CN106984803A - 用于生产多孔成形主体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生产多孔成形主体的方法。该方法包括以下步骤：a)提供由陶瓷粉末和/或金属粉末和/或合金粉末与树脂/催化剂混合物构成的混合物；b)通过砂心吹射将混合物引入形成在成型刀具中的腔室；c)凝固成型刀具中的混合物以给出成形主体；d)加温或者加热成形主体以移除存在于成形主体中的有机物和/或存在于成形主体中的气体；e)通过烧结操作重新凝固成形主体。

Description

用于生产多孔成形主体的方法

技术领域

本发明涉及一种用于生产多孔成形主体的方法。

当开发一种新型发动机或者甚至当小型化发动机以及增加功率浓度时，关注的核心问题是延长发动机的寿命，同时降低释放，因此降低燃料消耗。在耐久性、高温完整性以及耐磨性方面，为了实现这些目的施加于各个电动机部件的需求通常比以前更严格。一个例子是修改材料以降低气缸内部的磨损，降低活塞圈和气缸运行表面之间的摩擦。呈现的系统最终是一个由各个部件构成的复杂系统，各个部件在摩擦学上彼此相互作用，诸如活塞圈/气缸壁及活塞圈/气缸。

背景技术

在内燃机中，出于能量效率的原因要最小化移动质量：首先，鉴于它们需要不断加速以及制动，它们耗尽一部分发动机功率，因此从负面意义上看进入发动机的能量平衡，其次，通过它们的质量，它们施加较大负荷在其他部件上，诸如安装部分。鉴于此，显而易见的是，设计移动部件的构造，使得它们具有最小质量。实现此的一种方式是使用具有低密度的材料，例如Al合金。但是，公知的是该组材料拥有低硬度、高传热性、由于它们的熔化特性拥有限制的服务温度、较低强度以及接触其他材料诸如钢的低磨损阻力。然而，Al合金在开发以及实现新型发动机设计中具有重要作用，相当重要的是作为用于内燃机的活塞的材料。

由于增加功率密度以及严重影响内燃机的操作条件(例如气缸中的燃烧压力)，临界操作状态出现，并且反映为增加的磨损以及特定部件的更短寿命。因此，需要确保活塞凹槽不被增加的负荷过早磨损，从而不损害“密封”特性，因此不损害发动机的总体效率。

公知于现有技术并且被Al活塞采用以降低活塞圈和活塞之间磨损的一个方法是镶铸由耐蚀镍铸铁材料组成的铸造圈。但是，镶铸并不是没有它的问题，这是由于活塞圈滑架需要在铸造之前预处理以实现有效连接至Al活塞。然而，在服务中Al合金和耐蚀Ni活塞圈滑架之间的界面是关键的，这是由于从Al材料转换为铸造部件是突然的，温度梯度导致热引发的应力，这能够引起破坏。而且，讨论的材料具有的密度为大约7.4g/cm³，当用相同尺寸构建时该密度增加了Al活塞的质量。

为了降低部件密度的目的，现有技术公开了生产具有尤其低部件密度的多孔部件。根据DE202009004082U1，作为蜂窝主体的产品的一部分，生产了一种多孔部件，其具有尤其高多孔性以及因此具有低部件密度。起点是存在一种由纯金属–例如铁、镍、铬，铜或者铝–组成的金属泡沫，纯金属被处理以形成抗氧化及耐腐蚀的合金。DE102004014076B3描述了生产细节。具有开孔结构的金属泡沫主体由开孔结构形成，所述开孔结构由纯金属通过应用粉末涂层以及烧结组成，修改材料的成分，使得其要求特定氧化以及腐蚀属性。以该方式生产的多孔部件获得了大约90％的多孔性。

DE102012020829A1描述了一种用于生产烧结多孔部件的方法。通过使用由球形或者规则部件以及板状部件组成的粉末混合物，能够剪裁部件中的多孔性。改良的混合物带来不同振实密度和体积密度，在烧结产品中不同振实密度和体积密度导致不同的孔类型以及孔含量。通过适当的组合至少两个部件，–独立于材料和/或其材料密度–能够获得生坯的体积密度为20％至70％TD(TD：部件密度与材料密度的比率％，对应于理论材料密度)。因此，在烧结部件中，获得30％至80％TD的相对密度。能够通过磨粉技术的公知方法处理这种类型的粉末混合物，诸如压缩模制、薄膜铸造、喷射铸造。

DE102013215020A1描述了一种用于铸造内燃机的Al活塞的插入部件，该部件经得起渗透，意味着其具有开放多孔性。起点是存在一种铁基粉末混合物，其各个粒子尤其粗糙。具体地要求不多于4％粒子质量的混合物具有的平均直径为75μm。进一步公开了使用粘合剂作为用于粉末粒子的涂层，尤其使用树脂，据说树脂能够在铸造中带来足够生坯强度，并且能够在烧结期间再次烧尽。据说根据该发明制造的插入部件能够在烧结之后获得2.5至4.7g/cm³的密度和/或80至50vol％或者大约32％至60％TD的多孔性。

发明内容

本发明的目的是示出开发用于生产多孔成形主体的方法的新方式。

该目的通过独立权利要求的主题实现。优选实施例是从属权利要求的主题。

因此，本发明的基本构思是：依靠砂心吹射、换句话说通过流体动态操作用混合物形成多孔成形主体，所述混合物由金属、陶瓷和/或合金粉末与树脂/催化剂系统组成。通过混合物的适当成分以及树脂/催化剂系统的适当选择，本发明的方法能够用来生产能够适于特定应用的介质可渗透功能部件。

在此处提出的本发明的用于生产多孔成形主体的方法的第一步骤a)，将由金属和/或金属合金和/或陶瓷构成的粉末与树脂/催化剂混合物进行混合。得到的混合物必须是可烧结的。这意味着热处理在相邻粒子之间产生熔化连接。在第二步骤b)，通过砂心吹射将混合物引入设计在成型刀具中的腔室。在第三步骤c)，通过活性物质(例如气体)的作用将成型刀具中的混合物凝固为成形主体。在第四步骤d)，加温或者加热成形主体以移除存在于成形主体有机中的有机物和/或存在于成形主体中的气体。在第五步骤e)，最终，烧结以及因此凝固成形主体。

以上描述的方法允许生产具有几乎任何不确定几何形状的多孔成形主体。因此能够利用该方法生产非常多种类的部件中的任何一种部件，尤其，使用在车辆构造中的部件。例如，能够想到的是生产气缸衬套或者过滤器件的部件。鉴于在混合物和/或成形主体上的较低流体压力作用，通过与其他方法(诸如压缩模制或者喷射模制)比较，例如能够生产具有复杂几何结构以及还具有较大外部尺寸的部件。

本发明的方法的另一优势是，步骤a)中同质混合物的成分能够几乎无限地变化，不会发生通常导致材料改变的粉末分离。例如，金属能够与合金以及陶瓷混合。此外，当使用金属粉末时，在步骤e)的烧结期间，仅在接触表面能够产生连接，而无任何区域连接。以该方式能够生产具有尤其高多孔性的成形主体。

因此，还能够想到，由具有具体粒子形态的粒子、拥有较大板及较小球体的混合物的粒子生产成形主体。在该系统中，在烧结期间，较小球体移动至较大板的接触面，其效应是：首先，由于较小球体的较大表面积，在板之间能够具有更好连接，其次，区域中的较大真空，可以说，球体从该区域“迁移”。

还能够想到，对于要提供在同质混合物中的第二部件，该部件根据步骤d)在加温/加热时蒸发，因而形成额外真空，因此形成有意的多孔性。想到的用于这种第二部件的例子包括在加热时进入气相的石蜡粒子或者聚乙烯粒子。

在一个优选实施例中，在步骤a)提供的树脂/催化剂混合物具有的重量在混合物总体重量的0.5wt％和5wt％之间。这允许在较宽范围中设定期望的多孔性，而不会出现任何随附的不想要地降低成形主体的强度。

步骤b)的引入是使用加压气体流体动态地有效发生。

用于将混合物引入成型刀具的加压气体经受的尤其有用的气体压力为10bar和100bar之间的压力。

尤其优选，加压气体是压缩空气或者氮或者氩，或者包括压缩空气和/或氮和/或氩。依靠这种“流体化”能够生产具有期望高多孔性的成形主体。

在步骤c)通过将至少一个活性气体引入成型刀具而优选发生凝固。活性气体初始化化学反应，结果是粉末与腔室中的树脂/催化剂的树脂粘合。在一个变型中，凝固还能够通过将成形主体留在成型刀具中预定时间而发生，因而不引入活性气体。但是，利用该变型，上述粘合的形成发生地比在利用活性气体的变型的情形中更慢。

尤其优选，活性气体能够包括氨基化合物或者是氨基化合物。

实验研究已经表明，当氨基化合物用作活性气体时，粉末和树脂/催化剂混合物之间能够产生尤其良好的连接。

尤其优选，在步骤d)将成形主体加温/加热至25℃至700℃之间的温度。将成形主体加温/加热至所述温度范围内的温度是移除所述有机物和/或气体的一种尤其有效的方式。

在另一优选实施例中，加温/加热发生在中性、氧化或者还原气氛中。以该方式，能够避免在除气期间成形主体上不想要的化学反应。

在另一优选实施例中，步骤e)的烧结操作发生在还原、碳化或者中性气氛中。以该方式能够实现用于成形主体的弯曲强度在5MPa和1000MPa之间，成形主体具有的总体多孔性在20％和80％之间。

在另一有利发展中，在步骤c)的凝固期间或者在根据步骤c)的凝固之后，当成形主体形成时没有机械压力施加在成形主体上。以该方式，能够确保用于成形主体的高多孔性。

本发明进一步涉及一种依靠上述方法生产的多孔成形主体。

在一个优选实施例中，将成形主体设计为过滤器件的部件或者设计为气缸衬套。

应当理解的是，上文识别的特征以及下文将继续阐述的特征不仅能够使用在指出的具体组合中，而且能够使用在其他组合中或者能够单独使用，这并不超出本发明的范围。在以下说明书中更详细地阐述了本发明的优选作业例子。

具体实施方式

下文参考第一例子讨论本发明的方法。在步骤a)选择金属原始粉末，金属原始粉末允许在最终产品中尤其期望的功能属性，诸如孔尺寸以及机械强度。

根据表格AB1.1，两种金属粉末混合物样本A和样本B符合这些标准。

表格AB1.1金属混合物[AB1]的成分

然后，在步骤a)将表格AB1.1的两种金属粉末混合物中的每种与树脂/催化剂混合物混合。根据步骤b)，随后通过砂心吹射将混合物吹射入外部尺寸为180×24×24mm³的腔室，在每个情况下利用不同的吹射压力–例如4、6、8和10bar，在此之后，在步骤c)在活性气体的作用下固化10秒，在示例方案中，活性气体是“DMPA706”。

得到的成形主体拥有的密度为3.5g/cm³，3点弯曲强度为1.4MPa(样本A)和1.9MPa(样本B)。更高压力会导致成形主体的模制缺陷；低水平的树脂/催化剂减小了弯曲强度和边缘阻力。更高水平的树脂和/或催化剂对成形主体的脱模性有害。

在称为初步烧结的热操作中，根据步骤d)通过在N₂-H₂气氛中以2K/min的速率将成形主体加热至700℃来从成形主体移除树脂。在步骤e)通过在N₂-H₂气氛中从700℃以5K/min加热至烧结温度T_sinter而发生凝固，凝固以弯曲强度形式进行测量。对于样本A，仅存在弯曲强度的稍微增加(见表格AB1.3)。包含石墨的粉末混合物(样本B)获得更高强度，最大值大约为9MPa。

表格AB1.3示出了烧结的结果。

T烧结	4.1(样本A)	4.2(样本B)
			1115	4.7	7.4
1120	4.7	6.99
			1135	4.6	7.98
1145	4.5	8.6
			1175	4.9	9.02

表格AB1.3：在不同温度烧结的样本3点弯曲强度，单位[MPa]

如果压缩空气用作传递介质，准备好吹射的粉末混合物在它们的可使用性上具有时间限制。这能够通过随着作业时间减小的“生坯”部件的弯曲强度证明。如果采用氮作为处理气体，可延长用于作业的周期。

在以下内容中，进一步参考第二例子讨论本发明的方法。为了生产金属部件，该部件适合于过滤应用并且由具有较大孔的自支撑结构以及具有较小孔的过滤介质组成，采用类似于上述第一作业例子的程序。利用第二例子，与第一例子对比，根据步骤b)，在砂心吹射之前将金属过滤织物尤其以平面方式插入工具的腔室，金属过滤织物例如具有的厚度大约0.2mm以及具有的孔尺寸/网眼尺寸为35μm。

在这之后，执行第一作业例子中描述的方法步骤：换句话说，执行填充、砂心吹射、脱脂以及烧结步骤。结果，能够再次生产出平面金属精细过滤部件，这是通过具有较大孔(孔尺寸约200μm)的结构执行的，凭借“烧结”膜了获取精细的过滤性能。可替换地，还能够使用具有不同网眼尺寸的过滤织物。

下文参考第三例子讨论本发明的方法。类似于第二作业例子，还存在使用“生坯”中间物用于插入腔室的可能性。在该情况下系统是金属/陶瓷粉末层系统，其包括约200μm厚的粗糙金属粉末层以及约30μm厚的陶瓷粉末层。粉末嵌入到有机基质中。不同于第一和第二作业例子，选择要通过砂心吹射应用的粉末混合物，使得在热处理期间存在显著收缩。设定该收缩以便非常好地适应生坯中间物的收缩行为，并且在烧结之后生产预定的定向应用的多孔性。这种部件适合于大约10nm至20μm的过滤粒子。经由在顶层选择陶瓷粉末以及通过烧结条件来设定对应孔尺寸。

在以下内容，参考第四例子讨论本发明的方法。对于鲁棒性技术应用，这种应用中与在以上描述的第三作业例子一样不选择对破裂敏感的陶瓷顶层用于过滤，还能够用易于还原的氧化物颗粒来替换该层。结果，在还原这些氧化物粒子以及烧结整个成形主体之后，在鲁棒性载体结构上形成了可容忍破坏及具有精细多孔性的金属顶层，具有可调节的多孔性。

在以下内容，参考第五例子讨论本发明的方法：

关于第一例子，能够想到，除了通常生产的铁粉末或者铜粉末，还可使用通过公知工艺处理由精细的商用陶瓷或者金属原始材料(0.01至大约25μm)已经形成的原始材料的一种或多种细粒(10至500μm)，公知工艺处理的例子包括技术人员公知的处理，诸如喷射干燥、流化床制粒、制丸以及脱粒。该程序生产成形主体，其在烧结时实现局部高密度，即在细粒中，其在空隙方面、换句话说在由细粒颗粒的接触点所形成的孔体积方面允许经由细粒尺寸能够进行调节的高多孔性。

另一不同之处在于，这种成形主体在给定烧结温度进行烧结之后获得更高强度。这是由于对于细粒使用尤其具有烧结活性的精细的原始粉末，并且确保了细粒颗粒比第一例子中的常规原始粉末在接触区域彼此形成更稳定的接触，例如在第一例子中，增加烧结温度仅产生小的强度增加。

本文中的金属原始粉末不仅包括由纯金属组成的粉末，而且包括由不同的金属、半金属(即，半导体金属)或者准金属即合金、金属间化合物、固体溶液或者纳米晶体和/或无定型状态材料形成的粉末。

Claims (12)

1.一种用于生产多孔成形主体的方法，包括以下步骤：

a)提供粉末和树脂/催化剂混合物构成的混合物，所述粉末包括金属和/或金属合金和/或陶瓷，

b)通过砂心吹射将所述混合物引入形成在成型刀具中的腔室，

c)凝固所述成型刀具中的所述混合物以给出成形主体，

d)加温或者加热所述成形主体以移除存在于所述成形主体中的有机物和/或存在于所述成形主体中的气体，

e)通过烧结操作重新凝固所述成形主体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在步骤a)提供的所述树脂/催化剂混合物具有的重量为混合物总重量的0.5wt％和5wt％之间。

3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，

在步骤b)使用加压气体进行流体动态地引入。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，

所述加压气体是压缩空气或者氮或者氩，或者包括压缩空气或者氮或者氩。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

在步骤c)通过将至少一种活性气体引入所述成型刀具而发生所述凝固。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

所述活性气体是氨基化合物或者包括氨基化合物。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

在步骤d)将所述成形主体加温/加热至25℃至700℃之间的温度。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

所述加温/加热发生在中性气氛、氧化气氛或者还原气氛中。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

步骤e)的所述烧结操作发生在还原、碳化或者中性气氛中。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

在步骤c)的凝固期间或者在根据步骤c)的凝固之后，所述成形主体当其形成时没有机械压力施加在所述成形主体上。

11.一种多孔成形主体，其通过根据前述权利要求中任一项所述的方法生产。

12.根据权利要求11所述的多孔成形主体，其特征在于，

所述成形主体设计为过滤器件的部件或者设计为气缸衬套。