CN107635698B - 利用压实后尺寸变化形成复合组件的方法 - Google Patents

Abstract

一种方法包括如下连续步骤：使用密实压制机在工具和模具组中对粉末金属进行压实，以形成粉末金属压坯，粉末金属压坯从所述工具和模具组中排出，相对另一部件定位该粉末金属压坯，并冷却该粉末金属压坯。当将粉末金属压实时，由于压实期间粉末金属变形，用于形成粉末金属压坯的粉末金属温度相对于室温升高。在排出后、并且在粉末金属压坯仍高于室温时，使得压坯相对另一部件定位。然后，在冷却该粉末金属压坯时，粉末金属压坯尺寸收缩，以在粉末压坯和另一部件之间形成过盈配合，由此形成可以随后进行烧结的复合组件。

Description

利用压实后尺寸变化形成复合组件的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求享受2015年4月10日提交的名为《利用压实后尺寸变化制造复合组件的方法》的美国临时专利申请号62/145,773的申请日的权益，通过引用将其全文纳入本文以用于所有目的。

联邦资助研究或开发的声明

无。

技术领域

本发明涉及粉末冶金法。特别是，本申请涉及通过在生产压坯后立即将至少一个新的密实“生”压坯与另一组件进行组合形成复合组件的方法。

背景技术

粉末冶金法通常用于生产具有良好尺寸控制的大体积组件。通常，将粉末金属和一些粘结剂和/或润滑剂在工具和模具组中进行压实，以形成“生”或未烧结粉末金属压坯或预制件。该压坯或预制件随后加热至略低于粉末金属熔融温度的烧结温度，以使得粉末金属颗粒相互烧结在一起。该烧结通常涉及相邻颗粒相互颈缩接合以使得粉末金属颗粒相互结合或粘结，同时降低组件的孔隙度并提高其密度。在一些形式中，烧结步骤可以包括“液相”烧结，其中，至少一种粉末金属成分在烧结温度下加工熔化为液相，由此额外提供液相用于在烧结温度下迁移。在任何情况下，烧结工艺形成了烧结的粉末金属组件，所述烧结的粉末金属组件比生压坯或预制件坚固许多，并且与由其它工艺(例如，铸造)制造的部件相比具有卓越的尺寸精度。在许多情况下，该烧结的粉末金属组件通过机械加工、锻造等中的一种或多种进行进一步加工。

虽然烧结的粉末金属组件具有其优点，但是在某些情况下，单个的烧结的粉末金属组件不具有特定应用所需的全部性能。在该情况下，通常使用复合组件，其中使用了超过一种材料制造组件。作为一个例子，为了形成双材料复合部件，研发出了压制技术，其中，将多种粉末金属填充到单个模具和工具组(例如，使用复杂的分隔物)，然后将这些材料同时进行压实。

但是，用于生产复合组件的已知方法通常增加了现有工艺步骤的严重复杂性和/或增加了对用于形成复合材料的额外固定装置的需要。此外，即使在两个组件扩散结合的最简单的情况下(其中，在至少一个组件的烧结步骤期间，这两组件彼此相邻放置)，存在关于两个组成部分相对于彼此的一致且精确定位的潜在问题，如果两部分之间不存在一致的界面质量，烧结粘合可能相对较差。

因此，在粉末金属复合组件生产领域中存在改进的需要。

发明内容

本文公开了一种方法，其利用了压实过程中由粉末金属的变形作用产生的暂时热量以及随后在形成复合组件的方法中对压坯进行冷却时的尺寸收缩。有效地，在被压实的组件仍然由于压实而是温热的情况下，将它与第二组件组装在一起。在热量由被压实部件耗散(即，冷却)时，导致少量的尺寸收缩，粉末金属压坯与第二组件过盈配合。然后，这些结合的部件烧结在一起，以将两部件牢固地结合在一起。

根据本发明的一方面，公开了形成复合组件的方法。所述方法包括如下连续步骤：使用密实压制机在工具和模具组中对粉末金属进行压实，以形成粉末金属压块，将粉末金属压坯从工具和模具组中排出，使得粉末金属压坯相对于另一部件定位，并对该粉末金属压坯进行冷却。显然，这些步骤的时机和顺序是重要的，因为当将粉末金属压实时，由于压实期间粉末金属变形，用于形成粉末金属压坯的粉末金属温度相对室温升高。在排出后、并且在粉末金属压坯仍高于室温时，使得压坯相对于另一部件定位。然后，在冷却粉末金属压坯时，粉末金属压坯尺寸收缩，以在粉末金属压坯和另一部件之间形成过盈配合，由此形成复合组件。

所述方法可进一步包括：在冷却粉末金属压坯之后，烧结复合组件。在烧结期间，所述粉末金属压坯可以形成复合组件的烧结部分的至少一部分。考虑在一些形式中，另一部件可以是另一粉末金属压坯(虽然具有不同几何构型)。在该情况下，在烧结步骤期间，两个粉末金属压坯同时进行烧结。

所述烧结步骤还可能导致在第一部分和第二部分之间所限定的界面处第一部分和第二部分的扩散结合，其中，复合组件的第一部分通过对粉末金属压坯进行烧结形成，并且第二部分包括所述另一部件。发生扩散结合的第一部分和第二部分之间的该界面可以对应于在冷却粉末金属压坯过程中产生过盈配合的期间内粉末金属压坯和另一部件之间形成的界面。考虑在烧结后，可以进行其它烧结后步骤，例如，对复合组件进行热处理。

在所述方法的一些形式中，在相对于另一部件定位粉末金属压坯的步骤之前，所述另一部件可以处于室温；或者，在相对另一部件定位粉末金属压坯的步骤之前，所述另一部件可以冷却至低于室温的温度。在定位步骤之前另一部件为室温或低于室温，这意味着在相对于另一部件对粉末金属压坯进行冷却时，粉末金属压坯会尺寸收缩到所述另一部件上。在一些形式中，在定位前，另一部件也可以是高于室温的，但是，在该情况下，另一部件应当设计为在冷却时尺寸收缩程度小于粉末金属部件，以确保形成过盈配合。

在所述方法的一些形式中，粉末金属部件可以具有内周，并且另一部件可以具有外周，并且，粉末金属部件的内周和另一部件的外周可以具有在粉末金属压坯冷却后形成过盈配合的对应形状。在一特定形式中，粉末金属压坯可以是环状形状的，然而，其它形状也可以起作用。

所述另一部件可以采用多种不同形式中的一种。如上所指出的，所述另一部件也可以是粉末金属部件，并且考虑该粉末金属部件可以与所述粉末金属压坯同时进行烧结，或者可以在定位和形成过盈配合的冷却之前居中。然而，例如，另一部件也可以是固态、完全致密的部件，例如，铸造或挤出部件。

还考虑在所述方法的一些形式中，粉末金属压坯可以在排出步骤和定位步骤之间进行加热或保持温热。这样的加热可以防止粉末金属压坯立即冷却(或冷却到下述的程度：冷却妨碍粉末金属压坯相对于另一部件放置用于后续形成的过盈配合)。

还考虑在一些形式中，在相对于另一部件定位粉末金属压坯的步骤之前，所述粉末金属压坯可以并未冷却至室温。从另一方面来说，可以进行定位而在排出和定位之间没有任何再加热，以使得所利用的热主要由压实过程中产生。

将由以下详细描述和附图了解本发明的这些和其它优势。下述内容只是关于本发明的一些优选实施方式的描述。为了评定本发明的整个范围，对于权利要求书应理解这些优选的实施方式并非旨在于是权利要求书范围内的仅有的实施方式。

附图简要说明

图1是说明形成复合组件方法的步骤的框图。

图2A至图2D示意说明了图1所述方法的部分。

优选实施方式详述

首先参考图1，对生产复合组件的方法100进行说明，所述复合组件包括至少一个粉末金属部分。如下文中更详细说明，复合组件的其它部分也可以是粉末金属，但是也可以是非粉末金属部分，例如铸造、挤出或以其它方式形成的部分。

根据图1中的方法100，粉末金属首先填入工具和模具组中，然后，如步骤102所示，在工具和模具中进行压实，以形成粉末金属压坯。该粉末金属包括一种或多种粉末金属成分(可以是均相粉末金属，或者可以是多种非均相粉末金属的混合物或共混物)，并且通常润滑剂和/或粘结剂同时存在，所述润滑剂和/或粘结剂帮助在烧结前保持被压实粉末金属的形态，而且有助于随后粉末金属压坯从工具和模具组中排出。

虽然现在将描述一种示例性方法，但是本领域的普通技术人员很容易理解各种粉末金属压实方法。在一传统的粉末金属压实形式中，将下工具组放入模具腔内以形成底板。然后，可以使用给料板将粉末金属填入该模具腔。在取出给料板的情况下，将上工具组下降至模具腔中，并且当上工具和下工具彼此相对时，通过上工具和下工具将单轴压制压力施加到粉末金属上。

这仅是一种已知的压实方法。该压实步骤上有许多变化，并且该变化当然被认为落入所描述的压实步骤中。

显然，在压实步骤期间，粉末金属颗粒加工并变形，这会产生将部件加热到高于室温的热量。该热量由颗粒的加工和变形产生，显著加热所生产的粉末金属压坯。

如在本文中使用，“室温”用于描述周围环境的温度，而不是在刚压实后粉末金属的温度或加工设备本身的温度。在大部分情况下，室温将会是进行加工的室温。假定粉末冶金通常在整个设施中具有炉子的工厂环境中进行实施，在至少一些情况中，环境温度可能可以是约100华氏度或超过100华氏度。应理解“室温”是与操作环境相关的相对术语。

对于根据步骤102压实的部件，随后粉末金属压坯根据步骤104从工具和模具组中排出。通常，该排出涉及从模具中取出上工具元件以及抬起下工具元件至与模具上表面齐平。此时，侧推器元件可使粉末金属压坯移开并与压实工具分离，例如，移动到传送带上或者以其它方式向操作者移动用于进行处理。

应当理解，除了通过压实期间粉末金属的加工和变形产生的任何热量之外，一些量的热量可以由在步骤104期间粉末金属压坯从工具和模具组中排出过程中产生。该热量可通过在粉末金属压坯从工具中排出时工具和模具组与粉末金属压坯的摩擦产生。特别是在大体积压坯的生产中，在工具和模具组中的和来自工具和模具组的粉末金属压坯的循环压实(cyclic compaction)和排出可以产生大量的热量，将这些热赋予到粉末金属压坯以及工具和模具组本身。因此，对于摩擦在加热中起重要作用的情况中，可以合适地进行多个压实循环，以初始地提高工具温度，并导致相对一致的压实与压实之间的温度(compact-to-compact temperature)。

作为刚压制的粉末金属压坯的温度的一些非限制性示例，压坯的温度通常为约125-165华氏度。电供热盒或具有温度控制的流体(例如，模具中的通道)可以升高或控制温度。存在一些能够在225华氏度操作的润滑剂，以使得刚压制的压坯的温度能够显著提高而不加热粉末。使用特殊的润滑剂，对于经加热的粉末或经加热的工具的最高温度为450℉。因此，对于压制后的压坯有很大范围的潜在适用温度。为一些含铁材料提供膨胀率的大致估计，在室温至约200华氏度，热膨胀系数为约5.9x10^-6/°F，或室温至400华氏度的温度范围内，热膨胀系数为约6.4×10^-6/°F。

在粉末金属压坯从工具和模具组中排出的情况下，该仍是温热的粉末金属压坯根据步骤106相对于另一部件定位，并且例如，进一步如图2A和2B中顺序示意显示，其中，粉末金属压坯210a和另一部件220首先彼此分开，随后分别相对于彼此进行定位。如图2A和2B所示，在粉末金属压坯210a仍是温热的情况下，由于热膨胀，粉末件压坯210a尺寸上略微大于冷却后的粉末金属压坯210b，如随后的图2C中所示，并且尺寸略微下降。在仍是温热的情况下，如图2B所示，粉末金属压坯210的内周212a可以放置在另一部件220的外周222周围。在示意性显示的特定形式中，粉末金属压坯210a大体是管状的，而另一部件220是圆柱形的。粉末金属压坯210a的内周212a和另一部件220的外周222在形状和尺寸上彼此紧密对应，但是当粉末金属压坯210a由于压实和排出仍然是温热时粉末金属压坯210a的内周212a仍然略大于另一部件220的外周222，以在粉末金属压坯210a的内周和另一部件220的外周222之间产生组件内空隙或间隙230。考虑到以下步骤，该尺寸差异可以较小。例如，内周212a和外周222之间的直径差值可以小于总直径尺寸的1％。

应该理解，所示的内周和外周形状仅是示例。可以采用完全匹配或仅部分匹配的其它形状的外表面(periphery)替代圆形截面。

此外，应当理解虽然另一部件220显示为完全致密部件，另一部件220可以是粉末金属或非粉末金属的多种类型部件中的任意一种。如果另一部件220是粉末金属，那么另一部件220在定位的步骤106处可以是烧结或未烧结的。

还可以设想，可选地，在根据步骤104从工具和模具组中排出粉末金属压坯以及根据步骤106相对另一部件定位粉末金属压坯的操作之间，根据可选步骤108，可以将粉末金属压坯保持在高于室温。将粉末金属压坯温度保持在高于室温可以潜在地包括使用临时加热器、或使用绝热传送机制，以确保在相对于另一部件定位粉末金属压坯的步骤106之前，保持粉末金属压坯不会冷却至不允许的程度(即，其中，由于与冷却相关的尺寸收缩，不能根据步骤106相对于另一部件对粉末金属压坯进行定位)。此外，考虑粉末金属或工具和模具组本身可以进行温热，例如，在温热压实期间，以获得温度升高的生压坯。

考虑另一部件在定位步骤106期间可以处于室温，可以低于室温(可能使用冷却机制)，或者甚至可以略微高于室温。无论在定位时另一部件的温度如何，粉末金属压坯和另一部件应当相对于彼此初始可定位，以使得在随后步骤中获得的结果能够实现，从而在粉末金属压坯和另一部件之间形成过盈配合。

在粉末金属压坯和另一部件如步骤106中相对于彼此定位后，粉末金属压坯能够根据步骤108进行冷却。通过冷却粉末金属压坯，由于热收缩，粉末金属压坯经历了少量的尺寸收缩。这在图2C中显示，其中，粉末金属部件210b已冷却从而收缩到另一部件220上，同时其保持了相对的尺寸稳定，以消除组件内间隙230，并在粉末金属压坯210的内周和另一部件的外周222之间的界面处形成过盈配合240，由此形成复合组件250b。因此，在粉末金属压坯从210a冷却至210b(在温热压坯210a中的内周212a的直径大于在冷却的压坯210b中内周212b的直径)时，少量但显著的尺寸变化发生在粉末金属压坯中，以在复合组件250b的部件之间产生过盈配合。

应当注意，粉末金属生压坯容易在温和操作下保持其形态；然而，在施加某些力的情况下，可能使得生压坯破碎或碎裂。例如，将生压坯从数英尺处掉落到硬表面上通常将会导致压坯碎裂为数个部分或碎片。考虑到由于形成过盈配合，一些应力将会施加到生压坯上(例如，在管状生压坯的情况下，在环向上施加)，当设计待结合部件时，应当记住该结构完整性或其缺失。因此，应当对组件尺寸进行选择，以使得当在冷却中产生过盈配合时，施加以产生并维持过盈配合的力不会对生压坯造成结构性破坏。因此，产生平衡从而实现过盈配合而不破坏生组件。

还应道注意，当发生冷却时，一些量的热可以从压坯传送到所述另一部件，由此不仅导致粉末金属压坯的热收缩，而且至少导致另一部件的暂时热膨胀。取决于两个部分的热膨胀率，考虑不需要充分冷却至室温，并且特别是如果另一部件的热膨胀率大于粉末金属压坯，可以使得、或甚至优选将结合的组件保持在高于室温的温度下，以维持或促进过盈配合。

在根据步骤110产生过盈配合之后，随后可以进行复合组件的烧结步骤112，以烧结与另一部件配合的粉末金属压坯，并且潜在地烧结另一部件(如果另一部件也是粉末金属)。通过将复合组件250b加热至略低于粉末金属压坯210b的至少一个成分的熔融温度来进行烧结。烧结步骤112的结构变化反应在图2C和2D中，其中冷却的未烧结粉末金属压坯210b烧结形成复合组件250c的经烧结的粉末金属部分210c，这两图也都还包括另一部件220。

在烧结期间，在先前的过盈配合240的界面处，可以产生扩散结合区域260(通常由图2D中的线260所示，虽然实际上该界面是扩散梯度)。扩散结合区域260在经烧结的粉末金属部分210C和另一部分220之间形成牢固的冶金结合。此外，对于过盈配合240在进行烧结之前的情况，在内周212b和外周220的前体表面之间存在特殊的表面与表面接触，增加了扩散结合区域260的强度。

进一步观察到在烧结期间，由于在烧结期间粉末金属压坯210b发生致密化而形成烧结的粉末金属部分210c，粉末金属压坯210b具有尺寸收缩的趋势。这进一步加剧了部分之间的过盈配合和表面接触。

在烧结步骤112之后，复合组件250c可以进行在步骤114期间额外的第二操作以及烧结后操作，例如，热处理、渗碳、机械加工、锻造等。

应当理解虽然形成复合组件的单一示例说没了具有一个粉末金属部分和一个非粉末金属部分，但是会考虑变化。其中，除了如上文所述改变部件的形状和类型织物，考虑复合组件可以包括大于如图2A-2D所示的仅两个组件。例如，多个粉末金属组件可以冷却为在单个基座部件上过盈配合。另外或者，例如，单个粉末金属部件可以冷却至在两个其它分开的组件之间形成过盈配合以将其结合。因此，考虑多种变化，并且上述示例应当视为说明目的，并且不应视为限定。

应当理解的是，可在本发明的精神和范围内对这些优选的实施方式进行各种其它修改和改变。所以，本发明不应局限于所述的实施方式。为了确定本发明全部范围，应当参考所附的权利要求。

Claims (15)

1.一种形成复合组件的方法，所述方法包括如下连续步骤：

使用密实压制机在工具和模具组中对粉末金属进行压实，以形成粉末金属压坯，由此，由于压实期间粉末金属变形，用于形成粉末金属压坯的粉末金属的温度相对于室温升高；

将粉末金属压坯从工具和模具组中排出；

在粉末金属压坯的温度仍高于室温的情况下，使得粉末金属压坯相对另一部件定位；以及

在烧结前对粉末金属压坯进行冷却，由此导致粉末金属压坯尺寸收缩，以在粉末金属压坯和另一部件之间形成过盈配合，由此形成所述复合组件。

2.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：在对粉末金属压坯进行冷却之后，烧结复合组件。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述粉末金属压坯形成复合组件的烧结部分的至少一部分。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述烧结步骤导致在第一部分和第二部分之间所限定的界面处第一部分和第二部分的扩散结合，复合组件的第一部分通过对粉末金属压坯进行烧结而形成，并且第二部分包括所述另一部件。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，发生扩散结合的第一部分和第二部分之间的界面对应于在对粉末金属压坯进行冷却的过程中产生过盈配合的期间内粉末金属压坯和另一部件之间形成的界面。

6.如权利要求2所述的方法，所述方法进一步包括：在烧结步骤之后，对复合组件进行热处理。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述另一部件是另一粉末金属压坯。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在烧结步骤期间，两个粉末金属压坯都进行烧结。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在相对于另一部件定位粉末金属压坯的步骤之前，所述另一部件处于室温。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在相对于另一部件定位粉末金属压坯的步骤之前，将所述另一部件冷却至低于室温的温度。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，粉末金属部件具有内周，并且另一部件具有外周，并且其中粉末金属部件的内周和另一部件的外周具有在粉末金属压坯冷却后形成过盈配合的对应形状。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述粉末金属压坯是环状形状的。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述另一部件是固态、完全致密的部件。

14.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：在将粉末金属压坯排出的步骤和相对于另一部件定位粉末金属压坯的步骤之间，对粉末金属压坯进行加热以防止粉末金属压坯立即冷却。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在相对于另一部件定位粉末金属压坯的步骤之前，所述粉末金属压坯并未冷却至室温。