專利名稱：用于鑄造部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及一種鑄造部件，更具體地涉及一種具有物理特性改進 的局部區(qū)域的鑄造部件。
背景技術(shù)：
鑄造部件常常根據(jù)其機械特性的限制進行設(shè)計以便利用強度與重量的
比率。由于尋求高的燃燒壓力和溫度，更加嚴格的排;^文需求也是一個起作 用的因素。由于鑄造材料、特別是工程應(yīng)用中的灰鑄鐵的物理特征，在部 件的某些區(qū)域中常常達到引起失效的熱疲勞極限。當(dāng)發(fā)生這種情況時，對 于部件的所有者來說修理鑄件和其它部件是困難且耗時的，經(jīng)常導(dǎo)致很長 的停工期和花費很大成本。對鑄件的修理通常包括通過機加工去除鑄件的 被損壞的部分，隨后通過焊接重建被損壞的區(qū)域。
易于被損壞的部件的示例是內(nèi)燃發(fā)動機的氣缸蓋。由于發(fā)動機的反復(fù) 加熱和冷卻，氣缸蓋常常達到其熱疲勞極限，并在開口附近、例如閥座、 燃料噴射器孔和排氣端口產(chǎn)生裂紋。與汽缸蓋相關(guān)的另一問題是翹曲。當(dāng) 發(fā)生翹曲時，氣缸蓋的下表面變得不平坦且不能合適地密封。 一些翹曲的 氣缸蓋可被銑削直到火側(cè)表面重新平坦為止。但是，銑削表面將減小汽缸 蓋的厚度，使得氣缸蓋更易于在將來發(fā)生操作性破壞。不能被銑平的氣釭 蓋通常被廢棄。
生產(chǎn)具有改進的氣缸蓋耐熱性的局部區(qū)域的鑄件的一個示例是授于
Raush等人的美國專利4，337,736 (，736專利)。，736專利公開了這樣一種 鑄鐵氣缸蓋，該鑄鐵氣缸蓋具有在閥橋區(qū)域周圍金屬性地(metallically) 結(jié)合到氣缸蓋以便在此區(qū)域內(nèi)提供強化的由抗熱疲勞合金材料制成的預(yù)成
4形工件。該預(yù)成型工件具有薄的可熔區(qū)段，當(dāng)熱的基材被澆鑄在所述可熔
區(qū)段上時，所述可熔區(qū)段發(fā)生熔化。盡管'736專利中公開了可提供抗熱 性改進的局部區(qū)域，但是它成本較高且應(yīng)用有限。 本發(fā)明旨在克服上述一個或多個問題。

發(fā)明內(nèi)容
應(yīng)當(dāng)理解，上文的總體描述和下文的詳細描述都僅僅是示例性和說明 性的，對要求保護的發(fā)明不構(gòu)成限制。
本發(fā)明的一個方面涉及一種生產(chǎn)部件的方法。該方法可包括形成包 含孔穴部分的部件，將該部件加熱至第一預(yù)定溫度，以及向孔穴部分中添 加一定量的熔融填充材料。然后該熔融填充材料可進一步加熱孔穴部分以 使填充材料化學(xué)地結(jié)合于孔穴部分。
本發(fā)明的另 一方面涉及部件自身。該部件可包括由第 一種材料制成的 第一部件部分，和由熔融填充材料制成的第二部件部分。第一部件部分可
制成帶有孔穴部分。熔融填充材料可被澆鑄到孔穴部分中，使得第二部件 部分化學(xué)地結(jié)合于第一部件部分。


附圖示出了本發(fā)明的多個示例性實施例，且和說明書一起用于解釋本 發(fā)明的原理，該附圖結(jié)合在此說明書中并形成說明書的一部分。在附圖中 圖l是根據(jù)本發(fā)明的實施例的氣缸蓋的下表面的正視圖； 圖la是圖1的氣缸蓋沿線la-la的剖視圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖1的氣缸蓋的第一部件部分的下表面 的正^L圖2a是圖2的第一部件部分沿線2a-2a的剖視圖2b是圖2的第一部件部分沿線2a-2a的包含壩和插塞的剖視圖2c是圖2的第一部件部分在添加第二部件部分后沿線2a-2a的剖視
5圖2d是圖2的第一部件部分在添加第二部件部分和去除壩和插塞后的 沿線2a-2a的剖一見圖；以及
圖3是描述^4t本發(fā)明的一個實施例生產(chǎn)部件的方法的流程圖。
具體實施例方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的部件的下(火側(cè))表面12的正視圖，在 此例中該部件是氣缸蓋10。氣缸蓋10可包括被結(jié)合層65分開的第一部件 部分15和第二部件部分60。在此情況下，氣缸蓋10可處于鑄造和一些機 加工之后的粗制狀態(tài)。除火側(cè)表面12和上表面(未示出)之外，該氣缸蓋 10還可包括多個側(cè)表面14?；饌?cè)表面12可鑄造成具有與每個氣缸(未示 出)相關(guān)聯(lián)的多個閥孔20。在最后機加工火側(cè)表面12、閥孔20和其它所 需的開口 、例如與每個氣缸(未示出)相關(guān)聯(lián)的燃料噴射器孔(未示出) 之后，可將火側(cè)表面12緊固于氣缸體(未示出)。
圖la是圖1的氣缸蓋10沿線la-la的剖視圖。閥孔20更清楚地顯示 為延伸通過第二部件部分60并進入第一部件部分15中。結(jié)合層65顯示為 代表在第一部件部分15和第二部件部分60之間的冶金的或化學(xué)的結(jié)合部。 盡管示出的是灰鑄鐵氣缸蓋10，但是應(yīng)當(dāng)指出本發(fā)明并不局限于用于由灰 鑄鐵鑄造的氣缸蓋IO,而是可以應(yīng)用到由例如為延性鐵、鍛鋼、低碳鋼、 不銹鋼、鋁等的各種其它金屬制成的鑄造和非鑄造部件。盡管第二部件部 分60也可以是灰鑄鐵，但是根據(jù)與第一部件部分60的兼容性，第二部件 部分60可以是多種其它材料中的任何一種，例如延性鐵、低碳鋼、不銹鋼、 因科鎳合金、鋁等。在第一部件部分15和第二部件部分60的基材相同的 情況下，第二部件部分60的微結(jié)構(gòu)與第一部件部分15可明顯不同，從而 使得物理特性不同。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的氣缸蓋10的第一部件部分15的下表面 的正視圖?？稍诘谝徊考糠?5中生成多個孔穴部分30。圖2a是圖2的 第一部件部分15沿線2a-2a的剖視圖。該剖視圖更清晰地顯示出鑄造在氣 缸蓋10中的孔穴部分30和閥孔20?？籽ú糠?0可構(gòu)造為接納一定量的熔融填充材料以便形成第二部件部分60。當(dāng)熔融填充材料形成笫二部件部 分60時，在整個說明書和附圖中這些術(shù)語可互換。
下面參考附圖3，其中提供了描述根據(jù)本發(fā)明的一個實施例制造部件 IO的方法的流程圖。在第一控制塊200中，部件10的第一部件部分15可 制成為在預(yù)定區(qū)域內(nèi)具有孔穴部分30。這可在圖2和圖2a中示出。制造 具有至少一個孔穴部分30的第一部件部分15可以是例如為鑄造、鍛造、 機加工等的多個操作中的任何一個?？籽ú糠?0可形成為l吏得孔穴部分 30自身提供一個區(qū)域以便接收和容納熔融填充材料60而無需模具進行操 作。在控制塊202中，孔穴部分30可根據(jù)需要進行清潔以便提供這樣的表 面，該表面適于在添加熔化的填充材料60時形成冶金結(jié)合。這可能并不總 是需要的，但是可包括機加工等以便在孔穴部分30中提供無氧化物表面。
在第三控制塊204中，部件10可被預(yù)熱至預(yù)定溫度。預(yù)熱溫度將根據(jù) 圍繞孔穴部分30的材料的類型和厚度以及^L添加至孔穴部分30中的熔融 填充材料60的類型和數(shù)量而改變。為了合適地確定預(yù)熱溫度，可能需要進 行計算機仿真或?qū)嶒灐？赡芟ＭM可能多地預(yù)熱第一部件部分15而不損害 部件IO。根據(jù)部件10，損害的類型可包括由于原始表面過熱或熔化而引起 的應(yīng)力消除和翹曲。另一方面，無法將部件10預(yù)熱至足夠高的溫度會在澆 注熔融填充材料或兩種材料之間沒有結(jié)合時造成母體材料裂縫。在一個實 施例中，用于鑄4失氣缸蓋10的預(yù)熱溫度可在950。F至2000。F的范圍內(nèi)。 對于某些類型的氣缸蓋10,已發(fā)現(xiàn)1100。F的預(yù)熱溫度可減小應(yīng)力和翹曲， 同時減小裂縫的危險。
在第四控制塊206中，將一定量的填充材料60或第二部件部分熔化和 澆注到第一部件部分15的孔穴部分30中。由于第一部件部分15和第二部 件部分60的熔點可能相同或不同，第二部件部分60的熔點可被超出以導(dǎo) 致在孔穴部分30處進一步加熱第一部件部分15。當(dāng)熔融填充材料60或第 二部件部分以及第一部件部分冷卻時，在填充材料60和第一部件部分15 之間在結(jié)合層65處可形成冶金結(jié)合。在最后的控制塊208中，包括固化的 填充材料60的部件10可被機加工成最終的部件形狀。
7工業(yè)適用性
本發(fā)明的實施例可應(yīng)用于制造具有改進的物理特性，例如改進的熱疲
勞特性、硬度等的局部區(qū)域的各種部件。現(xiàn)在結(jié)合圖2a、 2b、 2c和2d， 詳細描述用于在制備有孔穴部分30的固化的母體材料上澆鑄熔融的填充 材料60的方法。
如圖2a所示，第一部件部分15可制造成在預(yù)定的位置處具有孔穴部 分30以便接納熔融的填充材料60?？籽ú糠?0可被設(shè)計在部件30的預(yù) 定位置以代替部件30的一部分，在該部分處經(jīng)驗顯示相似的部件已經(jīng)損壞 或需要修理。通過經(jīng)驗或有限元分析識別的關(guān)鍵的或易裂縫的區(qū)域是本發(fā) 明可應(yīng)用的典型區(qū)域。設(shè)想孔穴部分30可根據(jù)需要清潔以便提供這樣的表 面，該表面適于在添加熔融填充材料60時形成冶金結(jié)合。
圖2b是圖2的第一部件部分15沿線2a-2a的包括壩50和插塞40的 剖視圖。插塞40可防止熔融的填充材料60進入氣缸蓋10的原始結(jié)構(gòu)。所 述插塞可由耐熱材料，例如可機加工的石墨等制成。在一個實施例中，所 述插塞能夠承受非常高的溫度而不變形，且可導(dǎo)熱。插塞40不是必需的， 而還可以是各種形狀和尺寸以便填充特定的結(jié)構(gòu)。例如，填充并保護閥孔 20的插塞40被才幾加工成基本等于相應(yīng)的粗制閥孔20的形狀和尺寸。插塞 40可被推進閥孔20中，從而防止填充材料60穿過或填充閥孔20。此夕卜， 壩50可定位成圍繞火側(cè)表面12上的孔穴部分30。壩50可以這樣的方式 定位在火側(cè)表面12上其中，將熔融的填充材料60澆注到孔穴部分30 中提供了填充材料60的冒口。類似于插塞40，壩50可由可機加工的石墨 制成。壩50可允許多余的熔融填充材料60被添加到孔穴部分30以允許冷 卻期間的收縮。
如在第二控制塊204中描述的，氣缸蓋10可在爐中被預(yù)熱至第一溫度。 在一個實施例中，第一溫度范圍是950。F至2000。F，更優(yōu)選地1050。F至 1150。F。可將具有就位的石墨插塞40和壩50的氣缸蓋10從預(yù)熱爐移到被 加熱的絕緣的箱(未示出)，該箱適配成保持第一溫度范圍，并允許添加 熔融的填充材料60。
8通過熔化制備一定量的填充材料60，例如鑄鐵，或適于在孔穴部分30 中達到要求的梯度特性的其它材料。例如，填充材料60可在坩堝中被熔化 并以足以完成和母體材料的無孔隙結(jié)合的溫度被保持在熔爐中。在氣缸蓋 10的情況下，該溫度可約為2725°F。填充材料60可具有與氣缸蓋10或部 件相似的化學(xué)成分，或者可根據(jù)要求的特性而具有非常不同的化學(xué)成分。
本發(fā)明中可以設(shè)想，可能需要將第一部件部分15的孔穴部分30局部 地加熱到第二預(yù)定溫度。第二預(yù)定溫度可根據(jù)母體材料的類型、質(zhì)量和壁 厚以及填充材料60的體積而變化。第二預(yù)定溫度的范圍足夠熱以允許孔穴 部分30和填充材料60之間的結(jié)合，但是又足夠冷以防止填充材料60熔通 孔穴部分30的母體材料。該范圍的下限可通過仿真和/或?qū)嶒灤_定，并可 考慮例如與母體材料和/或填充材料有關(guān)的材料收縮、結(jié)合強度、微結(jié)構(gòu)和 應(yīng)力等因素。影響結(jié)合點的因素可包括母體材料的類型和體積，填充材料 的類型和體積，母體部件的化學(xué)性質(zhì)。此外，第二預(yù)熱溫度可防止填充材 料60快速冷卻，繼而保持期望的機械特性。此外或可替代地，熔融的填充 材料60可,皮加熱到超過其熔點以進一步增加對第一部件部分15的加熱。
還可向孔穴部分30施加一定量的焊劑(未示出)。該焊劑可用于去除 氧化物、其它污染物，并有利于在熔融填充材料60被澆注后填充材料60 在孔穴部分30上的濕潤能力。通常的焊劑可由基于硼砂的材料制成。在孔 穴部分30的溫度處于第二溫度范圍內(nèi)的情況下，可從熔爐中取出熔融填充 材料60?？蓮娜廴谔畛洳牧?0中撇去熔融填充材料的表面上漂浮的熔渣。 將基本無熔渣的熔融填充材料60澆注和填充孔穴部分30,如圖2c所示。 在一個實施例中，可允許填充材料從孔穴部分30中溢出并沿著壩50升至 下表面12上方。
在添加熔融的填充材料60之后，可允許部件10冷卻。在一個實施例 中，可使用壓縮空氣將部件IO或部件10的一部分部分地冷卻。附裝有擴 散器且附裝到壓縮空氣源的桿(未示出)可在填充材料60上方在周圍移動。 在一個實施例中，為了實現(xiàn)期望的機械特性，例如石更度和微結(jié)構(gòu)，希望采 用根據(jù)化學(xué)性質(zhì)足以冷卻孔穴部分30的整個體積的冷卻速率，以實現(xiàn)在孔
9穴部分30和填充材料60之間的新形成的結(jié)合層65處的基體結(jié)構(gòu)的預(yù)期的 微結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。例如，使用鑄鐵和根據(jù)受影響的材料的體積，可能希 望在30 -180秒的時間段內(nèi)將孔穴部分30的溫度降至1100。F至1200。F的 范圍內(nèi)。在全部孔穴部分30被填充后，優(yōu)選地以低到足以避免部件的扭曲 或裂縫的速率將氣缸蓋IO冷卻。然后，如圖2d所示，可去除插塞40和壩 50。然后，可將氣缸蓋IO機加工到原始的規(guī)格以形成所需的閥座(未示出) 和燃料噴射器孔(未示出)，以便組裝氣缸蓋10進行使用。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)部件的方法，包括形成包含孔穴部分的部件；將部件加熱至第一預(yù)定溫度；以及向孔穴部分中添加一定量的熔融填充材料，所述熔融填充材料進一步加熱孔穴部分以便將填充材料化學(xué)地結(jié)合于孔穴部分。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)部件的方法，其特征在于，包括將焊劑施加在部件表面的步驟。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)部件的方法，其特征在于，所述第 一預(yù)定溫度在950°F至1150oF的范圍內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)部件的方法，其特征在于，包括在添加熔融填充材料前將孔穴部分加熱至第二預(yù)定溫度的步驟，該第二預(yù)定溫度高于第一預(yù)定溫度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的生產(chǎn)部件的方法，其特征在于，所述第二預(yù)定溫度在1650。F至1975。F的范圍內(nèi)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)部件的方法，其特征在于，包括將插塞定位在鑄造部件的結(jié)構(gòu)中的步驟，從而防止熔融填充材料流進該結(jié)構(gòu)中。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)部件的方法，其特征在于，包括加速所述填充材料的冷卻的步驟。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的生產(chǎn)部件的方法，其特征在于，加速所述填充材料的冷卻的所述步驟包括使用壓縮空氣。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)部件的方法，其特征在于，所述部件是金屬鑄造部件。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)部件的方法，其特征在于，還包括對部件最終才幾加工的步驟。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)部件的方法，其特征在于，包括提供冒口的步驟，以容許熔融填充材料的收縮。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)部件的方法，其特征在于，所述部件是鑄鐵部件。
13. —種部件，包括由第一種材料制成的第一部件部分，該第一部件部分制成為帶有孔穴部分；由澆鑄在孔穴部分中的熔融填充材料制成的第二部件部分，該第二部件部分化學(xué)地結(jié)合于第一部件部分。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的部件，其特征在于，第二種材料的熔化溫度高于第一種材料的熔化溫度。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的部件，其特征在于，第一部件部分的體積大于第二部件部分的體積。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的部件，其特征在于，第一部件部分和第二部件部分包含灰鑄鐵，第二部件部分具有比第一部件部分強度更大的微結(jié)構(gòu)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的部件，其特征在于，第一部件部分是灰鑄鐵，第二部件部分是延性鐵、不銹鋼、低碳鋼或因科鎳合金中的至少一種。
18. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的部件，其特征在于，第二部件部分具有比第一部件部分的強度更大的強度。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的部件，其特征在于，第一部件部分包含鍛鐵。
20. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的部件，其特征在于，第二部件部分具有比第一部件部分的硬度更大的硬度。
21. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的部件，其特征在于，通過添加熔融填充材料來加熱第一部件部分使得能夠?qū)崿F(xiàn)第一部件部分和第二部件部分之間的結(jié)合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有物理特性改進的局部區(qū)域的鑄造部件。該部件最初制成為在需要改進的物理特性的預(yù)定區(qū)域內(nèi)具有孔穴部分。第二熔融材料可被添加至孔穴部分從而化學(xué)地結(jié)合至孔穴部分。然后，該部件可被精加工成具有物理特性改進的局部區(qū)域的最終形狀。
文檔編號B22D19/00GK101668602SQ200880013976
公開日2010年3月10日 申請日期2008年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月30日
發(fā)明者C·A·基尼 申請人:卡特彼勒公司