TWI244953B - Method for forming powder metal scrolls - Google Patents

Description

1244953 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明） 【發明所屬^技術領域】 發明領域 本發明一般是關於壓縮機，而且更特別的是指一種用 5 於形成壓縮機組件的方法。

L J 發明背景 目前製造捲形物的方法是源自於熔融金屬製程鑄造 ”）。典型地，液態灰口鑄鐵特別地被成為合金、接種並倒 10入一空穴，然後在完全固化之後形成該捲形物。目前鑄造 方法會產生具有線性尺寸精確度大約是每英吋+/_0 020英 吋的生鑄造捲形物。此外，因為鑄造產生之内在治金面異 常或缺陷，除了此容差之外，必須加上額外的加工容差（ 大約〇.06吋）’結果產生大約〇·〇60 +/-0.020吋將被加工去除 15之總容差與差異。因為在砂（或陶瓷）與金屬界面固化或冷 部發生的複雜熱力學、運動與冶金/化學交互作用，其會 產生趨膚效應（skin effect)。 使用在此鑄造方法中的鑄模，有熔融金屬流入其中， 是由砂、黏合劑及/或陶瓷塗料組成，而且結構上不是完 2〇全堅硬的。當鐵水與該鑄模壁表面接觸時，有壓力作用在 该鑄模上，這會造成鑄模壁膨脹。因為高碳或石墨含量， 灰口鑄鐵特別容易固化膨脹。此現象是如上述之尺寸變化 及公差增加的主要來源。 適當完成的捲形物必須不會&爲、磨《或破裂，所以 1244953 玖、發明說明 確的最終尺寸必須被保持。為了完成這個目的，利 日曰目則料造製作方法，對該生鑄件進行非常大量、複雜 :貴:機械力…以將它們轉換成可用的捲形物。因此 工 因為則面提及之目前禱造方法的的能力，由於需要被加 々之材料的剪切量，過多的加工容差是大量生產力的 / 礙取難被機械加工之該捲形物的區域是渦旋狀捲 “身這個部分的研磨最造成大部分的工具磨耗，並 最長日寸間的機械加工。因此，該“渴旋捲形物狀，，的 尺寸精度是最重要的。 10 田仍符合功能化捲形物所需要之該猛烈的應力與壓力需求 ' 在此處5兒明的兩種粉末金屬製造方的基本類型， 15 可以製k具有較少的“趨膚效應，，層與較好的尺寸公差之捲 心物。匕們是金屬射出成形與傳統的加壓燒結粉末冶金方 法。兩種方法都有伴隨它們的實施例，其可以使粉末冶金 的使用對於接近網狀或網狀捲形物的製造是實際且有用的 。該捲形物可以整件的形成或形成部件，然後將其結合而 形成該整個捲形物組件。 【明内容-j 大體上，本發明是關於用於捲形物壓縮機之捲形物組 件之形成中粉末金屬的使用。可以想像的是該整個捲形物 組件可以利用粉末金屬技術形成。進一步檢視，該捲形物 壓縮機組件的部分可利用粉末冶金技術製作。然後需要非 常高程度的尺寸容差的這些部分，諸如捲形物渦旋組件， 被固定在該捲形物組件中，其是利用諸如鑄造、鍛造甚或 20 1244953 玖、發明說明 其他粉末金屬部件而形成之其它的部分。 本發明之進-步的適用性範圍可由以下提供的詳細說 明而變得顯而易見。應該瞭解的是在顯示本發明之該較佳 實施例的同時，該些詳細的說明與特定的實施例只是用於 5說明的目的，並不是用於限制本發明之範圍。 圖式簡單說明 由該詳細的說明與該些伴隨的圖示，本發明將更完全 被瞭解，其中： 第1-2圖示依據本發明之捲形物組件； 1〇 第3a-3b圖是依據本發明之第二實施例的該捲形物組 件之分解透視圖； 第4a-4b圖是依據本發明之第三實施例的該捲形物組 件之分解透視圖； 第5a-5b圖是依據本發明之第四實施例的該捲形物組 15 件之分解透視圖； 第6圖是依據本發明之第五實施例的該捲形物組件之 分解透視圖； 第7-7e圖是該捲形物渦旋對於基座界面之另一橫斷面 ;和 20 第8_10圖是本發明之該捲形物的冶金結構之顯微照片。 L實施方式】 較佳實施例之詳細說明 現在將參照該些圖示，其中該些圖示只是用於本發明 之較佳實施例說明的目的，而沒有限制的目的。第1_2圖 1244953 玖、發明說明 說明依據本發明產生的該捲形物組件的透視圖。 該满旋狀捲形物10被接合至形成基座14與輪轂16之基 板12。所顯示的渦旋捲形物1〇是粉末金屬，同時基板12是 灰口鐵鑄件（最小30級）。基於經濟的理由，該基板丨2較好 5應該是由諸如垂直分離方法（DISA等）之傳統砂鑄技術做成 〇 該基板12的基材較好具有最少9〇%波來鐵（peadite)， 和最大長度是大約〇·64公釐的石墨片。接種處理 (Inoculation)可以被使用，以確保石墨均勻地分佈及充分 10地大小。可以想見的是稀土元素可以被添加至該粉狀金屬 混合物，以作為接種劑的功用。雖然該渦旋捲形物1〇的網 狀與尺寸精確度的水平對該接踵而來的部件是必要的，該 基板12可能會進行明顯的後機械加工處理。除外多孔性， 該渴旋狀捲形物1〇之基材較好最少有9〇%波來鐵。在渦旋 15狀捲形物10中存在的石墨不是必要的，但是如果存在則可 進一步提升耐磨性。 該粉末金屬渦旋狀捲形物10對該灰口鐵基板12的接合 可以利用傳統的電阻焊接、電容放電焊接（電阻焊接的一 種义化）、銅焊或燒結接合完成。電容放電焊接類似傳統 2〇電阻焊接，只是需要有非常高的熱量輸入速率。電容放電 允許在-短時間有高電流，以產生此高加熱速率。這種焊 接方法的主要優點是在此應用中需要之高破材料可以被焊 接而沒有有害的效應（裂解等）。這種方法也允許該也粉末 金屬組件被焊接，而沒有任何諸如液態焊接金屬毛細作用 1244953 玖、發明說明 之有害的效應或在該粉末金屬空隙中裹入加工流體而產生 的反效用。電容放電也允許不同的金屬接合，此允許該渦 方疋狀捲形物10之磨耗、疲勞與摩擦性質的調整而不會增加 基板12的成本。 5 第3a_3b圖揭示依據本發明之第二實施例的分解透視 圖。所顯示的是一具有由粉末金屬技術形成之渦旋狀捲形 物10與基底14的捲形物組件8。輪轂16，其是個別使用標 準的砂鑄技術或包括先前說明的粉末金屬之其他成形方法 形成，是利用先前說明的技術使該粉末金屬渦旋基座次總 1〇成黏合在輪轂槽29中。粉末金屬輪轂較好可以使用銅焊材 料而被接合在一粉末金屬基板。在燒結程序期間該粉胚體 組件被組裝並且被銅焊在一起。一固態的輪轂可選擇地被 固定，這是利用在燒結處理期間會硬化的材料進行。 第4a-4b圖說明本發明的第三個實施例。所顯示的是 15由粉末金屬形成之渦旋狀捲形物10和托板（pallete) 20次總 成22。利用先前提及的接合技術使該渦旋托板次總成22耦 —合在基板12上。應該注意的是該渦旋托板次總成22的形成 容許該渦旋狀捲形物10以及該托板20的界面24之非常精確 的形成。更有利地，這容許使用傳統的低成本技術進行該 20 基座組件12之便宜鑄造。 第5a-5b圖揭示形成在該基座12中以容納該渦旋狀捲 形物10之基板槽25的使用。基板槽25有助於該渦旋狀捲形 物10對該基板12之尺寸校直與套準。基板槽25也提高該渦 旋狀捲形物10對該基板12在界面之疲勞強度。該焊接法將 1244953 玖、發明說明 被進行使得可能由於從焊接溫度高速冷卻而形成在該溶接 界面之硬化區域減到最小。由於在該硬化區域中之局部低 延展性，接近該熔接處之此硬化層可能是裂解的起源。電 谷放電焊接之高速率的熱量輸入與熱量移除有助於使該區 5域的寬度減到最小。具有相當高碳含量的材料特別容易受 到這個現象的影響，諸如此處說明的材料。該基板槽25可 以支撐§亥％曲矩並且有助於使前述的硬化區域中之局部靡 變減到最小，同時降低在接合處發生疲勞損壞的機會。基 板槽25會產生引起分流（在該槽壁之該覆蓋物的邊處變短） 10 。由於在該渦旋狀捲形物10上或該基板12中高阻抗電阻塗 層21，基板槽25將會使該分流效應減到最小。 在焊接期間，該渦旋狀捲形物1〇的整個長度需要被連 績地焊接。這在沿著它的長度上需要有均勻的壓力與電流 。為確保如此特殊的固定與尺寸準確度是需要的。在焊接 b期間的扭曲必須利用固定將其減到最小。因為很快的熱量 輸入，電容放電焊接也提供較少的扭曲。 第a圖中所見，凹槽（chamfer)26較好被鑄造在該覆 2物中’以將基板12上的邊緣接觸降到最小，相應地將分 流減到最小，並且有助於在接合期間之自我排列。 [Q 垂 。、阻焊接在該焊接界面處需要—縮小面積的凸出物P ^焊接期間，該凸出物37有助於集中利於㈣的電流。 在：接期間，該凸出物37會部分崩塌。凸出物”可能是不 連、而且是位在環繞該覆蓋物之彼此預定的間隔處， 或者是連續的。第7b#u7e岐電阻焊接。電阻焊接需要一 10 1244953 玖、發明說明 個縮小的區域。在焊接期間，該凸出物37會集中電流，而 且焊接期間會崩塌。 在基版12中基板槽25可以被使用以將渦旋狀捲形物1〇 套準並排列在該基板12上。在該渦旋狀捲形物10接合在該 5基板12之前，該基板槽25可以被機械加工在該灰口鐵鑄件 之内。如第6圖所示，它也可能直接將該渦旋狀捲形物1〇 排列在該基板12上而不需使用基板槽25。這可免除研磨該 基板槽25之需要，這是額外的費用。 如第7d-7e圖所示，利用銅焊材料28以助渦旋狀捲形 10物10在違基板12進行接合是可能的。此外，銅焊材料28可 以被使用以將該輪轂16接合在基板12的背面輪轂槽29中。 此方法具有利用上面說明的焊接在接合界面形成一硬化區 域的優點。在它們（諸如此處說明的灰口鐵或石墨粉末金 屬）之中具有石墨之銅焊材料28的一個挑戰，是石墨容易 15覆蓋金屬的表面並且延遲該銅焊材料28的潤濕。這個問題 的-個解決方法是在一允許潤濕發生之適當的氣氛中溶融 黃銅。另-解決方法是使用具有足以充分清潔石墨之助溶 背j的銅焊材料’以允H愚（例如碳黑類型助炫劑AWS FB3-C或AMS 3411)。其它的解決方法是在銅焊之前，於 20 -單獨的步驟巾預先清潔該石墨捲形物部件。另外的一個 解決方法是使用諸如BNi_7(鎳軸承合金）的銅焊材料，其對 鑄鐵型式材料容易潤濕。其他諸如叫_3、、叫以 或RBCuZn型式填充料之所有的合金也已經成功地被使用 在鑄鐵型式的材料上。 1244953 玖、發明說明 種如此的清潔劑是炫融鹽。該溶融鹽製程包括將該 些部件沈浸在一與該槽隔離的池中，同時施加-直流電並 且將極性設定為可以氧化或還原將被清潔之表面的極性。 如果需要，依據該極性可以將石墨與氧化物去除。基於經 5濟理由，該較佳的情況是在鋼焊之前可以簡便地在諸如驗 性水基清潔劑中清潔該灰口鐵禱造捲形物。其他清潔該些 表面的方法，舉例來說，是利用錄或鋼丸研磨喷砂清潔該 些表面。 銅焊粉狀金屬的另一挑戰是銅焊材料28有過度地毛細 作用進入該多孔的粉末金屬部件中的傾向。如果過度，因 為該銅焊材料28會由該些接合表面被移除，這會產生一個 不良的接合。此問題的一解決方法是使用可以將毛細作用 降到最低的銅焊材料28。該所需的銅焊合金必須與該粉末 金屬表面反應。這個反應會產生比目前銅焊溫度更高的溫 15度焓融之金屬冶金化合物，而將發生的毛細作用降到最低 。SKC72是一種如此銅焊合金，其具有3〇_5〇%銅、1〇_2〇% 錳、3-25鐵、0.5-4%石夕、〇·5-2%，其餘是鎳（3〇·5〇%)的重 里百分比組成物。藉由某些元素，特別是鐵的添加而獲得 良好的生坯強度和可接受的基底金屬溶解水準。 '〇 在銅焊之前，可能是鍛造型式、糊狀物或金屬粉末或 鑄造預形物’或者較好是一固體粉末金屬預先形成金屬塊 之該銅焊材料28被放置在該基板12上的基板槽乃内或者是 該輪轂槽29中。當使用糊狀物時，必須小心以確保在銅 焊期間沒有氣體產生。該鋼焊方法可局部地電阻加熱或熔 12 1244953 玖、發明說明 W銅焊。電阻銅焊具有將因局部加熱而發生之加熱相關的 扭曲減到最小的優點。熔融銅焊的優點是可以在一有助於 潤濕的保護氣氛中進行銅焊。銅焊也可能與燒結同時進行 ’這在經濟上是有利的。 5 第7d圖顯示一具有可選擇的凹槽26之銅焊物28構形。 雖然顯示的是一長條物，其他型式的焊銅也可以被使用， 諸如線狀、預先成形部件或糊狀物（具有或沒有助熔劑）。 所使用之銅焊合金型式的接合空隙是根據標準的Aws進行 。舉例來說，對於此處提到的SKC-72合金而言，最佳的接 1〇合空隙是在·〇〇2至.005吋之間。該（較佳的）“粉末金屬塊，，有 大約4.5-6.5克/立方公分的密度，更好是大約55克/立方公 分。該粉末金屬預先成形金屬塊的密度對於獲得良好的銅 焊性是重要的。 第7 e圖顯示的是在該渦旋狀捲形物丨〇已經插入該基板 15槽25之後，於該基板頂端上之銅焊材料28的佈置。然後毛 細作用會把該銅焊材料28拉近間隙3〇之内，並且圍繞該渦 旋狀捲形物10的底部32。該渦旋狀捲形物1〇和基板12可以 選擇性地被模鑄在一起，但是該軸承輪轂16是單獨地製作 並且被接合在該基板12。 20 第3b圖描述該軸承輪轂16與該基板12的耦合，其經由 第3a圖所不之粉末冶金技術被製作成一器件。該軸承輪轂 16被製作成一個別的粉末金屬器件並且經有已經討論的銅 焊方法而接合在該捲形物/基板總成。在此方法中，該軸 承輪轂16可能是傳統的鋼、粉末金屬或鑄鐵。 13 1244953 玖、發明說明 10 15 處揭示的方法被說明作為形成料捲形㈣縮機之 =“的金屬射出成形方法使用 非系細的鐵粉，其中該些粉末 顆粒被塗以聚合物“黏合劑，， 。然後粉末/聚合物組合（“原料,， 寸）被加熱，同時藉由射出成 形機的使用而被射人-鑄造模頭以形成該捲形物。該黏合 劑的功能是作為-賴，以助於容易進行射出成形。該金 屬射出成形的基本步驟類似於_射出成形。對於使用的 特殊顆㈣末/聚合㈣統之鑄模壓力與溫度最適化，以 允許該渦旋狀捲形物的充填。在射出“中的條件在性質

上疋觸交性的(當由於射出加工而增加剪應力誘發熱量時 黏度會降低）。然後作為模造捲形物之所得純脫黏（移除 黏合劑），之後燒結以全緻密化）。這兩步驟可以被合併或 在個別的操作完成。選擇特殊的處理餘與使料材料以 將尺寸變化（容差）減到最小，並且將幾何形狀扭曲降到最 低。當線性尺度容差預期是大約0 3%時，對於“趨膚效應” 疋不需要材料裕度。模頭牽引角是大約〇·5度。 20

為了降低成本，較好使用可能具有最大平均粒徑的鐵 粉（大約大於5微米）。在大約2至2〇微米之間的粒度可提供 合理的燒結時間並且提供適合的模造性。圓形顆粒堆積更 緊密，燒結更快並且需要更少的黏合劑，但不會延遲在脫 附與燒結期間形狀扭曲。不規則形狀粉末粒子保持部件形 狀比球型更佳。球形的粒子有較高的敲緊密度（在粉末樣 品震動至最小的體積之後獲得的最高密度）。雖然1〇〇%不 規則形狀與較大的粒子具有經濟的優點，因為加工困難， 14 1244953 玖、發明說明 它可能必須使用球型與不規則形狀型態之摻合物或粒度八 佈。球形、剛％不規則形狀或每_種都有部分= 以被使用。 必須使用正媒的原料黏度以形成該渴旋狀捲形物。較 5高的金屬負載產生較高黏度原料。如果黏度太高，此㈣ 可能無法被射出成形。不過，非常低黏度可能會使原料容 易與金屬黏合物在射出成形期間分離。 有數種黏合劑系統可以用於該捲形物形成程序中·· 蠟-聚合物、乙醯基、水溶性和瓊脂水基/交聯的。“乙醯基 10 ”黏合劑系統具有聚縮酸或聚乙醯主成分與小量的聚婦烴 。該乙醯基黏合劑系統在本質上是結晶的。因為該結晶性 ，該鑄模物黏度相當高而且這需要密切控制模鑄温度。此 黏合劑是利用硝酸在低溫下對該聚乙酸基成分進行化學催 化去聚合反應而被脫附。此黏合劑和脫黏程序是較快的， 15特別疋對於較厚的部件。模鑄温度是大約1 80°c而且模溫 是大約100-140°C，這是相當高的。 進一步設想“蠟-聚合物，，黏結系統是可被使用。該黏 結系統有良好的模造性，但是因為在脫黏期間蠟會變軟， 扭曲變形是一考量。固定或最適化的脫黏循環是需要的， 2〇而且可以克服這個問題。可發現多成分黏合劑組成物可以 被使用，以便該些性質可以逐漸隨溫度改變。這可提供一 較見的加工視窗。蠟-聚合物系統可在大氣或真空爐中藉 >谷劑方法脫黏。一般的材料模造溫度是175^，而且模溫 一般是40°C。 15 1244953 玖、發明說明 進一步設想“水溶性，，黏合劑可能被使用。“水溶性，，黏 合劑是由具有一些聚丙烯之聚乙烯、部份水解之冷水可溶 的聚乙烯醇、水和塑化劑組成。部分黏合劑可以利用大約 80-100 C的水去除。模鑄溫度是大約18yc。這個系統對 5環境是安全的、無危險的且生物可分解的。因為低脫附溫 度’在脫附期間扭曲的傾向較低。 進一步设想“瓊脂（agar)_水’’基黏合劑可能被使用。因 為水分蒸發現象會造成脫黏，瓊脂_水基黏合劑的一優點 是不需要單獨的脫黏加工步驟。脫黏可以被併入該程序的 10燒結步驟中。模鑄溫度是大約85X：而且模溫是較冷的。要 小心的是在模鑄期間可能發生水分喪失，這會影響金屬負 載與黏度。因此，在加工期間需要小心控制以避免蒸發。 另一個缺點是模鑄的部件是軟的，而且需要特別小心處理 。模鑄之後立即的特別乾燥可以被併入以助於處理。 5 進一步δ又想可水溶/交聯的’’黏合劑可能被使用。可水 溶/交聯的黏合劑包括開始浸泡在水中至部分脫黏，以及 之後進行交聯步驟。有時候這是指反應混合原料。該些主 要的成分是甲氧基聚丙烯二醇與聚縮醛。該黏合劑/脫黏 系統產生低扭曲和低尺寸容差。當不同粉末型式型式被摻 20 合時，高金屬負載也可以被達成。 在脫黏及/或燒結期間可選擇地固定，有助於避免部 刀fe洛。已經發現“燒結不足”（但是仍然緻密化至符合密 度/強度標準之處）有助於維持尺寸控制。可藉由使用石墨 或陶瓷捲形物而完成固定，以將扭曲作用降到最低。 1244953 玖、發明說明 對於金屬射出成形而言，該捲形物的幾何設計必須被 最適化。㈣厚度應該均勻且整個部件要盡可能地薄，結 晶偏析將會被使用以完成此目的。均勻且最小化的壁厚會 將扭降到最低、快速脫附與燒結’同時降低材料成本。 5 &經發現所揭示的金屬射出成形方法可產生非常緻密 的部件（通常比重超過7.4)。這是金屬射出成形獨特的一面 ’同會產生異常南強度材料其允許用於比目前鑄鐵設計 更薄與更輕的捲形物。因此，金屬射出成形可提供比先前 技藝之鑄鐵捲形物更好的強度優點。 10 該捲形物部件的最終燒結密度最小值m約6.5克/ 立方公分（較好最小值是6·8克/立方公分）。該密度應當盡 可月b地均勻为佈。该密度最小值必須被維持，以遵守該捲 幵v物之疲勞強度需要。因為壓縮機效率的減損，透過相互 連接的金屬孔隙之茂漏也是一考量的因素。沒有其他處理 15之較高密度物的併入可充分產生壓力緊密性。如果需要， 含浸、蒸汽處理或浸潤（聚合的、金屬氧化物或金屬的）也 可以被併入該些孔洞中，以密封互相連接的孔洞。 忒取終部件的材料成分是大約〇6_〇9%碳（當自由石墨 存在枯，匕疋3.0-3.30/0)、〇-1〇〇/0銅、〇-5〇/〇鎳、〇-5%鉬、 20 0-2%鉻且其餘是鐵。其他次要的組成物可以被添加以修改 或改善微結構的某些方面，諸如硬化能力或波來鐵細度。 孩最、、；材料彳放結構與鑄鐵類似。根據該壓縮機應用之摩擦 需要而定，雖然該粉末金屬較佳的微結構是不含自由石墨 各有石墨的結構可能是需要的。自由石墨的存在會降低 17 1244953 玖、發明說明 該顆粒的壓縮性，並且對尺寸精確度與容差有不良的影響 。可理解的是對於一捲形物（舉例來說，固定的含有石墨 ’同％该運動的則沒有）而言，較好進行燒結循環，使得 該最終的部件含有最少90%體積（去除空隙）的波來鐵基材 結構。如果自由石墨存在，它將是球形、不規則形或薄片 狀。自由石墨的體積百分比較好是在5%與2〇%之間。較好 大約10-12%石墨。石墨粒度（直徑）的有效直徑是大約4〇_ 150微米。 該些粒子可以被集中在需要特殊摩擦性質之該捲形物 1〇的特殊位置（參見專利第6079963號，在此處併入參考資料 中）。或者，更好是均勻地分散遍佈該捲形物。粒度、形 狀和刀政將被遵守以維持可以接受之耐疲勞性與摩擦性質 (低黏著劑與研磨劑磨耗）。在壓縮機中，此處的粉末金屬 能夠對抗其本身的運動而不會磨損。至少在該些相配的捲 15形物之一中存在的石墨容許此磨耗輕合順利地存在。如果 被併入，由於石墨添加而造成之尺寸變化效應在金屬射出 成形或粉末金屬加工中必須被考量。 20

為了維持在該最終粉末金屬結構中的自由石墨，兩 或更多種不同的石墨粒子尺寸分佈(細的和大的)可選擇 被混合。在燒結期間，較細的石墨顆粒會擴散而形成波 鐵。較粗的石墨顆粒會殘留或部分殘留作為自由石奪。 熱處理時必須小心、進行，不要形成自由的碳化物，^會 重地降低機械加工性。自由石罢 自由石墨施夠可選擇地藉由利用 如銅或録之金屬塗佈在需要維持自由狀態的石墨上而形 18 1244953 玖、發明說明 。該金屬塗料會避免或至少將燒結期間的碳擴散降到最低。 大體上，粉末金屬或MIM(金屬射出成形）捲形物組件 機械加工比锻造或鑄造組件更困難。由於該孔隙度造成的 粉末金屬之機械加工性降低，這會造成機械加工工具的微 5疲勞，以及該機械加工工具之不良的熱量消散。為了提升 機械加工性，組成份含有石墨而且有較高的密度。化學計 量之鎮與硫選擇性地併入其中而形成硫化鎮，也有助於機 械加工性。使用大約0.5%硫化鎮可獲得可接受的機械加工 性。已經發現除了添加硫化鎂之外，因為該些方法之間的 丨〇交互作用，蒸汽氧化可產生一改良的表面最後加工。維持 良好的工具壽命（機械加工性）之較佳的方法是以聚合物密 封（含浸）該粉末金屬捲形物。該些空洞變成填滿的。因為 该些空洞被填滿，當它在機械加工時，藉由潤滑該些工具 ’聚合物會改善機械加工性，同時也會將微疲勞現象降: 15最低。可以接受的聚合物型式是一與不飽和聚醋換合的甲 基丙烯酸酯。加熱或厭氧型式的熟成可以良好地進行。從 理論上來說厭氧的合金熟成密封物是令人滿意的，因為粉 末金屬中的内部空洞沒有氧氣。 它不需要利用高精準度的製造方法製造該基板12，因 20為該渦旋狀捲形物10是該捲形物機械加工中最困難且最昂 貴的部分。因此，當該基板12可以利用傳統的砂禱技術製 作的同時，諸如垂直地分部加工，該捲形物的渴旋可以利 用粉末冶金技術產纟。一種如此的鑄造法，disa(垂直分 部濕砂）可以被使用，與其它的禱_造方法相比有㈣ 19 1244953 玖、發明說明 經濟的優點 10 15 在該渦旋狀捲形物10模鑄與燒結期 、， 、居符尺寸精度 亚且避免扭曲以及其工具修整（壓花與衝壓）是重要的可以想像得到的是下驗末金屬之-或組合會使技術人員3 此需要控制滿旋工具扭曲。 在“溫壓實（Warm Compaction)”中，是使用特別黏合的 粉末材料，當被加熱時其具有優異的流動特性。該粉末與模頭被加齡大約3崎（在_之前或期間）。溫壓:會產 生在生链部件中具有較高或更均“密 述粉狀金屬部件以及最終燒結部件。職高密度均句性會 降低燒結扭曲的機會。而且’溫壓實的生坯壓實塊比傳: 模鑄部件更堅固，因而在處理時將不容易破裂。溫壓實該 渦旋狀捲形物1G也將允許該模鑄部件可以更容易地由該模 頭移除，藉此會減少射以良品。溫壓實的另—獨特優點 是其允許該生(壓緊的)部件之機械加工，有時候被稱做生 機械加工。有兩個優點的存在’使其更容易機械加工，因 為尚未燒結至完全的強度，有更容易搬運與炎持之更堅固 的生部件。

另一有助於渦旋狀捲形物10粉末金屬生產的加工是“ 20模頭壁潤滑，，。在此技術中，該模頭壁被塗上_特殊的潤 滑物，其是固體喷霧或液態形狀，而且在高溫是穩定的。 該潤滑物會減少粉末-模頭壁摩擦，其可以改善該粉末的 密度與流動特性。而且，模頭壁潤滑物可以被用作替代物 (或部分替代物）以潤滑其中的顆粒（内部潤滑）。内部的潤 20 1244953 玖、發明說明 “使用大約·75%潤滑物，但是模頭壁 嶋内部潤滑。較低量 里打巧斗凋滑會產生較高的密度、 更好的密度分佈、爐中有 灰、更大的濕強度、在 ，後有較>、的生喊態破裂、更好的表面最後加工以及 固體 而要更少的頂出力量。該模頭壁潤滑物可能是一液體或一 10 15 、、广頭壁可能需要被加熱到3〇〇,的溫度，以液化該 :門a物破液化的潤滑物會產生較少的金屬摩擦。這個方 法的另-種變形是該模頭壁潤滑物可能有一種變化，其有 低的总點（可能低至！崎）。依據這些性質，在塵實過程 期間該模頭壁潤滑物可以輕易地被轉換成-液體。只要使 :的溫度高於某一臨界數值，混合高低溫濁滑物可將該摻 合物的有效熔點下降至最高熔點組成物的熔點以下。在噴 進拉頭l之㈣，該潤滑物顆粒必須被充分地混合。流體化 疋一個完成此要求之可接受的方法。不同溶點之潤滑物的 摻合也有助於流體化效應。使用摻合物必須小心，在流體 化期間不要造成該摻合的潤滑物之物理分離。一個如此的 潤滑物組合是由乙烯基雙硬酯酸醯胺（EBS)、硬酯酸和月 桂酸組成。 其他有利於渦旋狀捲形物10粉末金屬製造的技術是在 燒結之後篩分或鑄造。這個方法必需在一組精製尺寸精確 度之模中再擠壓该燒結的部件，並且降低相對於已經燒沣 的部件之尺寸容差。這會使該部件更接近網狀並且會稍微 強化它。 21 1244953 玖、發明說明 避免该些模頭與沖床上之高應力的複雜性概念是使 用‘‘液體金屬助燒結，，。該壓緊的生坯狀物是由上面說明之 相同的組成份製成，只是使用比一般更低的壓力，而產生 車乂低的密度及較鬲水準的孔隙度。該較低的擠壓壓力在該 5模頭上施加較小的應力，因而增加模頭壽命與頂出的問題 。然後，在燒結期間，整個部件有大約1〇%重量的銅合金 破熔融。該熔融的銅合金會提高燒結速率。在最終燒結部 件中，該銅合金會使該部件的強度提高。沒有銅合金，該 壓擠不足的部件將會是不夠堅固的。有一邊際效益是，分 10散在所得部件中之鋼對於壓縮機運作時的摩擦性質是有助 盃的。不過，液體金屬助燒結在燒結之後會增加該捲形物 的扭曲量。 燒結或銅焊期間為將尺寸扭曲減到最小，固定可能是 要的口疋可藉由使用有助於維持該捲形物的捲繞形狀 15之石墨或陶竟捲形物來完成。其它的固定構形，諸如可以 放置在該些捲形物覆蓋物之間以支樓它們的球形物也可以 〜破使用。a為燒結期間該部件形狀與大小變化，該部件與 β支擇盤之間的摩擦力量也是很重要的。基於這裡由，它 可能需要增加或減少摩擦。減少摩擦是減少扭曲之最普通 2〇的方法，而且可以藉由在該些部件與盤之間施加氧化铭顆 粒來完成。 、，顆粒一Ρ件組成物的一致性與均勻性也可以將尺寸容 I降到取小。在粉末饋料期間可能會發生聚集。避免粉末 來木之命刀末饋料與傳送機制是重要的。—種避免此一現象 22 1244953 玖、發明說明 的方法是使用預合金或擴散黏合粉末。在這些情況中，每 一粉末顆粒都有相同的組成物，所以聚集變少。另一種避 免此現象的簡單方法是盡快充填。黏合劑和所得顆粒流量 的選擇會藉由降低隨著部件的密度變化而影響尺寸安定性 5 (燒結扭曲）。顆粒流量應該高到足以使厚的與薄的部分都 產生均勻的密度，但是不會高到促使顆粒大小聚集。再一 次此處鬲溫黏合劑運作良好可以避免流動問題。 在粉末金屬捲形物組件的製造中，於所有重要步驟上 之適當的程序控制，也可能影響尺寸精確度與加工困難。 10檢測此一重要步驟的兩個例子是生坯部件的性質（密度和 尺寸）和具有負荷之烘箱中燒結溫度均勻性。 5亥些模頭本身可以永久地塗上一潤滑物以將摩擦減到 取小。諸如鑽石或鉻的塗料已經被使用。模頭塗層允許在 忒顆粒中使用較少的潤滑物，在該模頭壁潤滑部分中，這 5減/起/包並且增加上面說明的生坯強度以及壓縮性。 為了將扭曲減到最少，材料的選擇是重要的。選擇具 有取適宜的比例之合金元素對於尺寸安定性是相當重要的 入^例來說’碳和銅必須按比例，以便職有-較高的銅 合量（大約3-4%)，特別是當碳濃度較低時（小於·6%)。而且 、=末口至製造方法的選擇是重要的。擴散或接合合金方 2疋車乂好的’因為組成份的均勻性與一致性產生相當於混 勺失化形式。由尺寸的觀點而言，類似MpiF FC-〇208的合金可能較適合捲形物。 完成模頭充填粉末粒是必要的。為允許該粉末完全充 23 1244953 玖、發明說明 -模碩，諸如震動、流體化或真空的技術可以被使用， 以助於將該些顆粒輸送進入捲形物形狀模穴之内。在如前 面次月的辰動期間，粉末的分離必須被避免。該些粉末的 底部饋料或底部與頂端饋料在完成這一目的可能也是必須 5 的。 在本發明的另一實施例中，整個捲形物應該被模鑄成 -簡單幾何形狀的實心形狀。然後，在該模鑄或“生坯，，狀 態’該渴旋狀捲形物10、輪轂16和基板12細節應該被機械 加工。然後該捲形物照一般的燒結。之後該捲形物可以被 10使用或者需要某些最後機械加工’以補償燒結扭曲。利 用電恥輔助機械加工方法，此實施例對需要大量機械加工 是可行的。 該生述H]態渦旋狀捲形物1〇應該是由一提供充分的生 又、支撐忒機械加供應力和機械加工所需之伴隨的夾 15緊應力的程序與材料製成。在此情況中，該些粉末被塗上 可以承文鬲達大約300卞之較高壓實溫度的黏合劑。對 於此實施例而言，該生述部件的抗張強度最小應該是删 psi 〇 第8-10圖表示本發明之該捲形物組件的顯微照片。第 2〇 8-9圖表示該分別是5⑽倍放大倍率之基板與㈣旋狀捲形 物的央端。所顯示的是一沒有石墨結構存在的波來鐵結構 。第10圖顯示100倍的未蝕刻狀態之粉末金屬渦旋狀捲形 物。所見到的是燒結材料中的孔洞。聚合體密封物殘留在 該孔洞中。 24 1244953 玖、發明說明 本發明的說明基本上只是作為示範，因此在不偏離本 么月的主g之變化也是在本發明的範圍中。該些變化不被 認為是偏離本發明的精神與範圍。 【圖式簡單說明】 第1-2圖示依據本發明之捲形物組件； 第3a-3b圖是依據本發明之第二實施例的該捲形物組 件之分解透視圖； 第4a-4b圖是依據本發明之第三實施例的該捲形物組 件之分解透視圖； 10 15 第5a-5b圖是依據本發明之第四實施例的該捲形物組 件之分解透視圖； 第6圖是依據本發明之第五實施例的該捲形物組件之 分解透視圖； 第7-7e圖是該捲形物渦旋對於基座界面之另一橫斷面 ;和 第8-10圖是本發明之該捲形物的冶金結構之顯微照片。 【圖式之主要元件代表符號表】 10.. .渦旋狀捲形物 12.. .基板 14.. .基座 16.. .輪毅 20.. .托板 22.. .次總成 24····渦旋狀捲形物與該托 板的界面 25.. .基板槽 26…凹槽 28.. .銅焊材料 25

Claims (1)

1244953 [ΤρΤϊ~~~-~j 年月日修(更)正替換頁 拾、申請專利範圍 第9111 7214號專利巾請帛巾請專利範圍修正本93.08.17 1. 一種用於形成一捲形物組件的方法，包含步骤： 將金屬粉末射入一渦旋狀捲形物模穴内，以形成 滿旋狀捲形物生链； 5 由該模穴移除該渦旋狀捲形物生坯；和 燒結該渴旋狀捲形物生堪以形成一满旋狀捲形物 〇 2. 如申請專利範圍第！項之該方法，進—步包含結合該金 屬粉末與一黏合劑，以形成一混合物。 10 3.如中請專利範圍第i項之該方法，其中該金屬粉末包含 鐵。 4.如中4專利第3項之該方法，其中提供的該金屬粉 末進-步包含由碳、錄、銦、鉻、銅及其混合物組成 之群組選出的元素。 15 5.如中請專利範圍第i項之該方法，其中該金屬粉末是具 有平均粒度大於5微米的鐵粉。 6.如申請專利範圍第3項之該方法，其中該金屬粉末包含 由 0.7-3_5%碳、0_10%銅、〇·5%鎳、〇_5%|目、〇 2%鉻及 其混合物組成之群組選出的元素。 20 7·如申請專利範圍第i項之該方法，其中該㈣狀捲形物 生链被燒結，直到該㈣狀捧形物含有每體積波來鐵 結構有至少90%為止。 8.如申請專利範圍第！項之該方法，其中該㈣狀捲形物 生述被燒結’直到制旋狀捲形物含有G_2Q%自由石墨 26 1244953 rv\ 一 ίδ、申請專利範圍 ·本月Ε]修(更}正替換頁 9·如申請專利範圍第8項之該方法，其中該㈣狀捲形物 包含大約12%自由石墨。 1〇·如申請專利範圍第1項之該方法，其中該金屬粉末包括 5 具有至少兩種平均直徑之多數組織型態的鐵粉。 11.如申請專利範圍第1項之該方法，進一步包含步驟： 混合該金屬塗覆的石墨顆粒與該金屬粉末。 η.如中請專利範圍第u項之該方法，其中該金屬塗覆的 石墨顆粒包括以銅塗覆的石墨顆粒。 10 13.如中請專利範圍第i項之該方法，進—步包含混合硫化 錤與該金屬粉末的步驟。 14·如申請專利範圍第丨項之該方法，進一步包含在其由該 鑄模移除之後，機械加工該渦旋狀捲形物生坯的步驟 〇 15 15.如中請專利範圍第】項之該方法，其中該渴旋狀捲形物 生坯被燒結，直到該渦旋狀捲形物具有超過大約6 8克/ 立方公分的密度為止。 16. —種形成捲形物組件的方法，包含步驟·· 形成金屬粉末組成的渦旋狀捲形物； 形成一基板；和 將該渦旋狀捲形物耦合至該基板。 17·如申請專利範圍第16項之該方法，其中將該满旋狀捲 形物耦合至該基板包括將該渦旋狀捲形物電容放電焊 接至該基底。 27 1244953拾 '申請: m g；i7 :犠 虽 18.如申請專利範圍第16項之該方法，其中將該㈣狀接 形物耦合至该基底包括將銅焊材料放置在相鄰於該渦 旋狀捲形物；和 施加足夠的熱量以熔融該銅焊材料。 19·如申料利龍第18項之财法，其巾該銅焊材料包 含： 大約30-50%銅； 大約10-20%錳；

大約3-25%鐵； 大約0.5-4%矽； 大約0.5-2%硼；和 其餘是錄。 2〇.”請專利範圍第18項之該方法，其中施加足夠的熱 量以炫融該銅焊材料是局部地電阻加熱該銅焊材料。

21.如：請專利範圍第18項之該方法，進一步包括混合具 有多數尺寸之金屬石墨顆粒與該金屬粉末的步驟。 22·如申請專利範圍第16項之該方法，進—步包含： 形成由金屬粉末組成的輪轂；和 將該輪轂耦合至該基板。

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