CN85104670B - 用于金属烧结体的材料板及制作该板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了制造用于金属烧结体的材料板的方法，该方法包括的步骤为将具有烧结性能的金属粉和由抗裂性能良好的合成树脂及叠性能良好的合成树脂组成的液态塑性粘结剂揉合在一起以获得一种增塑材料；加热并干燥该增塑材料，在热塑状态将该增塑材料成形为板状。

Description

用于金属烧结体的材料板及制作该板的方法

本发明涉及用以制作金属烧结体的一种材料板，及制作该材料板的方法。

过去制造金属烧结体时已经提出一种成形方法，它包括使用增塑材料一由具有烧结性能的金属粉和塑性粘结剂揉制成一将增塑材料成形为预先确定的形状;使成形体中的塑性粘接剂热分解并烧结金属粉末。

上述方法中，除非金属粉末烧结时采用某些支撑方法，烧结体会因膨胀而导致尺寸变化。烧结前后可能产生约4%的偏差。作为有烧结性能的金属粉有一种自熔合金粉末，例如Ni-B-Si系的Ni自熔合金粉。然而，该合金的固相线是1010～1020℃，液相线是1075到1085℃。当烧结是在低于固相线的温度区进行时，保持形状的性能是好的，但烧结强度低，反之当烧结在高于液相线温度区进行时，全部粉末熔化并流动其结果是形状维持性能恶化。

鉴于以上所述，烧结是在介于固相线和液相线间的适当温度下进行，比如在1050℃附近的某一温度进行。

然而，对于在此温度进行烧结的情况，烧结体由于收缩而出现尺寸的变化，尺寸精度降低并且烧结强度不高。

另外，还提出了一种方法，此时上述增塑材料成形为板以制作一种材料板，用该板以获得金属烧结体。然而在此情况下，取决于塑性粘结剂的质量，材料板的叠垛性能恶化，因此出现成形体的层间剥离问题。

本发明的目的是提供所述制造金属烧结体的材料板及其制造方法，该材料板叠垛及制作性能良好，不产生剥离并且抗裂纹性能良好。

为达到上述目的，根据本发明提供的一种制作金属烧结体粉的方法，该方法包括将70～90wt%的自熔合金粉与10～30wt%的高熔点金属粉混合，该高熔点金属粉的熔点高于自熔金属粉，并且，该自熔合金粉易于粘附在其上，这样获得一种有烧结性能的金属粉。

再者，根据本发明提供了一种用于金属烧结体的材料板，它含有具有烧结性能的金属粉和塑料粘结剂，塑料粘结剂含有抗裂性能好的热塑合成树脂和叠垛性能良好的热塑合成树脂。

此外，按照本发明提供了制造用于金属烧结体的材料板的方法。该方法包括的步骤为将具有烧结性能的金属粉和由抗裂性能良好的合成树脂及叠垛性能良好的合成树脂组成的液态塑性粘结剂揉合在一起以获得一种增塑材料，加热并干燥该增塑材料，在热塑状态将该增塑材料成形为板状。

由于抗裂性能良好及叠垛性能好的两种热塑合成树脂包含在材料板的塑性粘结剂中，由材料板得到的模压体中不产生层间剥离也没有裂纹产生。可以获得这样的模压体，它有很好的层间粘合强度和良好的表面质量，也可得到尺寸精度和表面质量好的金属烧结板。

再者，在材料板制造过程中，有烧结性能的金属粉和有前述特殊质量的液体塑性粘结剂被揉合一起以获得增塑材料，然后，增塑材料被加热和干燥，借此均匀地在具有烧结性能的金属粉上涂敷上少量塑性粘结剂。按上述方法均匀地将塑性粘结剂涂在有烧结性能的金属粉上使得有可能在后面的板成形工序中得到形状保持良好的板。使用少量塑性粘结剂也可以获得孔隙度小、强度高的金属烧结体。

增塑材料在热塑状态下成型为板以有利于其成形并且可以获得这样的材料板，它在常温下有适宜挠性和抗内撕裂性并且加工性能良好。

上述及其他一些本发明的目的，特点及优点从选择的一些实施例中可以明显看出。这些实施例将结合附图详细地描述。

图1至3表示按照本发明的第一个实施例。图1是一个压模的剖面图，图2示出该压模的制作步骤。图3是表示烧结阶段温度与时间关系的曲线图。

图4示出本发明中第二个实施例中三个模压体的烧结过程。

图5图示本发明第三个实施例中压模的制作步骤。

图6是金属烧结体显微照片（400倍）的放大视图。

图7是表示烧结温度与尺寸变化关系的曲线图。

本发明中使用的有烧结性能的金属粉中，自熔合金粉包括Ni系，Co系，Fe系及类似者。为了将自熔合金粉的烧结温度设定在高于该合金液相线以上的温度以提高金属烧结体的强度，加入了熔点比自熔合金粉高且自熔合金粉易沉积在其上的高熔点金属粉末，作为对自熔合金有烧结性能的金属粉，用高熔点金属减弱自熔合金的流动以改善形状维持特性。这种情况下具有高熔点的金属粉末包括Mo，W，不锈钢Wc，Fe-Mo（钼铁）粉或它们的混合物。

材料板中抗裂性能良好的热塑合成树脂包括有四氯乙烯树脂，聚苯，乙烯树脂，尼龙及类似物质。叠垛性能良好的合成树脂有丙烯酸树脂，聚乙苯烯树脂，丁二醋酸乙烯聚合物及类似物质。

例Ⅰ（材料板的制造）

将80wt%直径10～60μm的镍自熔合金粉与20wt%直径为10～53μm的Mo粉混合用V型搅拌器搅拌30分钟以获得混合粉末。

将3wt%合成树脂粘结剂加入上述混合粉中，在台式伴揉器中在常温下揉和5分钟以获得增塑材料。这种情况下，合成树脂粘结剂是乳液态所以有很好的漫流性能。并且在短时间的揉伴中少量的合成树脂粘结剂可以在混合粉末中均匀的散开。

使用干燥炉，加热器等加热增塑材料至80～120℃以蒸发合成树脂粘结剂中的水分，使增塑材料干燥。所获得的增塑材料呈现出无数被合成树脂粘合剂粘在一起的团块，混合粉被均匀地涂上合成树脂粘结剂。

干燥后将保持温度80℃左右处于热塑性状态的增塑材料送入轧机，轧辊直径245mm长215mm、在X和Y方向轧数次以形成三种材料板，即厚度为1mm，1.5mm和3mm。按照测试件密度换算，成形压力为0.5Kg/mm²。此情况下如果轧机轧辊加热到大约80℃，即几乎与增塑材料的温度相同，材料板的成形性能会得到改善。

成形后材料板在80℃进行30分钟热处理以去除成形期间产生的张力。

这样获得的材料板在常温下有足够的挠性和撕裂强度。

合成树脂粘结剂加入混合粉的适合加入量为1～10wt%。如果树脂加入量低于1wt%则板成形不能有效进行，反之加入量高于10wt%则金属烧结体孔隙增加，不能获得高强度的金属烧粘体。

在合成树脂粘结剂中，叠垛性能好的热塑合成树脂加入到抗裂性能好的热塑合成树脂的适宜量为30～70wt%。如果叠垛性能好的热塑合成树脂的量低于30wt%则叠层材料板间产生层间剥离，反之如果其量高于70wt%，当成形体成形时表面出现裂纹。

例2（使用所述材料板制造压模）

图1表示用以制造一个箱体的压模，该模由基材2的铸钢件（材质为JISSC46）与工作部分3构成。3由附着在基材2上的金属烧结体S构成。

如图2（a）所示，基材2的基面2a比模1的工作部分3的外表面低5～20mm（用虚线表示）。基材2是铸件并且是用过的，带有钢锭磷纹的基面2a需经喷砂处理和清理，然后在上面涂上丙烯酸合成树脂粘合剂。

如图2（b）所示，三块材料板4（每块厚3mm）被叠在一起，粘到基面2a上;材料板4被装在压机或类似机器上的塑料模压制以检查模M与材料板的啮合状态。如果模M与材料板4在许多点上啮合，板4可进行修整。如果没有啮合则材料板4需重新粘结。反复用模M加压，并修整粘接材料板4使叠层材料板4的形状与模M的形状完全相符。如此压制成的叠层材料板4具有很好的层间连接强度和表面性能，没有裂纹产生，这种情况下，模M的压力为0.2-0.3Kg/mm²。

如图2（c）所示，叠层材料板4和基材2都放在加热炉5内加热到80℃使叠层材料板4增塑。

如图2（d）所示，一块厚度3mm的材料板4再叠在并粘合在增塑叠层材料板4上，所得到的层叠材料板4被模M施以0.7kg/mm²压力模压成模压体3a，它和工作部分3具有同样的形状。

在此情况下，为了模M与模压体3a有较好的脱模性能，在模M上涂上滑石粉或者在模M与叠层材料板4中放上一层极薄的薄膜，如聚偏二氯乙烯，聚氯乙烯，聚乙烯树脂等。

成形工序结束后，基材2和模压体3a冷却到常温，模压体3a上多余的部分被去除。

如图2（e）所示，厚1mm的氧化铝板6叠放在模压板3a上，基材2放在容器7内，同时直径为0.75mm的钢球（8）被作为支撑材料放入容器7内，铝板6由铝粉和与前面所述相类似的合成树脂粘合剂组成，其作用是阻止无数钢球（8）形成的高低不平的粗糙表面转移到金属烧结体上以防止金属烧结体S的表面粗糙度变坏。钢球8借其重量来控制尺寸变化，也就是Ni自述。

下一步，上述基材2放在真空烧结炉9中以便在图3所示的加热一冷却条件下分解有机物并烧结Ni自熔合金和钼粉。所用载热气体为氮气或具有高度还原性的氢气。

（A）第一加热区（图3A）

该加热区A是从常温到650℃，温升速率为10～20℃/分。在加热区A水先被蒸发，然后在模压体3a和铝板6所合合成树脂粘结剂中的四氟乙烯和丙烯酸树脂分解并气化。合成树脂在300～400℃气化但考虑到热导，保温在600～650℃90分钟，以便去掉绝大部分有机物质留下Ni自熔合金-Mo粉。有机物的气化将对照真空烧结炉（9）内真空度的变化加以叙述。常温时真空度为1但在650℃保温90分钟时真空度最多降到2。这主要是由于有机物产生的裂化气体所引起，90分钟后真空度又上升至1。这表明裂化气已从真空烧结炉中排出。

（B）第二加热区（图3B）

该加热区B是从900～1000℃，Ni自熔合金-Mo粉在低于Ni自熔合金固相线（1010～1020℃）的温度保温30分钟，例如对于固相烧结过程是950℃，然后该粉末被暂时烧结起来。温度从第一加热区A上升的速率为10～20℃/分。在真空烧结炉9内，Ni自熔合金-Mo粉被加热升温是从表面开始的，所以需要经过预先确定的时间加热直到全部粉末达到均匀的温度。如果急剧加热到烧结温度1000～1200℃，Ni自熔合金-Mo粉的表层部分与接触基体表面2a的部分会产生温差，这不仅增加孔隙的不规则性，不能得到均匀的金属烧结体而且导致缺陷，比如烧结后开裂。

在第二加热区B中，未裂化的有机物完全气化并被去除。由于上述气化等原因真空烧结炉9内的真空度暂时下降至4。但30分钟后又回升到1。

（C）第三加热区（图3C）

该加热区C是在刚低于Ni自熔合金固相线（1010至1020℃）到超过液相线（1075～1085℃）的温度范围，即从1000～1200℃。Ni自熔合金和Mo的临时烧结体后1100～1180℃高于液相线静热水平上保持120分钟。对于使Ni自熔合金溶化以形成金属烧结体的液相烧结过程最好选1160℃。这种情况下Ni自熔合金的流动由于Mo的存在而减弱，因此可获得良好的形状保持性能。温度从第二温度区B上升的速率是15～20℃/分。由于Ni自熔合金-Mo的临时烧结体在第二加热区B已经被加热到高温，所以温度升到第三加热区C的时间是短的。如果在第三加热区C停留的时间不够则烧结不能完善进行，在金属烧结体S中造成缺陷。

烧结温度选择为1160℃的原因是：当烧结温度为1200℃左右时，烧结体S的尺寸变化增大;炉温不易控制;此外炉温不均匀。1160℃是适合的，可以消除这些不便利的条件。

（D）冷却区（图3D）

该冷却区分成第一冷却区（从上述烧结温度至800℃左右），第二冷却区D₂（从800℃至400℃左右），第三冷却区D₃（从400℃左右至常温）。

第一冷却区D₁是在金属烧结体S高温下的一个稳定区。在冷却区D₁中尽可能避免热激励，在此同时考虑到冷却效率，故冷却速度低，比如最大为2℃/分钟。如果在冷却区D₁很快冷却，常常在金属烧结体S中产生裂纹。

在第二冷却区D₂，冷却速度较慢，最大为3℃/分钟，以吸收基材2的线膨胀和转变过程中的尺寸变化。这种情况下金属烧结体S的线收缩是14.6×10^-6但还有孔隙引起的基材2的收缩。在冷却区D₂快速冷却时常在金属烧结体S中产生裂纹。

在第三冷却区D₃内，金属烧结体S和基体材料2被冷至常温，是气冷（包括空气冷却）而不是使用水，油…等液体冷却。

借助上述加热一冷却过程可以得到图1所示的模1，其模压工作区3是由Ni自熔合金-Mo形成的金属烧结体S成形而制得。

上述烧结体S对基材2有很好的附着性能，没有裂纹之类缺陷产生。使用3三维测量机在X和Y方向每间隔50毫米测量外形尺寸以便和模M相比较。假设模1纵长尺寸为300毫米，横向尺寸为250毫米而高为180毫米。发现有三处最大膨胀5毫米，其他地方膨胀0～0.8毫米，显示出良好的尺寸精度。由于氧化铝板6能用来防止钢球8粗糙的表面转移到模压的叠层材料上，烧结体S获得好的表面粗糙度。

当然通过上述过程得到的模1经简单的修整后能直接用于压力加工。

上述氧化铝板6用下述步骤制造。

将8wt%类似于用以制造前述材料板的合成树脂粘结剂8加入直径为2～50μm的氧化铝粉中，二者用台式拌揉器在常温下揉和5分钟，拌和材料中加入了8wt%水。

所得增塑材料用加热器加热到120℃，停留60分钟，合成粘结剂中的水被蒸发使增塑材料干燥。

干燥后，加热保持在80℃左右，用轧机使处于热塑状态的增塑材料成形以制造1毫米厚的氧化铝板6，所用成型过程及轧机与生产前述材料板者相同。上述过程中如轧机轧辊加热到与增塑材料差不多的温度（约80℃），板的成形可以容易地完成。

成形后氧化铝板6在80℃，30分钟热处理以消除成形中产生的张力。

例3.（用所述材料板制造滑动件）

尺寸为长宽各100mm，厚1.5mm的冷轧钢板经除油处理后，将两块厚3mm的前述材料板用丙烯酸胶粘剂粘在该钢板上，材料板表面被加工光滑以获得一个板状的模压体。

所获得的模压体放在真空烧结炉中进行有机物的分解和Ni自熔合金粉与Mo粉的烧结，其加热-冷却条件与图3所示相似，烧结时间为30分钟。

经上述步骤得到的由钢板和金属烧结体构成的叠层体被钻了许多孔制作用以轻负荷的滑动件，金属烧结体作为滑动面。

该滑动件由金属烧结体构成的滑动面表面粗糙度良好，具有优良的滑动性能，同时金属烧结体很好地粘附在钢板上所以不产生层间剥离。此情况下为了改善烧结体的润滑性能最好将润滑合成树脂如四氟乙烯浸入烧结体中，在其中硬化;或者将固体润滑剂如WS₂，M_oS₂等混入材料板。

为了增加上述滑动件金属烧结体厚度，可将3mm厚的材料板用丙烯酸树脂粘结剂粘到烧结体上，其表面精加工平整，此后其烧结过程与前述双层结构的金属烧结体滑动件相似。

该滑动件中两个烧结体粘附良好，在使用中不发生层间剥离。

例4（用所述材料板制造烧结体）

上面所说的材料板被用来模制柱状模压体10₁～10₃，直径20mm，长20mm，压力1Kg/mm²，它们要进行烧结。

烧结过程中，对模压体10₁来说它被放入容器11，如图4（a₁）所示，而模压体10₁被做为粒状支撑体的钢球12所环绕，球直径为0.5-Imm，线膨胀为11×10^-6/℃。容器11被放在真空烧结炉9内。

对于模压体10₂，则如图4（a₂）所示那样放入容器11，模压体10₂被No.5号硅砂13所围绕，砂作为粒状支撑体，其线膨胀为4×10^-6/℃，容器被放在真空烧结炉9内。

对于模压体10₃，它是放入真空烧结炉中而不用支撑材料，如图4（a₃）所示。

有机物的分解和金属粉的烧结按图3所示加热-冷却条件进行。在图4（a₁）和（a₂）的情况下，由于作为支撑材料的钢球12和硅砂13是颗粒状的，合成树脂S分解形成的气体从支撑体通过钢球和硅砂13间无数连续的孔洞而逸散，最好烧结温度为1.120℃。

相对于烧结过程前后，对由上述步骤制得的三个烧结体测量了延伸率，其结果列入表Ⅰ。表中烧结体S₁到S₃各相应于模压体10₁至10₃。

表Ⅰ

烧 结 体	延 伸 率
		S1	2.2%
S2	0.9%
		S3	3.7%

从表Ⅰ可明显看出，烧结模压体10₁至10₃时，使用支撑体12和13所获得的烧结体S₁和S₂因在烧结期间受到支撑体12和13的压力而膨胀受到限制。因而与未使用支撑体所得到的烧结体S₃相比其延伸率大大降低。

例5（用于所述材料板制造压模）

如图5（a）所示，用于箱体的基材2是类似前面例2的铸钢铸件（材料JISSC46）。由于基材又是铸件并且用过的，有磷皮的基面2a在清理后涂上一层丙烯酸粘胶。

如图5（b）所示前述材料板4叠垛并粘附在其面2a上，用模m以0.5Kg/mm²压力压制成模压体3a〔见图5（c）〕。它具有与工作部分3相同的形状。

如图5（c）所示，基材又被置入容器7放入真空烧结炉9内，在图3的加热-冷却条件下，使模压体3a内的有机物分解并烧结Ni自熔合金-钼粉。

如图5（d）所示，经过上述步骤得到模1，其工作部分3包括有位于基体材料2的基面2a上的Ni自熔合金-M_o烧结体S₄。使用三维测量机对模1工作部分3上沿厚度方向测量了X到Z各部位前后的延伸率，由此可明显看出，在部位X变形量为0.2mm，部位Y变形量是0.5mm;而在部位Z，变形量为0.9，金属烧结体S₄的尺寸变化大大受到支撑体12的制约。

能够使用的支撑体包括上述钢球，硅砂此外还有球形氧化铝，球形陶瓷等等。如果需要的话，钢球等可用无机粘合剂如水玻璃部分地粘在一起使支撑体吻合模压体的形状。图5（b）所示步骤中，模压体3a的成形不仅限于使用模M的情况，也可使材料板4呈半硬化状态然后进行打磨。

图6是按本发明制得的金属烧结体学显微组织照叶（400倍）的放大视面。图中标注字母m表示M_o而n表示Ni自熔合金。从图6明显看出Ni自熔合金本身相互间的联接性能及M_o与Ni自熔合金间的围绕和粘附性能都是好的。因此金属烧结体的强度高，例如获得了4Kg/mm²的压缩强度。

为了提高金属烧结体的压缩强度合成树脂如环氧树脂可真空浸渍到烧结体的孔洞中，然后被硬化。进行这种工艺是为了保证7Kg/mm²的压缩强度。对于要求压缩强度高于上述值的情况可将低熔点金属如Cu，熔化然后浸入金属烧结体。

图7表示该模压体烧结时的烧结温度和金属烧结体的尺寸变化。线a₁相应于金属烧结体含有Ni自熔合金和M_o而无外壳的情况，线a₂系指金属烧结体成分与线a₁代表者相似而有外壳的情况，线b的情况是金属烧结体只含有Ni自熔合金。

在图中，在斜线指明的1100～1180℃烧结温度区，Ni自熔合金之间的连接性能以及该合金与M_o之间的缠绕和粘附性能都是好的，而在该温度区内，对线a₁代表的无壳金属烧结体其尺寸变化限制在+1～+3%，（膨胀）内，对线a₂情况下带壳金属烧结体则为+0.5%或更小（膨胀）。金属燃结体尺寸变化如上所述受到壳的约束的原因是，按本发明制得的金属燃结体有膨胀倾向而该膨胀被壳的支撑效应所削弱。

另一方面，对线b的金属烧结体只含有Ni自熔合金的情况，显而易见，如果烧结在1040℃进行-如旧工艺那样是在固相线和液相线之间一一则由于收缩引起的尺寸变化被显示出来。

对于本发明用于制作压模的情况，用前面例6方法得到的增塑材料被粘附在基体材料像铸铁，铸钢，合金钢诸如此类材料上，该增塑材料再被模压成预定的形状，此后进行烘烤。

此情况下，由于增塑材料的加工性能良好，其粘接及成形工艺可以很容易完成。

同时，在上述例子中，合成树脂粘结剂被加入到自熔合金粉与高熔点金属粉构成的混合粉中，应该指出，甚至不加合成树脂粘结剂，仍可获得模压体-即压制的粉末体。

Claims (13)

1、一种用于金属烧结体的材料板，其特征是：它由具有烧结性能的金属粉和塑性粘结剂组成，塑性粘结剂含有抗裂性能好的热塑合成树脂和叠垛性能好的热塑树脂。

2、按权利要求1所述的制造的用于金属烧结体的材料板，其特征是：所述塑性粘结剂中相对于抗裂性好的热塑合成树脂，堆垛性好的合成树脂占30-70wt%。

3、按权利要求1或2所述的用于金属烧结体的材料板，特征是：其中所述塑性粘结剂按1-10wt%的量加入到所述有烧结性能的金属粉中。

4、按权利要求1或2所述的用于金属烧结体的材料板，特征是：其中所述有烧结性能的金属粉为70-90wt%自熔合金粉与10～30wt%高熔点金属粉的混合物，高熔点金属高于自熔金属粉而自熔金属粉易于粘附在其上。

5、按权利要求4所述的用于金属烧结体的材料板，其征是：其中所述自熔合金粉是Ni自熔合金粉，Fe自熔合金粉和Co自熔合金粉中的一种。

6、按权利要求4所述的用于金属烧结体材料板特征是：其中所述高熔点金属粉是Mo，W不锈钢，WC、及Fe-Mo（钼铁）中的一种。

7、按权利要求4所述的用于金属烧结体的材料板，特征是：其中所述高熔点金属粉是两种以上选自Mo，W、不锈钢、WC和Fe-Mo（钼铁）的粉末混合物。

8、按权利要求1或2所述的用于金属烧结体的材料板，特征是：其中所述抗裂性好的热塑合成树脂是四氟乙烯树脂，聚苯乙烯树脂和尼龙中的一种。

9、按权利要求1或2所述用于金属烧结体的材料板，特征是：其中所述叠垛性能好的热塑树脂是丙烯酸树脂，聚乙烯树脂和丁二烯醋酸乙烯共聚物中的一种。

10、按权利要求1或2所述的用于金属烧结体中的材料板，特征是：其中所述塑性粘结剂是四氟乙烯树脂乳剂和丙烯酸树脂乳剂按1∶1比例的混合物。

11、一种制造用于金属烧结体的材料板的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：揉拌具有烧结性能的金属粉和含有抗裂性能好的热塑合成树脂及叠垛性好的热塑合成树脂的液态塑性粘结剂以便获得增塑材料，加热并干燥该增塑材料，在热塑状态下使增塑材料成形为板。

12、按权利要求11所述的制造金属烧结体用的材料板的一种方法，其特征是：其中所述塑性粘结剂中相对于抗裂性好的热塑合成树脂，叠垛性好的热塑合成树脂与30～70wt%。

13、按权利要求11或12所述的制造金属烧结体用的材料板方法，特征是：其中所述塑性粘结剂按1-10wt%的量加入所述具烧结性能的金属粉。

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