CN105492180A - 通过烧结粉状金属材料制造机械部件的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过烧结粉状材料制造机械部件的方法和装置，所述方法包括下列步骤：提供包含颗粒的粉状金属材料，所述粉状金属材料具有预定熔融温度；使给定量的所述粉状金属材料在空腔内在压力下附聚；向所述给定量的粉状金属材料提供热能以使其达到低于所述熔融温度的给定温度；和冲击所述给定量的达到所述给定温度的附聚的粉状金属材料以将所述粉状金属材料的颗粒互相结合或焊接以获得一个实心体。由此，使所述一个实心体保持在压力下并使积聚在所述实心体中的热能消散以获得所述机械部件。

Description

通过烧结粉状金属材料制造机械部件的方法和装置

本发明涉及通过烧结粉状金属材料制造机械部件的方法和用于实施这种方法的制造装置。

预期的一个应用领域是通常用于制造例如齿轮、衬垫或环的机械学。另一预期应用领域是生物医学用途，例如用于制造假体元件。

“烧结”在此是指将在金属模具中的压实粉末颗粒加热到比它们的熔点低的温度以在保持由模具提供的形状的同时将它们结合在一起形成一个实心体块的处理。

已知的粉末冶金法能够通过附聚和随后烧结金属或陶瓷粉末来制造机械部件。为实现这一点，在第一压实步骤中，使用具有纵向通孔的模具，经所述通孔的一侧衔接下冲压件，其由此划定开放腔的边界，并经所述通孔的另一侧衔接适合封闭该空腔的上冲压件。该模具定向为使该纵向孔竖直延伸。因此，随后可以用粉末填充该空腔，其被下冲压件托住。然后经该纵向孔使上冲压件就位以封闭该空腔并施加力。然后使粉末附聚并在这两个冲压件之间用力压实。一种特定压实方法在于上冲压件以给定能量冲击以产生形成生压坯所需的力。第二独立烧结步骤包括该部件的温度处理以提供其机械性质。

但是，由此形成的部件通常在从模具中推出后显著变形，也可能出现收缩缺陷以致该部件不可用。此外，对于精密机械部件，由此获得的部件必须机械加工以实现所需尺寸。

因此，所出现的并且本发明意图克服的一个问题是提供能使通过烧结粉状材料获得的机械部件在从模具中推出后保持它们的尺寸的方法。

为此，和根据第一目的，本发明提出通过烧结粉状材料制造机械部件的方法，所述方法为包括下列步骤的类型：提供包含颗粒的粉状金属材料，所述粉状金属材料具有确定的熔融温度；然后使给定量的所述粉状金属材料在空腔内在压力下附聚；然后向所述给定量的粉状金属材料提供热能以使其达到低于所述熔融温度的给定温度；和冲击所述给定量的附聚的粉状金属材料并使其达到所述给定温度以将所述粉状金属材料的颗粒互相结合或焊接以获得一个实心体。根据本发明，使所述一个实心体保持在压力下并使积聚在所述实心体中的热能消散以获得所述机械部件。

因此，本发明的一个特征在于在使实心体保持在压力下的同时使该实心体冷却。因此，实心体的几何形状和尺寸由于在整个冷却步骤过程中向其提供的压力而得以保持。此外，本发明的方法防止了与冷却有关的缺陷出现，这使得能够考虑制造实心体部件。

优选，所提供的粉状金属材料由具有低熔点(例如低于800℃)的粉状金属材料颗粒形成。因此通过本发明的方法可以实施铜基合金。

在本发明的一个特别有利的实施方案中，在圆柱对称的空腔内在压力下使所述给定量的所述粉状金属材料附聚。圆柱形空腔使得容易推动冲压件平移，以使粉状金属材料压实和附聚。

此外，和根据一个特别有利的方案，将所述一个实心体转到另一空腔内以消散所述积聚的热能。将该实心体从相对较热的空腔转移到相对较冷的空腔能更急剧降低该实心体的温度并由此固定该实心体的尺寸。根据另一实施方案变体，在所述一个空腔中消散积聚在该实心体中的热能。

为了简化实心体的转移，使其从所述圆柱对称的空腔向具有相同圆柱对称性的所述另一空腔平移。如下文解释，将两个圆柱对称的空腔相互延伸布置进一步简化了该转移。

此外，优选地，使所述给定量的所述粉状金属材料在所述一个空腔内在两个相对的壁之间在压力下附聚。因此，更容易地向附聚的金属材料粉末提供更大量的动能，并与初始热能一起，由此使金属材料颗粒互相结合。

根据另一目的，本发明提出用于通过烧结包含颗粒的粉状金属材料制造机械部件的装置，所述粉状金属材料具有确定的熔融温度，所述装置包括，一方面，具有适合容纳给定量的粉状金属材料的空腔的模具，和另一方面，用于使所述给定量的所述粉状金属材料在压力下附聚的冲压件，所述模具包括用于向所述给定量的粉状金属材料供应热能并使其达到比所述熔融温度低的给定温度的加热装置，所述装置进一步包括用于撞击所述冲压件以冲击或压实所述给定量的达到所述给定温度的附聚的粉状金属材料的器件，从而将所述粉状金属材料的颗粒互相结合以获得一个实心体。根据本发明，该装置进一步包括热交换器以在所述冲压件使所述实心体保持在压力下的同时使积聚在所述实心体中的热能消散，以获得所述机械部件。

因此，借助位于实心体周围的热交换器，使在加热阶段和在冲击过程中积聚在其内的热能消散。

此外，本发明的制造装置还包括适合朝所述冲压件同轴移动的反向冲压件。因此，形成适合以改进的机械效率附聚和压实粉状金属材料的两个相对的壁。

优选地，所述一个空腔具有圆柱对称性。因此冲压件和反向冲压件，可以在其内被彼此相对地同轴平移。因此，在冲压件和反向冲压件之间使实心体保持在压力下，同时其通过压力的作用径向紧靠模腔壁。由此，可以使该实心体在该空腔内轴向平移。

根据本发明的一个特别有利的特征，所述热交换器限定出具有相同圆柱对称性的另一空腔，且所述交换器适合连接到所述模具上以使所述另一空腔与所述一个空腔的延长线重合。此外，冲压件和反向冲压件适合经过所述另一空腔。因此，冲压件和反向冲压件(实心体保持在它们之间)的同轴平移能够将该实心体推动到所述另一空腔内。由此，将该实心体从热的模具空腔向冷的热交换器空腔推动。因此，可以在所述另一空腔内急剧降低该实心体的温度，同时使其保持在冲压件和反向冲压件之间的压力下。

有利地，所述热交换器具有适合形成所述另一空腔的两个半壳。这两个半壳彼此相对放置并可以在彼此远离的位置和彼此靠近的位置(在这里它们由此形成在所述一个模腔的延长线上的所述另一空腔)之间横向移动。

此外，所述热交换器优选包括热交换流体的流动通道。这些流动通道布置在这两个半壳中并特别靠近形成所述另一空腔的壁。在下文的描述中更详细解释经过热交换器的流动通道的布置。

参考附图，在阅读仅作为示例性和非限制性实例给出的本发明的一个具体实施方案的下列描述时会看出本发明的其它特征和优点，其中：

图1A-1D是用于制造烧结机械部件的装置在该实施方法的各种阶段中的局部示意图；

图2A是图1D中所示的制造装置的一个元件的示意性顶视图；且

图2B是图2A中所示的元件的示意性透视图。

本发明的制造方法和用于实施该方法的制造装置适用于粉状金属材料。有利地，它们适用于具有明显低于800℃的熔融温度的粉状金属材料。因此，通过这种方法可以实施具有低熔点的金属合金。

参考图1A至1D示意性和详细描述基本工具元件和根据本发明的压实方法的各种步骤。

图1A是具有圆对称性的圆柱形通孔12的模具10的示意图。模具10配有加热装置(未显示)。根据第一个方案，经模具10插入通过焦耳效应工作的筒形加热器。根据另一方案，提供用于使热的传热流体经过模具10以将其加热的流动通道。根据再一方案，使用感应加热手段。模具10配有经由圆柱形孔12部分接合在模具10的下部的反向冲压件14，其限定出模具10内的开放空腔16。反向冲压件14的上端配有下密封盘18，其构成空腔16的下平壁。下密封盘18能以密封方式封闭圆柱形孔12的下端和因此封闭空腔16。

此外，图1A示出位于空腔16的对侧并远离模具10的冲压件19。冲压件19具有与反向冲压件14相同的横截面并同轴安置。此外，还通过加热装置(未显示)使反向冲压件14和冲压件19达到温度。它们可以通过加热带和/或通过包含筒形加热器的活动外壳系统加热；所述活动外壳包围冲压件的活动端。

在该方法的第一阶段中，在密封盘18上的空腔16内插入粉状金属材料20，例如铜合金。例如，将60克所述合金粉末倒入空腔16中。预先例如在炉中使该金属粉末达到接近700℃的温度。此外，借助它们的加热和热调节装置使模具10和冲压件19和反向冲压件14的与金属材料接触的部分达到温度。

在图1B中所示的该方法的第二阶段中，将冲压件19A插入空腔16，并在第一道(firstsequence)中，预压粉状金属材料20以逐出空气。因此，冲压件19没有密封盘，空气因此在空腔16的壁与冲压件19本身之间逸出。冲压件19对粉状金属材料20施加的力在此为5公吨，持续时间为例如1至5秒。

在第二道中，冲压件19从空腔16中移出并配备上密封盘22以再次预压粉状材料20。由此密封含有粉状金属材料20的空腔16。第二道具有例如30秒持续时间，且冲压件19施加的力为大约10公吨。在第二道的过程中，使粉状金属材料20的温度均匀并达到设定在118℃的工作温度。

在图1C中所示的第三阶段中，烧结金属粉末20，然后对冲压件19施加冲击。

在此处所示的实例中，冲击能量为大约1680J并冲击40下。因此，金属粉末20的颗粒局部达到该材料的熔点，这具有在颗粒之间形成一个共同相的作用。优选在第一次冲击过程中在颗粒边界处出现熔融相，且该相的比例随冲击逐渐增加。该组合体由此在图1D中所示的冷却阶段过程中固结。由此获得一体实心体23。

后图示出之前的图中所示的所有元件以及在模具10之上的热交换器24。

在更详细描述图1D之前，首先参考图2A和2B，它们详细显示热交换器24。

图2A示出热交换器2的顶视图，其具有透视示出的热交换流体的流动通道26。热交换器24具有两个半部(half-portions)28,30，它们相对于轴平面P彼此对称。半部28,30分别具有正面32,34，在其中安置圆柱对称的两个凹部36,38，以形成2个半壳。由此，这两个半壳36,38限定出圆柱旋转对称的冷却腔40。

图2B在3/4后视图中显示热交换器24的两个半部之一30。该图还显示位于前部41(其与后部43相对)中的正面34和由位于正面34中的凹部38形成的半壳。

还透视显示了经过热交换器24的半部30的主体的热交换流体流动的通道26。热交换流体是例如冷水。这些通道因此分成两个相反的分支42,44，它们经由管道网络46在前部41汇合，以在围绕凹部38的前部41内形成冷却网。另一半部28以对称方式具有相同特征。

由此，将冷流体注入分支42并在前部41流经管道网络46，以形成围绕与待冷却部件直接接触的凹部38的冷却网。这一网络用于使紧靠该部件的热交换表面最大化并因此排出最大量的热量。流体随后经分支42对面的分支44离开。这一流体随后可以有利地在冷却后在线路入口经分支42再引入以形成回路。

因此，当两个半部28,30压接(正面32挨着正面34)时，它们一起限定出图2A中所示的冷却腔40，其具有与图1A-1D中所示的模具10的空腔16相同的横截面。

图1D不仅显示模具10，还显示由两个半部28,30形成的热交换器24。在此仅显示前部41，正面36对着正面38。因此，前部41不仅在横向上彼此毗邻，还在轴向上毗邻模具10的上缘，以使冷却腔40面对圆柱形孔42在模具10的空腔16的延长线上延伸。

因此，由图1C中所示的实心体23的位置(在模具10内的空腔16中并挤压在两个冲压件14,19之间)开始，然后通过驱动两个冲压件14,19一起平移，将实心体23推入热交换器24的冷却腔40中。

由此，在保持两个冲压件14,19对实心体23所施加的压力的同时将实心体23从模具10的空腔16推动到热交换器24的冷却腔40中。例如使压力达到15公吨120秒。

此处参照附图描述并例示了本发明方法的制造装置可以呈现另一形式并例如包含具有分别与多个冲压件和反向冲压件相关联的多个型式(patterns)或空腔的模具。

其它参数，如在冷却过程中在实心体23上保持的压力和压力保持时间也可改变最终材料的机械特征。

Claims (12)

1.通过烧结粉状材料(20)制造机械部件的方法，所述方法为包括下列步骤的类型：

-提供包含颗粒的粉状金属材料(20)，所述粉状金属材料具有预定熔融温度；

-使给定量的所述粉状金属材料在空腔(16)内在压力下附聚；

-向所述给定量的粉状金属材料(20)提供热能以使所述材料达到比所述熔融温度低的给定温度；

-冲击所述给定量的达到所述给定温度的附聚的粉状金属材料以将所述粉状金属材料的颗粒互相结合或焊接以获得一个实心体(23)；

其特征在于使所述一个实心体(23)保持在压力下，并使积聚在所述实心体(23)中的热能消散以获得所述机械部件。

2.根据权利要求1的制造方法，其特征在于提供具有低熔点的粉状金属材料。

3.根据权利要求1或2的制造方法，其特征在于在圆柱对称的空腔(16)内在压力下使所述给定量的所述粉状金属材料附聚。

4.根据权利要求1至3任一项的制造方法，其特征在于将所述一个实心体(23)置于另一空腔(40)内以消散所述积聚的热能。

5.根据权利要求3或4的制造方法，其特征在于使所述一个实心体(23)从所述一个圆柱对称的空腔(16)向具有相同圆柱对称性的所述另一空腔(40)平移。

6.根据权利要求1至5任一项的制造方法，其特征在于使所述给定量的所述粉状金属材料在所述一个空腔(16)内在相对的壁之间在压力下附聚。

7.用于通过烧结包含颗粒的粉状金属材料制造机械部件的装置，所述粉状金属材料具有预定熔融温度，所述装置包括，一方面，具有适合容纳给定量的粉状金属材料(20)的空腔(16)的模具(10)，和另一方面，用于使所述给定量的所述粉状金属材料在压力下附聚的冲压件(19)，所述模具(10)包括用于向所述给定量的粉状金属材料(20)供应热能并使其达到比所述熔融温度低的给定温度的加热装置，所述装置进一步包括用于撞击所述冲压件以冲击所述给定量的达到所述给定温度的附聚的粉状金属材料的器件，从而将所述粉状金属材料的颗粒互相结合以获得一个实心体(23)；

其特征在于所述装置进一步包括热交换器(24)以在所述冲压件(19)使所述实心体(23)保持在压力下的同时使所述实心体(23)中积聚的热能消散，以获得所述机械部件。

8.根据权利要求7的制造装置，其特征在于所述装置进一步包括适合与所述冲压件(19)相对地同轴移动的反向冲压件(14)。

9.根据权利要求7或8的制造装置，其特征在于所述一个空腔(16)具有圆柱对称性。

10.根据权利要求9的制造装置，其特征在于所述热交换器(24)限定出具有相同圆柱对称性的另一空腔(40)，且所述热交换器(24)适合与所述模具(10)相反移动以使所述另一空腔与所述一个空腔(16)的延长线重合。

11.根据权利要求8的制造装置，其特征在于所述热交换器(24)具有适合形成所述另一空腔(40)的两个半壳(36,38)。

12.根据权利要求7至11任一项的制造装置，其特征在于所述热交换器(24)包括热交换流体的流动通道(26)。