利用金屬粉末注射成型來制造配氣機(jī)構(gòu)零部件的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種利用金屬粉末注射成型來制造配氣機(jī)構(gòu)零部件的方法，包括：通過將金屬粉末與粘合劑混合來獲得用于注射成型的原材料；通過將所獲得的用于注射成型的原材料注入到具有配氣機(jī)構(gòu)零部件形狀的模具中形成成型體；對所述成型體進(jìn)行溶劑萃??；通過對溶劑萃取后的成型體進(jìn)行脫粘合劑和燒結(jié)來形成燒結(jié)體；對所述燒結(jié)體進(jìn)行尺寸加工；對所述尺寸加工后的燒結(jié)體進(jìn)行真空滲碳；和對真空滲碳后的燒結(jié)體進(jìn)行拋光。
【專利說明】利用金屬粉末注射成型來制造配氣機(jī)構(gòu)零部件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用金屬粉末注射成型來制造配氣機(jī)構(gòu)零部件的方法，更具體涉及這樣一種利用金屬粉末注射成型來制造配氣機(jī)構(gòu)零部件的方法，其通過利用具有較高尺寸精度的金屬粉末注射成型來取代傳統(tǒng)熔模鑄造法，從而降低成本，并通過控制粉末組合物而具有改良的物理特性。
【背景技術(shù)】
[0002]內(nèi)燃機(jī)是一種通過在燃燒室內(nèi)燃燒從外部吸入的空氣和燃料來生成粉末的裝置，該裝置具有用于將空氣和燃料吸入到燃燒室中的進(jìn)氣閥和用于釋放在燃燒室中燃燒的引爆氣體的排氣閥。這些進(jìn)氣閥和排氣閥由凸輪軸打開和關(guān)閉，該凸輪軸通過與曲軸的旋轉(zhuǎn)互鎖而旋轉(zhuǎn)。此外，用于操作進(jìn)氣閥和排氣閥的一系列部件，如傳動(dòng)凸輪、凸輪軸、挺桿、搖臂和搖臂連接件，被稱為配氣機(jī)構(gòu)。
[0003]此外，汽車行業(yè)正在開發(fā)各種環(huán)保型車輛，其目的在于將二氧化碳排放量減小至50g/km，該排放量是到2020年為止現(xiàn)有水平的35%~50%，并且這些行業(yè)正在將重點(diǎn)集中在技術(shù)開發(fā)，以滿足2025年美國公司平均燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)中規(guī)定的23.2km/1 (54.5mpg)的燃料效率。
[0004]最近，連續(xù)可變氣門挺柱(CVVL)正被應(yīng)用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)，該挺桿通過根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制進(jìn)氣閥的高度通過優(yōu)化進(jìn)氣量最大限度地提高燃料效率和發(fā)動(dòng)機(jī)性能。
[0005]圖1是示出搖臂的示例性視圖；圖2是示出搖臂連接件的示例性視圖；圖3是示出搖臂和搖臂連接件的組合結(jié)構(gòu)的示例性視圖；以及圖4是示出連續(xù)可變氣門挺柱的示例性視圖，如圖所示，搖臂100和搖臂連接件110作為連續(xù)可變氣門挺柱120的部件工作。
·[0006]由于諸如搖臂100和搖臂連接件110的配氣機(jī)構(gòu)零部件，必須在惡劣條件下使用很長一段時(shí)間，因此需要較高的耐久性和精度，如強(qiáng)度、抗磨損性和抗沖擊性。
[0007]以前，利用與普通鑄造方法相比具有相對較高的尺寸精度熔模鑄造方法，被用于制造配氣機(jī)構(gòu)零部件，但是對于具有復(fù)雜形狀的配氣機(jī)構(gòu)零部件，該方法需要許多額外的處理，以便在鑄造之后獲得最終形狀。
[0008]此外，當(dāng)通過熔模鑄造方法進(jìn)行制造時(shí)，配氣機(jī)構(gòu)零部件展現(xiàn)出較高的機(jī)械強(qiáng)度，但是尺寸精度降低了，因此，由于增加了額外的處理，因此增大了加工成本和材料損耗。
[0009]以上提供作為本發(fā)明相關(guān)技術(shù)的說明僅僅是用于幫助理解本發(fā)明的背景，并且不應(yīng)被解釋為包括在本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的相關(guān)技術(shù)中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]已提出本發(fā)明以解決與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的上述問題。本發(fā)明提供一種利用金屬粉末注射成型來制造多個(gè)配氣機(jī)構(gòu)零部件的方法，該方法提高尺寸精度。此外，本發(fā)明可以通過利用取代作為配氣機(jī)構(gòu)零部件一般制造方法的常規(guī)熔模鑄造方法的金屬粉末注射成型，來提高經(jīng)濟(jì)效率，并且該方法可以通過確立最優(yōu)的粉末組合物和工藝條件而被應(yīng)用到惡劣條件下，例如發(fā)動(dòng)機(jī)中。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的利用金屬粉末注射成型來制造多個(gè)配氣機(jī)構(gòu)零部件的方法，包括:通過將金屬粉末與粘合劑混合來獲得用于注射成型的原材料；通過將所獲得的用于注射成型的原材料注入到具有配氣機(jī)構(gòu)零部件形狀的模具中形成成型體；對成型體進(jìn)行溶劑萃??；通過對溶劑萃取后的成型體進(jìn)行脫粘合劑和燒結(jié)來形成燒結(jié)體；對燒結(jié)體進(jìn)行尺寸加工；對尺寸加工后的燒結(jié)體進(jìn)行真空滲碳；和對真空滲碳后的燒結(jié)體進(jìn)行拋光。
[0012]此外，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在獲得用于注射成型的原材料的過程中，將約93重量％的金屬粉末與約7重量％的粘合劑進(jìn)行混合。該金屬粉末包括:約2重量％的鎳(Ni)、約0.5重量％的鑰(Mo)、約0.25重量％的碳(C)、以及整個(gè)組合物中剩余重量百分比的鐵(Fe)。
[0013]此外，在形成燒結(jié)體的過程中，在真空條件下利用氬氣，將脫粘合劑后的成型體加熱到約1250°C或更高的溫度2小時(shí)(浸泡)。
[0014]此外，在真空滲碳中:將尺寸加工后的燒結(jié)體加熱到約890°C，并利用乙炔(C2H2)氣體對經(jīng)尺寸加工后的燒結(jié)體滲碳I小時(shí)，然后在約890°C進(jìn)行碳擴(kuò)散10分鐘，接著將尺寸加工后的燒結(jié)體冷卻到約820°C，并在約820°C進(jìn)行碳擴(kuò)散20分鐘。
[0015]在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，真空滲碳包括:將尺寸加工后的燒結(jié)體加熱到約180°C，保持該溫度90分鐘，然后通過利用約80°C的油浴對碳擴(kuò)散的燒結(jié)體進(jìn)行淬火之后，對燒結(jié)體進(jìn)行冷卻。
[0016]配氣機(jī)構(gòu)零部件是搖臂或搖臂連接件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]參考僅作為說明在下文中給出的并因此不限制本發(fā)明的附圖所說明的某些示例性實(shí)施例，現(xiàn)將詳細(xì)描述本發(fā)明的上述和其他特征，并且其中:
[0018]圖1是示出根據(jù)相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的搖臂的示例性視圖；
[0019]圖2是示出根據(jù)相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的搖臂連接件的示例性視圖；
[0020]圖3是示出根據(jù)相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的搖臂和搖臂連接件的組合結(jié)構(gòu)的示例性視圖；
[0021]圖4是示出根據(jù)相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的連續(xù)可變氣門挺柱的示例性視圖；
[0022]圖5是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的利用金屬粉末注射成型來制造配氣機(jī)構(gòu)零部件的方法的示例性流程圖；
[0023]圖6是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的脫粘合劑和燒結(jié)過程的示例性曲線圖；
[0024]圖7是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的真空滲碳和淬火過程的示例性曲線圖；以及
[0025]圖8是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的配氣機(jī)構(gòu)零部件(搖臂)的硬度測試結(jié)果的示例性曲線圖。
[0026]應(yīng)當(dāng)理解的是，附圖不必按比例繪制，而是呈現(xiàn)出說明本發(fā)明基本原理的各種優(yōu)選特征的簡化表示。本文中所公開的本發(fā)明的特定設(shè)計(jì)特征，包括例如特定尺寸、方向、位置和形狀，這些特征將部分地由預(yù)期的特定應(yīng)用和使用環(huán)境來確定。
[0027]在附圖中，在全部的幾張圖中，附圖標(biāo)記始終指代本發(fā)明的相同或等同部件?！揪唧w實(shí)施方式】
[0028]可以理解的是，本文中所使用的術(shù)語“車輛”或“車輛的”或其它類似的術(shù)語包括一般而言的機(jī)動(dòng)車輛，比如包含運(yùn)動(dòng)型多用途車輛(SUV)、公共汽車、貨車，各種商用車輛的客車、包含各種輪船和艦船的船只、飛行器等等，并且包括混合動(dòng)力車輛、電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、氫動(dòng)力汽車和其它替代燃料汽車(例如，從除了石油以外的資源中取得的燃料)。
[0029]本文所用的術(shù)語僅用于描述特定實(shí)施例的目的，而并非旨在限制本發(fā)明。除非上下文明確指出，否則如本文中所使用的單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”等意圖也包括復(fù)數(shù)形式。還應(yīng)該理解的是，在本說明書中使用“包括”和/或“包含”等術(shù)語時(shí)，是意圖說明存在該特征、整數(shù)、步驟、操作、元素和/或組件，而不排除一個(gè)或多個(gè)其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元素、組件、和/或其組合的存在或增加。如本文中所使用的，術(shù)語“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)列出項(xiàng)目的任何和所有組合。
[0030]除非明確指出或可從上下文明顯看出，否則如本文中使用的術(shù)語“約”被理解為在本領(lǐng)域中的正常公差范圍內(nèi)，例如，在平均數(shù)的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差內(nèi)?！凹s”可以被理解為在規(guī)定值的 10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05% 或 0.01% 內(nèi)。除非從上下文可以明確知道，否則本文所提供的所有數(shù)值都可由術(shù)語“約”修正。
[0031]接下來，參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0032]本發(fā)明利用具有較高尺寸精度的金屬粉末注射成型取代了用于制造配氣機(jī)構(gòu)零部件的常規(guī)熔模鑄造方法。
[0033]金屬粉末注射成型(MIM)是一種新的粉末冶金成型技術(shù)，是粉末冶金技術(shù)與用于復(fù)雜塑料部件的大規(guī)模生產(chǎn)的注射成型方法相結(jié)合的技術(shù)，并且該方法可以包括:將精細(xì)的金屬粉末與粘合劑混合；將該混合物注入到模腔中；將粘合劑從成型體中脫除；以及在高溫下，僅燒結(jié)該粉末，以獲得配氣機(jī)構(gòu)的零部件。
[0034]此外，與由熔模鑄造制造的產(chǎn)品相比，由金屬粉末注射成型制造的產(chǎn)品具有改良的尺寸精度。因此，需要相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的后處理過程，如對表面的熱處理以提高物理性能。在相關(guān)技術(shù)中，因?yàn)閷e-2wt%N1-0.9wt%C脫碳，由于對材料(例如，薄壁部件和厚壁部件之間的差異)進(jìn)行碳控制有難度，因此，難以獲得所需的物理性能。
[0035]圖5是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的利用金屬粉末注射成型來制造配氣機(jī)構(gòu)零部件的方法的示例性流程圖，下面詳細(xì)描述實(shí)施例。
[0036]1.混合步驟(S100)
[0037]可以將金屬粉末與粘合劑進(jìn)行混合，以獲得用于注射成型的原材料。為了流動(dòng)性并保持在注射成型過程中金屬粉末的形狀，可以添加粘合劑，并且該粘合劑可以是普通的有機(jī)粘合劑，包含結(jié)合劑(如聚乙烯)或潤滑劑(如石蠟和硬脂酸)。具體地，可以均勻地進(jìn)行混合，以便具有約93重量％的金屬粉末和約7重量％的粘合劑，以獲得用于注射成型的原材料。
[0038]當(dāng)金屬粉末的量小于約93重量％時(shí)，在注射過程中的流動(dòng)性可能仍然是良好的，但是脫粘合劑過程可能需要更長時(shí)間。因此，當(dāng)金屬粉末的量大于約93重量％時(shí)，該成型體在注射過程中可能具有較低的強(qiáng)度。
[0039]另外，可以通過分別供應(yīng)每個(gè)金屬原子然后向其添加鑰(Mo)來混合金屬粉末，具體地，可以混合羰基Fe (I)(含有約0.76重量％的碳(C))、羰基Fe (2)(含有約0.03重量％的碳(C))、鎳(Ni)和鑰(Mo)，以便具有如下比例:約2重量％的鎳(Ni)、約0.5重量％的鑰(Mo)、約0.25重量％的碳(C)和整個(gè)組合物中剩余重量百分比的鐵(Fe)。
[0040]此外，可以在約160°C，以約30rpm (轉(zhuǎn)/分)混合約3小時(shí)。在以較低溫度混合較短時(shí)間時(shí)，該粘合劑由于流動(dòng)性而不混合，而在以較高溫度混合較長時(shí)間時(shí)，該粘合劑在混合過程中可能會脫粘合劑。
[0041]2.注射步驟(SllO)
[0042]在以下條件下所獲得的用于注射成型的原材料可被注入到配氣機(jī)構(gòu)零部件的模具中，即約145°C的噴嘴溫度、約33mm/s的注射速度、約3.5MPa的注射壓力以及約3(TC的模具溫度，從而形成成型體?？梢愿鶕?jù)用于注射成型的原材料的流動(dòng)性以及粘合劑的蒸發(fā)來確定噴嘴溫度和模具溫度，并可以根據(jù)注射成型裝置的光滑注射和過載來確定注射壓力和注射速度。
[0043]3.溶劑萃取步驟(S120)
[0044]通過上述方法形成的成型體可以預(yù)先浸沒在正庚烷(n-h印tane)溶液中以縮短脫粘合劑時(shí)間，并且可以在約40°C溫度下溶劑萃取約10至12小時(shí)，以除去成型體中的大部分粘合劑。當(dāng)溫度大于40°C時(shí)，由于在適當(dāng)?shù)妮腿÷窂叫纬捎诔尚腕w中之前，用于除去粘合劑的反應(yīng)速度變得過快而可能形成裂紋，因此，應(yīng)力可集中在該成型體內(nèi)。
[0045]另外，當(dāng)溫度小于40°C時(shí)，可能不會形成裂紋，但是由于增加了萃取溶劑所需的時(shí)間，因此可能增加工藝成本。
[0046]4.脫粘合劑和燒結(jié)步驟(S130)
[0047]圖6是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施例的脫粘合劑和燒結(jié)過程的示例性曲線圖。
[0048]脫粘合劑是被配置成在燒結(jié)之前基本上除去成型體中的粘合劑的工藝，可以進(jìn)行熱脫粘合劑以除去殘留在溶劑萃取后的成型體中的粘合劑。
[0049]用于除去粘合劑的常規(guī)方法是一種可以通過緩慢加熱成型體的熱脫粘合劑而將粘合劑蒸發(fā)的方法。然而，在粘合劑蒸發(fā)時(shí)，可能會出現(xiàn)成型體變形，如扭轉(zhuǎn)或彎曲，因?yàn)榇蠖鄶?shù)粘合劑在較低溫度下會緩慢蒸發(fā)，但當(dāng)達(dá)到某個(gè)溫度時(shí)可能會突然蒸發(fā)。
[0050]因此，如圖6所示，為了防止成型體的變形，可以在約25°C溫度下進(jìn)行抽真空操作大約10分鐘，并以約8L/min的速率填充氮?dú)?N2),可以增大并保持該溫度，以逐步地除去粘合劑，從而盡量減少成型體的變形。
[0051]此外，用于脫除粘合劑的路徑可以在低溫范圍內(nèi)形成于該成型體中，可以在中溫度范圍內(nèi)對較低溫度的粘合劑進(jìn)行脫除，并且可以在高溫度范圍內(nèi)依次地對較高溫度的粘合劑進(jìn)行脫除。
[0052]此外，真空條件可以通過抽真空實(shí)現(xiàn)，以大約5L/min的速率供給氬氣(Ar)，并且可以將脫粘合劑后的成型體加熱至大約1250°C或更高，進(jìn)行燒結(jié)，其中該溫度可以保持大約2小時(shí)(例如浸泡)，并且可以連續(xù)地進(jìn)行以形成燒結(jié)體。在燒結(jié)過程中，可以通過致密化和顆粒生長(particle growth)使成型體固化。可以在單獨(dú)的燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié),然而,也可在真空脫粘合劑燒結(jié)爐中在脫粘合劑工藝之后連續(xù)地進(jìn)行燒結(jié)。
[0053]5.尺寸加工步驟(S140)
[0054]為了確定燒結(jié)體的尺寸，可以在大約100kgf/cm2的壓力下對燒結(jié)體的尺寸進(jìn)行加工。
[0055]6.真空滲碳處理步驟(S150)
[0056]圖7是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的真空滲碳和淬火過程的示例性曲線圖。如圖7所示，可以將經(jīng)尺寸加工后的燒結(jié)體加熱大約30分鐘至大約890°C的滲碳溫度，然后可以利用乙炔(C2H2)氣體作為碳源，進(jìn)行大約I小時(shí)的滲碳。
[0057]此外，通過將溫度保持在大約890°C 10分鐘左右，并在10分鐘左右將該溫度降低到大約820°C,并將溫度保持在大約820°C 20分鐘左右,滲碳的碳(carburized carbon)可被擴(kuò)散大約40分鐘。
[0058]此外，可以利用油浴將碳擴(kuò)散的燒結(jié)體淬火至大約80°C，以確保硬度和強(qiáng)度，并可進(jìn)行回火，這使得溫度升高至大約180°C，以將該溫度保持大約90分鐘，然后降低溫度以提高韌性。
[0059]此外，通過利用乙炔(C2H2)氣體作為滲碳并通過在真空氣氛下滲碳來控制碳勢脈沖(carbon potential pulse),可以獲得具有均一深度的滲碳層深度,而與厚度無關(guān)。
[0060]7.拋光步驟(S160)
[0061]可以對真空滲碳的燒結(jié)體進(jìn)行拋光大約2小時(shí)，以使其表面光滑。
[0062]表1
[0063]
【權(quán)利要求】
1.一種利用金屬粉末注射成型來制造多個(gè)配氣機(jī)構(gòu)零部件的方法，包括: 通過將金屬粉末與粘合劑混合來獲得用于注射成型的原材料； 通過將所獲得的用于注射成型的原材料注入到具有配氣機(jī)構(gòu)零部件形狀的模具中形成成型體； 對所述成型體進(jìn)行溶劑萃??； 通過對溶劑萃取后的成型體進(jìn)行脫粘合劑和燒結(jié)來形成燒結(jié)體； 對所述燒結(jié)體進(jìn)行尺寸加工； 對所述尺寸加工后的燒結(jié)體進(jìn)行真空滲碳；和 對真空滲碳后的燒結(jié)體進(jìn)行拋光。
2.如權(quán)利要求1所述的利用金屬粉末注射成型來制造多個(gè)配氣機(jī)構(gòu)零部件的方法，其中，在獲得用于注射成型的原材料的過程中，將約93重量％的金屬粉末與約7重量％的粘合劑進(jìn)行混合。
3.如權(quán)利要求2所述的利用金屬粉末注射成型來制造多個(gè)配氣機(jī)構(gòu)零部件的方法，其中，所述金屬粉末包括:約2重量％的鎳(Ni)、約0.5重量％的鑰(Mo)、約0.25重量％的碳(C)、以及整個(gè)組合物中剩余重量百分比的鐵(Fe)。
4.如權(quán)利要求1所述的利用金屬粉末注射成型來制造多個(gè)配氣機(jī)構(gòu)零部件的方法，其中，在形成燒結(jié)體的過程中，在真空條件下利用氬氣，將所述脫粘合劑后的成型體加熱到約1250°C或更高的溫度2小時(shí)。
5.如權(quán)利要求1所述的利用金屬粉末注射成型制造來多個(gè)配氣機(jī)構(gòu)零部件的方法，其中，所述真空滲碳包括: 將所述尺寸加工后的燒結(jié)體加熱到約890°C ； 利用乙炔(C2H2)氣體，對所述經(jīng)尺寸加工后的燒結(jié)體滲碳I小時(shí)； 在約890°C進(jìn)行碳擴(kuò)散10分鐘； 將所述尺寸加工后的燒結(jié)體冷卻到約820°C ;和 在約820°C進(jìn)行碳擴(kuò)散20分鐘。
6.如權(quán)利要求5所述的利用金屬粉末注射成型來制造多個(gè)配氣機(jī)構(gòu)零部件的方法，其中，所述真空滲碳包括: 將所述尺寸加工后的燒結(jié)體加熱到約180°C ； 保持所述溫度90分鐘；和 通過利用約80°C的油浴對所述碳擴(kuò)散的燒結(jié)體進(jìn)行淬火之后，對所述尺寸加工后的燒結(jié)體進(jìn)行冷卻。
7.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的利用金屬粉末注射成型來制造多個(gè)配氣機(jī)構(gòu)零部件的方法，其中所述多個(gè)配氣機(jī)構(gòu)零部件包括搖臂或搖臂連接件。
【文檔編號】B22F3/22GK103567451SQ201210591070
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月10日
【發(fā)明者】車星澈 申請人:現(xiàn)代自動(dòng)車株式會社, 起亞自動(dòng)車株式會社