CN101612664A - 压制第一粉状材料及第二粉状材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压缩第一粉状材料及第二粉状材料的方法。具体地，一个实施例包括提供了包含第一粉状材料的第一层以及位于该第一层之上包括第二粉状材料的第二层，并至少使用第一磁场压制第一粉状材料和该第二粉状材料。

Description

压制第一粉状材料及第二粉状材料的方法

技术领域

[0001]本公开一般涉及的领域包括压制粉状材料。

背景技术

[0002]使用磁场来压制(compact)粉末状的材料和/或颗粒材料以形成压实的产品是公知的。压实的产品(例如，金属产品)与通过铸造形成的金属产品相比可具有减少的质量。

发明内容

[0003]一个实施例包括，提供包括第一粉状材料的第一层以及在该第一层之上包括第二粉状材料的第二层，以及使用至少第一磁场压制第一粉状材料和第二粉状材料。

[0004]由下文所提供的详细描述，本发明的其它示例性实施例将变得显而易见。应当理解的是，详细的描述和具体的示例尽管公开了本发明的示例性实施例，但其仅仅是用于说明的目的，并不意图限制本发明的范围。

附图说明

[0005]通过详细的描述和附图，本发明的示例性实施例将得到更加充分的理解，附图中：

[0006]图1示出了根据一个实施例的方法。

[0007]图2示出了根据一个实施例的方法。

[0008]图3示出了根据一个实施例的方法。

[0009]图4示出了根据一个实施例的方法。

[0010]图5示出了根据一个实施例的方法。

[0011]图6示出了根据一个实施例的方法。

[0012]图7示出了根据一个实施例的产品的剖视图。

具体实施方式

[0013]下面对一个或多个实施例的描述在本质上仅仅是示例性的(或说明性的)，且绝不意图限制本发明、本发明的应用或使用。

[0014]一个示例性实施例包括一种压制第一粉末状和/或颗粒材料与第二粉末状和/或颗粒材料的方法。压制第一粉末状和/或颗粒材料与第二粉末状和/或颗粒材料可用来生产各种各样的产品，这些产品包括但不限于，用于发动机缸体的薄壁汽缸衬套。在一个示例性实施例中，提供了包括第一粉末状和/或颗粒材料的第一层，以及提供了包括第二粉末状和/或颗粒材料的第二层，并且将它们压制在一起。第一和第二粉末状和/或颗粒材料可以是，例如但不限于，金属、金属合金、金属化合物、陶瓷化合物、以及陶瓷金属复合物。在一个实施例中，第一粉末状和/或颗粒材料可以是铁合金，第二粉末状和/或颗粒材料可以是非铁合金，例如但不限于，铝合金或镁合金。在另一个实施例中，第一粉末状和/或颗粒材料可以是非铁合金，第二粉末状和/或颗粒材料也可以是非铁合金。

[0015]可使用磁场来完成第一粉末状和/或颗粒材料与第二粉末状和/或颗粒材料的压制。在一个示例性实施例中，可使用动磁压制(DMC)工艺来完成该压制。DMC工艺使用电磁形成的、覆盖或保持粉末状和/或颗粒材料的一个或多个基底或容器。参照图1，在一个实施例中，提供了磁场生成部件，例如但不限于，线圈10。可至少将第一粉末状和/或颗粒材料12放置在第一导电容器或套筒14中。第一导电容器14可包括导电材料，例如但不限于，铜、银、铝、不锈钢、以及它们的合金。可对磁场生成部件进行操作以产生第一磁场。

[0016]在一个实施例中，可将磁场生成部件(例如，导电线圈10)布置成围绕第一导电容器14。在一个实施例中，与容器14分开的供电电源可以快速的电流脉冲的形式向导电线圈10提供电能。当电流经过导电线圈10时，可以产生第一磁场。

[0017]磁场生成部件10以及包括至少第一粉末状和/或颗粒材料12的第一容器14可构造并布置成，使得第一磁场会在第一容器14中感应出电流，并使得该感应电流产生第二磁场。在一个示例性实施例中，可将第一容器14放置在线圈10内，使得具有至少第一粉末状和/或颗粒材料12的第一容器14的至少一部分被容纳在该线圈内。第一磁场和第二磁场具有这样的大小和方向，以致它们彼此相互排斥，从而使得第一容器14被压缩。参照图2，随着第一容器14被压缩，该容器的壁会对第一粉末状和/或颗粒材料12施加压力，对其进行压制。在一个实施例中，可将一模具(未示出)布置在容器14内，并且可将第一粉末状和/或颗粒材料12放置在容器14内围绕该模具。

[0018]该压制过程产生材料的致密体。该致密体公知为生(未烧结的)压坯。与通过常规粉末冶金工艺所生产的生压坯相比，DMC方法可获得具有更高的均匀密度的更坚固的生压坯。例如，DMC工艺一般产生具有超过理论密度的90％的密度的生压坯，其中理论密度定义为不含任何种类多孔性或瑕疵的材料的密度。不过，通过DMC工艺所形成的生压坯的密度更常见地为理论密度的大约95％。在另一个实施例中，通过DMC工艺形成的生压坯的密度可以超过理论密度的95％。生压坯可以是近净形状。

[0019]现在参照图1，在一个示例性实施例中，可将芯16布置在第一容器14内。在一个实施例中，芯16可以是如图1中所示的实心柱形芯。如图3中所示，在另一个实施例中，芯16可以是中空的，例如，芯16可包括具有中心孔17的柱形壁。现在参照图1，芯16可包括第一内柱形壁18，第一容器14可包括同心间隔分开的第二外柱形壁20，以在第一内柱形壁18和第二外柱形壁20之间提供第一间隙、空间或空隙22。至少第一粉末状和/或颗粒材料12可放置在第一空隙22内。

[0020]如上所述，随着第一粉末状和/或颗粒材料12被压制，通过该工艺可以减小第一容器14的尺寸，如图2中所示。还是参照图2，在一个实施例中，该压制工艺生产出第一粉末状和/或颗粒材料12的第一压制壳24，例如，柱形壳。在一个实施例中，第一容器14或芯16中的至少一个的表面的至少一部分可包括某种形式的合适润滑，以有助于第一容器14和/或芯16与第一压紧壳24的分离。可使第一容器14与第一压制壳24分离，例如，通过在第一容器14的壁上施加负载使得第一容器14从第一压制壳24滑落，从而将第一压制壳24挤压出来。其后，如果需要，可以将粉状和/或颗粒材料的第一压制壳24的全部或部分进行烧结，以使第一压制壳24达到期望的强度。由于颗粒相对于彼此的扩散结合，烧结工艺可以提高压制壳的力学性能。

[0021]在一个实施例中，烧结可进一步增加粉状和/或颗粒材料的第一压制壳24的密度。在各种实施例中，可使用提供了保护气氛的常规的烧结工艺或感应加热工艺来完成烧结。在常规的烧结工艺中，可在合适的气氛中将第一压制壳24传送通过熔炉，以加热第一压制壳，同时防止第一压制壳氧化。在感应加热工艺中，可将第一压制壳24放置在感应线圈内，从而可在第一压制壳周围提供保护气氛以防止所述壳的表面化学或微观结构中发生不期望的改变。使交流(AC)电流传送通过感应线圈，产生的磁场感应出涡电流，其生成局部热量以加热第一压制壳24。

[0022]在一个实施例中，可将粉状和/或颗粒材料的第一压制壳24烧结硬化。烧结硬化可包括如上所述的烧结，之后进行淬火操作。在一个实施例中，第一压制壳24的淬火可以现有技术中公知的方式紧随烧结进行，例如但不限于，在感应加热设备上使用淬冷环。例如，在第一粉状和/或颗粒材料12的第一压制壳烧结之后，可将该壳从加热固定装置移走，并投入容纳有淬火介质的槽中，或者可将该部件从加热固定装置移走，并通过任何适当的辅助工具使其经受淬火。

[0023]在一个示例性实施例中，可以在第一粉末状和/或颗粒材料12上，或者可以在第一粉末状和/或颗粒材料12的第一压制壳24上，形成第二粉末状和/或颗粒材料28的第二压制壳26。

[0024]现在参照图4，在一个示例性实施例中，可将芯16以及第一粉状或颗粒材料12的第一压制壳24放置在第二导电容器30中。芯16可以是如图4中所示的实心柱形芯，或者是如图3中所示的具有中心孔17的柱形壁。如图4中所示，第二导电容器30可包括第三柱形壁32，且第一压制壳24可包括外表面或第四柱形壁34。在第三柱形壁32与第四柱形壁34之间提供了第二间隙、空间或空隙36。第二导电容器30可包括导电材料，例如但不限于，铜、银、铝、不锈钢、以及它们的合金。可在第二空隙36中设置第二粉末状和/或颗粒材料28。参照图5，可重复上述的DMC工艺，压缩第二容器30并压制第二粉末状和/或颗粒材料28，以形成第二粉末和/或颗粒材料28的第二压制壳26。第二压制壳26与第一压制壳24可结合在一起。

[0025]在一个实施例中，第二容器30或芯16中的至少一个的表面的至少一部分可包括某种形式的合适润滑，以有助于第二容器30和/或芯16与第二压制壳26的分离。第二容器30可与第二压制壳26分离，例如，通过在第二容器30的壁上施加负载，使得第二容器30从第二压制壳26滑落，从而将第二压制壳26挤压出来(图5中所示)。其后，如果需要，可以将第二粉状和/或颗粒材料28的第二压制壳26的全部或部分进行烧结，以使第二压制壳达到期望的密度。在一个实施例中，可使用常规的烧结工艺或者感应加热工艺来对第二压制壳26进行烧结，该常规的烧结工艺或者感应加热工艺就时间和温度而言相对于第二壳材料是定制的。例如，在一个实施例中，第一压制壳24可以是含铁的，第二压制壳26可以是非铁的。因此，用于烧结非铁的第二压制壳所需要的温度要显著地低于用于烧结含铁的第一压制壳所需要的温度。在一个实施例中，烧结可进一步增加第二压制壳26的密度。在一个实施例中，可将第二压制壳26如上所述那样烧结硬化。

[0026]现在参照图6，在另一个实施例中，可将第一粉末状和/或颗粒材料12的第一层38与第二粉末状和/或颗粒材料28的第二层40一起放置在第一容器14内，并将它们压制在一起。这可以通过各种方式来完成。例如，在图6中示出的一个实施例中，可以将一个临时的屏障或分隔物42设置在第一空隙22内，以将第一空隙22划分为第一空隙部分44和第二空隙部分46。可将第一粉末状材料12放置在第一空隙部分44内，可将第二粉末状材料28放置在第二空隙部分46内，其后将临时分隔物42移走，以允许第一粉末状材料12和第二粉末状材料28填充先前由临时屏障42占据的空间(未示出)。可以在一个步骤中利用如上所述的DMC工艺将第一粉末状材料12的第一层38与第二粉末状材料28的第二层40压制在一起。其后，如果需要，可将包括了第一粉末状材料12与第二粉末状材料28的该合成压坯的全部或一部分通过应用单频率或双频率采用感应加热来选择性地进行烧结。还可以将包括第一粉末状材料12与第二粉末状材料28的合成压坯的全部或一部分进行烧结硬化。

[0027]参照图7，在一个实施例中，可利用压制第一粉末状和/或颗粒材料12与第二粉末状和/或颗粒材料28的方法来生产产品48，例如为但不限于，用于发动机缸体的薄壁汽缸衬套。在一个实施例中，汽缸衬套48可包括薄的、内部的第一汽缸衬套壁或汽缸衬套壳50，以及薄的、外部同心的第二汽缸衬套壁或汽缸衬套壳52。当将双材料汽缸衬套48布置于发动机缸体内时，可以使第一汽缸衬套壳50与活塞接触，并可以使第二汽缸衬套壳52以现有技术中公知的方式与限定了汽缸孔的发动机缸体(未示出)的表面接触。第一汽缸衬套壳50可包括第一材料。在一个实施例中，第一材料可以是铁合金。在另一个实施例中，第一材料可以是非铁合金。第一材料可设计为提供合适的微观结构，以提供足够的汽缸衬套耐磨性，而不会不适当地增加发动机缸体的活塞或活塞环的磨损。第二汽缸衬套壳52可包括第二材料。第二材料可以是非铁合金，例如但不限于，铝合金或镁合金。第二材料的化学成分可设计为消除在铸造微观结构中涉及接触面的问题。在另一个实施例中，汽缸衬套48可包括第一汽缸衬套壳50或者第二汽缸衬套壳52，但不同时包括这两者。在一个实施例中，第一汽缸衬套壳50和第二汽缸衬套壳52均可包括烧结的材料，该烧结的材料包括包含了多个颗粒的粘结体，其中该多个颗粒的相邻表面结合或熔融结合在一起。

[0028]在一个实施例中，通过该工艺生产的第一汽缸衬套壳50可具有大约1mm到大约2mm的厚度。在另一个实施例中，第一汽缸衬套壳50可具有大约2mm到大约5mm的厚度。在又一实施例中，第一汽缸衬套壳50可具有大于5mm的厚度。第二汽缸衬套壳52的厚度可取决于发动机缸体的设计和几何形状。在各种实施例中，第二汽缸衬套壳52的厚度可以是大约1mm到大约3mm。在另一个实施例中，第二汽缸衬套壳52的厚度可以大于3mm。

[0029]双材料结合的衬套48可以是压入式(pressed-in)汽缸衬套或者铸造(cast-in)汽缸衬套。在一个实施例中，将衬套48压配合到发动机缸体的汽缸孔内。衬套48可以被激冷，压入到汽缸孔内，并且随着衬套48暖热到室温，使得衬套48膨胀以紧密配合。在另一个实施例中，衬套48是现场浇铸的，通过来自汽缸体的熔融铸造合金的热量，可以使衬套更加致密。在汽缸体凝固之后，可使用合适技术对与活塞接触的第一汽缸衬套壳50的表面进行加工，以达到所需的表面光洁度和尺寸。在另一个实施例中，由于在DMC工艺中以正确的厚度形成第一汽缸衬套壳50，所以根本无需对其进行加工。在一个实施例中，对用于更高输出的发动机的汽缸衬套孔壁，如果期望更高硬度或马氏体微观结构，可对第一汽缸衬套壳50进行烧结硬化。对第一汽缸衬套壳50进行烧结硬化，使得衬套48在该衬套被铸造就位或压入就位之后的任何硬化变成是不必要的。

[0030]上述本发明实施例的描述本质上仅仅是示例性的，由此，实施例的变化不被认为是背离了本发明的精神和范围。

Claims (34)

1.一种方法，包括：

提供包括第一粉状材料的第一层以及位于所述第一层之上的包括第二粉状材料的第二层，以及使用至少第一磁场来压制所述第一粉状材料和所述第二粉状材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压制包括同时压制所述第一粉状材料和所述第二粉状材料两者。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压制第一粉状材料和第二粉状材料包括，在压制所述第二粉状材料之前压制所述第一粉状材料。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压制第一粉状材料和第二粉状材料产生压坯，所述压坯包括所述第一粉状材料和所述第二粉状材料两者，并且进一步包括对所述压坯的至少一部分进行烧结。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括对所述压坯的至少一部分进行淬火。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一粉状材料是含铁的。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二粉状材料是非铁的。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二粉状材料是铝合金或镁合金之一。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一粉状材料是非铁的，且其中所述第二粉状材料是非铁的。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用至少第一磁场来压制第一粉状材料和第二粉状材料包括，提供第一导电容器，将所述第一粉状材料放置在所述第一容器内，其中所述第一磁场在所述第一容器内感应出电流产生第二磁场，使得所述第一磁场和第二磁场彼此相互排斥，所述第一容器被压缩以压制所述第一粉状材料，从而提供第一压坯，其后对所述第一压坯的至少一部分进行烧结，以提供第一烧结部件，并且其后，将所述第一烧结部件放置在第二导电容器内，并将所述第二粉状材料放置在所述第二容器内，使得第三磁场在所述第二容器内产生电流生成第四磁场，使所述第三磁场和所述第四磁场彼此相互排斥，从而使得所述第二容器被压缩以压制所述第二粉状材料。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，使用线圈来生成所述第一磁场和所述第三磁场。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括在将所述第一烧结部件放置在所述第二容器内之前，对所述第一烧结部件进行淬火。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括对所述压制的第二粉状材料进行烧结。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括对所述烧结并压制的第二粉状材料进行淬火。

15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一导电容器包括第一内柱形壁和同心间隔分开的第二外柱形壁，以在所述第一导电容器的所述壁之间提供第一空隙，且其中将所述第一粉状材料放置在所述第一容器内包括将所述第一粉状材料放置在所述第一空隙内。

16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，将所述第一烧结部件放置在第二容器内包括，将所述第一烧结部件放置在所述第二容器内，使得在所述第二容器的壁与所述第一烧结部件的外表面之间提供第二空隙，且其中将所述第二粉状材料放置在所述第二容器内包括将所述第二粉状材料放置在所述第二空隙内。

17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用所述第一磁场来电磁地形成覆在所述第一层或所述第二层之一上的基底。

18.一种方法，包括：

提供包括第一粉状材料的第一层以及覆在所述第一层之上的第一基底；以及

电磁地形成所述第一基底，以将所述第一粉末压制成具有中心孔的柱形壳。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，进一步包括第二基底，且其中所述压制包括相对所述第二基底挤压所述第一粉末状材料。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第二基底包括柱形壁。

21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第二基底包括实心的芯或模具。

22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第一基底包括柱形壁。

23.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，进一步包括在电磁地形成所述第一基底之前提供覆于所述第一层之上的第二层，所述第二层包括第二粉状材料，并使得所述第二粉末与所述第一粉末一起被压制。

24.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第二基底包括具有中心孔的烧结的柱形壳。

25.一种方法，包括：

提供包括第一粉状材料的第一层，覆于所述第一层之上的第一基底，以及在所述第一层之下的第二基底；以及

电磁地形成所述第一基底，以相对所述第二基底压制所述第一粉状材料。

26.一种方法，包括：

提供第一导电容器，所述第一导电容器包括第一内柱形壁和同心间隔开的第二外柱形壁，以在所述第一容器的所述壁之间提供第一空隙；

将所述第一粉状材料放置在所述第一容器的所述壁之间的所述第一空隙内；

压制所述第一粉状材料，其中第一磁场在所述第一容器内感应出电流产生第二磁场，使得所述第一和第二磁场彼此相互排斥，压缩所述第一容器，以压制所述第一粉状材料，从而提供第一压坯；

对所述第一压坯的至少一部分进行烧结，以提供第一烧结部件；

将所述第一烧结部件放置在第二导电容器内，所述第二导电容器包括第三柱形壁，使得在所述第三柱形壁和所述第一烧结部件之间提供第二空隙；以及

将所述第二粉状材料放置在所述第二容器内，使第三磁场在所述第二容器内产生电流生成第四磁场，使得所述第三磁场和所述第四磁场彼此相互排斥，从而使所述第二容器被压缩，以压制所述第二粉末材料，形成双材料的内燃机汽缸衬套。

27.一种产品，包括：

具有大约1mm到大约2mm厚度的第一壳；以及

包括非铁合金的第二壳，其中所述第二壳结合至所述第一壳；

28.根据权利要求27所述的产品，其特征在于，所述第一壳包括非铁合金。

29.根据权利要求27所述的产品，其特征在于，所述第一壳包括铁合金。

30.根据权利要求27所述的产品，其特征在于，所述非铁合金是铝合金或镁合金中的一种。

31.根据权利要求27所述的产品，其特征在于，所述第一壳包括熔融的铁合金粉状材料。

32.根据权利要求31所述的产品，其特征在于，所述第二壳包括熔融的非铁合金粉状材料。

33.根据权利要求27所述的产品，其特征在于，所述第一壳和所述第二壳形成用于发动机的汽缸衬套。

34.根据权利要求27所述的产品，其特征在于，所述第一壳和所述第二壳各自均包括烧结材料，所述烧结材料包括包含了多个颗粒的粘结体，其中所述多个颗粒的相邻表面结合或熔融结合在一起。

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