專利名稱：用于多層鋼層的低強度材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及多層鋼(MLS)墊圈，特別是涉及具有改進的密封性能的MLS墊圈材料。

背景技術：
減少內(nèi)燃機驅(qū)動車輛中的燃料消耗和污染物排放的趨勢對許多部件的性能提出了更高要求。已經(jīng)證明通過在發(fā)動機汽缸體和汽缸蓋組件中使用較輕材料來降低燃料消耗是成功的，但是所用較輕合金在同等汽缸壓縮比下通常經(jīng)受較大的變形。該降低的剛性可以在汽缸蓋組件和汽缸體中產(chǎn)生額外的變形，在汽缸蓋組件和汽缸體之間產(chǎn)生較大變形，因此，對汽缸蓋墊圈提出了更高的要求以適應相對變形。
已經(jīng)證明通過提高發(fā)動機壓縮比來減少污染排放物是成功的。但是，汽缸壓力的增大典型地導致在汽缸蓋和汽缸體的配合表面之間產(chǎn)生更多的移動。在MLS汽缸蓋墊圈的技術中產(chǎn)生的這些及其他因素成為不斷改進的方面。
緊鄰發(fā)動機汽缸孔周邊的墊圈區(qū)域與徑向遠離所述孔的墊圈區(qū)域相比承受大得多的應力，以便確保適當?shù)拿芊?。緊鄰發(fā)動機汽缸孔的這些墊圈區(qū)域與徑向遠離所述孔的墊圈區(qū)域相比還在配合表面之間承受更大的位移。典型地，MLS墊圈整合有至少一個凸緣區(qū)域以確保足夠的密封。
配合表面之間的這種移動導致作用層中的軸向運動，以及作用層和任何鄰接表面之間的微動。該運動需要凸緣區(qū)域中的最小耐久性以確保墊圈可在配合表面之間反復密封。
具有凸緣區(qū)域的層(還稱作″作用″層)在密封表面上施加壓力以確保足夠的密封。通常，表面壓力越高，密封作用或密封性能越好。密封于汽缸蓋組件和汽缸體之間的MLS墊圈典型地暴露在通常超過1600℉的溫度下。
用于作用層的材料的選擇通常由于所需硬度、耐久性、彈簧剛度、延展性、軟化點及其它特征而受到限制。通常來講，通過考慮所用材料的可用的所需性質(zhì)來選擇材料。
用于MLS墊圈的作用層的典型材料為301不銹鋼(301SS)。301SS的拉伸強度為大約1350MPA到1600MPA，屈服強度為大約1050MPA到1250MPA。盡管301SS具有在發(fā)動機工作期間保持足夠性能的能力，人們還是尋求改進材料以提高墊圈可密封性、可靠性和/或抵抗配合表面之間增大的位移的能力。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及用于MLS墊圈的材料，所述材料的屈服強度大于拉伸強度的大約90％。拉伸強度為大約1000MPA到大約1150MPA。



現(xiàn)在將參照附圖以舉例方式對本發(fā)明進行描述，其中 圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的多層鋼制汽缸蓋墊圈的局部視圖。
圖2是沿直線2-2剖開的圖1中墊圈的剖視圖，其中為清楚起見各層分離。

具體實施例方式 圖1顯示了金屬墊圈20的實施例，所述金屬墊圈為汽缸蓋墊圈。墊圈20位于內(nèi)燃機的汽缸蓋組件(未顯示)和汽缸體(未顯示)的配合表面之間。墊圈20包括至少一個金屬層24。如圖所示，只顯示了最上面的金屬層24。每個金屬層24由多個汽缸孔26、螺栓孔28和套筒(jacket)孔30界定。每個套筒孔30可以輸送冷卻流體或潤滑流體。金屬層24布置為使孔26、28和30大致對準。
圖2圖解說明了墊圈20還包括第二金屬層32。第二金屬層32包括第一表面36、第二表面38和汽缸區(qū)域表面40。第二金屬層32還顯示為包括凸緣區(qū)域46和止動區(qū)域48。如圖所示，第二金屬層32沿徑向R延伸，其中凸緣區(qū)域46和止動區(qū)域48具有沿軸向A延伸的部分。第二金屬層32作為作用層，如下面更詳細描述的那樣。
在安裝圖1和2所示墊圈的過程中，凸緣區(qū)域46沿軸向A部分地壓縮，從而使凸緣區(qū)域46沿軸向A縮短，并且凸緣區(qū)域46的一部分沿徑向R進行一些移動。在發(fā)動機工作期間，配合表面之間沿軸向A的相對運動要求凸緣區(qū)域46的一部分沿軸向A彈性移動，以便適當?shù)孛芊馀浜媳砻?。凸緣區(qū)域46沿軸向A的這種彈性運動導致凸緣區(qū)域46的一部分相對于與第一表面36和第二表面38接觸的表面沿徑向R產(chǎn)生微動。當凸緣區(qū)域46在整個凸緣區(qū)域46范圍內(nèi)不具有足夠的強度時，可能會發(fā)生開裂和微振磨損。
為了改進作用層，例如第二金屬層32中所用材料的所需物理性能，人們進行理論模擬以確定用于凸緣區(qū)域46的希望性能。由于金屬的許多物理性能在溫度超過幾百度F時發(fā)生變化，一些物理性能隨其他因素發(fā)生變化，因此材料選擇由于各種競爭因素而變得復雜。
這些競爭因素之一為內(nèi)應力。為了提高耐久性，應當減小內(nèi)應力。但是，為了提高密封作用，應當增大內(nèi)應力，以相應地增大凸緣區(qū)域46沿軸向A施加的表面壓力。
由發(fā)明人執(zhí)行的用于優(yōu)化凸緣區(qū)域46物理性能的計算機模擬指出，在耐久性和密封作用兩者都得到優(yōu)化的墊圈中將產(chǎn)生大約1000MPA(145ksi)到大約1150MPA(166ksi)的拉伸強度(在大約70℉下)和至少為拉伸強度的大約90％的屈服強度。優(yōu)選地，材料在墊圈工作溫度下將保持這些相應強度的大約70％。這些性質(zhì)通過將內(nèi)應力保持為確保足夠密封作用的最小值而得以確定。
對屈服強度為拉伸強度90％以內(nèi)的材料進行試驗，但是這些材料具有低于1000MPA的拉伸強度。利用這些材料制造的墊圈具有足夠的耐久性，但是密封性能不能滿足希望的試驗要求。希望使用在拉伸強度和屈服強度兩方面都大于試驗材料的材料制造具有所需耐久性和密封性能的墊圈。
優(yōu)選地，用于第二金屬層32的材料為不銹鋼，包括奧氏體、馬氏體和鐵素體不銹鋼，但是也可以使用在工作溫度下保持這些所需性質(zhì)的其他材料，例如Inconel。
盡管已經(jīng)參照包括本發(fā)明優(yōu)選實施方式的特定實例對本發(fā)明進行了描述，但是本領域的技術人員應當認識到，如所附權利要求中所述，在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)存在許多上述系統(tǒng)和方法的變形和變更。
權利要求
1.一種用于多層鋼制墊圈的材料，包括
大約1000MPA到大約1150MPA范圍內(nèi)的預定拉伸強度；和
預定范圍的屈服強度，其中所述屈服強度大于所述拉伸強度的大約90％。
全文摘要
一種供墊圈中使用的改進材料，包括大約1000MPA到大約1150MPA的拉伸強度，和至少為所述拉伸強度的大約90％的屈服強度。
文檔編號F16J15/08GK101147016SQ200680006037
公開日2008年3月19日 申請日期2006年2月16日 優(yōu)先權日2005年2月25日
發(fā)明者F·波皮拉斯 申請人:達納公司