CN102365144B - 粉末冶金体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及粉末冶金体(3)及其制备方法。该粉末冶金体(3)包括安装底座(16)，该安装底座用于安装密封元件，以便对液体和/或气体提供密封作用，其中所述粉末冶金体(3)在安装底座(16)的深度区域(13)中为再致密化的。

Description

粉末冶金体及其制备方法
技术领域
本发明涉及粉末冶金体以及粉末冶金体的制备方法。
背景技术
德国专利文献DE10301175A1披露了一种通过粉末冶金法制得的粉末冶金体，该粉末冶金体具有至少一个多孔区域和至少一个平面流体密封区域(fluiddichtenBereich)。该流体密封区域设计用于阻止某些液体的渗透，并且在某些情况下，该流体密封区域也应阻止气体的渗透。这种流体密封区域可在粉末冶金体内形成一道屏障。
发明内容
本发明的目的在于改善粉末冶金体的密封功能。
这一目的是通过将独立权利要求1和13的特征加以组合而得以实现的。
本发明基于如下原理：将独立的密封元件(例如，弹性体密封件)安装于粉末冶金体(优选由烧结铁或烧结钢制成)上，并将所述密封元件的密封功能与再致密化的粉末冶金体区域相结合。密封元件具有这样的功能，即，对粉末冶金体壁进行密封以防止不利的气体和/或液体渗透。通过如下方式使这一密封功能得以改善：将密封元件安装于粉末冶金体的安装底座上，而该粉末冶金体的安装底座区域中存在再致密化的深度区域(Tiefenbereich)。因此，该深度区域的平均孔隙率低于该粉末冶金体整体的平均孔隙率(因此，该深度区域具有更高的材料密度)。
优选通过阿基米德方法或借助于定量图像分析来确定孔隙率。在通过定量图像分析来确定孔隙率时，优选通过上述阿基米德方法来进行度量修正。
根据本发明，可将粉末冶金体的孔隙率优势(静质量低、材料消耗低、生产成本效益高)与粉末冶金体仅在要求区域内的较高的材料密度(较低的孔隙率)相结合。根据本发明，这些区域至少位于还将要设置一个或多个密封元件的位置。安装底座优选形成针对密封元件的机械接触表面。
在所述深度区域中，特别地提供了封闭的孔隙以形成局部相对较低的孔隙率。这样，粉末冶金体中常规密封元件区域内的密封性得到有效地提高。
在优选实施方案中，局部相对致密的区域(即，具有局部相对较低的孔隙率的深度区域)的材料深度至少为0.01mm或至少0.05mm。通常由安装底座开始测量材料深度。在优选实施方案中，材料深度达0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm或2.5mm。当材料深度小于0.01mm或0.05mm时(取决于其用途)，可能不一定确保粉末冶金体具有所需的用以支持该深度区域中的密封元件的不透性。当材料深度大于2.5mm时，则用以获得所需的局部相对较高密度或局部相对较低孔隙率的过程所耗费的费用可能会相对较高，而在该过程中却并不会获得密封作用方面所要求的额外益处。
优选的是，在横向显微断面中，该深度区域被表示为横截面积，该横截面积形成为材料深度与材料宽度的乘积，其中该材料宽度特别地平行于安装底座延伸。材料宽度的尺寸优选小于或等于安装底座的宽度。所考虑的横截面积尤其为至少0.3mm2。该横截面积表示(例如)材料深度为0.5mm、材料宽度为0.6mm的待考虑区域。
为了提高安装底座区域的密封作用，对于材料深度与孔隙率之间的关系来说，以下实施方案是优选的：
当材料深度达0.05mm时，该深度区域内的平均孔隙率至多为4体积％(相当于至少为理论密度的96％)、优选至多为2.5体积％(相当于至少为理论密度的97.5％)。当材料深度达0.5mm时，该深度区域内的平均孔隙率至多为5体积％、优选至多为2.5体积％。当材料深度达1.0mm时，该深度区域内的平均孔隙率至多为6体积％、优选至多为3体积％。当材料深度达1.5mm时，该深度区域内的平均孔隙率至多为7体积％、优选至多为3.5体积％。
所示出的孔隙率值优选利用定量图像分析方法(金相学)确定。
所述深度区域中的平均孔隙率优选至多为5体积％。如果深度区域中的平均孔隙率高于5体积％，则可能不一定确保获得所需的针对气体和液体的不透性。在所述深度区域以外，粉末冶金体无需具有针对液体/气体的不透性，因此这里的平均孔隙率(例如，高于10体积％)可相当于常规粉末冶金成分的平均孔隙率。
安装底座优选为用以容纳密封元件的密封槽的构成部分，这样便可通过简单的技术方式将密封元件固定在粉末冶金体上。特别地，安装底座被布置在密封槽的槽底上。特别地，安装底座是在粉末冶金体的圆周方向上连续地形成的。由此可使安装底座与(例如)环状密封元件匹配，这经常会结合部件的有效密封来使用。
粉末冶金体优选具有粉末冶金体轴(例如，对称轴或旋转轴)。特别地，安装底座或密封槽的槽底位于横过粉末冶金体轴的平面内。粉末冶金体优选呈环状。
优选的是，结合布置在粉末冶金体前端区域中的密封槽来实现局部相对较低的孔隙率或局部相对较高的密度。在前端区域中或者还在其他位置处，粉末冶金体中环绕密封元件的壁部分通常相对较薄。就粉末冶金体不利地缺乏不透性而言，这些位置是至关重要的。采用经过再加工的材料凸起部这种简单的技术手段，可避免这些位置存在缺乏不透性的风险。
在某些技术应用中，对粉末冶金部件加以密封以防止气体和液体(例如，油)渗透和/或溢出是非常重要的，尤其是在机械工程领域和汽车制造领域中更是如此。粉末冶金部件为(例如)凸轮轴调节器系统的转子和定子。举例来说，需要能够防止飞溅的油或压力达1至10巴数量级的油渗透的不透性。为了改善密封性，可将布置于这些部件上的常规密封元件与粉末冶金部件的安装底座区域(即，深度区域)中的局部相对较低的孔隙率相结合。
借助于所提供的材料凸起部，可通过合适的工具和方法步骤以目标方式使粉末冶金体的单独区域具有局部相对较低的孔隙率。对材料凸起部的加工使得在加工后，距离安装底座一定材料深度的深度区域发生了局部的再致密化。这种单独区域的局部再致密化还具有这样的优势：避免了对整个粉末冶金体进行再致密化(例如，德国专利文献DE202008001976U1所提出的做法)，这种对整个粉末冶金体进行再致密化会导致在工艺过程和成本方面支出得更多。
特别地，在对材料凸起部进行加工后，将密封元件安装在安装底座上。
优选通过加工使材料凸起部平坦化，即在加工后使材料凸起部的厚度更得更平或被完全消除，使得不再存在材料凸起部。这种平坦化过程有利地使深度区域受到所需的压缩、或者获得所需的相对较低的孔隙率。
为了进行局部加工，利用恰当的工具以实现再致密化。优选以特定的校准操作或压制操作形式来实现再致密化。为了这一目的，特别是采用了任何标准工具，由此，以极为成本有效的方式实现了局部再致密化。在优选实施方案中，校准压制适合于校准操作。或者，通过校准轧制来实现再致密化。
在这种情况下，用于再致密化的工具优选为平行于上文所述的粉末冶金体轴而运动，并且将位于运动方向上的作用力或所施加的压力作用在安装底座或材料凸起部的表面上，其中，安装底座或材料凸起部特别地布置为横过该运动方向。在进行压制操作的情况下，此时的运动方向与压制方向一致。作为一种可替代的方式，或者除了使工具运动外，还可使粉末冶金体沿着工具的方向运动。
优选的是，粉末冶金体上存在多个安装底座。例如，如果在粉末冶金体的相对两侧(例如，前端)分别设置一个安装底座，则有利的是，可使适当的再致密化工具的相应部分由粉末冶金体的两侧彼此相向地运动，从而在这两个安装底座区域中同时实现再致密化，这样这两个相对的工具部分各自能够像铁砧一样作用于粉末冶金体的一侧上，从再致密化过程中的工艺学工程方面来看，这种方式是简便的。
在优选实施方案中，提供粉末冶金体连同材料凸起部，作为粉末冶金坯件。这样避免了(例如)在坯件烧结后，通过在坯件上提供材料来实现材料凸起部的额外而复杂的方法步骤。
优选的是，仅在压制后的生坯经过烧结之后，对粉末冶金体的材料凸起部区域进行局部加工。由于在烧结之后无论如何通常要对烧结体进行校准，所以优选的是，可在单一一个方法步骤中实施粉末冶金体的校准以及对材料凸起部的加工，以节省时间并降低成本。
优选的是，在对材料凸起部进行加工之后，接着还进行至少一个另外的方法步骤，在该方法步骤中，将粉末冶金体表面上的孔隙至少部分地密封。这种粉末冶金体表面的密封有助于促进所需的粉末冶金体对流体/气体的不透性，优选利用磁铁矿层覆盖孔隙或尽量减少孔隙来实现表面的密封，另外磁铁矿层还可起到防腐蚀并增加表面硬度的作用。在密封的又一实施方案中，孔隙中浸渍有塑料。在密封的又一实施方案中，首先按上述方式用蒸气对粉末冶金体进行处理，随后用塑料进行浸渍。
附图说明
下面将基于附图和制备例对本发明进行更为详细的阐述：
图1示出了具有附件和密封元件的粉末冶金体的示意性侧视截面图，
图2示出了图1中所示细节II的放大示意图，
图3示出了具有材料凸起部的密封槽的示意性侧视截面图，
图4示出了烧结后的待压制混合粉末(铁、铜、碳、压制助剂)固体截面的光学显微图，其中该固体不具有材料凸起部，并且在槽底区域中没有经过再致密化，
图5示出了图4中所示细节V的放大显微图，
图6示出了根据图4的粉末混合物在烧结后、但是在槽底区域中经过再致密化的固体截面的光学显微图，
图7示出了图6中所示细节VII的放大显微图。
具体实施方式
下面将基于图1和图2对装置1防止液体2(例如，油)流出的密封作用进行阐述。装置1包括通过粉末冶金法制得的粉末冶金体3，该装置1在粉末冶金体3的圆周方向上具有连续的侧壁4。该侧壁4限定了内部空间5的边界。液体2位于内部空间5中。在粉末冶金体3的两个端侧7上均设置有附板(Anbauplatte)8，附板8在轴向6上彼此相对地设置。利用适合的紧固手段(图中未示出)将附板8安装(例如，用螺丝拧紧)在粉末冶金体3上，从而在轴向6上将内部空间5封闭。两个弹性变形的密封环9形式(这两个密封环9是各自连续的)的密封元件旨在防止液体2通过附板8与粉末冶金体3之间的过渡区域而由内部空间5进入外部环境10。
为了防止液体2从侧壁4渗出，将粉末冶金体3密封。为了这一目的，优选进行塑料浸渍。通过在负压下将多孔的粉末冶金体3浸入液体浸渍介质中，使得浸渍介质渗透至粉末冶金体3的孔隙内，从而进行浸渍。在将粉末冶金体3从浸渍介质中移出后，漂洗除去多余的浸渍材料，位于孔隙中的浸渍介质固化形成固体，由此获得了不透流体的效果。这一方法的条件意味着在漂洗过程中，浸渍介质可能会被不利地洗掉。尤其是在边缘区域和/或粉末冶金体3的壁厚度较薄的区域，存在这样的风险，即，粉末冶金体3未被充分密封或粉末冶金体3仍为可渗透性的，因此便形成了渗透通道。在图2中，通过箭头11示出了该通道。该通道位于多孔粉末冶金体3的接触表面12区域中，贴靠该接触表面密封元件9保持为弹性变形状态。
为了避免形成这种渗透通道，在针对密封元件9的接触表面12的深度区域13中设置了局部降低的孔隙率。
图3同样为放大图，其示出了用以接受密封元件(图中未示出)的多孔粉末冶金体3的密封槽15。设置了安装底座16(其对应于图2中的接触表面12)，该安装底座为密封槽15的槽底17的构成部分。在组装后的状态中，密封元件被安装在槽底17或安装底座16上。也可将密封元件安装于侧面的槽肋18上。因此，槽肋18也可类似地均形成安装底座或接触表面。
安装底座16设置有材料凸起部19。按照下文将要解释的方式，借助于再致密化工具W对材料凸起部19进行加工，其中再致密化工具W沿着与粉末冶金体轴A平行的运动方向P进行移动(仅在图中示意性地示出了该再致密化工具W)，通过这种方式，在对安装底座16加工之后，邻近的深度区域13处的局部孔隙率远远低于远离安装底座16的区域(例如，区域14)处的孔隙率。深度区域13处的平均孔隙率也远远低于粉末冶金体3整体的平均孔隙率。局部具有相对较低孔隙率的区域13沿深度方向TR延伸的材料深度T随着技术应用以及对粉末冶金体3的要求的不同而有所改变。
在图3中，仅部分地示出了粉末冶金体3。粉末冶金体3是在圆周方向上连续地形成的，其圆周平面被设置为与粉末冶金体轴A成直角。类似地，加工后的安装底座16的平面或其表面也基本上横过粉末冶金体轴A延伸、或者与粉末冶金体轴A成直角(参见图6)。密封槽15位于粉末冶金体3的前端7的区域中。密封槽15同样是连续的，以容纳作为密封元件的环状密封件、优选为弹性的环状密封件。因此，安装底座同样是在粉末冶金体3的圆周方向上连续地形成的，例如，被成形为环状表面。也可在粉末冶金体上设置多个密封槽15，无论这些密封槽在粉末冶金体3的圆周方向上是否连续。尤其是，粉末冶金体3具有这样设置的第二密封槽15，该第二密封槽15在深度方向TR上与所示密封槽15位置相对(也参见图1)。
下面将基于实施例对多孔粉末冶金体3的制备进行描述，其中多孔粉末冶金体3在深度区域13中具有局部相对较低的孔隙率、或具有局部相对较高的密度。
在施加380MPa的压力下，将由铜(1重量％至1.5重量％)、石墨(0.45重量％至0.65重量％)、硫化锰(0.3重量％至0.4重量％)、微晶蜡(0.75重量％至0.85重量％)以及余量的铁构成的金属粉末混合物压制形成生坯。这样设计压制工具，使得还能够成形并压制出位于密封槽15上的材料凸起部19。随后于吸热气体中，将得到的生坯在1120℃的直通型带式窑(Banddurchlaufofen)中烧结20分钟。在烧结后，在施加700MPa的压力下通过校准压制对烧结后的粉末冶金体3的材料凸起部19进行加工，并使之平坦化，由此实现了局部再致密化(参见图6和图7中所示的光学显微图)。在此，使校准压制所用的再致密化工具(该工具相当于示意性示出的工具W)沿着运动方向P(即，平行于粉末冶金体轴A)向着安装底座16或材料凸起部19的方向运动，并将材料凸起部19平坦化。由于进行了该再致密化处理，使得深度区域13的孔隙率远远低于多孔粉末冶金体3中区域14处的孔隙率，其中区域14远离区域13，并且未经再致密化处理。类似地，与具有相同构造、但安装底座16区域中未经这种局部再加工或再致密化的粉末冶金体的相应区域相比，图6和图7中的深度区域13的孔隙率大幅降低(参见图4和图5中的深度区域13)。
通过定量图像分析的手段来确定材料深度T方向上的孔隙率分布(相对于所考虑的整个表面的孔隙表面之和)。在测量中，孔隙尺寸＜6μm的孔隙不计算在内。将横向显微断面的抛光面放大200倍(安装有得自ClemexVision的图像分析程序的全自动光学显微镜LEICADM4000-M)以进行测量。借助于常规的切割装置和SiC切割轮来获得用于显微断面的横截面。通过晶粒尺寸不同(80至1200)的多个步骤对该横截面进行磨削。此外，通过抛光垫对该横向显微断面进行最终抛光处理。这里，抛光垫上喷有包含金刚石晶粒(晶粒直径为1μm至3μm)的醇悬浮液。
为了测量，将多孔粉末冶金体3的待测区域分割为方格。从安装底座16开始，沿着材料深度T的方向界定出材料深度均为0.5mm的五个连续部分。各部分包含两个亚区域F1和F2，这两个亚区域F1和F2设置在所界定的凹槽中心线20的两侧。每个亚区域F1、F2在宽度方向BR上的区域宽度或材料宽度B为0.6mm。宽度方向BR被布置为与材料深度T成直角，并且在图6中，宽度方向BR平行于密封槽15的槽宽度延伸。因此，方格包括两列，每列具有五个亚区域，其中每个亚区域的横截面积为0.6mm×0.5mm。
可从表1中得出经过局部再致密化的第一多孔粉末冶金体3的孔隙率值。对于材料深度＞0.5mm，所给出的区域1的孔隙率值均为平均值，该平均值是由相应的亚区域F1的孔隙率值得出的。例如：
区域1(T＝0-0.5mm)孔隙率＝0.76体积％，等于亚区域F1(T＝0-0.5mm)孔隙率
亚区域F1(T＝0.5mm-1.0mm)孔隙率＝1.56体积％。由此便得出区域1(T＝0-1.0mm)孔隙率＝(0.76体积％+1.56体积％)/2＝1.16体积％。
可按照类似方式，由亚区域F2的孔隙率值确定出区域2的孔隙率值。
由于粉末冶金体3的孔隙不存在优选取向，因此所确定的面积相关孔隙率几乎也相当于体积相关孔隙率。
表1
可从表2中得出经过局部再致密化的第二多孔粉末冶金体3的孔隙率值。该孔隙率值的确定步骤与表1的过程类似。
表2
基于这些测量，可清楚地看出，由安装底座16处的极低孔隙率值开始，随着材料深度T的增加，深度区域13的孔隙率也升高。
应当指出的是，附图中所示细节的比例并非一定是真实的比例。例如，尽管图4至图7中可看出关于比例的信息，但是图4和图6中所示出的细节V和VII的界限以及涉及材料深度T所示出的箭头的长度、材料宽度B以及亚区域F1、F2的比例并不一定是真实的比例。

Claims (23)

1.一种粉末冶金体(3)和独立的密封元件(9)的组合，
-其中所述粉末冶金体(3)具有安装底座(12，16)，该安装底座(12，16)上安装独立的密封元件(9)，以便对液体和/或气体提供密封作用，
-所述安装底座(12，16)为密封槽(15)的构成部分，所述密封槽(15)在粉末冶金体(3)上形成有槽的轮廓(7)用以容纳所述独立的密封元件(9)，
-其中所述粉末冶金体(3)在所述安装底座(12，16)的深度区域(13)中为局部的再致密化的，其中所述安装底座(12，16)的局部的再致密化的所述深度区域(13)的平均孔隙率低于所述粉末冶金体整体的平均孔隙率，并且
-其中独立的密封元件(9)安装在局部的再致密化的所述安装底座(12，16)上，从而与粉末冶金体(3)相结合。
2.根据权利要求1所述的粉末冶金体(3)和独立的密封元件(9)的组合，其特征在于：所述粉末冶金体(3)在所述深度区域(13)中具有封闭的孔隙。
3.根据权利要求1所述的粉末冶金体(3)和独立的密封元件(9)的组合，其特征在于，所述粉末冶金体(3)在所述深度区域(13)中仅具有封闭的孔隙。
4.根据前述权利要求中的任意一项所述的粉末冶金体(3)和独立的密封元件(9)的组合，其特征在于：以横截面积来表示所述深度区域(13)，其中该横截面积形成为距离所述安装底座(12，16)的材料深度(T)与平行于所述安装底座(12，16)延伸的材料宽度(B)的乘积。
5.根据权利要求4所述的粉末冶金体(3)和独立的密封元件(9)的组合，其特征在于：所述深度区域(13)的横截面积为至少0.3mm2。
6.根据权利要求4所述的粉末冶金体(3)和独立的密封元件(9)的组合，其特征在于：当距离所述安装底座(12，16)的材料深度(T)达0.05mm时，所述深度区域(13)的平均孔隙率为至多4％。
7.根据权利要求4所述的粉末冶金体(3)和独立的密封元件(9)的组合，其特征在于：当距离所述安装底座(12，16)的材料深度(T)达0.05mm时，所述深度区域(13)的平均孔隙率为至多2％。
8.根据权利要求4所述的粉末冶金体(3)和独立的密封元件(9)的组合，其特征在于：当距离所述安装底座(12，16)的材料深度(T)达0.5mm时，所述深度区域(13)的平均孔隙率为至多5％。
9.根据权利要求4所述的粉末冶金体(3)和独立的密封元件(9)的组合，其特征在于：当距离所述安装底座(12，16)的材料深度(T)达0.5mm时，所述深度区域(13)的平均孔隙率为至多2.5％。
10.根据权利要求4所述的粉末冶金体(3)和独立的密封元件(9)的组合，其特征在于：当距离所述安装底座(12，16)的材料深度(T)达1.0mm时，所述深度区域(13)的平均孔隙率为至多6％。
11.根据权利要求4所述的粉末冶金体(3)和独立的密封元件(9)的组合，其特征在于：当距离所述安装底座(12，16)的材料深度(T)达1.0mm时，所述深度区域(13)的平均孔隙率为至多3％。
12.根据权利要求4所述的粉末冶金体(3)和独立的密封元件(9)的组合，其特征在于：当距离所述安装底座(12，16)的材料深度(T)达1.5mm时，所述深度区域(13)的平均孔隙率为至多7％。
13.根据权利要求4所述的粉末冶金体(3)和独立的密封元件(9)的组合，其特征在于：当距离所述安装底座(12，16)的材料深度(T)达1.5mm时，所述深度区域(13)的平均孔隙率为至多3.5％。
14.根据权利要求1所述的粉末冶金体(3)和独立的密封元件(9)的组合，其特征在于：所述安装底座(12，16)为所述密封槽(15)的槽底(17)的构成部分。
15.根据权利要求1所述的粉末冶金体(3)和独立的密封元件(9)的组合，其特征在于：所述安装底座(12，16)是在所述粉末冶金体(3)的圆周方向上连续地形成的。
16.根据权利要求1所述的粉末冶金体(3)和独立的密封元件(9)的组合，其特征在于：所述密封槽(15)设置在所述粉末冶金体(3)的前端(7)的区域内。
17.一种制备粉末冶金体(3)的方法，该粉末冶金体(3)能借助于密封元件(9)加以密封，该方法包括以下方法步骤：
(a)为粉末冶金体(3)的安装底座(12，16)提供材料凸起部(19)，其中所述安装底座(12，16)用以安装所述密封元件(9)，
(b)对所述材料凸起部(19)进行加工，使得在所述加工后，所述粉末冶金体(3)在所述安装底座(12，16)的深度区域(13)中为局部的再致密化的，其中所述深度区域(13)的平均孔隙率低于所述粉末冶金体整体的平均孔隙率，
(c)将所述密封元件(9)安装在局部的再致密化的所述安装底座(12，16)上。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：通过所述加工使所述材料凸起部(19)平坦化。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其特征在于：通过校准压制对所述材料凸起部(19)进行加工。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：提供所述粉末冶金体(3)连同所述材料凸起部(19)，作为粉末冶金坯件。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：在对所述坯件进行烧结后，对所述材料凸起部(19)进行加工。
22.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：在对所述材料凸起部进行加工后，将所述粉末冶金体(3)表面上的孔隙至少部分地密封。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于：通过用塑料浸渍将所述孔隙密封。
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