设置的座环和一个在气门配合面上设置的气门圈，而且至少用于制造气门圈。
14.用权利要求1至4中之一的烧结材料制造耐热和耐磨模制构件，特别是气门座圈的方法，其特征在于，基体金属粉末与润滑剂混合，然后该混合物被压制成模制坯并在大约1000℃下和保护气氛中进行烧结。
15.用权利要求5至9中之一的烧结材料制造的热和耐磨模制构件，特别是气门座圈的方法，其特征在于，基体粉末除润滑剂以外，还掺入高合金化附加金属粉末作为硬化相，该混合物被制成模制坯并在大约1000℃下和保护气氛中进行烧结。
16.按照权利要求14或15的方法，其特征在于，用同轴压制技术进行压制。
17.按照权利要求14至16中之一的方法，其特征在于，模制构件在烧结之后进精压。
全文摘要
目前粉末冶金制造的材料的耐热和耐机械应力，特别是耐冲击和耐摩擦都是不特别持久的。应当创立一种烧结材料，其耐久性显著优于那些公知烧结材料。因此本发明的任务在于创立一种适合于制造气门座圈的烧结材料及一种用该烧结材料制造耐热和耐磨模制构件，特别是气门座圈的方法。关于烧结材料任务是如此解决的，即作为铜基烧结材料基本上由一种基体粉末和一种合金组分构成，基体粉末的铜组分至少为约70-100％(重量)，而合金组分为0-约3％(重量)的钴和/或铬和/或铁和/或锰和/或镍和/或钨和/或碳。该烧结材料可以用于制造内燃机气门座，特别是内燃机气门座圈。
文档编号F01L3/22GK1042948SQ8910918
公开日1990年6月13日 申请日期1989年11月11日 优先权日1988年11月12日
发明者宾德·克伦特舍 申请人:克烈舍格金属烧结工厂股份有限公司