阅读说明：本技术 多层烧结套管及轴承 (Multilayer sintered sleeve and bearing ) 是由 莱斯利·约翰·法辛 延斯·威尔曼 于 2018-04-13 设计创作，主要内容包括：提供了由不同合金形成的套管,所述不同合金被选择为适应不同的工作条件。例如,套管可以包括在套管的暴露于较低温度的部分中的铁基合金,以及在所述套管的暴露于较高温度的部分中的钴基合金。所述第一合金和所述第二合金可以轴向地或径向地对齐。所述铁基合金包括10-30wt.％的Cr,0-21wt.％的Ni,0-10wt.％的Mo,0-5wt.％的W,0-3wt.％的C,0-4wt.％的V,0-20wt.％的Co,余量为Fe。所述钴基合金包括10-30wt.％的Cr,5-21wt.％的Ni,0-10wt.％的Mo,0-10wt.％的W,0-3wt.％的V,0.5-3wt.％的C,余量为Co。(A sleeve formed of different alloys selected to accommodate different operating conditions is provided. For example, the sleeve may include an iron-based alloy in portions of the sleeve exposed to lower temperatures, and a cobalt-based alloy in portions of the sleeve exposed to higher temperatures. The first alloy and the second alloy may be axially or radially aligned. The iron-based alloy includes 10-30 wt.% Cr, 0-21 wt.% Ni, 0-10 wt.% Mo, 0-5 wt.% W, 0-3 wt.% C, 0-4 wt.% V, 0-20 wt.% Co, and the balance Fe. The cobalt-based alloy includes 10-30 wt.% Cr, 5-21 wt.% Ni, 0-10 wt.% Mo, 0-10 wt.% W, 0-3 wt.% V, 0.5-3 wt.% C, and the balance Co.)

多层烧结套管及轴承

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2017年4月14日提交的序号为62/485,581的美国临时专利申请以及2018年4月12日提交的序号为15/951,688的美国实用专利申请的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。

本发明的背景技术

技术领域

本发明总体上涉及用于高温应用(例如250℃和以上)的粉末金属烧结套管和轴承。

相关技术

用于高温应用(例如涡轮增压器)的烧结粉末金属套管和轴承经常遇到各种各样的温度和环境。例如，给定的套管可以在使用过程中在套管的一个区域内经历非常高的温度，而在其它区域内经受相当低的温度。相同的情况也同样适用于磨损中，其中，一些部分暴露于较高的磨损环境，而其他区域暴露于相对较少的磨损。传统地，将轴承或套管设计为一种折衷方案。考虑了许多因素，并选择了合适的材料来生产轴承或套管。这些因素可能包括在很宽的温度范围内的热和机械性能、抗氧化和腐蚀性能以及耐磨性。这可能导致套管或轴承的一部分受到合金成分设计不足以适应的工作条件的影响。或者，更常见的是，整个套管或轴承必须进行过度设计，以确保在沿其长度方向经历的所有不同工作条件下均具有足够的性能。

本发明提供一种烧结粉末金属轴承或套管，其至少具有由第一合金材料制成的第一区域以及由不同于所述第一合金材料的第二合金材料制成的第二区域。

所述套管或轴承沿周向和轴向延伸。如果为套管，则其可以是大致管状的，具有大致圆柱形的外表面和大致管状的内表面，并且可以在相对端之间轴向延伸。所述第一区域和第二区域可相对于彼此轴向设置，使得所述第一区域可在所述套管的一端附近，而所述第二区域可在相对端附近。第一端可以代表套管的“热”端，该“热”端要经受高温，并且选择用于热端的合金以适合高温环境。第二端可代表套管的“冷”端，该“冷”端经受较低的温度，并且第二区域的合金不同于第一区域的合金，并且更适合于冷却的环境。

其他布置是可能的，其中可以存在相对于彼此轴向布置的三个或更多个区域。例如，套管或轴承在相对的轴向端部附近可能经受更多的磨损或更高的机械应力，并且可以由在这些条件下表现良好的第一合金形成，而在轴向上位于第一区域之间并与第一区域分开的第二区域可以形成。不同于第二种合金的第二种合金，它更适合轴承或套管中间部分的低磨损或低应力环境。

本发明还考虑了径向变化，例如，套管在其内表面上具有较高的磨损或温度，而在外表面上具有较低的磨损或温度，使得该径向内部的第一区域层由第一烧结粉末金属合金制成。所述第一烧结粉末金属合金在高磨损和/或高温下表现良好，并且径向外部的第二区域层由第二烧结粉末金属层制成，所述第二烧结粉末金属层更适合于较低温度和/或磨损。

本发明考虑选择区域之一的合金作为高合金铁和/或钴基材料。高合金优选地是指具有>10wt.％的合金元素的合金含量(按重量计)。合金可包括例如基于410L不锈钢的配方。本发明还考虑了更高的合金添加量，其中合金含量可以超过25wt.％甚至30wt.％，例如基于316不锈钢的配方。另一区域的合金可具有比第一材料低的合金含量以及可以适合工作环境的性能，其中，该工作环境为套管/轴承的该区域在使用中所遇到的工作环境(例如，不同的工作温度和/或不同的机械应力)。或者，其他区域的合金可能具有与第一种材料相似的合金含量，但合金元素的组合不同，从而达到更好地适合于该特定工作环境的性能。

本发明考虑通过多种可能的制造技术来制造这些多层轴承/套管。一种方法涉及将不同的粉末压制在一起(代表第一区域和第二区域的合金)成组合的压块，然后进行烧结。或者，可以在通常被称为烧结结合的工艺中，将第一区域和第二区域分别进行压制，然后在烧结期间结合在一起。在通常称为“烧结硬焊”的工艺中，还可以通过特殊的活性层将这些零件硬焊在一起来促进这种结合。还有另一种方法是压紧并烧结第一和第二区域中的每个，然后通过焊接例如摩擦焊接将它们连接在一起。

根据本发明的多层材料使得套管或轴承的设计者能够使用针对不同的局部工作环境单独配制的不同合金配方为套管或轴承的每个局部环境选择最佳材料。例如，如果用于特定应用(例如涡轮增压器)的套管在>700℃的温度下容易出现热端磨损，则该第一端区域可由高合金烧结粉末材料制成，该高合金烧结粉末材料应对应适合该条件的材料。相比较而言，相对的第二端可能相对较冷，例如<400℃，因此该端部区域可以由不同的高合金烧结金属材料制成，该材料被配制成在该特定工作环境中提供良好的性能。可能存在中间的第三区域，该第三区域可以受益于另一种合金，并且可以被采用并原位连接或后烧结到第一和第二区域。在套管的示例中，这些区域最好是轴向的，但根据应用也可以是径向的。

本发明的一个方面提供了一种套管，其包括主体，所述主体在相对端之间沿着纵轴轴向地延伸并且从外表面到内表面径向地延伸。所述主体包括第一材料和不同于所述第一材料的第二材料。所述第一材料是铁基材料，所述铁基材料包括10-30wt.％的Cr，0-21wt.％的Ni，0-10wt.％的Mo，0-5wt.％的W，0-3wt.％的C，0-4wt.％的V，0-20wt.％的Co，以及Fe，基于所述第一材料的总重量。

本发明的另一方面提供了一种套管，其包括主体，所述主体在相对端之间沿着纵轴轴向地延伸并且从外表面到内表面径向地延伸。主体包括第一材料和不同于所述第一材料的第二材料，并且所述第一材料和所述第二材料径向地对齐。

本发明的又一方面提供了一种涡轮增压器，其具有孔并且包括设置在所述孔中的套管。

本发明的另一方面提供一种制造套管的方法。该方法包括以下步骤：将第一材料连接到不同于所述第一材料的第二材料，所述第一材料是包括10-30wt.％的Cr的铁基材料，0-21wt.％的Ni，0-10wt.％的Mo，0-5wt.％的W，0-3wt.％的C，0-4wt.％的V，0-20wt.％的Co，以及Fe，基于所述第一材料的总重量。

本发明的又一方面提供了一种制造套管的方法，所述方法包括将第一材料连接到不同于所述第一材料的第二材料的步骤，其中，所述第二材料与所述第一材料径向对齐。

附图的简要描述

当结合以下详细描述和附图考虑时，本发明的这些和其它特征和优点将容易理解，其中：

图1是多层套管的第一实施例的立体图；

图2是多层套管的第二实施例的立体图；

图3是多层套管的第三实施例的立体图；

图4是图1的套管沿其纵轴截取的剖视图；

图5是图2的套管沿其纵轴截取的剖视图；

图6是图3的套管沿其纵轴截取的剖视图；

图7是安装有套管的涡轮增压器环境的示意图，示出了套管沿其轴向长度通常经历的极端极限；

图8是示意性剖视图，示出了安装在对套管施加可变的载荷和磨损条件的环境中的套管；

图9a和9b是替代性多层轴承结构的立体图，分别示出了轴向层和径向层；

图10是示出用于制造套管或轴承的不同粉末金属合金材料的多层压制的示意图；

图11a-11c是示出轴向多层套管和轴承的烧结硬焊的示意图；

图11d-11f是示出轴向多层套管和轴承的烧结结合的示意图，其中没有添加特殊的硬焊；

图11g至11h是示意图，其示出了轮廓，该轮廓可用于在组装期间进行更容易的对齐，从而进行烧结结合或烧结硬焊；以及

图12a-b是示出轴向多层套管或轴承的摩擦焊接的示意图。

优选实施例的详细描述

图1和图4示出了套管10的第一实施例，套管10具有大致上管状的形状，其外表面12总体上是圆柱形的，内表面14也是大致上圆柱形的并且与外表面径向向内间隔开。套管10在相对的端部16、18之间沿着纵轴X轴向延伸。可以在一个或两个端部16、18上开槽，或者在端面和/或外径和/或内径上具有其他加工特征。套管10可被安装在，例如，如图7所示的用于内燃机的涡轮增压器19中。

所述套管10由至少两种不同合金材料的烧结粉末金属制成。套管10具有第一轴向部分20和第二轴向部分22。第一轴向部分由材料A的第一烧结金属合金制成，并且第二部分由材料B的第二烧结金属合金制成，所述材料B的第二烧结金属合金在成分和/或特性上与材料A的不同。材料A和B的合金优选是铁基合金和/或钴基合金。部分20、22的材料A和B的合金将具有不同的成分和/或微观结构，并且还可以接受不同的工艺处理(热处理、涂层、表面光洁度等)以产生不同的特性，并且可以具有相同或不同的长度，以及相同或不同的厚度或内径或外径。不同的属性可能包括：耐磨性，热和机械性能，抗氧化和腐蚀性，上述属性的组合，或者其他。

如图1和图4所示，套管10的部分20、22可以具有不相等的长度。第一部分20中的材料A的长度可以在套管10的总长度的5％-95％的范围内，第二部分22的材料B占据余量。例如，材料A可占据套管10的总长度的约25％，且材料B可占据套管10的总长度的75％。

图1和图4所示并且在此描述的类型的套管10将在任何应用中使用，其中在使用时套管10的不同轴向部分处于不同的条件下，因此，最好在给定的轴向区域中，使用一种具有一组最适合于特定局部环境的特性的烧结粉末金属材料，并且最好在轴承10的另一轴向部分中，使用一种具有适用于其他局部环境的不同特性的烧结粉末材料。这样的示例之一是用于内燃机应用中的涡轮增压器装置的套管。图7示出了涡轮增压器19的一部分，并且示出了套管10安装在涡轮增压器19的孔24中。该套管10的轴向长度为25mm。套管10的下端暴露于涡轮增压环境的热气体中，因此视特定的涡轮增压器、应用和用途而定，其经历非常高的温度，从500℃到大约800℃。相比之下，相对的上端与强热隔绝，且经历在300℃至500℃的范围内的温度。这样，在25mm的跨度中，套管10的相对的端部区域经历约200℃至300℃的温差。应当理解的是，适合在套管10的较低温度区域的300-500℃的工作环境的粉末金属烧结材料在500℃至800℃的较高温度区域将不一定具有良好的性能。在典型的设计环境中，工程师会考虑多个因素，尤其是最高温度，并选择一种能够同时满足两种环境的烧结金属材料。换句话说，考虑到许多局部环境因素和候选材料的相关性能，可能不得不在材料选择上做出折衷。使用图1和图4的多层轴向套管，这种折衷基本上被最小化了。与其选择满足所有局部环境的最佳折衷材料，不如将较低的温度区域视为套管10的第一轴向部分，而将较高的温度区域视为套管的第轴向二部分，并且如本实施方式那样，在双重材料套管10的制造中，分别选择最适合于各种特殊环境的烧结粉末金属材料。用于第一部分20的材料A通常为与用于第二部分22的材料B不同的合金，但是可以预期的是，这些材料甚至可以是相同的化学组成，但是其微观结构可以实质上不同以产生期望的不同属性，取决于所涉及的应用。在本实施例中，可以为套管10的“热”区域选择钴基材料，为套管10的“冷”区域选择铁基材料。钴基材料可以包括20-30wt％的Cr，5-15wt％的Ni，5-10wt％的W以及0.5-1.5wt％的C作为主要合金元素。铁基材料可能包含10-20wt％的Cr，5-15wt％的Ni，1-5wt％的Mo和1-2w％的C作为主要合金元素。钴基材料的配方能够适应局部高温工作环境，而铁基材料的不同组成适用于局部低温工作环境。使钴基材料适合于较热的第一轴向部分的有益特性包括高温耐磨性以及抗氧化性和耐腐蚀性。使铁基材料适合于较冷的第二轴向部分的有益性能包括良好的机械性能和热性能以及足够的耐磨性。可以看出，较冷区域所需材料的性能可能不是较热区域的理想选择，因为该材料在高温下可能会遭受过度氧化或腐蚀，并且高温耐磨性也可能不足，从而导致过早老化套管组件发生故障。

所述高温区的材料可以为高合金过渡金属。这些材料优选为铁和/或钴基烧结粉末金属合金。添加到所述铁和/或钴基中所述合金的含量为至少10wt.％，更优选至少25wt.％，甚至超过35wt.％。合金化元素可以在烧结之前以预合金化形式掺入压制混合物所用的主粉末中，或者它们可以作为单独的元素或主合金在烧结之前混合到压制混合物中，或任何这样的技术的组合。在烧结期间，合金元素然后变得重新分布，以给出期望的烧结微结构。除铁和/或钴之外，其它合金元素优选地包括：10-30wt.％的Cr，0-25wt.％的Ni，0-10wt.％的Mo，0-8wt.％的W，0-4wt.％V以及0.5-3.0wt.％的C。根据具体的工作环境，也可以存在其它合金元素。

所述铁基合金或材料包括余量的铁。换句话说，铁基合金或材料的剩余部分由铁形成，使得合金或材料的总含量等于100wt.％。所述钴基合金或材料包括余量的钴。换句话说，钴基合金或材料的剩余部分由钴形成，使得合金或材料的总含量等于100wt.％。

在一个示例性铁基材料中，主合金元素可以是15-25wt.％的Cr，0-5wt.％的Ni，1.5-6.5wt.％的Mo，1-4wt.％的W，1-3wt.％的V以及0.5-2.5wt.％的C，更优选的组合物是18-24wt.％的Cr，0-5wt.％的Ni，1.5-6.5wt.％的Mo，1-4wt.％的W，1-3wt.％V以及0.8-2.4wt.％的C。

在一个示例性铁基材料中，主合金元素可以是10-25wt.％的Cr，7-20wt.％的Ni，1-7wt.％的Mo，0-3wt.％的W，0-3wt.％的V以及0.5-3wt.％的C。该材料中，高Ni含量用于改善耐氧化性和耐磨性等高温性能。更优选的组合物是13-25wt.％的Cr，7-20wt.％的Ni，1-7wt.％的Mo，0-2wt.％的W，0-2wt.％的V以及1-3wt.％的C。

在一个示例性铁基材料中，主合金元素可以是10-25wt.％的Cr，10-21wt.％的Ni，2-10wt.％的Mo，0-3wt.％的W，0-2wt.％的V，4-20wt.％的Co以及0.5-2wt.％的C。该材料中，高Ni和高Co含量的组合用于进一步改善耐氧化性和耐磨性等高温性能。更优选的组合物是13-25wt.％的Cr，10-21wt.％的Ni，2-10wt.％的Mo，0-3wt.％的W，0-2wt.％的V，4-20wt.％的Co以及0.8-1.6wt.％的C。

在一个示例性钴基材料中，主合金元素可以是20-30wt.％的Cr，5-15wt.％的Ni，0-3wt.％的Mo，5-10wt.％的W，0-3wt.％的V以及0.5-2wt.％C。在该材料中，使用钴合金基体仍能进一步提高耐氧化性和耐磨性等高温性能。更优选的组合物是20-30wt.％的Cr，5-15wt.％的Ni，0-2wt.％的Mo，5-10wt.％的W，0-2wt.％的V以及0.5-1.5wt.％的C。

图2、5和8示出了多轴层套管110的另一实施例。除了以100开端外，这里与第一实施例所使用的附图标记相同。该套管包括三个不同的轴向区域，其中每个区域的烧结粉末金属合金材料最适合与每个区域相关的局部环境。注意，三个区域可以全部不同，其中，将使用三种独特的烧结粉末金属合金。或者，如图8所示，套管端部的区域可以具有共同的局部环境，该共同的局部环境与分离端部区域的中间区域不同。在图8所示的端部使用中，套管110被示出为支撑侧向负载的轴28，从而赋予套管110不均匀的载荷，使得轴向端部120受到更大的机械载荷，因此承受比中间部分更大的磨损。知道用于该特定应用的套管110会经受这种可变的载荷/磨损环境，套管110可以被设计成，轴向端部120采用与中间部分122所用的材料不同的烧结粉末金属合金制造。如上针对图1和图4的实施例所述，不同的部分将具有不同的合金成分和/或微观结构，并且还可以接受不同的工艺处理(热处理、涂层、表面光洁度等)以产生不同的属性。在大多数情况下，差异将包括用于各个区域的材料的合金成分变化。对于图8所示的端部载荷应用，高载荷/高端部区域120的材料A将包括在高机械载荷下表现出高耐磨性的材料，例如具有15-25wt％的Cr，2-5wt％的Mo，2-5wt％的W，1-3wt％的V以及1.5-2.5wt％的C作为主要合金元素的铁基合金，而被选择用于低载荷/低磨损中间区域的材料B可以是一种不需要如此高载荷/磨损性能的低合金材料，例如以10-15wt％的Cr和0.5-1.5wt％的C作为主要合金元素的铁基合金。

可以存在其他应用，其中套管遇到局部环境，而不是诸如在涡轮增压器被轴向布置的环境或者是侧向负载环境。不同的环境布置在套管的径向方向上。在这种情况下，套管可以类似于上述的方式被制造，但是其中不同的部分被径向设置而不是轴向设置。在图3和图6中示意性地示出了这样的套管210。在该示例中，内表面区域220可经历更高负载或更高温度或其组合，这需要高合金粉末金属烧结材料，而径向外层区域222可以经历更低的负载或更低的温度或其组合，这需要比用于内表面径向区域220的烧结粉末金属合金不同的烧结粉末金属合金。在其他应用中，内部径向区域220的关键特征可以是其与轴材料或表面光洁度的摩擦学兼容性，而不是简单地能够承受高温和/或高机械载荷的能力。在这种情况下，然后可以基于其优异的机械性质来选择外部径向区域222，其中需要这些机械性质来给内部径向区域提供机械支撑。以上结合图1-2的实施例所确定的相同材料可适用于图3和6的径向多层套管210的层中。

不同工艺可用于制造图1-3的套管。

图10示出了一种方法，其中选择的材料A和B的不同合金粉末在第一操作中同时被压制，然后作为单个压制件被烧结。这可以是两个、三个或更多个层并且可以最适合于轴向分层套管10、110，尽管不排除在制造径向分层套管210中的使用。

图11a-c示出了替代工艺，其中，部分20、22，120、122被单独地压制，然后在低于极限烧结温度的温度下部分烧结，随后通过已知为烧结硬焊的工艺连接。如图1g-h所示，待连接的端部可以是平坦的，或者它们可以被成型为使得它们嵌套以有助于在烧结硬焊之前对部分进行预对齐。可以类似地使用烧结硬焊来制造径向分层套管210，并且类似地可以添加轮廓特征以促使在烧结硬焊之前对齐。

仍然参考图1a-f，可以设想替代工艺，其中，部分20，22120，122被单独地压制，然后在低于极限烧结温度的温度下部分烧结，随后通过已知为烧结结合的工艺连接，其中不存在硬焊添加。待连接的端部可以是平坦的或者可以被成型为使得它们嵌套以有助于在烧结结合之前对部分进行预对齐，如图1lg-h所示。可以类似地使用烧结结合来制造径向分层套管210，并且类似地可以添加轮廓特征以促使在烧结结合之前对齐。

图12a-b示出了又一工艺，其中部分20，22；120；122被单独地压制和烧结，并且随后通过摩擦焊接连接。在此，所述部分的相邻端面可以以足够的力和运动相对于彼此移动，以产生足够的摩擦热以接合界面处的所述部分。该工艺将非常适合于轴向分层套管10，110，尽管不排除在连接径向分层套管210中使用。

图9a和9b示出了可以类似方式制造的轴承310、410。图9a的实施例示出了一种烧结粉末金属材料的半壳轴承310，其中轴向隔开的端部320由材料A制成，并且中间部322由材料B制成并且桥接端部320。材料A和B可以是与上文结合制造套管所述的那些相同的烧结粉末金属材料，或者可以取决于具体应用而不同。所述轴向区域表示所述轴承的局部化环境，改局部化环境要求不同的材料，原因如已经结合上述套管解释的原因。图9b的实施例类似于图9a，除了层420、422被径向地布置(以类似于图3的套管210的方式)之外。

上面的描述是本发明的示例，并且本领域普通技术人员将理解和认识到，根据以上教导，其他变型和实施例是可能的，并且在本文中被考虑和结合。

可以预见到，所有权利要求和所有实施例的所有特征都可以彼此组合，只要这样的组合不会相互矛盾。