輕質活塞銷和制造輕質活塞銷的方法與流程

本公開涉及輕質活塞銷(lightweight piston pin)，以及制造該輕質活塞銷的方法。更具體地，本公開涉及具有改善的彈性的輕質活塞銷，以及其制造方法。

背景技術：

往復式發動機是構造成使用活塞以通過連桿將氣缸中產生的壓力傳輸至與該活塞相連的曲軸，從而提供驅動力的發動機。在多數類型中，通過連桿和曲軸將活塞的線性往復運動轉化為轉動運動。

在這方面，連桿具有可旋轉地連接到曲軸的曲柄銷的大端，以及通過活塞銷附接至活塞的小端。壓力一旦在往復式發動機的汽缸中生成，其施加于活塞上，從而被傳輸以旋轉曲軸。

在往復式發動機中，通常是圓柱桿的活塞銷穿過活塞銷座(piston boss)和連桿從而將活塞與連桿連接。活塞銷參與將活塞的運動傳輸至連桿，在傳輸過程中，當其彈性差時可能斷裂，且當其重量較重時，有造成產生的驅動力的較大損失的傾向。因此，高彈性、輕質的活塞銷對于改善耐用性和燃料效率是理想的。

通常，活塞銷是由已經經過諸如鍛造的熱處理的韌性鋼制成的。這種活塞銷會遭受高密度和彈性不足的問題。為解決該問題，開發了金屬粉末 注射成型(Metal powder Injection Molding)(MIM)，但是由MIM制造的活塞，雖然密度較低，但與傳統的活塞相比展現較低的強度和彈性。

因此，已經進行許多嘗試以將基礎金屬粉末以外的TiC粉末用于MIM。例如，可以用于MIM的材料在日本的傳統技術中公開。

在此專利中，所述工具鋼包含1.4～2.0wt％的碳、1.0wt％或更少的硅、1.0wt％或更少的錳、11.0～13.0wt％的鉻、0.3～2.3wt％的鈦、0.75wt％或更少的鎳和銅的組合、5.0wt％或更少的選自鉬、釩、鎢和它們的組合的增強元素。

該工具鋼具有以下優勢：碳化鈦抑制晶粒變粗；擴大燒結溫度范圍以增加產率；以及降低鈦的量以減少生產成本。

然而，該技術是針對工具鋼，而沒有提到對于處于極度振動下的活塞銷有用的彈性的增加。

技術實現要素：

因此，本公開是考慮到現有技術中發生的以上問題而作出的，并且本公開的一個目的是提供呈現低密度和高彈性性能的輕質活塞銷，以及其制造方法。

為了實現以上目的，本公開提供了制造輕質活塞銷的方法，包括以下步驟：制備基礎金屬粉末、TiC粉末和粘結劑的混合物，基礎金屬粉末包含鉻、碳和鐵；將該混合物金屬粉末注射成型(MIM)為活塞銷形狀以形成成型體；將成型體脫脂(degreasing)以從混合物中除去粘結劑；燒結失去粘結劑的成型體以形成燒結混合物；形成由在燒結混合物中圍繞TiC粉末的碳化鉻組成的中間層；并且將燒結混合物的基體結構(matrix structure)轉化為馬氏體結構。

在一種實施方式中，通過將燒結步驟的燒結混合物維持在1000～1050℃下2～4小時以在TiC粉末周圍沉積碳化鉻，并且然后爐冷(furnace cooling)該燒結混合物來進行中間層形成步驟。

在另一種實施方式中，該制備步驟是通過將具有1～10μm的粒徑的基礎金屬粉末、具有0.5～5μm粒徑的TiC粉末、和液體粘結劑混合來進行的。

在另一種實施方式中，該制備步驟通過將含有基礎金屬粉末：TiC粉末的重量比為78～82％:18～22％的混合物與粘結劑混并來制備，該基礎金屬粉末包含，按重量計：C：1.4～1.6％，Si：0.4％或更少(0％除外)，Mn：0.6％或更少(0％除外)，P：0.03％或更少(0％除外)，S：0.03％或更少(0％除外)，Cr：11～13％，Mo：0.8～1.2％，V：0.2～0.5％，余量的Fe以形成100％，以及不可避免的雜質。

在另一種實施方式中，成型步驟是在180～205℃下進行的。

在另一種實施方式中，脫脂步驟在120℃下進行7小時或更久。

在另一種實施方式中，燒結步驟在真空中、在1200～1250℃下進行20小時或更久。

在另一種實施方式中，馬氏體轉化步驟是通過在950～1050℃下加熱，在300℃或更低下空氣冷卻以產生馬氏體結構，并且然后在500～600℃下回火來進行的。

根據另一方面，本公開提供了輕質活塞銷，其通過金屬粉末注射成型(MIM)包含鉻、碳和鐵的基礎金屬粉末，和TiC粉末的混合物制造，其中該活塞銷具有馬氏體結構，由碳化鉻圍繞的TiC分散在其中。

在一種實施方式中，基礎金屬粉末包含，按重量計：C：1.4～1.6％，Si：0.4％或更少(0％除外)，Mn：0.6％或更少(0％除外)，P：0.03％或更 少(0％除外)，S：0.03％或更少(0％除外)，Cr：11～13％，Mo：0.8～1.2％，V：0.2～0.5％，余量的Fe以形成100％，以及不可避免的雜質。

在另一種實施方式中，混合物是通過將含有基礎金屬粉末：TiC粉末的重量比為78～82％:18～22％的混合物與粘結劑混并而制備的。

附圖說明

由下面結合附圖進行的詳細描述，本公開的以上和其他目的、特征和優點將會更加清楚地理解，其中：

圖1是根據本公開的一種實施方式的活塞銷的基體結構的圖像，其中由碳化鉻圍繞的TiC分散在馬氏體基體中。

圖2A示出了根據本公開的一種實施方式的沒有再加熱的活塞銷的鋼基體結構的圖像(燒結后沒有再加熱)；

圖2B示出了根據本公開的一種實施方式的再加熱2小時的活塞銷的鋼基體結構的圖像(燒結后再加熱2h)；

圖2C示出了根據本公開的一種實施方式的再加熱4小時的活塞銷的鋼基體結構的圖像(燒結后再加熱4h)；

圖3A示出了鋼的基體結構的圖像，其中基礎金屬粉末和TiC粉末的粒徑在基準程度之內，其中TiC在燒結時是均勻分布的(基礎金屬粉末1～10μm，TiC粉末0.5～5μm)；

圖3B示出了鋼的基體結構的圖像，其中基礎金屬粉末和TiC粉末的粒徑超出基準程度，其中TiC在燒結時局部聚結(aggregate)(基體金屬粉末大于10μm；TiC粉末大于5μm)；

圖4A示出了比較例1中制備的活塞銷的抗壓測試的結果圖像；

圖4B示出了實施例1中制備的活塞銷的抗壓測試的結果圖像；

圖4C示出了實施例2中制備的活塞銷的抗壓測試的結果圖像；

圖4D示出了比較例2中制備的活塞銷的抗壓測試的結果圖像；

圖5A示出了比較例1中制備的活塞銷在抗壓測試中的應力-應變曲線；

圖5B示出了實施例1中制備的活塞銷在抗壓測試中的應力-應變曲線；

圖5C示出了實施例2中制備的活塞銷在抗壓測試中的應力-應變曲線；并且

圖5D示出了比較例2中制備的活塞銷在抗壓測試中的應力-應變曲線。

附圖標號：

100:TiC

200:碳化鉻

300:聚集區域

400:銷斷裂。

具體實施方式

本文中使用的術語僅為了描述特定實施方式的目的，而不旨在限制本公開的示例性實施方式。除非上下文另外明確地指示，如本文使用的，除非上下文另外明確指明，單數形式“一個”、“一種”和“該”旨在也包括復數形式。如本文使用的，術語“和/或”以及“至少一個”包括相關列出項目中的一個或多個的任何和所有組合。還應當理解，當本文中使用術語“包含”、“含有”和/或“包括”時，指示存在所述的特征、整體、步驟、操作、元件及/或部件，但并不排除存在或附加一個或多個其它特征、整體、步驟、操作、元件、部件及/或其組合。

除非另外有定義，本文使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)與示例性實施方式所屬領域的普通技術人員通常所理解的具有同樣的含義。此外應當進一步理解的是，例如，在通常使用的詞典中定義的那些術語的術語應被解釋為具有與它們在相關領域的上下文中的含義一致的含義，并且不得以理想化或者過度形式化的意義進行解釋，除非明確規定如此定義。

下文將結合附圖給出根據本公開的實施方式的輕質活塞銷的制造的描述。除非另外指定，否則術語“％”是指重量％。

根據其一個方面，本公開涉及制造輕質活塞銷的方法。

本公開的輕質活塞銷是通過基本由鉻、碳、和鐵組成的基礎金屬粉末以及TiC粉末的混合物制備的。基礎金屬粉末必須在經受燒結和熱處理工藝后形成馬氏體。基礎金屬粉末的組成優選地遵循SKD11鋼的組成，但不限于此。

SKD11鋼具有以下組分：C：1.4～1.6％，Si：0.4％或更少(0％除外)，Mn：0.6％或更少(0％除外)，P：0.03％或更少(0％除外)，S：0.03％或 更少(0％除外)，Cr：11～13％，Mo：0.8～1.2％，V：0.2～0.5％，Fe：余量，以及不可避免的雜質。SKD11鋼可加工性不佳，展現優異的耐磨性。本文中引入了MIM以克服這種低可加工性并實現該鋼的加工。

此外，可以使用粘結劑以為混合物提供可塑性和流動性。對粘結劑的種類和量沒有給予具體限制。可以考慮到可塑性和流動性，對粘結劑的種類和量做出選擇。然而，考慮到金屬粉末的性能，液體有機粘結劑是優選的。

如將在隨后詳細描述的，優選基礎金屬粉末和TiC粉末的尺寸分別在1至10μm和0.5至5μm范圍內，且其之間的重量比在18～22％:78～82％范圍內。

一旦將粘結劑混合至基礎金屬粉末和TiC粉末的混合物中，使得到的混合料經受金屬粉末注射成型(MIM)為活塞銷。在這方面，將混合料成型為比想要獲得的真實活塞更大的尺寸，因為成型體將隨著粘結劑的消除而收縮。

此后，進行以下步驟以完成活塞銷：脫脂成型的混合物以除去粘結劑，燒結失去粘結劑的混合物，形成圍繞TiC粉末的碳化鉻的中間層，以及將基體轉化為馬氏體基體。

成型步驟、脫脂步驟，以及燒結步驟可以根據MIM工藝進行。優選地，成型步驟可以在180～205℃下進行，脫脂步驟在120℃下進行7小時或更久，并且燒結步驟在1200～1250℃下在真空中進行20小時或更久。中間層形成步驟可以在燒結步驟后立即進行。當燒結設備不同于熱處理設備時，在隨后的步驟之前將燒結混合物冷卻至600℃。

由于高硬度，TiC傾向于脆性斷裂。因此，可以使TiC通過被相對高韌性的馬氏體圍繞而具有高彈性和適當的韌性。然而，當直接分布在馬氏 體結構中時，TiC可以脫離馬氏體結構。脫離馬氏體結構的TiC可能經受脆性斷裂。因此，TiC優選地被碳化鉻圍繞，從而TiC可以穩定地熔合入馬氏體。

圖2A是在燒結步驟完成之后而沒有再加熱，已經立即進行馬氏體轉化鋼基體結構圖像。如所示的，當TiC(黑色)、碳化鉻(暗灰色)，和馬氏體(淺灰色)分開形成時，TiC從馬氏體基體中脫離。

相反地，圖1、2B和2C示出了，其中TiC(黑色)被碳化鉻(灰色)所圍繞的鋼形態。像這樣，當TiC分布在馬氏體基體中，同時被碳化鉻圍繞時，TiC會改善鋼的彈性并且防止了產生脆性斷裂。

為了構造該結構，在燒結步驟后，進行通過在預定的溫度下加熱燒結混合物形成中間層的步驟。

該中間層形成步驟是通過將燒結混合物維持在1000～1050℃下2～4小時，以將碳化鉻在TiC周圍粉末沉積，隨后通過爐冷至600℃或更低以穩定該相來進行的。爐冷，特征在于低冷卻速率，允許沒有突然相變的穩定相。此外，在爐冷之后可以采用粗加工。

在中間層形成步驟中，當加熱時間小于2小時時，碳化鉻沉積不足從而不能充分包圍TiC。另一方面，超過4小時的加熱時間延長了工作時間并增加能量消耗，以及使得TiC顆粒變粗。

在中間層形成步驟之后，進行馬氏體轉化步驟，其中將燒結混合物在950～1050℃下加熱并且然后空氣冷卻至300℃或更低，以將基體結構轉化為馬氏體結構。此后，在500～600℃下進行回火以減少過多的剛性并提供韌性。

實施例

在下面的實施例中，制備各種活塞銷并測量物理性能。

圖4A至5D示出了實施例1和2以及比較例1和2。

比較例1是傳統的鋼批量產品，由碳化的SCM415制成，具有4.25mm的厚度(Φ18×9.5×42)和56.9g的重量。

比較例2是由Fe-25％TiC在220℃的回火溫度下制成的鋼產品，具有2.5mm的厚度(Φ18×13×42)和33.2g的重量。

實施例1是由Fe-20％TiC在220℃的回火溫度下制成的鋼產品，具有4.25mm的厚度(Φ18×9.5×42)和50.7g的重量。

實施例2是由Fe-20％TiC在550℃的回火溫度下制成的鋼產品，具有3.5mm的厚度(Φ18×11×42)和46.3g的重量。

在與連桿結合后，使活塞銷經受抗壓測試。如圖4A至4D中所示，觀察到比較例1以及實施例1和2的活塞銷，直至連桿應變(strain)(80KN或更高)，既沒有經受變形也沒有斷裂。因此，根據本公開制備的活塞銷展現相當于傳統批量產品的物理性能，但是比傳統的批量產品輕。

相反地，比較例2的活塞銷，雖然由于TiC含量超過本公開限定的上限而輕得多，但會經受脆性斷裂。如上所述，脆性斷裂更有可能發生在高硬度的高含量TiC上。

圖5A至5D示出了實施例1和2以及比較例1和2的活塞銷在抗壓測試中的應力-應變曲線。如在圖5A至5D中可以看出的，比較例1以及實施例1和2的活塞銷在82KN下開始應變，其不歸因于活塞銷，而歸因于連桿。換言之，活塞銷附接的連桿在活塞銷斷裂之前變形。比較例2的活塞銷在70KN開始應變并最終斷裂。

當以100％的基礎金屬粉末和TiC粉末的混合物為基準，使用TiC的量為18％時，活塞銷具有高密度，具有的減重效果可以忽略，其可能不會帶來燃料效率的改善。在大于22％的TiC含量下，TiC粉末量過大而在基體內分布不均勻。當TiC不是均勻分布，而是局部聚結時，活塞銷可能經受脆性斷裂，并顯示差的可加工性。因此，基礎金屬粉末和TiC粉末的混合物優選具有18～22％的TiC含量。此外，當基礎金屬粉末和TiC粉末的粒徑大于預定的標準時，TiC分布不均勻，而是聚結的。TiC的聚結在圖3B中示出。

在圖3A中，當基礎金屬粉末和TiC粉末的粒徑分別在1至10μm和0.5至5μm的范圍內時，TiC在馬氏體基體中是均勻分布的。

另一方面，當基礎金屬粉末和TiC粉末分別具有大于10μm和5μm的粒徑時，TiC可能會局部聚集，如圖3B中所示。TiC的聚結導致脆性增加和可加工性下降。然而，較小的粒徑需要更大量的工作時間和能量。因此，基礎金屬粉末和TiC粉末優選分別具有1～10μm和0.5～5μm的粒徑。

所以，活塞銷的金屬結構中的TiC顆粒在0.24～0.26的泊松比下展現最優選的性能。在小于0.24的泊松比下，TiC顆粒具有長棒狀和增加的韌性。大于0.26的泊松比會導致TiC的聚結，從而增加活塞銷的脆性。

本公開的另一方面涉及通過金屬粉末注射成型(MIM)包含鉻、碳和鐵的基礎金屬粉末，和TiC粉末的混合物制造的輕質活塞銷，其中該活塞銷具有馬氏體結構，由碳化鉻圍繞的TiC粉末分散在其中。

活塞銷的單獨組分如上所述。

如目前為止描述的，根據本公開的輕質活塞銷和制備該輕質活塞銷的方法呈現以下的效果：

首先，該活塞銷具有低密度并且輕，因而有利于增加燃料效率。

其次，該活塞銷由于其改善的彈性，具有增加的壽命。

最后，盡管其體積較小，該活塞銷展現相當于傳統活塞銷的性能。

雖然出于說明性的目的披露了本發明的優選實施方式，然而，本領域中的技術人員將認識到在沒有背離所附權利要求中所公開的本發明的范圍和精神的前提下可以進行各種改變、添加以及替換。