一種組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于汽車發(fā)動機等內燃機用凸輪軸【技術領域】的一種組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料及制備方法。凸輪材料合金成分范圍為：C1.5-3%，Cr3-7%，Mo0.5-1.5%，P0.3-0.6%，Cu1-3%，Si0.05-1.5%，Mn0.05-1.5%，Ti0.01-1.5%，余量為Fe。將粉末壓制成凸輪片，芯軸采用無縫鋼管，凸輪片與無縫鋼管之間為間隙配合，凸輪片與鋼管裝配后經燒結處理即可。本發(fā)明中的凸輪生坯直接與鋼管裝配燒結。在燒結過程中，粉末材料收縮、致密化的同時與鋼管形成冶金結合，結合強度高、性能可靠。所得凸輪扭矩高、應力小、質量輕、耐磨性好等優(yōu)點。
【專利說明】一種組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料及制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于汽車發(fā)動機等內燃機用凸輪軸新的生產工藝【技術領域】，特別涉及一種組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]近年來，為了節(jié)約能源及減少污染，汽車減重顯得愈加重要。每為汽車減重10%，就可降低油耗8%，不僅節(jié)約燃油還降低了尾氣的排放量。為了解決傳統(tǒng)凸輪軸重量大、材料利用率低、加工成本高等問題，新型凸輪軸的設計理念必須是少加工、質量小、結構緊湊。同時軸的各個部分必須滿足不同的性能要求。凸輪片要有較高的耐磨性、耐膠著及點蝕，軸頸的滑動摩擦系數小，芯軸則要抗彎曲、抗剪切強度好。傳統(tǒng)的鑄造凸輪軸很難同時滿足這些性能要求，且需要大量的機加工才能最終成形，成本高、浪費原材料。最主要的是很難在減輕重量方面有所突破。所以各國的汽車工業(yè)已開始研制并使用新型的組合式中空凸輪軸，簡稱組合式凸輪軸。各種類型的組合裝配方式正不斷的被人們發(fā)明研制出來，所有這些組合裝配方式的根本原則都是減輕重量、滿足性能要求。
[0003]組合式凸輪軸發(fā)展到今天，常用連接方法可以分為三大類:焊接法，機械法(主要包括過盈裝配、機械擴管法、滾花裝配法)，組合燒結法。
[0004]焊接法在焊接時會產生很多的熱量，使得焊接區(qū)瞬間高溫材料會發(fā)生變形，影響被焊零件尺寸的穩(wěn)定性，焊接區(qū)激烈的熱變化也容易產生裂紋，焊接效果難以保證，且外觀需要進一步整形；擴管法凸輪與鋼管為間隙配合，利用液壓或機械擴管，為了利于軸體的塑性變形要求管壁比較薄，凸輪承受張應力熱套連接時，凸輪在工作時產生的熱量通過金屬基體發(fā)生熱傳遞，這些熱量傳遞到凸輪與軸體結合的部位會使過盈量發(fā)生改變，連接強度穩(wěn)定性下降。
[0005]美國路虎MG-F汽車的可變閥控制(VVC)發(fā)動機其凸輪軸就是采用的組合燒結技術，軸體用的是冷拔鋼管，凸輪采用的是赫格納斯的Astaloy E粉(Fe-5Cr-2Cu-2.5C-lS1-lMo_0.5P)經液相燒結在鋼管上，其它燒結件用的是Fe-Cu-C系粉末，先燒結再使用釬焊方法與軸體連接。
[0006]CN 1858288A公開了一項關于P/Μ中空凸輪軸凸輪制備及熱處理方法的專利，其凸輪成分為:C0.4-0.6%, Crl.0-1.5%, Ni 1.5-2.0%，Mo0.6-1.0%，Cu2_2.5%，其余為 Fe。凸輪制備采用壓制燒結法和粉末鍛造法，壓制燒結法制備的凸輪還要采取兩種表面強化處理:高頻淬火和寬帶激光表面淬火；粉末鍛造法在鍛造后采用油淬和低溫回火的熱處理工藝，凸輪與鋼管采用機械法連接。此項技術存在一定的不足，碳含量較低，不利于凸輪硬度及耐磨性的提高，使得必須采用表面強化處理或是熱處理工藝來提高硬度，增加了制造成本，同時也使得生產周期延長。另外，凸輪與鋼管采用機械法連接，穩(wěn)定性不高，而且粉末鍛造工藝復雜，設備投資較大。CN 101368250A公開了一項稀土添加高碳含量凸輪材料及粉末冶凸輪軸生產工藝的專利，凸輪材料成分為C 1.5-2%，Cr 7.5-10%, Ni 1.5-2%, Mo 0.75-1%,P 0.45-0.6%，氟化稀土 1.75-2%，余量為Fe。凸輪經壓制成型后，將壓坯先在950°C下預燒結30min，然后凸輪、軸頸與鋼管裝配后在1140°C燒結，保溫60min。此項技術雖然也是通過液相燒結實現鋼管與凸輪的冶金結合，但是凸輪片在壓制后需要預燒，增加了能耗和成本、延長了生產周期。
[0007]組合燒結技術在我國還剛剛起步，技術不夠成熟，還未能大量進入市場，主要依靠進口。目前國內許多發(fā)動機制造廠家迫切需要國內自行研發(fā)的組合式凸輪軸來替代進口，節(jié)省資金。因此，此項技術具有十分廣闊的市場和良好的應用技術。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)鑄造凸輪軸的缺點，改進其它粉末冶金凸輪軸的凸輪材料及凸輪與芯軸的裝配連接方式，減少工藝流程，降低能耗。同時通過所添加的合金成分提高粉末冶金凸輪的耐磨性及凸輪軸的使用穩(wěn)定性。提供一種組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料及一種高效的組合式中空凸輪軸的生產方法。
[0009]本發(fā)明提供一種組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料，該凸輪材料合金成分范圍為:C 1.5-3%, Cr 3-7%, Mo 0.5-1.5%, P 0.3-0.6%, Cu 1-3%, Si 0.05-1.5%，Mn 0.05-1.5%,Ti 0.01-1.5%，余量為 Fe。
[0010]本發(fā)明涉及的組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料的制備方法是:
[0011](I)組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料合金成分范圍為:C 1.5-3%，Cr 3-7%,Mo 0.5-1.5%, P 0.3-0.6%, Cu 1-3%, Si 0.05-1.5%, Mn 0.05-1.5%, Ti 0.01-1.5%，余量為Fe，根據上述組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料合金成分稱取原料粉末，其中:C以石墨的形式加入，Cu采用電解銅粉或FeCu合金形式加入，Cr以含量為20-70%的高碳鉻鐵或低碳鉻鐵或以純Cr粉加入，Mo以含量為20-70%的鑰鐵加入，P以含量為10-40%的磷鐵加入，Si以含量為30-80%的硅鐵加入，Mn以含量為35-85%的錳鐵或純錳粉加入，S1、Mn還可用硅錳合金的形式加入，Ti以含量為20-60%的鈦鐵或純鈦粉加入，Fe采用霧化鐵粉；
[0012](2)然后采取以下三種工藝中的一種處理各原料粉末:混合法、擴散法和霧化法，其中；
[0013]混合法:將各原料粉末按比例混合,混料時間45_120min，混料的同時加入質量分數為0.4-1.2%的硬脂酸鋅作為潤滑劑，混料時可加入研磨球，混合法所得粉末用于壓制凸輪片；
[0014]擴散法:將除石墨外的各原料粉末按比例混合后，先混料30_90min，然后在還原氣氛、600-900°C溫度下擴散燒結30-90min，最后破碎篩分；
[0015]霧化法:將除石墨外的各原料粉末熔煉成合金液體，采用高壓水或氮氣氣流擊碎熔融液態(tài)合金制成粉末；
[0016]擴散法和霧化法制備的粉末再添加石墨后混料，并在混料的同時加入質量分數為0.4-1.2%的硬脂酸鋅作為潤滑劑，所得的粉末用于壓制凸輪片；
[0017](3)在450_600MPa的壓力下采用浮動陰模壓制方法將步驟(2)所得粉末壓制成凸輪片，芯軸采用無縫鋼管，凸輪片與無縫鋼管之間為間隙配合，凸輪片與鋼管裝配后經燒結處理即可。
[0018]上述方法中，燒結溫度為1080-1250°C，燒結時間為20min-120min。
[0019]上述方法中，所使用的各種粉末粒度特征為:石墨粒度為-200目或更細，電解銅粉粒度為-200目或更細，高碳鉻鐵粉、低碳鉻鐵粉、鑰鐵粉等為< 25 μ m超細粉，霧化鐵粉粒度為-100目或更細，其它原料粉末< 44 μ m。
[0020]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:(1)相較于傳統(tǒng)的鑄造方法，粉末冶金是一項集材料制備與零件成形于一體的先進制造技術。粉末冶金可制造凈成形的機械零件，可以減少切削加工量節(jié)約材料，具有材料利用率高、生產成本低，綜合性能好等優(yōu)點；(2)本發(fā)明中的凸輪生坯直接與鋼管裝配燒結。在燒結過程中，粉末材料收縮、致密化的同時與鋼管形成冶金結合，結合強度高、性能可靠。(3)本發(fā)明中石墨的添加量為1.5-3%，燒結之后的凸輪硬度HRC40-65。(4)將錳、硅、鈦作為合金元素同時添加鐵基粉末材料中，可得到良好的強化效果和燒結尺寸穩(wěn)定性。鈦的加入可提高燒結體的燒結性能。鈦的加入降低元素在基體中的擴散活化能提高元素在基體中的擴散速度，有效地促進了鋼管與凸輪界面處的元素更好、更快地擴散，使得界面結合處的性能更好。通過扭轉實驗，進行鋼管與凸輪連接強度的校核，扭矩值> 1000 N*m0所得凸輪扭矩高、應力小、質量輕、耐磨性好等優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為凸輪片與鋼管組合燒結界面的顯微形貌(各圖左側為鋼管，右側為粉末冶金材料)。 【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖及所施實例進一步說明本發(fā)明的具體內容.[0023]實施例1:
[0024]一種組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料，該凸輪材料合金成分為C 1.5%，Cr5%, Mo 1%, P 0.6%, Cu 2%, Si 1.5%, Mn 1%, Ti 1.5%，余量為 Fe。
[0025]上述組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料的制備方法:
[0026](1)根據上述組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料合金成分稱取原料粉末，其中:C以石墨的形式加入，Cu采用電解銅粉，Cr以純Cr粉加入，Mo以鑰鐵加入，P以磷鐵加入，Si以硅鐵加入，Mn以錳鐵加入，Ti以鈦鐵加入，Fe采用霧化鐵粉。所使用的各種粉末粒度特征為:石墨粒度為-200目或更細，電解銅粉粒度為-200目或更細,鑰鐵粉為< 25μηι超細粉，霧化鐵粉粒度為-100目或更細，其它原料粉末< 44 μ m。
[0027](2)采用混合法，將各原料粉末按比例混合，混料時間lOOmin，混料的同時加入質量分數為1%的硬脂酸鋅作為潤滑劑，混合法所得粉末用于壓制凸輪片；
[0028](3)在500MPa的壓力下采用浮動陰模壓制方法將步驟(2)所得粉末壓制成凸輪片，芯軸采用無縫鋼管，凸輪片與無縫鋼管之間為間隙配合，凸輪片與鋼管裝配后經燒結處理。其中，燒結溫度為1110°C，燒結時間為llOmin。得到所述合金成分的凸輪材料。
[0029]檢測所得凸輪片的性能。檢測結果為:密度7.375g/cm3、硬度HRC 50、扭矩值為1023 N.m。燒結后凸輪與鋼管界面處的顯微組織如圖1所示，由圖1可見，燒結體的組織是典型的液相燒結組織。白色區(qū)域為燒結溫度下的共晶液相冷凝組織，黑灰色的為固相顆粒。界面結合處的組織呈現不很光滑的鋸齒狀，說明了元素的互相遷移在兩異種材料之間發(fā)生。同時還可以看到跨越界面的晶粒，證明了在燒結過程中，燒結體與鋼二者中的某些元素發(fā)生了擴散使得結合界面發(fā)生了遷移，兩者之間形成了冶金結合。[0030]實施例2:
[0031]通過扭轉實驗，進行鋼管與凸輪連接強度的校核，將無添加Ti的樣品(其它合金成分點如例I所列)和添加鈦的樣品扭矩值進行對比，添加1.5%Ti制造的凸輪，其扭矩值可達1023 N.πι，無添加Ti的樣品扭矩值有912 N*m0鈦的加入降低元素在基體中的擴散活化能提高元素在基體中的擴散速度，有效地促進鋼管與凸輪界面處的元素更好、更快地擴散，使得界面結合處的性能更好。
[0032]實施例3:
[0033]一種組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料，該凸輪材料合金成分為C 2.5%，Cr
4.5%, Mo 1%, P 0.6%，Cu 2%, Si 1%, Mn 0.3%, Ti 1.0%，余量為 Fe。
[0034]上述組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料的制備方法:
[0035](I)根據上述組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料合金成分稱取原料粉末，其中:C以石墨的形式加入，Cu以FeCu合金形式加入，Cr以含量為70%的高碳鉻鐵加入，Mo以鑰鐵加入，P以磷鐵加入，Si以硅鐵加入，Mn以錳鐵加入，Ti以純鈦粉加入，Fe采用霧化鐵粉。所使用的各種粉末粒度特征為:石墨粒度為-200目或更細，高碳鉻鐵粉、鑰鐵粉等為< 25 μ m的超細粉，霧化鐵粉粒度為-100目或更細，其它原料粉末< 44 μ m。
[0036]( 2)采用擴散法處理原料粉末，將除石墨外的各原料粉末按比例混合后，先混料60min,然后在還原氣氛、900°C溫度下擴散燒結60min,最后破碎篩分；再添加石墨后混料，并在混料的同時加入質量分數為1.2%的硬脂酸鋅作為潤滑劑，所得的粉末用于壓制凸輪片;
[0037](3)在500MPa的壓力下采用浮動陰模壓制方法將步驟(2)所得粉末壓制成凸輪片，芯軸采用無縫鋼管，凸輪片與無縫鋼管之間為間隙配合，凸輪片與鋼管裝配后經燒結處理。其中，燒結溫度為1150°C，燒結時間為90min。得到所述合金成分的凸輪材料。
[0038]檢測所得凸輪片的性能。檢測結果為:密度7.465g/cm3、硬度HRC 56、扭矩值為944N.m0
[0039]實施例4:
[0040]一種組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料，該凸輪合金成分為C 3%，Cr 6%，Mo
0.9%, P 0.45%, Cu 3%, Si 0.9%, Mn 0.25%, Ti 0.01%，余量為 Fe。
[0041]上述組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料的制備方法:
[0042](I)根據上述組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料合金成分稱取原料粉末，其中:采用霧化法處理原料粉末，其中:C以石墨的形式加入，Cu采用電解銅粉，Cr以純Cr粉加入，Mo以鑰鐵加入，P以磷鐵加入，Si以硅鐵加入，Mn以錳鐵加入，Ti以純鈦粉加入，Fe采用霧化鐵粉。所使用的各種粉末粒度特征為:石墨粒度為-200目或更細，電解銅粉粒度為-200目或更細，鑰鐵粉為< 25μπι超細粉，霧化鐵粉粒度為-100目或更細，其它原料粉末 < 44 μ m。
[0043](2)采用霧化法處理原料粉末，將除石墨外的各原料粉末熔煉成合金液體，采用高壓水或氮氣氣流擊碎熔融液態(tài)合金制成粉末；再添加石墨后混料，并在混料的同時加入質量分數為0.4%的硬脂酸鋅作為潤滑劑，所得的粉末用于壓制凸輪片；
[0044](3)在450MPa的壓力下采用浮動陰模壓制方法將步驟(2)所得粉末壓制成凸輪片，芯軸采用無縫鋼管，凸輪片與無縫鋼管之間為間隙配合，凸輪片與鋼管裝配后經燒結處理。其中，燒結溫度為1080°C，燒結時間為120min。得到所述合金成分的凸輪材料。
[0045]檢測所得凸輪片的性能。檢測結果為:密度7.575g/cm3、硬度HRC 65、扭矩值為828N.m。
[0046]采用混合法、擴散法或是霧化法所制備的凸輪材料在燒結后密度均可到達
7.35-7.6g/cm3,硬度為 HRC40-65。
[ 0047]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料，其特征在于:該凸輪材料合金成分范圍為:C 1.5-3%, Cr 3-7%, Mo 0.5-1.5%, P 0.3-0.6%, Cu 1-3%, Si 0.05-1.5%，Mn 0.05-1.5%,Ti 0.01-1.5%，余量為 Fe。
2.—種組合式粉末冶金中空 凸輪軸凸輪材料的制備方法,其特征在于該方法如下: (1)組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料合金成分范圍為:C1.5-3%，Cr 3-7%，Mo0.5-1.5%，P 0.3-0.6%, Cu 1-3%, Si 0.05-1.5%，Mn 0.05-1.5%, Ti 0.01-1.5%，余量為 Fe，根據上述組合式粉末冶金中空凸輪軸凸輪材料合金成分稱取原料粉末，其中:C以石墨的形式加入，Cu以電解銅粉或FeCu合金形式加入，Cr以含量為20-70%的高碳鉻鐵或低碳鉻鐵或以純Cr粉加入，Mo以含量為20-70%的鑰鐵加入，P以含量為10-40%的磷鐵加入，Si以含量為30-80%的硅鐵或者硅錳合金的形式加入，Mn以含量為35-85%的錳鐵、純錳粉或硅錳合金的形式加入，Ti以含量為20-60%的鈦鐵或純鈦粉加入，Fe采用霧化鐵粉； (2)然后采取以下三種工藝中的一種處理各原料粉末:混合法、擴散法和霧化法，其中； 混合法:將各原料粉末按比例混合，混料時間45-120min，混料的同時加入質量分數為0.4-1.2%的硬脂酸鋅作為潤滑劑，混合法所得粉末用于壓制凸輪片； 擴散法:將除石墨外的各原料粉末按比例混合后，先混料30-90min，然后在還原氣氛、600-900°C溫度下擴散燒結30-90min，最后破碎篩分； 霧化法:將除石墨外的各原料粉末熔煉成合金液體，采用高壓水或氮氣氣流擊碎熔融液態(tài)合金制成粉末； 擴散法和霧化法制備的粉末再添加石墨后混料，并在混料的同時加入質量分數為0.4-1.2%的硬脂酸鋅作為潤滑劑，所得的粉末用于壓制凸輪片； (3)在450-600MPa的壓力下采用浮動陰模壓制方法將步驟(2)所得粉末壓制成凸輪片，芯軸采用無縫鋼管，凸輪片與無縫鋼管之間為間隙配合，凸輪片與鋼管裝配后經燒結處理即得所述合金成分的凸輪材料。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于:燒結溫度為1080-1250°C，燒結時間為20min-120mino
4.根據權利要求2所述的方法，其特征在于:所使用的各種粉末粒度特征為:石墨粒度為-200目或更細，電解銅粉粒度為-200目或更細，高碳鉻鐵粉、低碳鉻鐵粉、鑰鐵粉為< 25 μ m超細粉，霧化鐵粉粒度為-100目或更細，其它原料粉末< 44 μ m。
【文檔編號】C22C33/02GK103898416SQ201210581640
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月27日 優(yōu)先權日:2012年12月27日
【發(fā)明者】陳鵬, 王林山, 梁雪冰, 董小江, 穆艷茹, 汪禮敏, 王磊 申請人:北京有色金屬研究總院, 有研粉末新材料（北京）有限公司, 北京恒源天橋粉末冶金有限公司