本發(fā)明涉及用第一材料和第二材料制造閥座環(huán)的方法。本發(fā)明額外涉及根據(jù)所述方法制造的閥座環(huán)。

背景技術：

在Thomazic,A…Kamdem,Y.:“通過傳統(tǒng)的粉末冶金的雙材料成分的制造”，PM2010世界冶金大會-用于改善PM II的工具-設計測試&評估；Bouvard,Didier(Grenoble INP/CNRS)“通過傳統(tǒng)的粉末冶金的雙材料成分的制造”，Vol.5,p.25，全部描述了雙材料的粉末冶金制造，即，由兩種不同的材料構(gòu)成的部件。因此，能夠?qū)煞N不同的材料相繼地填充到空腔中并且隨后將這些共同處理為可控體(坯體)。在已描述的情況中，鐵基WC硬金屬(WC-Fe)的硬且固態(tài)的成分被用作第一材料，并且堅韌的鐵基材料(Fe)用作第二材料。在例如WC-Fe的情況下處于600MPa的壓縮導致69％TD的坯材密度，并且在富鐵材料的情況下為74％TD(TD：材料的理論密度)。在600MPa的接合單軸沖壓后，成型體被創(chuàng)建，這在燒結(jié)之后允許兩種材料的復合。為了評估沖壓預備的顆粒的適合性并且為了理解兩種材料的復合物的形成，密度曲線被測量。一方面所選擇的粉末復合物被選擇以便初始的材料密度只是略微不同，并且在燒結(jié)期間這些增加至大致與密度端值相同。

能夠觀察到密度改變的曲線在中間溫度的范圍中明顯不同。必然地，這必然導致兩種材料的結(jié)合區(qū)域中的機械應力。

而且描述了相關的兩種材料首先在層壓體的創(chuàng)建期間被填充到空腔中，這指示了材料與模具之間的材料相互作用。

然而，沖壓之后的密度分布的評估以及在燒結(jié)之后的成分中觀察到的裂縫示出了由兩種材料制造閥座環(huán)的粉體技術在技術上能夠掌握只是具有難度。然而，存在許多應用，其中這樣的材料結(jié)合會提供技術上的益處。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明因此解決如下問題：說明一種改進的方法，通過該方法閥座環(huán)能夠由兩種材料制造，而不具有現(xiàn)有技術中已知的缺點。

根據(jù)本發(fā)明，所述問題通過獨立權(quán)利要求1的主題解決。有益的實施例為從屬權(quán)利要求的主題。

本發(fā)明基于如下的主要構(gòu)思：首先選擇功能材料制造閥座環(huán)，所述功能材料作為閥座環(huán)已經(jīng)得到了證明，特別是在內(nèi)燃機的汽缸蓋中的惡劣的條件下。在下一個步驟中，選擇第二材料，其在粉體技術加工中-特別是通過燒結(jié)-允許在接合區(qū)域中與第一材料結(jié)合而沒有損壞，并且由于其機械性能，諸如足夠的耐熱性，類似的膨脹系數(shù)等，而能夠用作第一(功能)材料的載體。在根據(jù)本發(fā)明的閥座環(huán)中，由兩種材料制造出高質(zhì)量的粉末和顆粒，提供了技術上的前提條件以通過沖壓和燒結(jié)將相應的雙材料制造為層部件。根據(jù)本發(fā)明，第一材料包括大約15至30％的重量的鉬、大于5至30％的鉻、0至5％的重量的硅、0至2％的重量的碳、和達到5％的重量的其他元素以及其余比例的鈷，并且第二材料包括大約10至12％的重量的鉻、0.4至0.8％的重量的錳、0.5至1％的重量的硅、0.5至0.9％的重量的碳、大約3％的重量的其他元素以及其余的鐵。

通過對金屬熔體進行霧化來制造兩種材料，其結(jié)果是它們達到大約5至13μm的平均顆粒尺寸。在此之后，粉末狀的材料分別被加工為具有基本上小于300μm，優(yōu)選小于150μm，并且大于15μm的顆粒尺寸的可流動的顆粒，特別是通過流化床造粒(fluidised bed granulation)、噴霧干燥或篩選造粒(spray drying or screen granulation)的方式處理，其中1至5％，特別是4％的重量比例的處于長鏈烴(烷烴)的形式的有機沖壓添加劑，這在內(nèi)部使顆粒結(jié)合并且同時有助于粉末顆粒彼此的滑離以及關于沖壓模具的壁被引入。兩種顆粒現(xiàn)在被相繼填充到?jīng)_壓工具中并且隨后在單個軸中以400<p<700MPa的壓力沖壓，在此期間有機沖壓添加劑通過以50℃<t<700℃的加熱而被移除。閥座環(huán)現(xiàn)在被預燒結(jié)并且隨后最終燒結(jié)，其中預燒結(jié)特別是以1110℃<t<1130℃的溫度執(zhí)行，并且隨后以大約1240℃的溫度最終燒結(jié)。

在特別優(yōu)選的實施例中，包括如下元素的合金被選擇為第一材料：23％的重量的鉬、16％的重量的鉻、1％的重量的硅、2％的重量的鐵、0.5％的重量的碳、大約3％的重量的其他元素以及其余為鈷。作為第二材料，選擇包含11％的重量的鉻、0.6％的重量的錳、0.7％的重量的硅，0.7％的重量的碳、大約2％ 的重量的其他元素以及其余為鐵的合金。這些通過已知的方法使用通過將金屬熔體霧化而獲得的大約5至13μm的平均顆粒尺寸而被加工為高質(zhì)量的粉末。一旦這些粉末已經(jīng)被加工為可自由流動的顆粒(填充密度：大約2.4g/cm³；顆粒尺寸：<150μm(100目)并且優(yōu)選大于15μm，具有1至5％的重量比例的有機物成分(沖壓添加劑))，兩種粉末被相繼填充到?jīng)_壓工具(環(huán))中并且隨后以400至700MPa的壓力p接合地單軸沖壓。根據(jù)所使用的沖壓壓力，它們在65至大約80％TD(TD：材料的理論密度)的各個層中達到相對的材料密度。為了制造這樣的對應于最小應用需要(高強度、沒有開放的孔隙率)的材料，它們首先從結(jié)合劑中釋放(移除有機添加劑，特別是在從50℃至大約700℃的溫度范圍中的沖壓輔助)并且燒結(jié)以便兩種成分至少達到93％TD(TD：材料的理論密度)的密度。為了使其得到確保，需要大約6至12％的線性收縮量。在“燒結(jié)”期間，顆粒更加靠近地移動到一起并且保持在該位置。這通過在所有空間方向上改變長度來完成，在此改變6至12％。通過同樣的質(zhì)量(結(jié)合劑被移除)，容積被減小并且因此將密度增加至所述的93％TD的數(shù)值。在該過程中，顆粒間的空腔(孔)被大大地減小7至0％，這對應于93至100％TD的密度。其中除了出現(xiàn)在材料之間的該界面，所述界面不具有任何破壞(裂縫、硬或脆的結(jié)合)，實現(xiàn)了來自兩種不同材料的閥座環(huán)的可靠的粉體技術制造。

除了雙材料成分的實際制造，上述的鈷基合金材料與鐵基材料的結(jié)合額外地提供了出乎意料并且因此關于根據(jù)現(xiàn)有技術的由鈷合金支撐的鑄造閥座環(huán)的技術上使用的版本的意想不到的益處。通過這些材料的精良的結(jié)合，即“簡單、花費有效、低耐熱性”和“復雜、昂貴和耐熱性”，這在線性熱膨脹系數(shù)(CTE)、導熱率(WLF)、彈性模量和剪切模量以及以期望的方式的應用溫度的區(qū)域中的蔓延特性方面是不同的，實現(xiàn)了相比于在過去已經(jīng)被認為是部分地適合應用的鑄造鈷基材料閥座環(huán)提供更好的功能特性。這在松弛性能的比較中-即，技術使用的過程期間閥座環(huán)的形狀和尺寸的改變，在相同運轉(zhuǎn)條件下的鈷基(鑄造或燒結(jié)的)上的純功能材料(第一材料)與燒結(jié)后的鈷基/鐵基閥座環(huán)(雙材料)的比較中得到了表明。

具體地，相比于純功能材料的閥座環(huán)的“重疊”通過所使用的結(jié)合材料較小苛刻地減小，這提供了相對于從由于松弛的結(jié)果的汽缸蓋的安裝孔的“沖突”(壓配合)更大的安全性。

在具體的情況中，例如在內(nèi)燃機的排氣閥的情況中，需要將閥座環(huán)(VSR)沖壓為預制的并且精確定位的汽缸蓋的孔。制造之后，閥座環(huán)具有限定的大直徑(+20至大約+80μm)-相比于孔-也稱作“重疊”。對于閥座環(huán)的安裝，閥座環(huán)例如冷卻至其“冷”直徑小于“暖”狀態(tài)下的孔的直徑。因此，其能夠容易地沖壓為準備好的孔。在閥座環(huán)和汽缸蓋的溫度的前提條件之后，閥座環(huán)以應力的預計算的狀態(tài)壓配合，并且因此相對于沖突是得到保證的。該應力在內(nèi)燃機的運轉(zhuǎn)期間由于熱流的復雜的負荷狀態(tài)而改變，這經(jīng)由閥和閥座環(huán)以熱膨脹系數(shù)(CTE)、彈性和剪切模量與導熱率以及剩余溫度-依靠的機械特性(強度、蔓延性能)流入到汽缸蓋中，并且以這種方式導致運轉(zhuǎn)期間形狀的所引起的應力的改變，此處也稱作松弛。通過該松弛，閥座環(huán)的剩余應力狀態(tài)改變，同時如在本發(fā)明中描述的，同類材料基本上不同于在層中構(gòu)成的材料。

本發(fā)明的進一步重要的特征和益處從屬權(quán)利要求、附圖以及在附圖的幫助下的相關附圖描述獲得。

可以理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，提到的特征以及那些留待在下文中說明的特征不僅能夠用于敘述的結(jié)合中，而且可用于其他的結(jié)合中或通過它們自身使用。

附圖說明

本發(fā)明優(yōu)選的示例性實施例示出在附圖中并且在接下來的描述中更加詳細地說明，其中相同的附圖標記指代相同的或相似的或者功能上等同的部件。在每種情況下示意性地示出有：

圖1示出了在去除結(jié)合劑之后/預燒結(jié)之后的分層壓縮的形式(右側(cè))與緊密燒結(jié)(左側(cè))之后的分層壓縮的形式的比較；鈷基合金(第一材料)位于頂部，鐵基(第二材料)位于底部，

圖2示出了燒結(jié)層復合物的結(jié)構(gòu)：鐵基材料(頂部)，鐵基與鈷基之間的過渡區(qū)域(中間)以及燒結(jié)之后的功能材料鈷基(底部)，

圖3示出了處于不同放大的鐵基材料(頂部)以及鐵基與燒結(jié)后的鈷基(底部)之間的過渡地帶，

圖4示出了燒結(jié)后的第一材料(鈷基)的非獨立(engine-based)松弛試驗，

圖5示出了鑄造鈷基材料的非獨立松弛試驗，

圖6示出了鈷基和不適合的鐵基材料之間的燒結(jié)后的復合材料的非獨立松弛試驗。

具體實施方式

復合物部件1，特別是閥座環(huán)4，能夠通過例如根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明制造：起初，通過將金屬熔體霧化并隨后填充到環(huán)形的沖壓工具φa＝50mm,φi＝35mm而獲得鈷基材料(第一材料2)和鐵基材料(第二材料3)的顆粒。為此目的，大約40g的鈷基顆粒和大約37g的鐵基顆粒被相繼填充到?jīng)_壓工具的空腔中并且以520MPa的壓力沖壓。以該壓力，鈷基粉末(第一材料2)達到5.85g/cm³(67％TD)的材料密度并且鐵基粉末(第二材料3)達到5.5g/cm³(70.5％TD)。

平行于根據(jù)本發(fā)明的閥座環(huán)4(分層的壓縮)，純粉末或者顆粒的成型體作為參考而制造，為了獲得關于自由燒結(jié)的信息-通過與復合物配對(composite partner)相互作用而沒有任何障礙。

在第一步驟中，在技術連續(xù)式爐(technical continuous furnace)(加熱：3至5K/min；燒結(jié)溫度：1110至1130℃；保持時間：大約25至35分鐘；氣氛：N2-H2(5至20％H2)，冷卻至室溫：5至10K/min)中進行有機添加劑的移除和成型體的“預燒結(jié)”。在第二步驟中，燒結(jié)完成(加熱：5至10K/min；最大溫度：1240℃；保持時間：50至60分鐘；冷卻至室溫：大約20至10K/min；氣氛：N2-H2(5至20％H2)：RT升至1100℃，真空：從1100至1240℃，冷卻：(5至20％H2))。

對鈷基參考樣本的評估產(chǎn)生了8.2至8.55g/cm³(94至大約98％TD)。硬度(HRC)合計為45和53。鐵基參考材料達到7.2至7.6g/cm³(92至97％TD)以及49至50的硬度值(HRC)，其中在兩種情況下差別歸因于位置以及因此的實際燒結(jié)溫度和起作用的燒結(jié)時間。

在燒結(jié)過程期間，層壓體(閥座環(huán)4)展現(xiàn)出形狀的改變。在已選擇的系統(tǒng)的情況下，發(fā)生從預燒結(jié)(1120℃)向緊密燒結(jié)(1240℃)的收縮量差別，這通過圖1中的相反的錐度可看出。預燒結(jié)之后(圖1右側(cè))，出現(xiàn)鐵基區(qū)域(第二材料3)的稍微更大的收縮量，緊密燒結(jié)之后，鈷基區(qū)域(第一材料2)的收縮量更大(圖1左側(cè))。

然而這也暗示了為了達到緊縮公差需要兩種粉末(材料2和3)的收縮量方式的更好的配合。不僅由于最終收縮量的差別，燒結(jié)期間的收縮量差別導致復合物部分1，特別是閥座環(huán)4的圓錐形變形。特別是在兩種材料2、3的不同的收縮量最大值(即，不同的收縮量曲線)期間，達到非可逆變形，這即使在相同的最終收縮量的情況下也會導致更大的公差。由于閥座環(huán)4能夠通過機加工由燒結(jié)體制造，所以錐度并不有助于限制提供根據(jù)本發(fā)明的功能。導致緊縮公差的燒結(jié)過程中的改進能夠為本發(fā)明的改進的主題。

在圖2和圖3中，示出了燒結(jié)后的閥座環(huán)4的結(jié)構(gòu)。圖2示出了第二材料3(鐵基，基本材料)與第一材料2(鈷基，功能材料)之間的邊界層只有大約50至100μm寬，并且示出了其沒有展現(xiàn)出任何損壞或臨界脆性相，這對于在機械和熱改變的負荷下的應用是特別重要的。如上所述，形成為閥座環(huán)4的復合物部分1必須被具有重疊地引入到汽缸蓋中。在運轉(zhuǎn)期間，熱流從閥/閥座環(huán)(VSR)移向汽缸蓋，這導致了閥座環(huán)4中的溫度梯度。在同類成分(非根據(jù)本發(fā)明)中，松弛從座區(qū)域向支撐區(qū)域減小，隨后在冷狀態(tài)下測量的移去的閥座環(huán)的重疊在支撐區(qū)域的方向上增加。

圖4描述了在430℃的測試溫度的燒結(jié)后的鈷基第一材料2上的改變。在熱區(qū)域(級別1)中，-33μm的總松弛是最大的，同時在測試后仍然保持50μm18μm的原始重疊。在平均溫度(級別2)的區(qū)域中，重疊仍然合計為29μm。在冷端(級別3)處，-12μm的總松弛是最低的，最終重疊是相當高的。

相比于燒結(jié)后的材料2(圖4)，圖5示出了關于相同成分的鑄造材料的結(jié)果。在此，材料出于意料地在全部測量位置(熱至冷或者級別1至3)中示出了更高的松弛。級別1的最終重疊合計為只有10μm，在冷區(qū)域中測試(移除)之后的重疊仍然合計為32μm。

在鐵基基體材料(此處)的不適合的材料特性的情況下，A17(材料序號：1.4542或者17-4PH)示出在圖6中，在全部溫度范圍中確定了更高的總松弛。在冷位置(級別3)中，重疊損失，這從負數(shù)值(-27μm)是明顯的。由于間隙中的腐蝕為臨界的并且關于汽缸蓋中的粘合劑的逐步損失是相同的。

相比于純燒結(jié)后的材料，用于功能材料2(在此為第一材料鈷基)和基本材料3(在此為第二材料，特別是鐵基材料)的燒結(jié)后的材料2、3的合適 的結(jié)合導致重疊條件的逆轉(zhuǎn)。相比于純燒結(jié)后的版本的18μm(圖4)以及鑄造版本的10μm(圖5)，第一材料2(移除后的功能材料)在冷側(cè)(級別1)的重疊仍然合計為26μm。因此確保了在所選擇的試驗條件下在復合物材料中，相比于根據(jù)現(xiàn)有技術的閥座環(huán)功能材料2具有在汽缸蓋中的更強的壓配合。

大體上，根據(jù)本發(fā)明的閥座環(huán)4能夠由具有大約15至30％的重量的鉬、大約5至30％的重量的鉻、0至5％的重量的硅、0至2％的重量的碳和達到5％的重量的其他元素以及剩余比例為鈷的第一材料2，和具有10至12％的重量的鉻、0.4至0.8％的重量的錳、0.5至1％的重量的硅、0.5至0.9％的重量的碳、大約3％的重量的其他元素以及其余為鐵的第二材料3制造，其中兩種材料2、3起初為霧化為金屬熔體直到它們具有大約5至13μm的平均顆粒尺寸。現(xiàn)在粉末狀的材料2、3隨后分別加工為具有基本上小于300μm(優(yōu)選小于150μm且大于15μm)的顆粒尺寸的可流動的顆粒，特別是通過流化床造粒(fluidised bed granulation)、噴霧干燥或篩選造粒(spray drying or screen granulation)，其中有機沖壓添加劑的重量比例達到1至5％，所述有機沖壓添加劑用作粉末顆粒與成型潤滑劑之間的結(jié)合劑被引入為長鏈烴(例如，烷烴)。兩種顆粒現(xiàn)在被相繼(即，首先是顆粒狀的第一材料2，并且隨后是顆粒狀的第二材料3)填充到?jīng)_壓工具中，并且隨后使用400<p<700MPa的沖壓壓力單軸地沖壓。有機沖壓添加劑通過以50℃<t<700℃的加熱而被移除，其中閥座環(huán)4起初被預燒結(jié)，特別是以1110℃<t<1130℃的溫度，并且隨后最終燒結(jié)，特別是以大約1240℃的溫度t。

在此，具有22至24％的重量的鉬、15至17％的重量的鉻、0.5至1.5％的重量的硅、1.5至2.5％的重量的鐵、0.3至1％的重量的碳、大約4％的重量的其他元素以及其余為鈷的合金能夠用于第一材料，特別是即使是具有23％的重量的鉬、16％的重量的鉻、1％的重量的硅、2％的重量的鐵、0.5％的重量的碳、大約3％的重量的其他元素以及其余為鈷的合金。

對于第二材料3，使用具有10至12％的重量的鉻、0.4至0.8％的重量的錳、0.5至1％的重量的硅、0.5至0.9％的重量的碳、大約3％的重量的其他元素以及其余為鐵的鋼，特別是具有11％的重量的鉻、0.6％的重量的錳、0.7％的重量的硅、0.7％的重量的碳、大約2％的重量的其他元素以及其余為鐵的合金。

顆粒在沖壓2中以520MPa的沖壓壓力沖壓，其中第一材料2被壓縮至大約5.85g/m³的密度，并且第二材料3被壓縮至大約5.5g/m³的密度。加工中的顆粒在沖壓工具中以如下方式?jīng)_壓：基于未燒結(jié)壓縮的第一材料2的相對密度從第二材料3的相對密度以最大±3％偏離。閥座環(huán)4在具有5％<H2<20％的比例的H2的N2-H2環(huán)境中預燒結(jié)大約25至35分鐘，并且在具有5％<H2<20％的H2的成分的N2-H2環(huán)境中最終燒結(jié)大約50至60分鐘。

在預燒結(jié)期間在該情況下加熱優(yōu)選以3至5℃/分鐘進行，并且冷卻至室溫以大約5至10℃/分鐘進行，然而在最終燒結(jié)期間加熱以5至10℃/分鐘進行并且冷卻至室溫以大約10至20℃/分鐘進行。在此，在真空下閥座環(huán)4在N2-H2環(huán)境中燒結(jié)至溫度T＝1100℃并且以1110℃<T<1240℃的溫度進行燒結(jié)。

以這種方式制造的根據(jù)本發(fā)明的閥座環(huán)4在-40℃<T<600℃之間的溫度范圍中具有如下特性：8.0至19.5μm/mK的熱膨脹，150至250GPa的彈性模量以及900至2000MPa的壓縮屈服強度。除此之外，閥座環(huán)4在軸向上的第一材料2的區(qū)域中具有線性收縮量，所述線性收縮量最大合計為所述第二材料3的區(qū)域中的線性收縮量的±2％。