在粉末金屬零件上形成流體屏障並提高其耐磨性的方法
2023-05-07 13:51:11 2
專利名稱：在粉末金屬零件上形成流體屏障並提高其耐磨性的方法
技術領域：
本發明總體上涉及改善金屬部件的耐用性，更具體地涉及在粉末金屬零件上形成
流體屏障並提高其耐磨性的方法。
背景技術：
凸輪軸蓋固定凸輪軸杆的位置並且防止其在發動機運轉期間橫向和豎直移位。 旋轉凸輪的凸輪軸止推面會摩擦凸輪軸蓋的止推槽。因為凸輪軸蓋通常由粉末金屬鋁合 金——一種價格較低廉但彈性較差的材料——製成，所以凸輪軸蓋的止推槽由於受到凸輪 的凸輪軸止推面的反覆摩擦作用而易於損壞。凸輪軸蓋的止推槽的過度磨損會導致旋轉凸 輪的擺動，對於車輛駕駛員，這引起凸輪軸位置傳感器故障和失效。現有技術中防止凸輪軸 蓋過度磨損的方法包括，對凸輪的凸輪軸止推面的磨削方法的改變、對凸輪軸止推面的表 面拋光的改變以及對凸輪軸蓋進行熱處理，例如T6處理，但是這些方法通常都成本高昂且 只得到有限的成功和不一致的結果。
發明內容
正是針對上述背景技術，本發明提供一種在粉末金屬零件上形成流體屏障並提高 其耐磨性的方法。 根據一個示例性實施例，在粉末金屬零件上形成流體屏障的方法包括提供模製 的粉末金屬零件；向模製粉末金屬零件的指定部分施加流體不可滲過的材料以形成模製粉 末金屬複合體；將模製粉末金屬複合體燒結成使流體不可滲過的材料和模製粉末金屬零件 的指定部分至少部分地成一體；以及，冷卻模製粉末金屬複合體，使得流體不可滲過的材料 在模製粉末金屬零件的指定部分上形成一體的流體屏障。 可選地，流體不可滲過的材料可具有厚達約2. 0毫米的厚度。流體不可滲過的材 料可包括鋁基材料或鐵基材料。鋁基流體不可滲過的材料可選擇性地在模製粉末金屬零件 的指定部分上形成一體的流體屏障之後被陽極化以提高其耐磨性。模製粉末金屬零件可包 括凸輪軸蓋，其指定部分可包括凸輪軸蓋的止推槽。 根據另一示例性實施例，在粉末金屬零件上形成流體屏障的方法包括提供模製 粉末金屬零件；以及，在壓力下向模製粉末金屬零件的指定部分施加流體不可滲過的材料， 例如在下側有壓敏粘結劑的金屬箔，以便在模製粉末金屬零件的指定部分上形成一體的流 體屏障。 可選地，流體不可滲過的材料可具有厚達約2. 0毫米的厚度。流體不可滲過的材 料可包括鋁基材料。該方法還可包括對施加在模製粉末金屬零件的指定部分上的、在該模 制粉末金屬零件的指定部分上形成一體的流體屏障的鋁基流體不可滲過的材料的上表面 進行陽極化，以提高其耐磨性。可替代地，流體不可滲過的材料可以是具有厚達約0. 25毫 米厚度的箔帶，其可在從約-60華氏度到約600華氏度變化的溫度範圍內保持其對模製粉 末金屬零件的粘結。在向模製粉末金屬零件的指定部分施加流體不可滲過的材料之前，可提供具有與該模製粉末金屬零件的指定部分的一個或多個尺寸互補的一個或多個尺寸的
流體不可滲過的材料。模製粉末金屬零件可包括凸輪軸蓋，其指定部分可包括凸輪軸蓋的 止推槽。 根據又一示例性實施例，在粉末金屬鋁凸輪軸蓋上形成流體屏障並提高其耐磨性 的方法包括提供粉末金屬鋁凸輪軸蓋；向粉末金屬鋁凸輪軸蓋的止推槽施加流體不可滲 過的材料以形成凸輪軸蓋複合體，例如通過類似按壓或壓印的操作，並隨後對凸輪軸蓋復 合體進行燒結操作使流體不可滲過的材料與粉末金屬鋁凸輪軸蓋的止推槽至少部分地成 一體，使得流體不可滲過的材料(例如具有適當大小、厚度和幾何結構的金屬板)在粉末金 屬鋁凸輪軸蓋的止推槽上形成一體的流體屏障。由此，粉末金屬鋁凸輪軸蓋的止推槽現在 既是流體不可滲過的又能被陽極化，其中，陽極化後的流體不可滲過的材料能提供止推槽 的所需耐磨性。這樣，該方法還可包括對至少部分地與粉末金屬鋁凸輪軸蓋的止推槽一體 化且在止推槽上形成一體的流體屏障的流體不可滲過的材料的上表面進行陽極化，以提高 其耐磨性。 可選地，流體不可滲過的材料可包括鋁基材料。鋁基流體不可滲過的材料可具有 在約0. 25毫米與約2. 0毫米之間的厚度。在向粉末金屬鋁凸輪軸蓋的止推槽施加流體不 可滲過的材料之前，可提供具有與該粉末金屬鋁凸輪軸蓋的止推槽的一個或多個尺寸互補 的一個或多個尺寸的流體不可滲過的材料。可以通過使用單次按壓和燒結操作來實現向止 推槽施加流體不可滲過的材料，或者，如果需要或期望，可通過採用二次按壓和二次燒結操 作來實現，其中，第二次按壓操作可用於將適當尺寸的金屬板按壓到粉末金屬鋁凸輪軸蓋 的止推槽中。
結合附圖可以最好地理解下面對特定實施例的詳細描述，在附圖中，相似的結構 用相似的附圖標記表示，並且其中 圖1A是根據本發明的一個實施例的凸輪軸蓋的視圖；
圖1B是圖1A所示凸輪軸蓋的止推槽的放大視圖； 圖2A是根據本發明的另一個實施例的流體不可滲過的材料的側視斷面圖；以及
圖2B是根據本發明的另一個實施例的包括壓敏粘結劑的流體不可滲過的材料的 側視斷面圖。
具體實施例方式
附圖中所陳述的這些實施例本質上是說明性的，並不意圖限制由權利要求所限定 的實施例。而且，通過隨後的詳細描述可以更充分地清楚和理解這些附圖和實施例的各個 方面。 在粉末金屬零件的一個或多個外表面上形成的流體屏障可防止流體滲透通過粉
末金屬零件的這些外表面。由此，經常由流體暴露和滲透引起的粉末金屬零件的腐蝕被流
體屏障顯著地抑制。此外，通過對形成該流體屏障的流體不可滲過的材料進行陽極化，可以
提高粉末金屬零件的耐磨性。這樣，可以大大提高粉末金屬零件的工作壽命。 在一個示例性實施例中，在粉末金屬零件上形成流體屏障的方法首先包括提供模製粉末金屬零件。可以由執行該方法的同一方製造該模製粉末金屬零件，或者可從第三方 獲得。通常以適於最終用途的模製形式提供該模製粉末金屬零件。該模製粉末金屬零件可 包括通過一種或多種任何類型的粉末金屬成形工藝形成的任何一個或多個部件。 一旦提供 了模製粉末金屬零件，該方法包括向該模製粉末金屬零件的指定部分施加流體不可滲過的 材料。可以設想，該流體不可滲過的材料可具有高於該模製粉末金屬零件的密度的密度。這 樣，在該模製粉末金屬零件的指定部分上施加流體不可滲過的材料後，較高密度的流體不 可滲過的材料可防止流體滲入較低密度的模製粉末金屬零件中。 分別在圖2A和圖2B中示出的流體不可滲過的材料14/14'，可包括鋁基材料、鐵 基材料或其它金屬基材料中的至少一種。更具體地說，流體不可滲過的材料14/14'可以是 鋁基箔、鐵基箔或其它金屬基箔。流體不可滲過的材料14/14'可具有足以實現本文所述目 的的任何厚度。例如，但不作為限制，流體不可滲過的材料14/14'的厚度可達到約2.0毫 米，或者甚至達到約3. 0毫米或更大。同時，模製粉末金屬零件的指定部分通常具有其外表 面。本文所用的〃 外表面〃 指的是模製粉末金屬零件的暴露表面的至少一部分，其可能會 遭受流體和/或摩擦接觸。模製粉末金屬零件的指定部分的外表面通常相對於該模製粉末 金屬零件的另一外表面具有凹入深度，在其中可施加流體不可滲過的材料。這樣，流體不可 滲過的材料14/14'通常被施加到模製粉末金屬零件的外表面的凹入部分；然而，流體不 可滲過的材料不需要一定被施加到模製粉末金屬零件的外表面的凹入部分。
流體不可滲過的材料14/14'可以通過一種或多種任何類型的工藝被施加到模製 粉末金屬零件的指定部分。例如，在一個實施例，流體不可滲過的材料14/14'可以通過壓 印(coining)工藝被施加到模製粉末金屬零件的指定部分。在另一示例性實施例中，流體 不可滲過的材料14/14'可以通過相對低壓按壓工藝被施加到模製粉末金屬零件的指定部 分。不管流體不可滲過的材料14/14'是如何被施加到模製粉末金屬零件的指定部分，該模 制粉末金屬零件和所施加的流體不可滲過的材料形成模製粉末金屬複合體。
當沒有粘結劑背襯的流體不可滲過的材料14被施加到模製粉末金屬零件的指定 部分以形成模製粉末金屬複合體時，該方法通常還包括燒結該模製粉末金屬複合體。模製 粉末金屬複合體可被燒結從而確保流體不可滲過的材料14與其下方的模製粉末金屬零件 的指定部分之間充分結合。所用的燒結溫度可取決於形成模製粉末金屬零件所採用的粉末 金屬合金系配方。例如，就鋁基合金而言，燒結溫度通常至少為約900華氏度，並且通常甚 至經常高於約1000華氏度。此外，所選擇的流體不可滲過的材料14可取決於模製粉末金 屬零件的基底粉末金屬組分的化學性質，以便允許在流體不可滲過的材料14與模製粉末 金屬零件之間產生結合，同時保持它們各自的結構形狀，不同於滲透所用的材料。這樣，流 體不可滲過的材料14與形成模製粉末金屬零件的粉末金屬相比，通常具有更高的熔點，以 便該流體不可滲過的材料14不會在燒結操作期間熔化並且能夠保持其流體不可滲過的特 性和防止流體滲入模製粉末金屬零件的指定部分。此外，為了促進和確保流體不可滲過的 材料14與模製粉末金屬零件之間的充分結合，在燒結操作期間，可以通過按壓操作施加足 夠大的載荷壓力到該模製粉末金屬複合體的適當位置，例如在施加於模製粉末金屬零件的 指定部分的流體不可滲過的材料14的上表面16上。 此後，該方法包括冷卻模製粉末金屬複合體。由此，流體不可滲過的材料14與模 制粉末金屬零件的指定部分結合，使得流體不可滲過的材料14在模製粉末金屬零件的指定部分上形成一體的流體屏障。模製粉末金屬複合體可被冷卻到足以實現流體不可滲過的 材料14與模製粉末金屬零件的指定部分的至少部分一體化的任何適當溫度。這可包括冷
卻模製粉末金屬複合體到室溫，或其它環境溫度，或冷卻至比周圍環境溫度更高或更低的 溫度。 在另一示例性實施例中，在粉末金屬零件上形成流體屏障的方法包括提供模製粉 末金屬零件和在壓力下施加流體不可滲過的材料14'到模製粉末金屬零件的指定部分。這 樣，所施加的流體不可滲過的材料14'在模製粉末金屬零件的指定部分上形成流體屏障。 如圖2B所示，流體不可滲過的材料14'包括在向模製粉末金屬零件的指定部分施加流體 不可滲過的材料14'時粘附到其上的壓敏粘結劑18。 流體不可滲過的材料14'可以是箔帶並且可具有厚達約0.25毫米的厚度。該箔 帶通常可在從約-60華氏度到約600華氏度變化的溫度範圍內保持其對模製粉末金屬零件 的粘結。 通常，在向模製粉末金屬零件的指定部分施加流體不可滲過的材料14/14'之前， 提供具有與該模製粉末金屬零件的指定部分的一個或多個尺寸互補的一個或多個尺寸的
流體不可滲過的材料14/14'。這樣，流體不可滲過的材料14/14'可具有與模製粉末金屬 零件的指定部分的尺寸互補的尺寸。向流體不可滲過的材料14/14'提供所需尺寸可以在 其製造過程中、恰在施加到模製粉末金屬零件的指定部分之前、或其它時候實現。此外，可 以通過機械或手工切割或其它方式向流體不可滲過的材料14/14'提供所需尺寸。
此外，因為鋁和鋁基合金材料是通常適於陽極化處理的材料，所以可對鋁基流體 不可滲過的材料14/14'進行陽極化以提高其耐磨性。例如，但不作為限制，如果模製粉末 金屬零件的密度小於理論值的95%，那麼可以通過燒結操作或按壓操作來施加鋁基流體 不可滲過的材料14/14'到該模製粉末金屬零件的指定部分。此後，流體不可滲過的材料 14/14'的上表面16/16'可被陽極化從而進一步提高該指定部分的耐磨性。陽極化受到 流體屏障保護的粉末金屬零件的指定部分可取決於模製粉末金屬零件的性能要求，包括但 不局限於，該模製粉末金屬零件的抑制腐蝕性能、較高的表面硬度、改善的潤滑油滯留能力 以及增強的耐磨性。通常，但不是必然，適於陽極化的鋁基流體不可滲過的材料14/14'分 別具有在約0. 25毫米與約3. 0毫米之間的厚度，或者更大的厚度。流體不可滲過的材料 14/14'的實際厚度可取決於模製粉末金屬零件的具體應用，以及通常足以進行陽極化處 理所需的流體不可滲過的材料的厚度。 在一個示例性實施例中，可以在施加鋁基流體不可滲過的材料14/14'到模製粉
末金屬零件的指定部分之前，對該鋁基流體不可滲過的材料14/14'進行陽極化，只要陽極
化後的流體不可滲過的材料14/14'無論如何都不太可能因為按壓、燒結、結合和/或冷卻
操作而開裂或損壞。可替代地，在另一示例性實施例中，在粉末金屬零件上形成流體屏障的
方法還包括對在該模製粉末金屬零件的指定部分上形成一體的流體屏障的鋁基流體不可
滲過的材料14/14'的各自上表面16/16'進行陽極化。鋁基流體不可滲過的材料14/14'
的這種陽極化可以選擇性地進行，使得模製粉末金屬零件不會也被陽極化。 如上所述，可以設想，模製粉末金屬零件可包括通過一種或多種任何類型的粉末
金屬成形工藝形成的任何一個或多個部件。在如圖1A和圖1B所示的一個示例性實施例中，
模製粉末金屬零件包括凸輪軸蓋10，該模製粉末金屬零件的指定部分包括形成在該模製粉末金屬凸輪軸蓋10中的止推槽12。通常，但不是必然，模製粉末金屬凸輪軸蓋包括鋁基材
料，例如但不限於，鋁合金。完成了在粉末金屬零件上形成流體屏障的方法的實施例，可通
過向凸輪軸蓋10的止推槽12施加流體不可滲過的材料而使其免於流體滲透。 將流體不可滲過的材料——對其可能進行陽極化——施加到粉末金屬凸輪軸蓋，
會得到具有發動機運轉所需的摩擦學性能的凸輪軸蓋，通常與用於製成凸輪軸蓋的基底粉
末金屬或粉末金屬合金的品質無關。如本文所述，具有所需厚度的鋁基流體不可滲過的材
料，或其它金屬基流體不可滲過的材料可被施加到止推槽，然後可選擇性地對其進行陽極
化以進一步抑制腐蝕和增大其硬度並由此提高凸輪軸蓋的止推槽的耐磨性。這樣，通常具
有較多孔隙的外表面的較廉價基底粉末金屬和/或粉末金屬合金，可用來製成粉末金屬凸
輪軸蓋，該粉末金屬凸輪軸蓋可至少局部地覆蓋著流體不可滲過的材料以提供流體屏障，
該流體不可滲過的材料可進一步被陽極化以提高其耐磨性，並且因此，提高粉末金屬凸輪
軸蓋的工作壽命。此外，因為粉末金屬凸輪軸蓋通常由使用不同品質粉末金屬和生產方法
的若干廠商製造，因此容易在耐磨性方面有所不同，而通過應用本文所述的方法的實施例，
各種粉末金屬凸輪軸蓋的耐磨性可以做得相對一致和可預測。 應當注意，本文對被〃 配置成〃 特定方式或體現特定性能或以特定方式工作的實 施例部件的陳述是結構性陳述，而不是預定用途的陳述。更具體地說，本文對部件的"配置" 方式的提及表示該部件的現有物理狀態，因此應該只被看作對該部件的結構特性的明確陳 述。 應當注意，像本文所用的〃 通常〃 和〃 典型地〃 等術語並不用於限制所要求保護 的實施例的範圍或暗示某些特徵對所要求保護的實施例的結構或功能是關鍵的、必需的或 甚至是重要的。相反，這些術語僅僅用於確定實施例的特定方面或強調可用於或不可用於 特定實施例中的可替代或附加特徵。 為了在本文中描述和限定實施例，應當注意，本文所用的術語〃 基本上〃 和〃 約〃 是代表可歸因於任何數量比較、數值、測量或其它表達的固有不確定度。本文所用的術 語〃 基本上〃 和〃 約〃 還代表數量表達可不同於規定基準但不導致主題基本功能有爭議 的變化的程度。 已經參照本發明的特定實施例詳細描述了本發明的實施例，很顯然，在不脫離所 附的權利要求所限定的實施例的範圍的情況下，可以進行修改和變化。更具體地說，儘管本 文將本發明的實施例的一些方面確定為優選或特別有利的，但可以設想，本發明的實施例 未必限定於這些優選方面。
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權利要求
一種在粉末金屬零件上形成流體屏障的方法，所述方法包括提供模製粉末金屬零件；向所述模製粉末金屬零件的指定部分施加流體不可滲過的材料以形成模製粉末金屬複合體；將所述模製粉末金屬複合體燒結成使所述流體不可滲過的材料和所述模製粉末金屬零件的所述指定部分至少部分地成一體；以及冷卻所述模製粉末金屬複合體，使得所述流體不可滲過的材料在所述模製粉末金屬零件的所述指定部分上形成一體的流體屏障。
2. 如權利要求1所述的方法，其中，所述流體不可滲過的材料具有厚達約2. 0毫米的厚度。
3. 如權利要求1所述的方法，其中，所述流體不可滲過的材料包括鋁基材料。
4. 如權利要求3所述的方法，其中，所述鋁基流體不可滲過的材料在施加到所述模製粉末金屬零件的所述指定部分上之前被陽極化以提高其耐磨性。
5. 如權利要求3所述的方法，其中，所述方法還包括對至少部分地與所述模製粉末金屬零件的所述指定部分一體化且在所述指定部分上形成一體的流體屏障的鋁基流體不可滲過的材料的上表面進行陽極化，以提高其耐磨性。
6. 如權利要求1所述的方法，其中，所述流體不可滲過的材料包括鐵基材料。
7. 如權利要求1所述的方法，其中，所述模製粉末金屬零件包括凸輪軸蓋，其指定部分包括所述凸輪軸蓋的止推槽。
8. —種在粉末金屬零件上形成流體屏障的方法，所述方法包括提供模製粉末金屬零件；以及在壓力下向所述模製粉末金屬零件的指定部分施加流體不可滲過的材料，以便在所述模製粉末金屬零件的所述指定部分上形成一體的流體屏障，其中，所述流體不可滲過的材料包括壓敏粘結劑，在將所述流體不可滲過的材料施加到所述模製粉末金屬零件的所述指定部分上時所述壓敏粘結劑粘附於所述指定部分上。
9. 如權利要求8所述的方法，其中，所述流體不可滲過的材料具有厚達約2. O毫米的厚度。
10. 如權利要求8所述的方法，其中，所述流體不可滲過的材料包括鋁基材料。
11. 如權利要求io所述的方法，其中，所述鋁基流體不可滲過的材料在其施加到所述模製粉末金屬零件的所述指定部分上之前被陽極化。
12. 如權利要求10所述的方法，其中，所述方法還包括對施加在所述模製粉末金屬零件的所述指定部分上且在所述模製粉末金屬零件的所述指定部分上形成一體的流體屏障的鋁基流體不可滲過的材料的上表面進行陽極化，以提高其耐磨性。
13. 如權利要求10所述的方法，其中，所述流體不可滲過的材料是具有厚達約0. 25毫米厚度的箔帶。
14. 如權利要求13所述的方法，其中，所述箔帶的壓敏粘結劑在從約-60華氏度到約600華氏度變化的溫度範圍內保持其對所述模製粉末金屬零件的粘結。
15. 如權利要求IO所述的方法，其中，在向所述模製粉末金屬零件的指定部分施加流體不可滲過的材料之前，提供具有與所述模製粉末金屬零件的指定部分的一個或多個尺寸互補的一個或多個尺寸的流體不可滲過的材料。
16. 如權利要求IO所述的方法，其中，所述模製粉末金屬零件包括凸輪軸蓋，其指定部 分包括所述凸輪軸蓋的止推槽。
17. —種在粉末金屬鋁凸輪軸蓋上形成流體屏障並提高其耐磨性的方法，所述方法包括提供粉末金屬鋁凸輪軸蓋；向所述粉末金屬鋁凸輪軸蓋的止推槽施加流體不可滲過的材料以形成凸輪軸蓋複合體；將所述凸輪軸蓋複合體燒結成使所述流體不可滲過的材料和所述粉末金屬鋁凸輪軸 蓋的所述止推槽至少部分地成一體；冷卻所述凸輪軸蓋複合體，使得所述流體不可滲過的材料在所述粉末金屬鋁凸輪軸蓋 的所述止推槽上形成一體的流體屏障；以及對至少部分地與所述粉末金屬鋁凸輪軸蓋的所述止推槽一體化且在所述止推槽上形 成一體的流體屏障的流體不可滲過的材料的上表面進行陽極化，以提高其耐磨性。
18. 如權利要求17所述的方法，其中，所述流體不可滲過的材料包括鋁基材料。
19. 如權利要求18所述的方法，其中，所述鋁基流體不可滲過的材料具有在約0. 25毫 米與約2.0毫米之間的厚度。
20. 如權利要求17所述的方法，其中，在向所述粉末金屬鋁凸輪軸蓋的所述止推槽施 加流體不可滲過的材料之前，提供具有與所述粉末金屬鋁凸輪軸蓋的所述止推槽的一個或 多個尺寸互補的一個或多個尺寸的流體不可滲過的材料。
全文摘要
本發明涉及一種在粉末金屬零件上形成流體屏障並提高其耐磨性的方法。該方法包括提供模製粉末金屬零件以及向該模製粉末金屬零件的指定部分施加流體不可滲過的材料以形成模製粉末金屬複合體。此後，該方法包括將模製粉末金屬複合體燒結成使流體不可滲過的材料和模製粉末金屬零件的指定部分至少部分地成一體。此外，該方法包括冷卻模製粉末金屬複合體，使得流體不可滲過的材料在模製粉末金屬零件的指定部分上形成流體屏障。該方法還包括對至少部分地與模製粉末金屬零件的指定部分一體化且在該指定部分上形成流體屏障的流體不可滲過的材料的上表面進行陽極化，以提高其耐磨性。
文檔編號B22F7/08GK101722309SQ20091017929
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月13日 優先權日2008年10月13日
發明者S·G·沃凱德 申請人:通用汽車環球科技運作公司