在基部上具有金属过渡材料的部件及形成方法

摘要

一种部件包括大部分由第一金属元素形成的基部和粘附到基部的外壳。外壳包括：内部部分，具有与所述基部接触的内表面；具有外表面的外部部分；以及将内部部分连接到外部部分的中间区域。所述外壳由多元素过渡材料形成，其中，多元素过渡材料在所述内表面处大部分包括第二金属元素且在所述外表面处大部分包括第三金属元素。中间区域包括第二和第三金属元素两者。第一、第二和第三金属元素中的每个彼此不同。部件可以是汽车轴。形成部件的方法可包括将第一和第二粉末沉积到基部上，以形成内部和外部部分以及中间区域。

权利要求

1.一种汽车部件，包括：

大部分由第一金属元素形成的基部；和

粘附到所述基部的外壳，所述外壳包括：内部部分，所述内部部分具有与所述基部接触的内表面；具有外表面的外部部分；以及将所述内部部分连接到所述外部部分的中间区域，所述外壳由多元素过渡材料形成，所述多元素过渡材料在所述内表面处大部分由第二金属元素形成且所述多元素过渡材料在所述外表面处大部分由第三金属元素形成，所述中间区域包括第二和第三金属元素两者，其中，第一金属元素是铝，第二金属元素是镍，且第三金属元素是铁。

2.根据权利要求1所述的部件，其中，所述内部部分至少0.05 mm厚，所述外部部分至少

0.05 mm厚。

3.根据权利要求2所述的部件，所述外壳具有0.2至3.0 mm范围内的厚度。

4.根据权利要求1所述的部件，所述汽车部件是汽车轴。

5.一种汽车轴，所述汽车轴包括：

大部分由第一金属元素形成的芯部；以及

环绕所述芯部并粘附到所述芯部的外壳，所述外壳包括：内部部分，所述内部部分具有与所述芯部接触的内表面；具有外表面的外部部分；以及将所述内部部分连接到所述外部部分的中间区域，所述外壳由多元素过渡材料形成，所述多元素过渡材料在所述内表面处大部分由第二金属元素构成，且所述多元素过渡材料在所述外表面处大部分由第三金属元素构成，所述中间区域包括第二和第三金属元素两者，其中，第一金属元素是铝，第二金属元素是镍基合金，且第三金属元素是钢合金。

6.根据权利要求5所述的汽车轴，其中，所述多元素过渡材料从内表面处的镍基合金过渡至外表面处的钢合金。

7.根据权利要求5所述的汽车轴，其中，所述中间区域包括靠近所述内部部分设置的第一部分，所述第一部分包括至少80%重量的镍基合金，所述中间区域包括靠近所述外部部分设置的第二部分，所述第二部分包括至少80%重量的钢合金。

8.根据权利要求7所述的汽车轴，所述钢合金基本上由如下构成：

0‑1.0%重量的碳；

0.4‑1.2%重量的镁；

0‑5.0%重量的铬；

0‑2.00%重量的镍；

0‑1.0%重量的钼；

0‑0.5%重量的钒；

0‑0.5%重量的铌；以及

剩余的铁。

9.一种形成多金属物体的方法，所述方法包括：

形成大部分包括第一金属元素的基部，其中，第一金属元素是铝；

感应加热第一粉末；以及将第一粉末沉积到所述基部上，得到由第一粉末形成并粘附到所述基部的外壳内部部分，第一粉末的大部分由第二金属元素形成，其中，第二金属元素是镍；

将第二粉末与第一粉末混合以形成混合物；感应加热所述混合物；以及将所述混合物沉积到外壳内部部分上，以形成粘附到外壳内部部分的外壳中间区域，第二粉末的大部分由第三金属元素形成，其中，第三金属元素是铁；以及感应加热第二粉末；以及将第二粉末沉积到所述外壳中间区域上，得到由第二粉末形成并粘附到所述外壳中间区域的外壳外部部分，其中，所述外壳中间区域将外壳内部部分连接到外壳外部部分。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：在距所述基部的加热距离处执行感应加热的步骤，加热距离小于10厘米。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括：用直接能量沉积来沉积第一和第二粉末。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：将激光束应用于粉末以将第一粉末粘附到基部上，将混合物粘附到外壳内部部分上，且将第二粉末粘附到外壳中间区域上。

13.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括：从外壳内部部分到外壳外部部分逐渐混合更多量的第二粉末和更少量的第一粉末。

说明书

在基部上具有金属过渡材料的部件及形成方法

技术领域

[0001] 本公开涉及具有由不同材料形成的金属基部和金属外壳的汽车部件，以及用于形成这种部件的方法。

背景技术

[0002] 汽车轴通常由钢形成。表面感应淬火（induction harden）可被执行以提供耐磨性。虽然汽车制造商通常期望减少车辆内的总体重量，但是部件必须能够满足性能标准。因而，轻质金属，例如铝，可能不适合于单独用于轴，因为铝可能不能提供足够的耐磨性。钢可以用于涂覆铝，但是将铝和钢焊接在一起存在在结合表面处形成不希望金属间化合物的问题，这可导致钢的断裂。因此，需要满足耐磨性要求的轻质部件。

发明内容

[0003] 本公开提供一种金属基部部件，在其上设置外壳。所述外壳由多元素过渡材料形成，在基部和外壳之间的界面处大部分包括第一金属元素且在外表面处大部分包括第二元素。在一些形式中，轻质金属，例如铝，用作基部或芯部，很好地结合到铝的元素直接设置在铝基部或芯部上。然后，很好地结合的元素，例如镍，可以过渡至耐磨金属，例如钢。

[0004] 在一个形式（可与本文公开的其它形式组合或者独立于本文公开的其它形式）中，一种部件包括大部分由第一金属元素形成的基部和粘附到所述基部的外壳。所述外壳包括：内部部分，所述内部部分具有与所述基部接触的内表面；具有外表面的外部部分；以及将所述内部部分连接到所述外部部分的中间区域。所述外壳由多元素过渡材料形成。所述多元素过渡材料在所述内表面处大部分由第二金属元素形成且在所述外表面处大部分由第三金属元素形成。所述中间区域包括第二和第三金属元素两者。第一、第二和第三金属元素中的每个彼此不同。

[0005] 在另一个形式（可与本文公开的其它形式组合或者独立于本文公开的其它形式）中，提供一种汽车轴，所述汽车轴包括：大部分由第一金属元素形成的芯部；以及环绕所述芯部并粘附到所述芯部的外壳。所述外壳包括：内部部分，所述内部部分具有与所述芯部接触的内表面；具有外表面的外部部分；以及将所述内部部分连接到所述外部部分的中间区域。所述外壳由多元素过渡材料形成。所述多元素过渡材料在所述内表面处大部分由第二金属元素构成且在所述外表面处大部分由第三金属元素构成。所述中间区域包括第二和第三金属元素两者。第一、第二和第三金属元素中的每个彼此不同。

[0006] 在又一个形式（可与本文公开的其它形式组合或者独立于本文公开的其它形式）中，提供一种形成多金属物体的方法。所述方法包括：形成大部分包括第一金属元素的基部。所述方法还包括：感应加热第一粉末；以及将第一粉末沉积到所述基部上，得到由第一粉末形成并粘附到所述基部的外壳内部部分。第一粉末的大部分由第二金属元素形成。所述方法包括：将第二粉末与第一粉末混合以形成混合物；感应加热所述混合物；以及将所述混合物沉积到外壳内部部分上，以形成粘附到外壳内部部分的外壳中间区域。第二粉末的大部分由第三金属元素形成。第一、第二和第三金属元素彼此不同。所述方法还包括：感应加热第二粉末；以及将第二粉末沉积到所述外壳中间区域上，得到由第二粉末形成并粘附到所述外壳中间区域的外壳外部部分。

[0007] 可提供附加特征，包括但不限于如下：第一金属元素是铝；第二金属元素是镍；第三金属元素是铁；所述外壳在外表面处由钢形成；所述外壳在内表面处由镍基合金形成；其中，所述过渡材料从内表面处的镍基合金逐渐过渡至外表面处的钢；其中，所述外壳在内表面处由镍基合金形成且在外表面处由钢合金形成；所述中间区域包括靠近所述内部部分设置的第一部分；所述第一部分包括至少80%重量的镍基合金；所述中间区域包括靠近所述外部部分设置的第二部分；所述第二部分包括至少80%重量的钢合金；其中，镍基合金由至少60%重量的镍构成；其中，所述内部部分由镍基合金形成；所述内部部分至少0.05 mm厚；所述外部部分由钢合金形成；所述外部部分至少0.05 mm厚；所述外壳具有0.2至3.0 mm范围内的厚度；所述部件是汽车轴。

[0008] 在一些变型中，所述钢合金基本上由如下构成：0‑1.0%重量的碳；0.4‑1.2%重量的镁；0‑5.0%重量的铬；0‑2.00%重量的镍；0‑1.0%重量的钼；0‑0.5%重量的钒；0‑0.5%重量的铌；以及剩余的铁。

[0009] 所述方法还可以任选地包括如下中的一个或多个：在距所述基部的加热距离处执行感应加热的步骤，加热距离小于10厘米；用直接能量沉积来沉积第一和第二粉末；将激光束应用于所述粉末以将第一粉末粘附到基部上以形成外壳内部部分，将混合物粘附到外壳内部部分上以形成外壳中间区域，且将第二粉末粘附到外壳中间区域上以形成外壳外部部分；以及从外壳内部部分到外壳外部部分逐渐混合更多量的第二粉末和更少量的第一粉末。

[0010] 以这种方式，可以显著地减少部件的质量。汽车应用（诸如例如变速器轴）中的这种质量减少可显著地改进燃料经济性、效率、性能、可靠性和耐用性。

[0011] 方案1. 一种部件，包括：

[0012] 大部分由第一金属元素形成的基部；和

[0013] 粘附到所述基部的外壳，所述外壳包括：内部部分，所述内部部分具有与所述基部接触的内表面；具有外表面的外部部分；以及将所述内部部分连接到所述外部部分的中间区域，所述外壳由多元素过渡材料形成，所述多元素过渡材料在所述内表面处大部分由第二金属元素形成且在所述外表面处大部分由第三金属元素形成，所述中间区域包括第二和第三金属元素两者，第一、第二和第三金属元素中的每个彼此不同。

[0014] 方案2. 根据方案1所述的部件，第一金属元素是铝，且第三金属元素是铁。

[0015] 方案3. 根据方案2所述的部件，第二金属元素是镍。

[0016] 方案4. 根据方案3所述的部件，所述外壳在外表面处由钢形成，所述外壳在内表面处由镍基合金形成。

[0017] 方案5. 根据方案4所述的部件，其中，所述过渡材料从内表面处的镍基合金逐渐过渡至外表面处的钢。

[0018] 方案6. 根据方案4所述的部件，其中，所述外壳在内表面处由镍基合金形成且在外表面处由钢合金形成，所述中间区域包括靠近所述内部部分设置的第一部分，所述第一部分包括至少80%重量的镍基合金，所述中间区域包括靠近所述外部部分设置的第二部分，所述第二部分包括至少80%重量的钢合金。

[0019] 方案7. 根据方案6所述的部件，其中，镍基合金由至少60%重量的镍构成。

[0020] 方案8. 根据方案7所述的部件，其中，所述内部部分由镍基合金形成，所述内部部分至少0.05 mm厚，所述外部部分由钢合金形成，所述外部部分至少0.05 mm厚。

[0021] 方案9. 根据方案8所述的部件，所述外壳具有0.2至3.0 mm范围内的厚度。

[0022] 方案10. 根据方案4所述的部件，所述部件是汽车轴。

[0023] 方案11. 一种汽车轴，所述汽车轴包括：

[0024] 大部分由第一金属元素形成的芯部；以及

[0025] 环绕所述芯部并粘附到所述芯部的外壳，所述外壳包括：内部部分，所述内部部分具有与所述芯部接触的内表面；具有外表面的外部部分；以及将所述内部部分连接到所述外部部分的中间区域，所述外壳由多元素过渡材料形成，所述多元素过渡材料在所述内表面处大部分由第二金属元素构成，且所述多元素过渡材料在所述外表面处大部分由第三金属元素构成，所述中间区域包括第二和第三金属元素两者，第一、第二和第三金属元素中的每个彼此不同。

[0026] 方案12. 根据方案11所述的汽车轴，第一金属元素是铝，第二金属元素是镍，第三金属元素是铁。

[0027] 方案13. 根据方案12所述的汽车轴，其中，所述过渡材料从内表面处的镍基合金逐渐过渡至外表面处的钢。

[0028] 方案14. 根据方案12所述的汽车轴，其中，所述外壳在内表面处由镍基合金形成且在外表面处由钢合金形成，所述中间区域包括靠近所述内部部分设置的第一部分，所述第一部分包括至少80%重量的镍基合金，所述中间区域包括靠近所述外部部分设置的第二部分，所述第二部分包括至少80%重量的钢合金。

[0029] 方案15. 根据方案14所述的汽车轴，所述钢合金基本上由如下构成：

[0030] 0‑1.0%重量的碳；

[0031] 0.4‑1.2%重量的镁；

[0032] 0‑5.0%重量的铬；

[0033] 0‑2.00%重量的镍；

[0034] 0‑1.0%重量的钼；

[0035] 0‑0.5%重量的钒；

[0036] 0‑0.5%重量的铌；以及

[0037] 剩余的铁。

[0038] 方案16. 一种形成多金属物体的方法，所述方法包括：

[0039] 形成大部分包括第一金属元素的基部；

[0040] 感应加热第一粉末；以及将第一粉末沉积到所述基部上，得到由第一粉末形成并粘附到所述基部的外壳内部部分，第一粉末的大部分由第二金属元素形成；

[0041] 将第二粉末与第一粉末混合以形成混合物；感应加热所述混合物；以及将所述混合物沉积到外壳内部部分上，以形成粘附到外壳内部部分的外壳中间区域，第二粉末的大部分由第三金属元素形成，第一、第二和第三金属元素彼此不同；以及

[0042] 感应加热第二粉末；以及将第二粉末沉积到所述外壳中间区域上，得到由第二粉末形成并粘附到所述外壳中间区域的外壳外部部分。

[0043] 方案17. 根据方案16所述的方法，还包括：在距所述基部的加热距离处执行感应加热的步骤，加热距离小于10厘米。

[0044] 方案18. 根据方案17所述的方法，还包括：用直接能量沉积来沉积第一和第二粉末。

[0045] 方案19. 根据方案18所述的方法，还包括：将激光束应用于所述粉末以将第一粉末粘附到基部上，将混合物粘附到外壳内部部分上，且将第二粉末粘附到外壳中间区域上。

[0046] 方案20. 根据方案19所述的方法，第一金属元素是铝，第二金属元素是镍，第三金属元素是铁，所述方法还包括：从外壳内部部分到外壳外部部分逐渐混合更多量的第二粉末和更少量的第一粉末。

[0047] 本公开的进一步应用领域将从下文提供的详细描述变得明显。应当理解的是，详细描述和具体示例仅仅旨在用于图示目的，且不旨在限制本公开的范围。

[0048] 本发明的上述特征和优势以及其它特征和优势从详细描述（包括权利要求书和示例性实施例）结合附图考虑时显而易见。

附图说明

[0049] 本文描述的附图仅用于图示目的，且不旨在以任何方式限制本公开的范围。

[0050] 图1是根据本公开原理的汽车轴的透视图；

[0051] 图2是根据本公开原理的图1的汽车轴的示意性横截面图；

[0052] 图3是根据本公开原理的用于执行形成多金属物体（例如，图1‑2的轴）的设备的示意图；和

[0053] 图4是图示根据本公开原理的形成多金属物体（例如，图1‑2的轴）的方法的框图。

具体实施方式

[0054] 现在参考附图，其中，相同的附图标记表示相同的元件，部件被提供且在图1和2中总体上以10表示。部件10可以是例如汽车部件，例如具有良好耐磨性的轻质变速器轴。部件10包括轻质芯部或基部12，芯部或基部12可具有战略性部分，其被去除以形成从中穿过而形成的通路14，这可有助于减轻重量或者将部件10附接到另一结构（未示出）。

[0055] 外壳16粘附到芯部或基部12。外壳16包括多种金属，其在图2中被最佳地看到。外壳16包括具有与基部12接触的内表面20的内部部分18、具有外表面24的外部部分22、以及将内部部分18连接到外部部分22的中间区域26。外壳16由多元素过渡材料形成，其中，多元素过渡材料在内表面20处大部分由一种金属元素形成且在外表面24处大部分由另一种不同的金属元素形成。然而，中间区域26包括构成内部部分18和外部部分22的金属元素两者。

[0056] 在一些变型中，构成基部12、内部部分18和外部部分22的材料彼此各不相同。在一个变型中，基部12由轻质金属材料制成，例如铝或铝合金。外壳16由多于一种不同的金属材料形成。例如，外壳16可以在内部部分18中大部分由镍形成，在外部部分22中大部分由铁形成，且在中间区域26中由两者的混合物形成。

[0057] 在一些示例中，外壳16在外部部分22中和外表面24处由钢合金形成，外壳16在内部部分18中和内表面20处由镍基合金形成。镍基合金可包括至少60%重量的镍（在一些变型中，至少70%重量的镍），钢合金可以是自淬火钢，例如A2工具钢。例如，钢合金可包括：0‑1.0%重量的碳；0.4‑1.2%重量的镁；0‑5.0%重量的铬；0‑2.00%重量的镍；0‑1.0%重量的钼；
0‑0.5%重量的钒；0‑0.5%重量的铌；以及剩余的铁。在一个示例中，钢合金可由如下构成：大约1.0%重量的碳；大约1.0%重量的镁；大约5.0%重量的铬；大约0.3%重量的镍；大约1.0%重量的钼；0.15‑0.5%重量的钒；以及剩余的铁。使用自淬火钢允许轴10在不需要渗碳或感应淬火以满足性能要求的情况下使用。

[0058] 在一些形式中，外壳16的镍‑钢过渡材料从内表面20处的镍基合金逐渐过渡至外表面24处的钢合金。例如，外壳16的内部部分18可以唯一地或者基本上由镍基合金形成，内部部分18的厚度可以在例如0.02至0.5 mm的范围内。在一些示例中，内部部分18至少0.05 mm厚。

[0059] 中间区域26于是可以在紧邻内部部分18的部分处包括一些钢，大部分是镍基合金。例如，中间区域26可包括靠近所述内部部分18设置的第一部分28，其中，所述第一部分28包括至少80%重量的镍基合金，剩余部分可以由钢合金形成。中间区域26可在中间区域26的中心30或另一个非中心部分处包括例如等量的钢合金和镍基合金。所述中间区域26可包括靠近所述外部部分22设置的第二部分32，其中，所述第二部分32包括至少80%重量的钢合金，剩余部分可以由镍基合金形成。

[0060] 外壳16的外部部分22可以唯一地或者基本上由钢合金形成，外部部分22的厚度可以在例如0.02至0.5 mm的范围内。在一些示例中，外部部分22至少0.05 mm厚。整个外壳16可具有例如0.2至3.0 mm范围内的厚度。

[0061] 现在参考图3和4，图3示出了形成多金属物体（例如轴10）的方法100，且图4示出了用于执行方法100的某些步骤的示例设备200的示意图。

[0062] 方法100包括形成芯部或基部12的步骤102，芯部或基部12大部分包括第一金属元素，例如铝。例如，芯部或基部12可以通过精密铸造形成，例如高压模铸且具有优化重量和强度设计，如图1和2中所示的那样。

[0063] 参考图4，设备200是用于将外壳16应用于基部12上的示例性沉积系统。在该示例中，设备200可使用直接能量沉积过程将外壳16应用于基部12上。沉积可任选地在腔室202中进行，其中，惰性气体从惰性气体源204供给到腔室202中，以在腔室202内产生真空。系统200可在惰性气体氛围内操作，以减少和/或防止基部12表面和/或粉末的任何氧化。

[0064] 第一粉末供应部206和第二粉末供应部208包括将形成外壳16的两种不同金属粉末；更具体地，第一粉末供应部206包括由第一金属材料制成的粉末，例如镍基合金，且第二粉末供应部208包括由第二金属材料制成的第二粉末，例如钢。第一粉末通过第一管212供给到混合器210，第二粉末通过第二管214供给到混合器210。从混合器210，单个管216将粉末金属材料供应给喷嘴218，以应用到基部12上。来自于第一粉末金属源206的第一粉末金属可唯一地供应给混合器210，来自于第二粉末金属源208的第二粉末金属可唯一地供应给混合器210，或者如果期望，来自于两个粉末金属源206，208的粉末金属的组合可供应给混合器210。由此，两种不同粉末金属的任何期望组合可通过喷嘴218应用。

[0065] 激光源220被提供，以使用直接能量沉积过程或者另一个激光金属沉积过程，以将激光束应用于从喷嘴218分配的粉末金属，以将粉末金属沉积到基部12上。来自于激光源220的激光束可以在镜子222上反射以应用于粉末金属，以得到粘附到芯部或基部12的金属涂层，其被牢固地直接结合到基部12。优选地，金属涂层和基部12之间的结合是冶金结合。

[0066] 此外，系统200可包括感应加热器224，感应加热器224围绕、靠近或接近管216和喷嘴218设置。感应加热器224设置成距基部12短距离S，以便刚好在粉末应用于基部12之前将热量施加到粉末。为此，短距离S可以距基部12小于10 cm，小于5 cm或甚至小于1 cm。

[0067] 方法100包括步骤104：感应加热第一粉末，例如由如上所述的镍基合金形成的粉末；以及将第一粉末沉积到基部12上，得到由第一粉末形成且粘附到基部12的外壳内部部分18。例如，可以使用仅仅来自于第一粉末源206的第一粉末，以形成外壳内部部分18。感应加热温度范围可以在450和850摄氏度之间。

[0068] 接下来，方法100包括步骤106：将第二粉末与第一粉末混合以形成混合物；感应加热所述混合物；以及将所述混合物沉积到外壳内部部分上，以形成粘附到外壳内部部分18的外壳中间区域26。例如，混合器210可以用于混合来自于两个粉末源206，208的粉末，且然后经混合粉末可以由感应加热器224感应加热且沉积到在基部12上形成的外壳内部部分上，例如经由激光器。第二粉末可以是如上所述的钢合金，从而混合物包括镍基合金粉末和钢合金粉末两者。步骤106中的感应加热温度范围也可以在450和850摄氏度之间。

[0069] 从粉末源206，208中的每个提供的第一和第二粉末的量的比率可以从高量的第一粉末和低量的第二粉末逐渐变为低量的第一粉末和高量的第二粉末。例如，如上所述，中间区域26的第一部分28可包括至少80%重量（或更大）的镍基合金，剩余部分可以由钢合金形成。优选地，每种粉末的量在第一部分28中逐渐过渡，在中间区域26的一些点处有等量的每种粉末。在等量点之后，中间区域26的第二部分32可逐渐引入更多量的钢，且在一个部分处，外部部分32包括至少80%重量（或更大）的钢合金，剩余部分可以由镍基合金形成。

[0070] 在形成中间区域26之后，方法100前进到步骤108：感应加热（仅仅）第二粉末；以及将第二粉末沉积到所述外壳中间区域26上，以在所述外壳中间区域26上形成外壳外部部分22。因而，外壳外部部分22仅仅包括第二粉末且没有第一粉末。步骤108中的感应加热温度范围也可以在450和850摄氏度之间。在外壳16的外表面24处仅仅提供钢，提供了期望的耐磨性。外表面24于是可以根据期望研磨和超精加工（super‑finished），以减少摩擦。

[0071] 虽然本公开总体上描述了使用激光源来将粉末应用于基部12，但是应当理解的是，可以使用其它设备以引起粉末的沉积，例如电子束。在另一个可选方案中，两种不同金属材料可以以其它形式提供，例如以金属丝的形式。在一些变型中，惰性气体源204也可以省去。

[0072] 该描述本质上仅仅是说明性的且决不旨在限制本公开、其应用或使用。本公开的宽泛教导可以以各种形式实施。因而，虽然本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应被如此限制，因为在研读附图、说明书和所附权利要求书之后，其它修改将变得明显。