本公開涉及具有改進(jìn)的機(jī)械性能例如強(qiáng)度的用于連桿的合金粉末組合物，以及制造在其中可容易鉆螺栓孔的連桿的方法。

背景技術(shù)：

在制造連桿的常規(guī)方法中，在鍛造后執(zhí)行淬火/回火(Q/T)工序以增加強(qiáng)度。在這樣的常規(guī)制造工序中，額外需要復(fù)雜的工序，包括用于完成連桿的首次加工、諸如淬火/回火(Q/T)的熱處理工序以及后續(xù)的二次加工。此外，由于熱處理引起的硬度增加，制造工序應(yīng)當(dāng)執(zhí)行兩次。此外，可能發(fā)生因淬火導(dǎo)致的連桿變形和彎曲。

以上公開的背景技術(shù)的提供有助于對(duì)本公開的理解，不應(yīng)解釋為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的常規(guī)技術(shù)。

具體實(shí)施方式

本公開從以上問題的角度出發(fā)而做出，并且本發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)方面提供具有優(yōu)異的機(jī)械性能如優(yōu)異的強(qiáng)度的連桿用合金粉末組合物，以及制造在其中鉆螺栓孔可容易地加工的連桿的方法。

根據(jù)本公開中的示例性實(shí)施方式，基于100wt％的合金粉末組合物，用于連桿的合金粉末組合物包括0.5-0.8wt％的碳(C)、0.8-1.2wt％的銅(Cu)、1.6-2.0wt％的鉻(Cr)、0.4wt％或更少(但不為0)的錳(Mn)、0.2wt％或更少(但不為0)的硫(S)、余量的鐵(Fe)以及其他不可避免的雜質(zhì)。

鉻(Cr)與銅(Cu)的重量比可以為1.33至2.30。

根據(jù)本公開中的另一個(gè)示例性實(shí)施方式，用于制造連桿的方法包括：通過將合金粉末注入模具且之后用壓機(jī)(press)壓制，模制出初步成型產(chǎn)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％的銅(Cu)、1.6-2.0wt％的鉻(Cr)、0.4wt％或更少但大于0的錳(Mn)、0.2wt％或更少但大于0的硫(S)、余量的鐵(Fe)和其他不可避免的雜質(zhì)。對(duì)初步成型產(chǎn)品進(jìn)行燒結(jié)和鍛造。對(duì)鍛造的初步成型產(chǎn)品進(jìn)行再加熱并冷卻。然后對(duì)冷卻的初步成型產(chǎn)品進(jìn)行回火。

合金粉末中的鉻(Cr)與銅(Cu)的重量比可以為1.33至2.30。

在再加熱中，再加熱的溫度可以為880-950℃，并且再加熱可以在燒結(jié)爐中在氫氛下執(zhí)行。

在冷卻中，可以以2-3℃/s的速率執(zhí)行冷卻。

回火可以在450-600℃下執(zhí)行。

附圖說明

根據(jù)以下與附圖相結(jié)合的詳細(xì)描述，將更清楚地理解本公開的以上和其他目的、特征和其他優(yōu)點(diǎn)。

圖1圖示根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方式經(jīng)歷冷卻控制的連桿的圖像。

圖2圖示根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方式的結(jié)晶化的微小銅(minute copper)和滲碳體組織的圖像。

圖3是圖示連桿的屈曲評(píng)估結(jié)果的圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將對(duì)本公開中的示例性實(shí)施方式作出詳細(xì)參考，其實(shí)例在附圖中進(jìn)行了說明。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記將被用于表示相同或相似的部件。

圖1圖示根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方式經(jīng)歷冷卻的連桿的圖像，圖2圖示根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施方式的結(jié)晶化的微小銅和滲碳體組織的圖像。

根據(jù)本公開中的示例性實(shí)施方式，基于100wt％的合金粉末組合物，連桿用合金粉末組合物包括0.5-0.8wt％的碳(C)、0.8-1.2wt％的銅(Cu)、1.6-2.0wt％的鉻(Cr)、0.4wt％或更少但大于0的錳(Mn)、0.2wt％或更少但大于0的硫(S)、余量的鐵(Fe)和其他不可避免的雜質(zhì)。

在下文中，詳細(xì)描述了在根據(jù)本公開的連桿用合金粉末組合物中鋼的成分。

碳(C)：0.5-0.8％

碳(C)可以使強(qiáng)度增加且有利于熱處理。當(dāng)碳(C)以小于0.5％的量添加時(shí)，機(jī)械性能例如強(qiáng)度降低。此外，當(dāng)碳(C)以大于0.8％的量添加時(shí)，脆性增加并且在連桿的表面產(chǎn)生粗的滲碳體。因此，碳(C)的量被限制在0.05-0.15％。

銅(Cu)：0.8-1.2％

銅(Cu)可以增強(qiáng)淬透性(hardenability)。當(dāng)銅(Cu)以小于0.8％的量添加時(shí)，機(jī)械性能可降低。此外，當(dāng)銅(Cu)以大于1.2％的量添加時(shí)，加工性能可降低。因此，銅(Cu)的量被限制在0.10-1.0％。

鉻(Cr)：1.6-2.0％

鉻(Cr)可以增加強(qiáng)度和淬火性能。當(dāng)鉻(Cr)以小于1.6％的量添加時(shí)，機(jī)械性能可降低。當(dāng)鉻(Cr)以大于2.0％的量添加時(shí)，燒結(jié)期間在連桿表面上產(chǎn)生氧化物的風(fēng)險(xiǎn)增加。因此，鉻(Cr)的量被限制在1.6-2.0％。

錳(Mn)：0.4％或更低(但不為0)

錳(Mn)可降低鋼中存在的元素的毒性。當(dāng)錳(Mn)以大于0.4％的量添加時(shí)，其與硫結(jié)合形成MnS。當(dāng)MnS過量形成時(shí)，疲勞強(qiáng)度增加。因此，錳(Mn)的量被限制在0.4％或更低。

硫(S)：0.2％或更低(但不為0)

硫(S)可以與錳結(jié)合形成夾雜物。當(dāng)硫(S)以大于0.2％的量添加時(shí)，其與錳結(jié)合形成MnS。當(dāng)MnS過量形成時(shí)，疲勞強(qiáng)度增加。因此，硫(S)的量被限制在0.2％或更低。

在根據(jù)本公開的用于連桿的合金粉末組合物中，鉻(Cr)與銅(Cu)的重量比為1.33至2.30。

銅(Cu)和鉻(Cr)是影響淬透性增加的元素。表述“淬透性”表示鋼通過淬火硬化成馬氏體在鋼鐵淬火硬化時(shí)的硬化容易程度的性能。

但是，當(dāng)由于高含量的銅(Cu)或者低含量的鉻(Cr)導(dǎo)致鉻(Cr)與銅(Cu)的重量比小于1.33時(shí)，例如當(dāng)如圖2所示的鉻(Cr)與銅(Cu)的重量比為0.9時(shí)，由微小銅的結(jié)晶引起在連桿表面上過度地產(chǎn)生滲碳體組織，因此，疲勞強(qiáng)度降低。

當(dāng)由于低含量的銅(Cu)或高含量的鉻(Cr)導(dǎo)致鉻(Cr)與銅(Cu)的重量比高于2.30時(shí)，例如當(dāng)如下表1的比較例5確定的鉻(Cr)與銅(Cu)的重量比為3.0時(shí)，屈服強(qiáng)度與其中鉻(Cr)與銅(Cu)的重量比為1.33-2.30的情況相比有顯著降低。

此外，當(dāng)在燒結(jié)之后執(zhí)行模制時(shí)，鍛造壓力可能增加且延展性可能降低。因此，模壓性能可能整體上惡化。

對(duì)于實(shí)施例和比較例中每個(gè)材料的拉伸測(cè)試的結(jié)果匯總于下表1中。在此，對(duì)冷卻前的性能進(jìn)行了數(shù)值上的比較。

表1

當(dāng)將實(shí)施例與比較例1進(jìn)行比較時(shí)，可確定比較例1另外包含V而不是Cu。此外，能夠確定Cr以小于1.6％的量添加。相應(yīng)地，能夠確定在比較例1中，屈服強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度明顯更低，且硬度也比實(shí)施例的更低。

當(dāng)將實(shí)施例與比較例2進(jìn)行比較時(shí)，可確定比較例2不包含Cr，而另外包含Mo。由于這一區(qū)別，比較例2與實(shí)施例相比表現(xiàn)出顯著更低的屈服強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度和硬度。

當(dāng)將實(shí)施例與比較例3進(jìn)行比較時(shí)，可確定比較例3另外包含Mo并且包括小于1.6％的量的Cr。相應(yīng)地，能夠確定，比較例3與實(shí)施例相比表現(xiàn)出顯著更低的屈服強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度和硬度。

當(dāng)將實(shí)施例與比較例4進(jìn)行比較時(shí)，可確定比較例4不包含Cu，但是另外包括Mo。此外，可確定比較例4包括大于2.0％的量的Cr。由于這些區(qū)別，比較例4與實(shí)施例相比表現(xiàn)出顯著較低的屈服強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度。但實(shí)施例4的硬度與實(shí)施例的類似。

當(dāng)將實(shí)施例與比較例5進(jìn)行比較時(shí)，可確定實(shí)施例5另外包含Mo并且包括大于2.0％的量的Cr。相應(yīng)地，能夠確定，在比較例5中，屈服強(qiáng)度顯著較低，而抗拉強(qiáng)度和硬度與實(shí)施例的那些類似。

根據(jù)本公開的制造連桿的方法包括：通過將合金粉末注入模具且之后用壓機(jī)壓制，來模制出初步成型產(chǎn)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％的銅(Cu)、1.6-2.0wt％的鉻(Cr)、0.4wt％或更少(但不為0)的錳(Mn)、0.2wt％或更少(但不為0)的硫(S)、余量的鐵(Fe)和其他不可避免的雜質(zhì)。對(duì)初步成型產(chǎn)品進(jìn)行燒結(jié)。然后對(duì)燒結(jié)的初步成型產(chǎn)品進(jìn)行鍛造。對(duì)鍛造的初步成型產(chǎn)品進(jìn)行再加熱并冷卻。然后對(duì)冷卻的初步成型產(chǎn)品進(jìn)行回火。

合金粉末中鉻(Cr)與銅(Cu)的重量比可以為1.33至2.30。

在再加熱中，再加熱的溫度可以為880-950℃，并且再加熱可以在燒結(jié)爐中在氫氛下執(zhí)行。

在冷卻中，冷卻可以以2-3℃/s的速率執(zhí)行。

此外，回火可以在450-600℃下執(zhí)行。

在模制中，將具有以上組成的金屬粉末插入模具中，接著在室溫下通過壓機(jī)壓制。使用4-6噸/cm²的壓力。制造出具有與連桿相同形狀的初步成型產(chǎn)品。小頭、大頭和桿是一體形成的。

在燒結(jié)中，為實(shí)現(xiàn)粉末間的化學(xué)結(jié)合，使用氫氣和氮?dú)庠?100-1140℃下在燒結(jié)爐中對(duì)結(jié)合較弱的初步成型產(chǎn)品進(jìn)行燒結(jié)。在燒結(jié)中，當(dāng)對(duì)粉末形式的成型產(chǎn)品進(jìn)行加熱時(shí)，粉末顆粒結(jié)合，成型產(chǎn)品由此硬化成為成型形狀。因此，在燒結(jié)后初步成型產(chǎn)品的強(qiáng)度增加。

接下來，在鍛造中，將燒結(jié)的初步成型產(chǎn)品投入沖模(die)以進(jìn)行鍛造壓制，并且向其施加模壓壓力以增加初步成型產(chǎn)品的總體密度。在此，模壓壓力為200-600噸/cm³。

在再加熱中，對(duì)鍛造的初步成型產(chǎn)品再次加熱以防止在鍛造之后晶粒在空氣冷卻期間變粗、進(jìn)而降低強(qiáng)度。再加熱可以在880-950℃下在燒結(jié)爐中在氫氛下進(jìn)行。

當(dāng)再加熱溫度低于880℃時(shí)，奧氏體組織不被100％轉(zhuǎn)變，因此，在冷卻時(shí)可能無法100％地形成為馬氏體組織。此外，當(dāng)再加熱的溫度高于950℃時(shí)，晶粒變粗，因此，性能例如強(qiáng)度可降低。

在冷卻中，對(duì)加熱的初步成型產(chǎn)品進(jìn)行冷卻以通過引發(fā)向馬氏體組織的轉(zhuǎn)變而增強(qiáng)強(qiáng)度?？梢栽趫?zhí)行冷卻的同時(shí)將冷卻速率控制在2-3℃/s。當(dāng)執(zhí)行冷卻控制時(shí)，冷卻進(jìn)行至400℃或更低。

由于初步成型產(chǎn)品的各部件的體積不同，在控制期間各部件具有不同的冷卻速率。體積較小的小頭和桿具有相對(duì)較高的冷卻速率，因此，它們的強(qiáng)度由于形成為馬氏體組織而增加。在體積較大的大頭的情況下，其冷卻速率相對(duì)較低，因此，回火效應(yīng)自發(fā)地發(fā)生。因此，表現(xiàn)出允許進(jìn)行螺栓孔鉆鉆孔處理的硬度值。

當(dāng)以這樣的方式促進(jìn)制造處理時(shí)，即使是在使用裂解加工(fracture splitting)實(shí)施裂解(splitting)時(shí)形變也減少了，因此，可以使用常規(guī)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。

當(dāng)控制冷卻速率低于2℃/s時(shí)，完全形變成為馬氏體組織是不可能的，并且形成了奧氏體殘余物。因此，機(jī)械性能例如強(qiáng)度可能降低。另一方面，當(dāng)冷卻控制速率高于3℃/s時(shí)，由于快速冷卻，初步成型產(chǎn)品彎曲，并且大頭的硬度值可能增加。因此，鉆孔和拋光變得困難，因此，加工成本增加。

在表2中，在僅使控制的冷卻速率變化的情況下，比較了由根據(jù)本發(fā)明用于連桿的合金粉末組合物制成的連桿的機(jī)械性能，例如抗彎強(qiáng)度。該合金粉末組合物包括0.7％的碳(C)、1％的銅(Cu)、1.8％的鉻(Cr)、0.4％或更少的錳(Mn)、0.2％或更少的硫(S)和余量的鐵(Fe)。

表2

屈曲是其中連桿因向其施加的壓縮荷載而彎曲的現(xiàn)象。抗彎強(qiáng)度是在連桿彎曲前施加至連桿的荷載。此外，基于連桿大頭的底表面測(cè)定彎曲度。具體而言，彎曲度可以通過以下方程(1)獲得：

(小頭上側(cè)的距離(step)-小頭下側(cè)的距離)/2---------------------方程(1)

在過冷卻技術(shù)規(guī)范的情況下，屈服強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度增加。但是，受控的冷卻速率高，因此，由于快速冷卻而使彎曲度大。當(dāng)發(fā)生彎曲時(shí)，如表2所示連桿的抗彎強(qiáng)度降低。此外，在常規(guī)冷卻技術(shù)規(guī)范的情況下，受控的冷卻速率低，因此彎曲度小。但是，整體的屈服強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度低。

參考圖3，其是圖示對(duì)連桿屈曲進(jìn)行評(píng)估的圖，可以確定在一定值或更高值下抗彎強(qiáng)度線性增加，但是在約2mm或更高值下不出現(xiàn)線性的抗彎強(qiáng)度增加，相反地，在約3mm或更高值下抗彎強(qiáng)度降低。

在回火中，在恒定的溫度范圍內(nèi)對(duì)冷卻的初步成型產(chǎn)品加熱?；鼗鹂梢栽?50-600℃下執(zhí)行以向初步成型產(chǎn)品提供韌性并降低其硬度值。

當(dāng)回火在低于450℃下執(zhí)行時(shí)，初步成型產(chǎn)品的韌性變得不足且硬度值增加。因此，加工變得困難。另一方面，當(dāng)回火在高于600℃下執(zhí)行時(shí)，初步成型產(chǎn)品的機(jī)械性能例如強(qiáng)度可能降低。

與在鋼鍛造之后經(jīng)歷Q/T處理的連桿相比，在根據(jù)上述制造連桿的方法制造的連桿的情況下，機(jī)械性能例如屈服強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度和芯部硬度是極好的。

通過將冷卻速率控制在2-3℃/s來代替根據(jù)常規(guī)方法通過熱處理例如淬火將連桿整體快速冷卻，小頭和桿由于其體積小而相對(duì)快速地冷卻，大頭由于其體積大則相對(duì)較慢地冷卻。因此，可顯示出自發(fā)的回火效應(yīng)。

將通過根據(jù)本公開的連桿制造方法制造的連桿與在鋼鍛造之后經(jīng)歷Q/T處理的連桿的機(jī)械性能進(jìn)行了比較。結(jié)果總結(jié)在下表3中。

表3

如表3所示，能夠確定的是，與在鋼鍛造之后經(jīng)歷Q/T處理的連桿相比，通過根據(jù)本公開的連桿制造方法制造的連桿具有增強(qiáng)的屈服強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度和芯部硬度。此外，能夠確定的是，在通過根據(jù)本公開的連桿制造方法制造的連桿中，大頭的芯部硬度低于小頭或桿的芯部硬度。因此，大頭的硬度值相對(duì)較低，因此有利于加工。

如從上述說明中顯而易見的，本公開提供了用于連桿的合金粉末組合物。通過控制合金粉末組合物中的影響淬透性增加的銅(Cu)與鉻(Cr)的重量比，可以預(yù)期機(jī)械性能例如疲勞強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度的增強(qiáng)。

此外，能夠預(yù)期的是，根據(jù)使用本公開的合金粉末制造連桿的方法，通過在實(shí)施冷卻時(shí)控制冷卻速率，顯示出整體上優(yōu)異的機(jī)械性能，同時(shí)，體積大的大頭具有優(yōu)異的模壓性能。

盡管已出于說明性的目的公開了本公開的示例性實(shí)施方式，但本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠認(rèn)識(shí)到，在不偏離如所附權(quán)利要求公開的發(fā)明的范圍和主旨的情況下，多種修改、添加和替換是可行的。