CN105618761A

CN105618761A - 适于烧结接合的烧结体

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Publication number: CN105618761A
Application number: CN201410634986.8A
Authority: CN
Inventors: 金容均; 朴隆商; 宋俊浩; 金永浩; 朴天孝
Original assignee: Co Ltd Auspicious Enter Camshaft
Current assignee: Co Ltd Auspicious Enter Camshaft
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2016-06-01

Abstract

本发明提供了一种适于烧结接合的烧结体，更具体地，本发明提供了在烧结期间具有优异可操作性和可接合性的烧结体。出于该目的，通过烧结体来实现上述目的，该烧结体包括：重量百分比1.9-3.0％的C、0.2-1.0％的Cr、0.2-0.9％的P、0.3-1.1％的Si，余下是的Fe和不可避免的杂质，该烧结体具有如下微观结构：其中碳化物(包括少量的Cr碳化物)、磷化铁(Fe-C-P)和类似物均匀地分布在珠光体基体中。

Description

适于烧结接合的烧结体

技术领域

本发明涉及一种具有优异可操作性的烧结体，当烧结体与凸轮凸角一起形成组装的凸轮轴时，烧结体用作传感器件、推力件、轴颈件以及八边形件，并且本发明涉及一种以即使在使凸轮凸角和轴接合的烧结温度时也具有高烧结稳定性为基础而形成良好接合的烧结体。

背景技术

一般而言，在凸轮轴中，以预定的间隔在具有预定长度和厚度的轴的外部周边提供多个凸轮凸角、传感器件、推力件、轴颈件、八边形件以及类似部件。当凸轮轴旋转时，引擎被驱动。

一种制造凸轮轴的方法包括整合方法以及中空预制方法，在整合方法中，合金铸铁被铸造，并且轴和凸轮凸角整体地形成，在中空预制方法中，凸轮凸角分离地组装到由新近开发的抽管制成的中空轴。与通过传统方法制造的整合凸轮轴相比，中空预制方法能够降低其重量，并且与轻量化引擎部件的趋势吻合。因此，利用预制方法的凸轮轴是优选的。

与整合凸轮轴相比，中空组装凸轮轴可以明显地降低其重量，并且可以组装各种组装件，例如凸轮凸角、传感器件、推力件、轴颈件和八边形件，根据各自的功能和需要，这些部件由不同材料制成。因此，中空组装凸轮轴用于较小和较轻的车辆中。

具体地，在组装凸轮轴中，通过烧结和热处理工艺制造的凸轮轴使用最适于提升诸如轻量化、成本减少和耐磨性的特性的制造方法。日本专利申请早期公开文本No.3(1991)-60901公开了一种用于烧结凸轮轴的凸轮凸角，该凸轮凸角具有高硬度和高密度。根据该公开文本，由于凸轮凸角20的材料，与对应部材料的滑动和滚动同时发生的元件需要针对高表面压力的耐久性、抗擦伤性以及抗孔蚀性。因此，应该使用具有优异耐磨性的烧结合金。

此外，如图1所示，凸轮轴包括诸如传感器件30、推力件40、轴颈件和八边形件50的烧结体以及凸轮凸角20。此外，烧结体被制造成使得合金材料粉末利用与凸轮凸角20相同的方法被压缩和模制，被组装在轴10上，并且经由烧结工艺通过烧结接合而接合到轴10。凸轮凸角20根据引擎特性通过精密磨削获得轮廓，并且诸如其他传感器件、推力件、轴颈件和八边形件的烧结体根据其目的需要精确的车削操作。

除凸轮凸角20之外的烧结体将被更加详细地描述。传感器件30接合在凸轮轴的端部，从而由于凸轮轴旋转的引擎气缸的燃料注入时间被精确地确定。因此，当用于传感器件的烧结体不满足外部直径和角度的规格时，不会进行感知，引擎不可能启动，或者可能出现引擎的错配。因此，如图2A所示，通过感知点部分的外部直径的车削操作以及感知点部分的端铣刀加工进行外部直径和角度的管理是十分重要的。

在用于推力件40或轴颈件(下文中称为“推力件”)的烧结体中，用于将凸轮轴安装到气缸盖的凸轮帽安装在凸轮轴的位置参考表面上，并且防止凸轮轴在旋转引擎期间向左和向左移动。因此，推力件的宽度管理是十分重要的。当推力件宽度超出上限时，凸轮轴不能够组装在气缸盖中。当推力件宽度小于下限时，可能会由于存在间隙而产生噪声和震动。因此，如图2B所示，通过推力件40的横截面以及外部直径的车削操作进行推力件的宽度管理对于加工管理来说是十分重要的。

大体上，八边形件50用作用于附件的部件，该附件通过旋转凸轮轴利用螺旋钳组装，从而当凸轮轴组装在引擎头盖中时与凸轮的相位角或类似物匹配，该八边形件50还用于保修车辆的检查和拆卸。八边形件通常在未加工的状态下使用，但是可以增加端铣刀加工以匹配宽度精度。

更具体地，当形成凸轮轴的若干类型的滑动部件暂时地组装在管的各部分上并被输入到真空烧结炉中时，完成用于内燃机的凸轮轴，以高温执行烧结接合一预定时间，随后执行加工。

凸轮凸角材料的组分和形成传感器件、推力件、八边形件和作为其他烧结体的类似物的烧结体的组分是不同的。由于在相同的温度条件下执行烧结，因此，存在冲突的缺点。

其中，凸轮凸角材料使用现有技术中的日本专利申请中公开的材料。这具有如下特点：耐久性、耐磨性和针对接触部分的高表面压力的类似特性。由于硬度非常高，在车削操作中，可操作性明显降低。因此，对于需要上述传感器件、推力件、八边形件和类似部件的车削操作的材料来说是不适当的。

在现有技术中，传感器件、推力件、八边形件和类似部件的精确可操作性所需要的材料大体上由Fe、C和P形成。这种烧结体具有不同于形成凸轮凸角的材料的相对较好的可操作性，但是由于可接合性而具有高不良率，并且会频繁出现拉伸现象、气泡等等。

这是由于下述原因：由于利用Fe、C和P的金属粉末执行基本烧结操作，这种组成主要包括液相烧结Fe-C-P，并且烧结稳定温度的范围较小。因此，温度控制和烧结环境十分重要。

通常，Fe-C-P斯氏体的液相烧结在大约950℃时发生。理论上，当烧结体包括重量百分比2.5％的C，0.55％的P，14％的Fe-C-P斯氏体结构以及11％的碳化物(Fe₃C)时，形成相。即，形成Fe-C-P的液相，粘结铁(Fe)粒子和粒子(图3A)，并且随着这种相的增加，收缩率也增加。然而，这种液相的元素，C或P，不均匀地分布在铁(Fe)粒子中时，或者当烧结温度高时，即，当在烧结期间在零件的任意部分上局部产生热量时，会出现拉伸现象和膨胀(图3B)。这导致了气泡生成，其频繁地出现在烧结体中，并且这是本发明将要解决的一个问题。

为了防止这种现象，当形成元素(C和P)的少量液体被添加以降低液相量时，烧结能够在不出现任何大问题的情况下继续进行，但是收缩率降低，因此出现烧结体和轴未接合的问题。

因此，作为解决这些问题的最重要的管理方法，用作主要液体形成元素的C和P应该十分均匀地分布在铁(Fe)粒子中，在烧结期间的烧结温度应该被十分精确地管理等等。因此，难以克服上述问题。

发明内容

因此，提供了本发明以解决现有技术中诸如传感器件、推力件、轴颈件和八边形件的烧结体的问题，并且本发明提供了一种具有优异的可操作性和接合性以及适于烧结接合的烧结体。

为了实现上述目的，在本发明中，为了确定烧结稳定性以使得即使在宽泛的烧结温度分布范围内也能够进行烧结，将Cr添加到Fe-C-P的传统合成物中以引发与C一起形成碳化物，并且确保了淬透性和烧结稳定性。在这种情况下，为了与C形成均匀的碳化物，更加优选地使用作为预制合金状态的合金粉末的Cr。

此外，添加了用作液相元素的Si，优化了现有的三元(Fe-C-P)液相的形成，并且确保了可烧结性和可接合性。

在这种情况下，为了确保可操作性，作为目标，要确保90至115的HRB水平。

出于该目的，通过烧结体来实现上述目的，该烧结体包括：重量百分比1.9-3.0％的C、0.2-1.0％的Cr、0.2-0.9％的P、0.3-1.1％的Si，余下是的Fe和不可避免的杂质，该烧结体具有如下微观结构：其中碳化物(包括少量的Cr碳化物)、磷化铁(Fe-C-P)和类似物均匀地分布在珠光体基体中。

附图说明

图1是示出了组装烧结凸轮轴的示意图。

图2A是示出了用于传感器件的烧结体的加工的示意图。

图2B是示出了用于推力件的烧结体的加工的示意图。

图3A示出了(a)现有技术中烧结体的良好产品类型的示意图，和(b)微观结构图。

图3B示出了(a)现有技术中烧结体的缺陷类型的示意图，(b)微观结构图，以及(c)由于膨胀和气泡产生的实际缺陷图片。

图4是示意图，其示出了根据本发明的烧结体的烧结工艺，其中，(a)粉末处于C粉与处于预制合金状态的合金粉混合的状态，(b)碳化物(Cr-C)形成，(c)碳化物生长并且形成液相(Fe-P-C)。

图5示出了根据本发明的烧结体的微观结构的示图，其中，(a)放大系数50，(b)放大系数100，以及(c)放大系数200。

图6A示出了通过评估根据本发明的烧结体的可接合性而获得的实际图片。

图6B示出了通过评估现有技术的烧结体的可接合性而获得的实际图片。

图7是示出了烧结体的接合强度的评估的示意图。

图8是展示了根据本发明的烧结体的可操作性的实际图片。

具体实施方式

下文中，将描述本发明的实例。

基本上，在本发明中，确保了烧结稳定性，从而即使在宽泛的烧结温度分布时也能够进行烧结，添加了Cr以引发与C形成碳化物的过程，并且确保了淬透性和烧结稳定性。

然而，为了确保可操作性，作为目标，要确保90至115的HRB水平。

此外，添加了用作液相元素的Si以优化现有的三元(Fe-C-P)液相的形成，并且确保了可烧结性和可接合性。

通过烧结体来实现上述目的，该烧结体包括：重量百分比1.9-3.0％的C、0.2-1.0％的Cr、0.2-0.9％的P、0.3-1.1％的Si，余下是的Fe和不可避免的杂质，该烧结体具有如下微观结构：其中，碳化物(包括少量的Cr碳化物)、磷化铁(Fe-C-P)和类似物均匀地分布在珠光体基体中。

为了获得合成物，预定量的上述组分被组合以制造用于烧结的粉末。通常，制备用于烧结的粉末，该粉末被压缩和模制以形成模制体，通过烧结过程进行热处理，并且由此制造了本发明的烧结体。

图4示出了示意图，该示意图示出了由于本发明的烧结体的合成物的烧结工艺而导致的相变。

图5A-5C示出了通过观察在本发明的烧结体的合成物的烧结之后展现的微观结构而获得的图片。

合成物将在下文中详细描述。如图4的示意图中所示，Cr引发碳化物的形成，并且键合在Fe和Fe粒子之间以引发淬透性，并且Cr确保了烧结稳定性。该Cr键合到C以形成碳化物。然而，当Cr的重量百分比等于或大于1.0％时，产物的硬度增加并且利用工具的车削可操作性显著降低，作为本发明期望的用于加工的烧结体而言，这是不适当的。此外，当Cr的重量百分比等于或小于0.2％时，淬透性下降，不会获得均匀的Cr碳化物，并且烧结密度降低。此外，收缩率额外地降低，并且与轴之间的接合力也下降。

当C的含量大于3.0％的重量百分比时，Cr碳化物的量和Fe-C-P斯氏体的液相量增加，硬度增加，导致了高收缩率，烧结体由于液相而拉伸，或者产生气泡或膨胀现象，这在图3B中示出。另一方面，当C的重量百分比等于或小于1.9％时，液相沉淀量降低，由于液相，Fe和Fe粒子之间的键合性质降低，不会获得足够的烧结密度，孔隙率增大。此外，收缩不会充分地进行，并且不会进行与轴的接合。

如上所述，P形成Fe-C-P的液相结构。当P的重量百分比等于或大于0.9％时，这种液相过度形成，并且硬度增加，在车削操作中的可加工性降低。另一方面，当P的重量百分比等于或小于0.2％时，液相沉淀量降低，不会获得足够的烧结密度，并且与轴的可接合性降低。

当Si的含量大于1.1％重量百分比时，在基体中出现脆性，可能在加工期间出现裂隙，并且在压缩和模制金属粉末期间的可模塑性降低。当添加Si时，促进了Fe-C-P相的液相。当Si的重量百分比小于0.3％时，液相促进性降低，液相形成可能未被充分地引发，并且因此与轴的接合不会平滑地进行。

由本发明的合成物制成的烧结粉末被制备，并且这些粉末被压缩和模制。随后，形成模制体，模制体在管的预定位置处被组装，并且进行烧结热处理。在这种情况下，在压缩粉末模制期间5-7吨/立方厘米的模制压力是优选的，并且用于烧结热处理的优选温度是1050-1150℃。大约60-90分钟的烧结热处理时间是优选的。

下文中，将参考下述实例和对照实例更详细地描述本发明的烧结体。

在实例1中，组分为重量百分比1.0％的Cr、2.5％的C、0.5％的P、0.7％的Si以及其余为铁的粉末被制备，并且制备了用于烧结的粉末。随后，在通过压缩粉末模制和烧结以及热处理工艺获得的产物上进行物理性质测试，结果在表1中示出。图5示出了通过利用金相显微镜观察通过实例1获得的产物的微观结构而获得的图片(用硝酸酒精蚀刻)。此外，图6A示出了键合强度的测量结果的图片。

表1：实例1-4和对照实例1-4的实验结果

在实例2中，组分为重量百分比1.0％的Cr、2.0％的C、0.5％的P、0.7％的Si以及其余为铁的粉末被制备，并且制备了用于烧结的粉末。随后，在通过压缩粉末模制和烧结以及热处理工艺获得的产物上进行物理性质测试，结果在表1中示出。

在实例3中，组分为重量百分比0.6％的Cr、2.5％的C、0.5％的P、0.7％的Si以及其余为铁的粉末被制备，并且制备了用于烧结的粉末。随后，在通过压缩粉末模制和烧结以及热处理工艺获得的产物上进行物理性质测试，结果在表1中示出。

在实例4中，组分为重量百分比0.3％的Cr、2.5％的C、0.5％的P、0.7％的Si以及其余为铁的粉末被制备，并且制备了用于烧结的粉末。随后，在通过压缩粉末模制和烧结以及热处理工艺获得的产物上进行物理性质测试，结果在表1中示出。

在对照实例1中，组分为重量百分比2.0％的Cr、2.5％的C、0.5％的P、0.7％的Si以及其余为铁的粉末被制备，并且制备了用于烧结的粉末。随后，在通过压缩粉末模制和烧结以及热处理工艺获得的产物上进行物理性质测试，结果在表1中示出。

在对照实例2中，组分为重量百分比1.5％的Cr、2.5％的C、0.5％的P、0.7％的Si以及其余为铁的粉末被制备，并且制备了用于烧结的粉末。随后，在通过压缩粉末模制和烧结以及热处理工艺获得的产物上进行物理性质测试，结果在表1中示出。

在对照实例3中，组分为重量百分比1.0％的Cr、1.5％的C、0.5％的P、0.7％的Si以及其余为铁的粉末被制备，并且制备了用于烧结的粉末。随后，在通过压缩粉末模制和烧结以及热处理工艺获得的产物上进行物理性质测试，结果在表1中示出。

在对照实例4中，组分为重量百分比1.0％的C、0.6％的P以及其余为铁的粉末被制备，并且制备了用于烧结的粉末。随后，在通过压缩粉末模制和烧结以及热处理工艺获得的产物上进行物理性质测试，结果在表1中示出。此外，图6B示出了键合强度的测量结果的图片。

在所有的实例和对照实例中，以6吨/立方厘米的压缩和模制压力进行模制。在这种情况下，已经被模制的模制产物被制备成样品尺寸为外径φ35、内径厚度10mm。此外，在真空烧结炉内以1120℃进行烧结热处理。通过制备如图7所示的样品来进行键合强度的测量。为了评估可操作性，用于车削操作的陶瓷尖端被用来评估处理量。在这种情况下，图8示出了处理过的状态的车削操作的实际图片。

观察作为本发明的烧结体的实例1-4的粉末合成物的微观结构。结果显示，碳化物(包括少量Cr碳化物)、磷化铁(Fe-C-P)及类似物均匀地分布在珠光体基体中(图5)，并且展示的物理性能如下：收缩率为6.0％或更大，烧结密度为7.2g/cm³或更大。此外，因为与轴的接合强度，展现了十分优异的物理性能值。因为硬度，展现了HRB水平为大约96至110的优异的车削可操作性。因此，有可能获得具有优异的与轴的可接合性以及可操作性的烧结体。

另一方面，如对照实例1和2所示，当Cr的含量较高时，增加了接合强度，但可操作性明显降低。在对照实例4中，当Cr和C的含量较低时，硬度降低，并且可操作性增加。然而，收缩率和烧结密度降低，与轴的接合性能明显降低，并且因此难以用作产品。此外，如对照实例3中所示，当C的含量较低，即，重量百分比为1.5％时，可操作性良好，但是收缩率降低，并且与轴的可接合性降低。因此，可以理解，C的含量的增加到重量百分比1.9％或更多是优选。

根据本发明，现有技术中诸如传感器件、推力件、轴颈件和八边形件的烧结体的基本问题得以解决，其可操作性和可接合性提高，不良率显著降低，并且完整性稳定。

附图标记

1：***处理尖端2：端铣刀加工工具

10：轴20：凸轮凸角

30：传感器件

40：推力件或轴颈件

50：八边形件

Claims

1.一种适于烧结接合的烧结体，该烧结体包括重量百分比为1.9-3.0％的C、0.2-1.0％的Cr、0.2-0.9％的P、0.3-1.1％的Si，并且余下是的Fe和不可避免的杂质，该烧结体包括均匀地分布在珠光体基体中的碳化物(包括少量的Cr碳化物)、磷化铁(Fe-C-P)和类似物，

其中，该烧结体的硬度为90-105HRB，烧结体的密度为7.2g/cm³。

2.如权利要求1所述的烧结体，其中，烧结体是用于烧结的凸轮轴的传感器件、推力件、轴颈件和八边形件。