CN107199341A - 用于表面致密化的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于使粉末金属部件的表面致密化的方法，包括：将多种粉末金属混合以便形成粉末金属混合物；致动上冲头和下冲头以便施加压力至粉末金属混合物从而压紧粉末金属混合物；在烤炉中烧结已压紧的粉末金属混合物；将已压紧的粉末金属混合物形成为粉末金属部件；加热粉末金属部件的表面的一部分；以及在将粉末金属部件的该部分加热至预定温度之后使粉末金属部件的表面的该部分致密化达预定时间段。

Description

用于表面致密化的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年3月17日提交的美国临时申请第62/309,658号的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明一般涉及用于使工件的表面致密化的方法和系统，并且更特别地涉及用于在工件的表面致密化之前施加热量至粉末金属工件的方法和系统。
背景技术
由粉末金属混合物形成金属部件是熟知的技术。用于形成粉末金属部件的系统通常包括填充有粉末金属混合物的模具。典型的模具包括上冲头和下冲头。通过致动上冲头和下冲头而施加压力至模具壳体内的粉末金属混合物来压紧粉该末金属混合物。最后，粉末金属混合物通常在烤炉或类似物内被烧结以便产生已形成的粉末金属部件。在粉末金属形成及表面致密化工艺中的基本步骤包括将所需的金属粉末混合并填充模具；将粉末金属混合物压紧成所需形状；烧结已压紧的部件；将已烧结的已压紧部件机械加工成所需的最终形状；使该表面致密化；热处理该表面；以及通过研磨等精整最终形状。
虽然用于形成粉末金属部件和用于表面致密化的当前方法和系统实现了它们的意图目的，但是对于呈现出更高的机械特性的用于形成并表面致密化的新的且改进的方法和系统的需求是需要的。因此，存在用于粉末金属部件的表面致密化的改进的系统和方法的需求，该改进的系统和方法提供进入表面中的更深的致密化，对现有结合的更少损伤以及实现更高水平的表面密度。
发明内容
根据一些方面，用于使粉末金属部件的表面致密化的方法包括：将多种粉末金属混合以便形成粉末金属混合物；将粉末金属混合物形成为粉末金属部件；致动上冲头和下冲头以便施加压力至粉末金属混合物从而压该紧粉末金属混合物；以及在烤炉中烧结已压紧的粉末金属混合物。该方法进一步包括：加热粉末金属部件的表面的一部分；以及在粉末金属部件的该部分被加热至预定温度之后使粉末金属部件的表面的该部分致密化达预定时间段。
在本公开内容的另一方面中，加热粉末金属部件的表面的该部分包括将粉末金属部件的表面的该部分加热至在300℃和700℃之间的温度。
在本公开内容的又一方面中，使用温度控制反馈系统来维持预定温度。
在本公开内容的又一方面中，温度控制反馈系统使用带有红外监测或类似物的闭环温度控制以用于将粉末金属部件加热至在300℃和700℃之间的温度。
在本公开内容的又一方面中，使粉末金属部件的表面致密化包括使用锥形工具在粉末金属部件表面的部分上施加点载荷。
在本公开内容的又一方面中，加热粉末金属部件表面的该部分包括加热粉末金属部件的线性部分。
在本公开内容的又一方面中，使粉末金属部件的表面的该部分致密化包括使用至少一个辊子在已加热的线性部分上施加线载荷。
在本公开内容的又一方面中，粉末金属部件包括具有齿轮齿的齿轮，并且使粉末金属部件的表面的该部分致密化包括施加齿轮啮合载荷至齿轮齿。
在本公开内容的又一方面中，加热粉末金属部件的表面的该部分包括利用感应加热装置施加感应热量。
在本公开内容的又一方面中，加热粉末金属部件的表面的该部分包括利用微波装置施加微波辐射。
在本公开内容的又一方面中，加热粉末金属部件的表面的该部分包括施加激光至粉末金属部件的表面的该部分。
在本公开内容的又一方面中，用于使粉末金属部件的表面致密化的方法包括：将多种粉末金属混合以便形成粉末金属混合物；将粉末金属混合物形成为粉末金属部件；致动上冲头和下冲头以便施加压力至粉末金属混合物从而压紧该粉末金属混合物；以及在烤炉中烧结已压紧的粉末金属混合物。该方法进一步包括：加热粉末金属部件的表面的一部分；以及使粉末金属部件的表面的该部分致密化。使粉末金属部件的表面的该部分致密化包括在粉末金属部件的该部分被加热至预定温度之后使用锥形工具在粉末金属部件的表面的该部分上施加点载荷达预定时间段。
在本公开内容的又一方面中，在粉末金属部件的表面的该部分上施加点载荷包括沿着粉末金属部件轴向地移动该锥形工具。
在本公开内容的又一方面中，在粉末金属部件的表面的该部分上施加点载荷包括使该锥形工具围绕旋转轴线旋转。
在本公开内容的又一方面中，在粉末金属部件的表面的该部分上施加点载荷包括使粉末金属部件围绕旋转轴线旋转。
在本公开内容的又一方面中，加热粉末金属部件的表面的该部分包括将粉末金属部件的表面的该部分加热至在300℃和700℃之间的温度。
在本公开内容的又一方面中，加热粉末金属部件的表面的该部分包括利用感应加热装置施加感应热量。
在本公开内容的又一方面中，加热粉末金属部件的表面的该部分包括利用微波装置施加微波辐射。
在本公开内容的又一方面中，加热粉末金属部件的表面的该部分包括施加激光至粉末金属部件的表面的该部分。
在本公开内容的又一方面中，用于使粉末金属部件的表面致密化的系统包括工作站。粉末金属部件被置于该工作站中或被置于该工作站上。加热元件邻近于粉末金属部件并且被构造成将粉末金属部件的表面的一部分加热至300℃和700℃之间。工具邻近于该部件并且被构造成在粉末金属部件的表面的一部分已经被加热之后施加点载荷至粉末金属部件的表面的该部分。控制器被构造成控制加热元件、工作站和工具。控制器被构造成控制加热元件加热粉末金属部件的表面的该部分的速率，以及控制工具相对于粉末金属部件的表面移动的速率。
通过参考下列描述和附图本发明的其他特征、方面和优点将变得明显，在附图中，相同的附图标记表示相同的部件、元件或特征。
方案1：一种用于使粉末金属部件的表面致密化的方法，所述方法包括：
将多种粉末金属混合以便形成粉末金属混合物；
将所述粉末金属混合形成为所述粉末金属部件；
致动上冲头和下冲头以便施加压力至所述粉末金属混合物从而压紧所述粉末金属混合物；
在烤炉中烧结已压紧的粉末金属混合物；
加热所述粉末金属部件的所述表面的一部分；以及
在所述粉末金属部件的所述部分被加热至预定温度之后，使所述粉末金属部件的所述表面的所述部分致密化达预定时间段。
方案2：根据方案1所述的方法，其中，加热所述粉末金属部件的所述表面的所述部分包括将所述粉末金属部件的所述表面的所述部分加热至在300℃和700℃之间的温度。
方案3：根据方案2所述的方法，其中，使用温度控制反馈系统来维持所述预定温度。
方案4：根据方案3所述的方法，其中，所述温度控制反馈系统使用带有红外监测的闭环温度控制或类似物，以用于将所述粉末金属部件的所述表面的所述部分加热至在300℃和700℃之间的温度。
方案5：根据方案1所述的方法，其中，使所述粉末金属部件的表面致密化包括使用锥形工具在所述粉末金属部件的所述表面的所述部分上施加点载荷。
方案6：根据方案1所述的方法，其中，加热所述粉末金属部件的所述表面的一部分包括加热所述粉末金属部件的线性部分。
方案7：根据方案6所述的方法，其中，使所述粉末金属部件的所述表面的所述部分致密化包括使用至少一个辊子在所述已加热的线性部分上施加线载荷。
方案8：根据方案1所述的方法，其中，所述粉末金属部件包括具有齿轮齿的齿轮，并且使所述粉末金属部件的所述表面的所述部分致密化包括施加齿轮啮合载荷至所述齿轮齿。
方案9：根据方案1所述的方法，其中，加热所述粉末金属部件的所述表面的所述部分包括利用感应加热装置施加感应热量。
方案10：根据方案1所述的方法，其中，加热所述粉末金属部件的所述表面的所述部分包括利用微波装置施加微波辐射。
方案11：根据方案1所述的方法，其中，加热所述粉末金属部件的所述表面的所述部分包括施加激光至所述粉末金属部件的所述表面的所述部分。
方案12：一种用于使粉末金属部件的表面致密化的方法，所述方法包括：
将多种粉末金属混合以便形成粉末金属混合物；
将所述粉末金属混合物形成为所述粉末金属部件；
致动上冲头和下冲头以便施加压力至所述粉末金属混合物从而压紧所述粉末金属混合物；
在烤炉中烧结已压紧的粉末金属混合物；
加热所述粉末金属部件的所述表面的一部分；以及
使所述粉末金属部件的所述表面的所述部分致密化，其中，使所述粉末金属部件的所述表面的所述部分致密化包括在所述粉末金属部件的所述部分被加热至预定温度之后使用锥形工具在所述粉末金属部件的所述表面的所述部分上施加点载荷达预定时间段。
方案13：根据方案12所述的方法，其中，在所述粉末金属部件的所述表面的所述部分上施加点载荷包括沿着所述粉末金属部件轴向地移动所述锥形工具。
方案14：根据方案13所述的方法，其中，在所述粉末金属部件的所述表面的所述部分上施加点载荷包括使所述锥形工具围绕旋转轴线旋转。
方案15：根据方案12所述的方法，其中，在所述粉末金属部件的所述表面的所述部分上施加点载荷包括使所述粉末金属部件围绕旋转轴线旋转。
方案16：根据方案12所述的方法，其中，加热所述粉末金属部件的所述表面的所述部分包括将所述粉末金属部件的所述表面的所述部分加热至在300℃和700℃之间的温度。
方案17：根据方案16所述的方法，其中，加热所述粉末金属部件的所述表面的所述部分包括利用感应加热装置施加感应热量。
方案18：根据方案16所述的方法，其中，加热所述粉末金属部件的所述表面的所述部分包括利用微波装置施加微波辐射。
方案19：根据方案16所述的方法，其中，加热所述粉末金属部件的所述表面的所述部分包括施加激光至所述粉末金属部件的所述表面的所述部分。
方案20：一种用于使粉末金属部件的表面致密化的系统，包括：
工作站，其中，所述粉末金属部件被置于所述工作站中或被置于所述工作站上；
加热元件，所述加热元件邻近于所述粉末金属部件并且被构造成将所述粉末金属部件的所述表面的一部分加热至300℃和700℃之间；
工具，所述工具邻近于所述部件并且被构造成在所述粉末金属部件的所述表面的一部分已经被加热之后施加点载荷至所述粉末金属部件的所述表面的所述部分；以及
控制器，所述控制器被构造成控制所述加热元件、所述工作站和所述工具，其中，所述控制器被构造成控制所述加热元件加热所述粉末金属部件的所述表面的所述部分的速率，以及控制所述工具相对于所述粉末金属部件的所述表面移动的速率。
附图说明
在本文中描述的附图仅是为了说明性的目的而并非旨在以任意方式限定本公开内容的范围。
图1A是根据本公开内容的原理的用于使粉末金属部件的表面致密化的系统的透视图，该系统在被施加点载荷的表面的部分被加热至预定温度达预定时间段之后，利用锥形工具点加载该粉末金属部件的表面。
图1B是根据本公开内容的原理的用于使粉末金属部件的表面致密化的系统的前视图，该系统在被施加点载荷的表面的部分被加热至预定温度达预定时间段之后，利用锥形工具点加载该粉末金属部件的表面。
图1C是根据本公开内容的原理的用于使粉末金属部件的表面致密化的系统的侧视图，该系统在被施加点载荷的表面的部分被加热至预定温度达预定时间段之后，利用锥形工具点加载该粉末金属部件的表面。
图2A是根据本公开内容的原理的用于使粉末金属部件的表面致密化的系统的透视图，该系统在被施加线载荷的表面的部分被加热至预定温度达预定时间段之后，利用一组辊子以用于施加线载荷至该粉末金属部件的表面。
图2B是根据本公开内容的原理的用于使粉末金属部件的表面致密化的系统的端视图，该系统在被施加线载荷的表面的部分被加热至预定温度达预定时间段之后，利用一组辊子以用于施加线载荷至该粉末金属部件的表面。
图3是根据本公开内容的原理的用于使粉末金属齿轮的表面致密化的系统的示意图，该系统在被施加啮合载荷的表面的部分被加热至预定温度达预定时间段之后，利用齿轮以用于施加啮合载荷至该粉末金属齿轮的表面。
图4是根据本公开内容的原理的用于使粉末金属部件的表面致密化的系统的示意图，该系统在被施加载荷的表面的部分被加热至预定温度达预定时间段之后，利用压印模以用于施加表面载荷至该粉末金属部件的表面。
图5是示出根据本公开内容的原理的方法的流程图，该方法用于锻造粉末金属部件并且用于使已锻造的粉末金属部件的表面致密化；以及
图6是示出根据本公开内容原理的替代方法的流程图，该方法用于锻造粉末金属部件并且用于使已锻造的粉末金属部件的表面致密化。
具体实施方式
下列说明本质上仅是示例性的并且没有旨在限制本公开内容的应用或用途。
现在参照图1A－图1C，其示出了根据本发明的用于使已烧结的粉末金属部件104的表面102以及粉末金属部件108的表面106致密化的系统100。系统100包括致密化工具110和加热装置112。致密化工具110为锥形并且具有环形边沿114。在图1A中，工具110的环形边沿114抵靠已烧结的粉末金属部件104的表面102被按压并且接触表面102。粉末金属部件104被置于支座或工作站（未示出）中或被置于支座或工作站上。当工作站使粉末金属部件104围绕其轴线旋转时，工具110的环形边沿114横跨粉末金属部件14的表面102，施加点载荷以便使表面102致密化。在一个方面中，点载荷是施加至在工具110的环形边沿114和粉末金属部件104的表面102之间的基本上单个接触点的载荷。换言之，当工具110的环形边沿114施加点载荷至表面102时，在表面102处的孔隙度被降低。在本公开内容的一个方面中，工具110相对于粉末金属部件104轴向地移动并且由此在粉末金属部件104的轴向范围的预定部分之上被施加至表面102。
在图1B和图1C中，工具110的环形边沿114抵靠粉末金属部件108的表面106被按压并且接触表面106。粉末金属部件108被置于支座或工作站（未示出）中或被置于支座或工作站上。当工作站使粉末金属部件108围绕其轴线旋转时，工具110的环形边沿114横跨粉末金属部件108的表面106并且表面106被致密化。换言之，当环形边沿114横跨表面106时在表面106处的孔隙度被降低。在本公开内容的一个方面中，当粉末金属部件108旋转时，工具110相对于粉末金属部件108径向地移动并且由此在粉末金属部件108的径向范围的预定部分之上被施加至表面106。
在图1A－图1C的每一个中，加热装置112相对于粉末金属部件104、108的旋转方向而定位在致密化工具110的前面。当粉末金属部件104、108旋转时，加热装置112在致密化工具110接触被加热表面102、106之前加热表面102、106。在本公开内容的一个方面中，加热装置112是感应线圈、微波、激光、电子束等。加热装置112被构造成将粉末金属部件的表面加热至300至700摄氏度之间。额外地，在本公开内容的另一方面中，系统100包括反馈温度控制器（未示出），该反馈温度控制器被构造成将粉末金属部件的表面温度控制至300至700摄氏度之间。
现在参照图2A－图2B，其在透视图和端视图中示出了根据本公开内容的用于使已烧结的粉末金属部件204的表面202致密化的替代系统200。系统200包括多个辊子或致密化工具206（在该实施例中为三个）和多个加热装置208（在该示例中也为三个）。多个辊子206以相等的距离定位在粉末金属部件204的外周周围。然而，本公开内容想到了多个辊子206以不相等的距离定位在粉末金属部件204的外周周围。多个辊子206中的每一个沿着粉末金属部件204的表面上的线接触表面202并且施加线载荷至表面202，由此起到使表面202致密化的作用。在一个方面中，线载荷是沿着与粉末金属部件204的表面202接触的辊子206的长度而由辊子206施加的压力。多个加热装置208也以相等的距离定位在粉末金属部件204的外周周围。然而，本公开内容想到了多个加热装置208以不相等的距离定位在粉末金属部件204的外周周围。当粉末金属部件204旋转时，多个加热装置208在多个致密化工具206接触被加热表面202之前加热表面202。
现在参照图3，其在侧视图中示出了根据本公开内容的用于使已烧结的粉末金属齿轮304的表面302致密化的替代系统300。系统300包括齿轮致密化工具306和加热装置308。齿轮致密化工具306是具有齿轮齿310的齿轮的形状，齿轮齿310被构造成与齿轮304的齿轮齿312啮合。齿轮致密化工具306在致密化工具306与粉末金属部件304的啮合接触区域314处接触表面302并施加压力至表面302并且起到使表面302致密化的作用。加热装置308被定位成在粉末金属部件304的外周上距离致密化工具306与粉末金属部件304的啮合接触区域314一距离处。当粉末金属部件304旋转时，加热装置308在致密化工具306接触被加热表面之前加热表面302。虽然图3仅示出了单个齿轮致密化工具306和加热装置308，但是应该理解的是在不脱离本公开内容的范围或意图的情况下，可以使用额外的齿轮粉末金属齿轮304、齿轮致密化工具306和加热装置308。
现在参照图4，其在侧视图中示出了根据本公开内容的用于使粉末金属部件404的表面402致密化的替代系统400。系统400包括致密化工具406和加热炉408。致密化工具406包括上冲头410和下冲头412。致密化工具406接触粉末金属部件404的表面402并施加压力至粉末金属部件404的表面402并且通过压印操作而起到使表面402致密化的作用。加热炉408将粉末金属部件404的表面402的温度提升至300至700摄氏度的温度。通过正好在执行表面致密化之前加热已烧结的粉末金属部件404而提高表面致密化。
现在参照图5，其以流程图的形式示出了用于形成粉末金属部件并且使该粉末金属部件的表面致密化的方法500。该方法开始于步骤502，在步骤502处，模具填充有粉末金属混合物。在步骤504处，粉末金属混合物被压紧。在步骤506处，已压紧的粉末金属混合物被烧结。在步骤508处，已烧结的粉末金属部件被机械加工至最终形状。在步骤510处，已机械加工的粉末金属部件被加热并且已机械加工的粉末金属部件的表面被致密化。在步骤512处，粉末金属部件的表面被热处理。在步骤514处，如制造最终产品所需要的，已热处理的粉末金属部件的表面被研磨。
现在参照图6，其以流程图的形式示出了用于形成粉末金属部件并且使该粉末金属部件的表面致密化的方法600。该方法开始于步骤602，在步骤602处，模具填充有粉末金属混合物。在步骤604处，粉末金属混合物被压紧。在步骤606处，已压紧的粉末金属混合物被烧结。在步骤608处，已烧结的粉末金属部件被机械加工至最终形状。在步骤610处，已机械加工的粉末金属部件的表面被加热至预定温度范围。在步骤612处，已机械加工的粉末金属部件的已加热表面经受使该已加热表面致密化的致密化工具。在步骤614处，粉末金属部件的表面被热处理。在步骤616处，如制造最终产品所需要的，已热处理的粉末金属部件的表面被研磨。
本发明的描述本质上仅是示例性的，并且不脱离本发明的本质的变型例旨在被包括在本发明的范围内。这样的变型例不被视作脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于使粉末金属部件的表面致密化的方法，所述方法包括：
将多种粉末金属混合以便形成粉末金属混合物；
将所述粉末金属混合形成为所述粉末金属部件；
致动上冲头和下冲头以便施加压力至所述粉末金属混合物从而压紧所述粉末金属混合物；
在烤炉中烧结已压紧的粉末金属混合物；
加热所述粉末金属部件的所述表面的一部分；以及
在所述粉末金属部件的所述部分被加热至预定温度之后，使所述粉末金属部件的所述表面的所述部分致密化达预定时间段。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，加热所述粉末金属部件的所述表面的所述部分包括将所述粉末金属部件的所述表面的所述部分加热至在300℃和700℃之间的温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，使用温度控制反馈系统来维持所述预定温度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述温度控制反馈系统使用带有红外监测的闭环温度控制或类似物，以用于将所述粉末金属部件的所述表面的所述部分加热至在300℃和700℃之间的温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述粉末金属部件的表面致密化包括使用锥形工具在所述粉末金属部件的所述表面的所述部分上施加点载荷。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，加热所述粉末金属部件的所述表面的一部分包括加热所述粉末金属部件的线性部分。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，使所述粉末金属部件的所述表面的所述部分致密化包括使用至少一个辊子在所述已加热的线性部分上施加线载荷。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述粉末金属部件包括具有齿轮齿的齿轮，并且使所述粉末金属部件的所述表面的所述部分致密化包括施加齿轮啮合载荷至所述齿轮齿。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，加热所述粉末金属部件的所述表面的所述部分包括利用感应加热装置施加感应热量。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，加热所述粉末金属部件的所述表面的所述部分包括利用微波装置施加微波辐射或者施加激光至所述粉末金属部件的所述表面的所述部分。
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