CN110814353A - 在金属构件之间建立连接的方法和结构组合件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在第一金属构件(2)和第二金属构件(3)之间建立连接的方法，所述两个金属构件(2、3)中的至少一个金属构件由烧结材料利用粉末冶金技术制造，并且在这两个金属构件(2、3)之间构成的连接区域(4)中通过焊接建立所述连接。在焊接之前，对由烧结材料制成的金属构件(2或3)的参与构成连接区域(4)的表面(9)进行压实。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在第一金属构件和第二金属构件之间建立连接的方法，所述两个金属构件中的至少一个金属构件由烧结材料利用粉末冶金技术制造并且在两个金属构件之间构成的连接区域中利用焊料相互焊接。
此外，本发明涉及一种结构组合件，所述结构组合件包括第一金属构件和第二金属构件，所述两个金属构件中的至少一个金属构件由烧结材料利用粉末冶金技术制造并且所述两个金属构件之间在连接区域中利用焊料相互焊接。
背景技术
将由烧结材料制成的构件相互材料锁合地连接有时在通常可实现的连接强度上会受到限制。这特别是适用于利用粉末冶金技术很难加工的烧结材料，如例如不锈钢粉末或硬质金属粉末。但为了获得可用的连接强度，在现有技术中已经记载了不同的解决方案。
例如DD 283 160 A5记载了除了奥氏体键合金属合金以按质量2.5至30％的比例包括一种或多种周期表的IV、V和VI族金属的碳化物的硬质相、优选由碳化钨和由钴、镍或铁或这些金属的合金组成的键合金属相，其中初始粉末混合物或硬质金属配方包括按质量0.5至5％的锰或氧化锰。根据该文献的说明书，所述硬质金属合金能特别有利地应用于这样的场合，即一方面需要无氧化物并且不是键合金属贫化的表面并且另一方面要求高水平的机械特性，如硬度或断裂韧性。
DE 37 34 002 A1记载了一种用于制造由多个部分组成的、由烧结铁或烧结钢制成的构件的方法，据此，由铁粉末或钢粉末制造具有孔和销的成型件，将这些成型的部分插接成构件并且通过向其表面上施加磁铁矿层使这些部分相互材料锁合地连接。由此应避免的是，必须使用昂贵的焊料，所述焊料仅润湿烧结构件的表面。
恰好与此相反地，在DE 44 04 406 A1中记载了一种用于焊接多孔的烧结钢的焊料，其中，在熔融状态下使合金组分扩散到所述材料中并由此实现焊料在孔隙中的凝固。能通用的焊料包括按重量1至6％的硅、按重量0.1至1.5％的硼、按重量0至25％的铁和按重量0至20％的镍，其余成份为铜。
发明内容
本发明的目的在于，提供这样的可能性，即在工业条件下能够简单地焊接(钎焊)由烧结材料制成的构件。
所述目的利用前面所述的方法来实现，根据该方法，在焊接之前，对由烧结材料制成的、参与构成连接区域的金属构件的表面进行压实。
此外，本发明的所述目的还利用前面所述的结构组合件来实现，在所述结构组合件中，由烧结材料制成的金属构件在连接区域内是经表面压实的。
利用对烧结构件的连接区域的表面压实，使得金属构件表面的孔隙闭合。由此可以实现的是，只有明显更少量或根本不再有焊料进入孔隙。就是说，消耗明显更少量的焊料，因为没有由连接区域减除焊料，并由此最终对焊接质量产生不利影响。此外，由此还可以避免由于连接过程导致构件的重量增加，由此可以避免在后续发生作用于连接部位并因此也作用于其他构件的重力提高。由此不必在制造烧结构件时就已经由于对烧结构件的继续加工而要考虑重量增加，由此可以简化对于烧结构件的材料选择或者说有更多可能的烧结粉末可供使用。此外，由此可以在产业规模上简化焊料的涂覆，因为不必再顾及结合缝隙中焊料量的波动。
优选对由烧结材料利用粉末冶金技术制成的构件的参与构成连接区域的表面的压实执行到实心材料密度的至少99.5％的密度，就是说，由此构件在这个区域内具有实心材料密度的至少99.5％，以便由此进一步改进前面所述的效果或提高可靠性，使得焊料不会渗透烧结构件或者说仅以可忽视的量渗透烧结构件。
优选通过喷砂处理执行对由烧结材料利用粉末冶金技术制成的构件的参与构成连接区域的表面的压实。由此可以较为精确地对建立与其他构件的连接所需的区域进行压实。相反，烧结构件的其余区域可以保持其原有的特性。
对于喷砂特别优选地采用通过气体雾化产生的由不锈钢组成的钢粉末作为喷砂磨料。就是说，在评估本发明时已经证实，与其他喷砂磨料相比，利用这种喷砂磨料能实现明显更高的压实，从而烧结构件在这个区域中可以具有相当于100％的实心密度的密度。
作为用于焊接两个金属构件的焊料，优选采用铜焊料。已经证实，这在对烧结构件进行工业加工方面是有利的，因为这种焊料可以膏状地涂覆并且然后通过简单的热处理可以熔融地自动引入连接部位，而不必为此进行手动操作。
根据本发明的另一个实施方案，可以设定，由烧结材料制成的金属构件在连接区域具有压实的层，该层具有在50μm至350μm之间的层厚。利用烧结构件的这种较厚的压实的表面层，可以提高避免焊料对构件渗透的可靠性，从而由于在加工时操作构件导致构件表面的小损伤对于改进的连接结构不构成问题。
出于前面所述的原因，根据结构组合件的另一个实施方案可以设定，由烧结材料制成的金属构件在连接区域中具有按体积最大0.1％的焊料比例。
附图说明
为了更好地理解本发明，参考后面的附图来详细说明本发明。
其中分别以明显简化的示意图：
图1示出由两个金属构件组成的结构组合件的剖视图；
图2示出根据图1的结构组合件的放大的细节。
具体实施方式
首先应确定，在不同地说明的实施形式中，相同的部件具有相同附图标记或相同构件名称，包含在整个说明书中的公开内容能够合理地转用到具有相同附图标记或相同构件名称的相同部件。在说明书中选用的位置说明，如例如上、下、侧等涉及当前说明的以及示出的附图并且在位置变化时这些位置说明能合理地转用到新的位置。
在图1中示出结构组合件1的一个实施方案，所述结构组合件包括第一金属构件2和第二金属构件3或者由所述第一和第二金属构件组成。这两个构件2、3中的至少一个构件由烧结材料利用粉末冶金技术制成。在所示实施方案中，这是指第一金属构件2，所述第一金属构件是用于第二金属构件3的固定元件，特别是螺纹套管，为此所述第一金属构件具有沿纵向中轴线方向延伸的连续的孔，用于容纳连接元件、特别是螺栓。第二金属构件3在所示实施方案中是管道，例如燃料管。此外，第二金属构件3或者一般而言不是利用粉末冶金技术制造的构件(如果不是两个金属构件2、3都是由烧结材料利用粉末冶金技术制造的)例如可以是铸件，特别是由钢制成的铸件。
结构组合件1或其金属构件2、3也可以设定为用于其他应用场合，例如用于排放系统或者在设备制造中用于润滑剂管道。
第一金属构件2通过焊接与第二金属构件3连接。为此，在这两个金属构件2、3之间构成连接区域4(结合间隙)，在所述连接区域中容纳用以在两个金属构件2、3之间建立材料锁合的连接的焊料5，如更好地由图2示出的那样，在图2中放大示出连接区域4。
这里要指出的是，第一金属构件2为了部分地容纳第二金属构件3而具有凹部，如由图1和2示出的那样。这个凹部特别是具有一定的曲率，这个曲率至少近似相当于第二金属构件2的曲率。但连接区域4也可以具有与图1和2所示出的形状不同的形状。
第一金属构件2或一般而言利用粉末冶金技术制造的构件可以利用常规的烧结法制造。因为这种方法本身是已知的，这里只要说明的是，这种方法包括以下步骤：粉末混合、将粉末压制成坯件、单步或多步的烧结以及必要时还有机械的再加工，如例如去毛刺。相应采用的参数主要根据所使用的粉末确定并且是本领域技术人员已知的，因此，为了避免重复，对此这里可以参考相关的现有技术。
下面仅涉及利用粉末冶金技术制造的构件、即烧结构件。这其中也包括第一金属构件2。
紧接着烧结之后，现在设定，在连接区域4内对利用粉末冶金技术制造的构件进行压实。原则上，这种压实也可以这样来实施，即，使得在连接区域4中不仅对烧结构件的表面区域6进行压实，而且也对与其邻接的区域进行压实。但为了在两个金属构件2、3之间构成连接，这不是强制性要求的，因为在这些位置不施加焊料5。
对利用粉末冶金技术制造的构件的表面区域6的压实可以按不同的方法进行，例如通过挤压或辊轧。
但在所述方法的这个优选的实施方案中，所述压实通过利用喷砂磨料进行的喷砂来执行。此外，通过喷砂除了压实以外，还通过对表面的冷加工在这个区域内实现了提高利用粉末冶金技术制造的构件的硬度。
作为喷砂磨料例如可以使用碎片颗粒、砂砾等。喷砂磨料的颗粒可以具有细长形、针形、不规则形、多边形、圆形、椭圆形等。
但出于前面所述的原因，特别优选使用通过气体雾化制作的、由不锈钢组成的钢粉末作为喷砂磨料。
喷砂磨料的颗粒可以具有选自0.2mm至2mm的范围的颗粒直径。这里，颗粒直径是颗粒恰好配合到其中的球体的直径。
喷砂磨料可以具有颗粒尺寸分布在0.2mm至2mm之间的颗粒。这例如可以通过使用一个或多个筛分线来提供。
通过压实利用粉末冶金技术制造的构件的表面区域6，在这个区域内可以实现这样的密度，所述密度至少为实心材料密度的95％，但根据一个实施方案，至少为实心材料密度的99.5％。这里实心材料密度是指，当构件是无缩孔的铸造构件时，构件在连接区域4中具有的密度，即，换言之，是无孔隙构件的密度。
表面区域6特别优选地具有至少为实心材料密度的99.9％的密度。利用粉末冶金技术制造的构件的密度在参与构成连接区域4的表面区域6内特别是为实心材料密度的100％。这在图2中示出，其方式是，表面区域6中没有孔隙7，在标记表面区域6的终点的虚线8的下方才出现孔隙。
经压实的表面区域6从利用粉末冶金技术制造的构件的参与构成连接区域4的外表面9一直延伸到表面9下方至少50μm的深度。根据一个实施方案优选设定，经压实的表面区域具有在50μm至350μm之间、特别是在100μm至150μm之间的层厚度。经压实的区域的这种较大的层厚度特别是可以通过使用前面所述的用气体雾化法制造的钢粉末来实现。
对于利用粉末冶金技术制造的构件的制造，可以使用已知的金属粉末(混合物)。但优选采用钢粉末、特别是由不锈钢或优质钢组成钢粉末。所述钢粉末例如可以具有这样组成：按重量1％至按重量20％的镍、按重量1％至按重量25％的铬、按重量0％至按重量20的钼、剩余成分为铁。例如所述粉末可以具有按重量18.5％的Cr、按重量11.2％的Ni、剩余部分的铁(最多按重量0.22％的氧、按重量最多0.05％的氮、按重量最多0.02％的碳)。这种粉末可以掺有常见的加工助剂，如助压剂等，如本身已知的加工助剂。
此外可以使用低熔点的合金、如例如锡合金作为焊料5。但根据另一个实施方案，特别优选的是铜焊料。术语“铜焊料”这里也包括可以用作焊料5的铜合金。
焊料5例如可以作为膏状物施加到第一和/或第二金属构件2、3上。为了实现更高的自动化程度，焊料5可以至少部分地在连接区域4之外施加到所述两个金属构件2、3中的至少一个金属构件上。通过例如在连续式加热炉中将焊料5至少加热到熔点，焊料5可以流入连接区域4中并且在冷却之后构成两个金属构件2、3之间的连接。为此，特别是在施加焊料5之前，利用保持装置相应地相对于彼此定位地保持两个金属构件2、3。
根据另一个实施方案可以设定，所述由烧结材料制成的金属构件在连接区域4中在所述表面区域6内具有按体积最多0.1％的、特别是按体积0％的焊料比例。
在压实之后、特别是在喷砂压实之后并且在焊接之前，优选对所述利用粉末冶金技术制造的构件进行清洁。特别是通过在H2气氛中进行的热清洁来实现所述清洁。这种清洁用于尽可能地从构件的表面上清除氧化物。这里建议，这种清洁可以在800℃至1200℃之间的温度下执行。
为了评估连接质量已经进行了测试。为此将通过铜焊料相互连接的两个金属构件2、3夹紧到测试设备中并测量致断力。两个构件之一由铸钢制成，另一个构件由利用粉末冶金技术加工的钢粉末制成。为了测量致断力，提高作用于连接区域4的力，直至结构组合件1断裂。在所有情况下，都是利用粉末冶金技术制造的构件本身发生了断裂，而不是连接区域4发生断裂。此时测到的力约为2600N。
各实施例示出或描述了可能的实施方案，这里要指出的是，各个实施方案也可以相互组合。
为了符合规定，最后应指出的是，为了更好地理解元件的结构，这些元件不一定是按比例地和/或是放大和/或缩小地示出的。
附图标记列表
1 结构组合件
2 构件
3 构件
4 连接区域
5 焊料
6 表面区域
7 孔隙
8 线
9 表面
10 层厚度
Claims (10)
1.用于在第一金属构件(2)和第二金属构件(3)之间建立连接的方法，所述两个金属构件(2、3)中的至少一个金属构件由烧结材料利用粉末冶金技术制造，并且在构成在这两个金属构件(2、3)之间的连接区域(4)中通过焊接建立所述连接，其特征在于，在焊接之前，对由烧结材料制成的金属构件(2或3)的参与构成所述连接区域(4)的表面(9)进行压实。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对由烧结材料利用粉末冶金技术制成的金属构件(2或3)的参与构成所述连接区域(4)的表面(9)的压实进行到为实心材料密度的至少99.5％的密度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对由烧结材料利用粉末冶金技术制成的金属构件(2或3)的参与构成连接区域(4)的表面(9)的压实通过喷砂进行。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对于所述喷砂使用通过气体雾化由不锈钢制成的粉末作为喷砂磨料。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，采用由不锈钢组成的烧结粉末作为烧结材料。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，使用铜焊料作为焊料。
7.结构组合件(1)，包括第一金属构件(2)和第二金属构件(3)，这两个金属构件(2、3)中的至少一个金属构件利用粉末冶金技术由烧结材料制成，并且这两个构件(2、3)在连接区域(4)中利用焊料(5)相互焊接，其特征在于，由烧结材料制成的金属构件在连接区域(4)中是表面压实的。
8.根据权利要求7所述的结构组合件(1)，其特征在于，所述由烧结材料制成的金属构件(2或3)在连接区域(4)中具有为实心材料密度的至少99.5％的表面密度。
9.根据权利要求7或8所述的结构组合件(1)，其特征在于，所述由烧结材料制成的金属构件(2或3)在连接区域(4)中具有压实层，所述压实层的层厚度(10)在50μm至350μm之间。
10.根据权利要求7至9之一所述的结构组合件(1)，其特征在于，所述由烧结材料制成的金属构件(2或3)在连接区域(4)中具有按体积最大0.1％的焊料比例。
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