TWI252787B - Powder metal scrolls - Google Patents

Description

1252787 九、發明說明： t發明戶斤屬之技術領域3 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· 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 10 倒入一空穴，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0.06吋），結果產生大約0.060 +/-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卻 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，而且結構上不是完全 20 堅硬的。當鐵水與該鑄模壁表面接觸時，有壓力作用在該 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洩漏、磨耗或破裂，所以 1252787 非常準確的最終尺寸必須被保持。為了完成這個目的，利 用目前的鑄造製作方法，對該生鑄件進行非常大量、複雜 且昂貴的機械加工，以將它們轉換成可用的捲形物。因此， 因為前面提及之目前鑄造方法的的能力，由於需要被加工 5 去除之材料的剪切量，過多的加工容差是大量生產力的主 要阻礙。最難被機械加工之該捲形物的區域是渦旋狀捲形 物本身。這個部分的研磨最造成大部分的工具磨耗，並且 需要最長時間的機械加工。因此，該“渦旋捲形物狀”的尺 寸精度是最重要的。 10 當仍符合功能化捲形物所需要之該猛烈的應力與壓力 需求的同時，在此處說明的兩種粉末金屬製造方的基本類 型，可以製造具有較少的“趨膚效應”層與較好的尺寸公差 之捲形物。它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 15 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。 【發明内容】 發明概要 20 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， 1252787 被固定在該捲形物組件中，其是利用諸如禱造'锻造甚或 其他粉末金屬部件而形成之其它的部分。 本毛月之進纟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 5實施例的同時，該些詳細的說明與特定的實施例只是用於 祝明的目的，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： 10 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组 件之分解透視圖； 第如屬圖是依據本發明之第三實施例的該捲形物组 件之分解透視圖； 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—橫斷 20 面；和 第8-10时本發明之該捲形物的冶金結構之顯微照 片。

C實施方式]I 較佳實施例之詳細說明 1252787 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圖說 明依據本發明產生的該捲形物組件的透視圖。 該渦旋狀捲形物10被接合至形成基座14與輪轂16之基 5 板12。所顯示的渦旋捲形物10是粉末金屬，同時基板丨2是 灰口鐵鑄件（最小30級）。基於經濟的理由，該基板12較好應 該是由諸如垂直分離方法(DISA等）之傳統砂鑄技術做成。 該基板12的基材較好具有最少9〇%波來鐵(pearHte)，和 最大長度是大約0.64公釐的石墨片。接種處理（In〇culati〇n) 10可以被使用，以確保石墨均勻地分佈及充分地大小。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。雖然該渴旋捲形物10的網狀與尺寸精確 度的料對該接種而來的部件是必要的，該基㈣可能會 ’丁‘貞的後機械加丄處理。除外多孔性，該渴旋狀捲形 ]5物1〇之基材較好最少有熱波來鐵。在渴旋狀捲形物10中 子在々土、不疋必要的，但是如果存在則可進一步提升耐 磨性。 ^末i屬雜狀捲形物職該灰

Lt鋼Γ.的電料接、電容放轉接（電阻焊接的一種 焊接，σ燒結接合完成。電容放電焊接類似傳統電阻 在干-短:==非常高的熱量輸人速率。電容放電允許 法的主要優點=以:生此高加熱速率。這種焊接方 ,, 用中需要之㊣碳材料可以被焊接而 /又有有。的效應（裂解等）。這種方法也允許該些粉末金屬組 20 1252787 件被焊接，而沒有任何諸如液態焊接金屬毛細作用之有害 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，此允許該渦旋狀捲 形物ίο之磨耗、疲勞與摩擦性質的調整而不會增加基板12 5 的成本。 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ι6，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 10成，是利用先前說明的技術使該粉末金屬渦旋基座次總成 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。 15 第如-仆圖說明本發明的第三個實施例。所顯示的是由 粉末金屬形成之渦旋狀捲形物10和托板(pallete) 2〇次總成 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 终该渴旋狀捲形物10以及該托板20的界面24之非常精癌的 20形成。更有利地，這容許使用傳統的低成本技術進行該基 座組件12之便宜鑄造。 第5a-5b圖揭示形成在該基座12中以容納該渴旋狀捲 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也提高該滿 1252787 旋狀楱形物1 0對該基板1 2在界面之疲勞強度。該焊接法將 被進行使得可能由於從焊接溫度高速冷卻而形成在該纟容接 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 5 容放電焊接之高速率的熱量輸入與熱量移除有助於使該區 域的寬度減到最小。具有相當南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2 5可 以支撐該彎曲矩並且有助於使前述的硬化區域中之局部應 變減到最小，同時降低在接合處發生疲勞損壞的機會。基 10 板槽25會產生引起分流（在該槽壁之該覆蓋物的邊處變 短）。由於在該 >尚旋狀捲形物1 〇上或該基板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’该渴力疋狀捲形物10的整個長度需要被連 續地焊接。這在沿著它的長度上需要有均勻的壓力與電 15流。為確保如此特殊的固定與尺寸準確度是需要的。在焊 接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。 如第7a圖中所見，凹槽（Chamfer)26較好被鑄造在該覆 蓋物中，以將基板12上的邊緣接觸降到最小，相應地將分 2〇 流減到最小，並且有助於在接合期間之自我排列。 電阻焊接在該焊接界面處需要一縮小面積的凸出物 37。在焊接期間，該凸出物37有助於集中利於熔融的電流。 在焊接期間，該凸出物37會部分崩塌。凸出物 曰 /1能是不 連續的’而且疋位在環繞該覆蓋物之彼此預定一 J間隔處’ 10 1252787 或者是連續的。第几和7c圖是電阻烊接。電阻焊接需要一 個縮小的區域。在焊接期間’该凸出物3 7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 5套準並排列在該基板12上。在該渦旋狀捲形物1〇接合在該 基板12之别’ 4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。 10 >第7(1·76圖所示，銅焊材_以助渦旋狀捲形物 10在該基板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的背面輪毅槽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k點在匕們（诸如此處說明的灰口鐵或石墨粉末金屬） 15之中具有石墨之銅*干材料28的-個挑戰，是石墨容易覆蓋 金屬的表面並且延遲該銅焊材料28的潤濕。這個問題的一 個解決方法是在-允許龍發生之適#的氣氛巾炫融黃 銅。另-解決方法是使用具有足以充分清潔石墨之助炫劑 的銅焊材料’以允許潤濕(例如碳黑類型助炼劑awsfb3_c 20或AMS 3411)。其它的解決方法是在銅焊之前，於一單獨的 步驟中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(_承合金）的銅焊材料，其對禱鐵型式 材料容易潤濕。其他諸如Bag小Bag小B喂24或RBCuZn 型式填充料之所有的合金也已經成功地被使用在禱鐵型式 1252787 的材料上。 一種如此的清潔劑是熔融鹽。該熔融鹽製程包括將該 些部件沈浸在一與該槽隔離的池中，同時施加一直流電並 且將極性設定為可以氧化或還原將被清潔之表面的極性。 5 如果需要，依據該極性可以將石墨與氧化物去除。基於經 濟理由，該較佳的情況是在銅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鑄造捲形物。其他清潔該些 表面的方法，舉例來說，是利用鎳或鋼丸研磨噴砂清潔該 些表面。 10 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 15 金屬表面反應。這個反應會產生比目前銅焊溫度更高的溫 度熔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30-50%銅、10-20% 錳、3-25鐵、0.5-4%矽、0.5-2%，其餘是鎳（30-50%)的重量 百分比組成物。藉由某些元素，特別是鐵的添加而獲得良 20 好的生链強度和可接受的基底金屬溶解水準。 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25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 12 1252787 /月間及有氣體產生。該銅焊方法可局部地電阻加熱或熔融 銅焊。恭 笔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 、、的保蠖氣氛中進行銅焊。銅焊也可能與燒結同時進行， 5這在’濟上是有利的。 第7d圖顯示一具有可選擇的凹槽26之銅焊物28構形。 雖然頭示的是一長條物，其他型式的焊銅也可以被使用， 5者如線狀、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。 1〇 舉例來說，對於此處提到的SKC-72合金而言，最佳的接合 空隙是在.002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。该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。 15 第7e圖顯示的是在該渦旋狀捲形物10已經插入該基板 槽2 5之後，於该基板頂端上之銅焊材料2 g的佈置。然後毛 細作用會把该銅焊材料2 8拉近間隙3 0之内，並且圍繞該滿 方疋狀捲形物1 〇的底部3 2。該滿旋狀捲形物1 〇和基板12可以 選擇性地被模在一起，但是該轴承輪轂16是單獨地製作 20 並且被接合在該基板12。 第3b圖描述該軸承輪轂16與該基板12的輕合，其經由 第3a圖所示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 13 1252787 輪轂163能是傳統的鋼、粉末金屬或錄鐵。 此處揭示的方法被說明作為形成用於捲形物壓縮機之 捲形物的舰部分的方法。揭示的金屬射出成形方法使用 非常細的鐵粉’其中該些粉末顆极被塗以聚合物“黏合 劑，，。然後粉末/聚合物組合(“原料,，)被加熱，同時藉由射出 成形機的使㈣被射m造模如形成職形物。該黏

合劑的功能疋作為載體’以助於办B 、奋易進行射出成形。該 10 15 20 金屬射出成形的基本v驟類似於_射出成形。對於使用 的特殊齡粉末/聚合㈣統之鑄_力與溫度最適化，以 允許制旋狀捲形物的充填。在射出系統中的條件在性質 上疋觸㈣的⑶由㈣u加μ増力應輕發孰量時 會降料模造捲形物^得____ β劑）’之錢結（元錢密化）。以㈣可以 個別的操作完成。選擇特殊的處理途經與使用的材料以將 :寸’州谷，取小’並且將幾何形狀扭曲降到最低。 畜線性尺度容差預期是大約0.3〇/〇時 一 需要材料裕度。模頭牵引角是大二= =了降低成本’較好使用可能具有最大平均粒徑的鐵 -(、力大於5微米）。在大約2錢微米之間的粒度可提供合 =的燒結日相並且提供適合的模造性。圓形顆粒堆積更緊 -坎'、-口更快亚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 力至最小的月且矛貝之後獲得的最高密度雖然不規則形 14 1252787 狀與較大的粒子具有經濟的優點，因為加工困難，它可能 必須使用球型與不規則形狀型態之摻合物或粒度分佈。 100%球形、100%不規則形狀或每一種都有部分者可以被使 用。 5 必須使用正確的原料黏度以形成該渦旋狀捲形物。較 高的金屬負載產生較高黏度原料。如果黏度太高，此材料 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。 有數種黏合劑糸統可以用於该捲形物形成程序中：虫鼠-10 聚合物、乙酸基、水溶性和瓊脂水基/交聯的。“乙酸基，，黏 合劑系統具有聚縮醛或聚乙醯主成分與小量的聚稀烴。該 乙醯基黏合劑系統在本質上是結晶的。因為該結晶性，該 _模物黏度相當尚而且這需要密切控制模鑄溫度。此黏合 劑是利用硝酸在低溫下對該聚乙醯基成分進行化學催化去 15聚合反應而被脫附。此黏合劑和脫黏程序是較快的，特別 是對於較厚的部件。模鑄溫度是大約18(Tc而且模溫是大約 100-M0°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 20曲變形是一考量。固定或最適化的脫黏循環是需要的，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 寬的加工視窗。瑜-聚合物系統可在大氣或真空爐中藉溶劑 方法脫黏。一般的材料模造溫度是175t，而且模溫一般是 15 1252787 40〇C。 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 5 80-100°C的水去除。模鑄溫度是大約185°C。這個系統對環 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。 進一步設想“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 10 需要單獨的脫黏加工步驟。脫黏可以被併入該程序的燒結 步驟中。模鑄溫度是大約85°C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 15 鑄之後立即的特別乾燥可以被併入以助於處理。 進一步設想“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 20 產生低扭曲和低尺寸容差。當不同粉末型式型式被摻合 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，有助於避免部分 陷落。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 16 1252787 瓷捲形物而完成固定，以將扭曲作用降到最低。 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。壁的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 5 將扭降到最低、快速脫附與燒結，同時降低材料成本。 已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，同時會產生異常高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 10 前技藝之鎮鐵捲形物更好的強度優點。 該捲形物部件的最終燒結密度最小值將是大約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 能地均勻分佈。該密度最小值必須被維持，以遵守該捲形 物之疲勞強度需要。因為壓縮機效率的減損，透過相互連 15 接的金屬孔隙之洩漏也是一考量的因素。沒有其他處理之 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。 該最終部件的材料成分是大約0.6-0.9%碳（當自由石墨 20 存在時，它是3.0-3.3%)、0-10%銅、0-5%鎳、0-5% 鉬、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。該最 終材料微結構與鑄鐵類似。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，含 17 1252787 有石墨的結構可能是需要的。自由石墨的存在會降低該顆 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，同時 該運動的則沒有）而言，較好進行燒結循環，使得該最終的 5 部件含有最少9 0 %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20%之間。較好大約10-12% 石墨。石墨粒度（直徑）的有效直徑是大約40-150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 10 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 和分散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形 15 物之一中存在的石墨容許此磨耗耦合順利地存在。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。 為了維持在該最終粉末金屬結構中的自由石墨，兩種 或更多種不同的石墨粒子尺寸分佈（細的和大的）可選擇地 20 被混合。在燒結期間，較細的石墨顆粒會擴散而形成波來 鐵。較粗的石墨顆粒會殘留或部分殘留作為自由石墨。在 熱處理時必須小心進行，不要形成自由的碳化物，其會嚴 重地降低機械加工性。自由石墨能夠可選擇地藉由利用諸 如銅或鎳之金屬塗佈在需要維持自由狀態的石墨上而形 18 1252787 成。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 機械加工比鍛造或鑄造組件更困難。由於該孔隙度造成的 5 粉末金屬之機械加工性降低，這會造成機械加工工具的微 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 量之鎂與硫選擇性地併入其中而形成硫化鎂，也有助於機 械加工性。使用大約0.5%硫化鎂可獲得可接受的機械加工 10 性。已經發現除了添加硫化鎂之外，因為該些方法之間的 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。因為該 些空洞被填滿，當它在機械加工時，藉由潤滑該些工具， 15 聚合物會改善機械加工性，同時也會將微疲勞現象降到最 4氐。可以接受的聚合物型式是一與不飽和聚酯摻合的曱基 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。 20 它不需要利用高精準度的製造方法製造該基板12，因 為該滿旋狀捲形物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可以利用傳統的砂鑄技術製 作的同時，諸如垂直地分部加工，該捲形物的渦旋可以利 用粉末冶金技術產生。一種如此的鑄造法，DISA(垂直分部 19 1252787 濕砂）可以被使用，與其它的鑄鐵鑄造方法相比有相對經濟 的優點。 在該渦旋狀捲形物ίο模鑄與燒結期間，維持尺寸精度 並且避免扭曲以及其工具修整（壓花與衝壓）是重要的。可以 5 想像得到的是下列粉末金屬之一或組合會使技術人員可能 需要控制渦旋工具扭曲。 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 模頭被加熱至大約300°F (在模鑄之前或期間）。溫壓實會產 10 生在生坯部件中具有較高或更均勻的密度情況之更強的生 述粉狀金屬部件以及最終燒結部件。該較高密度均勻性會 降低燒結扭曲的機會。而且，溫壓實的生坯壓實塊比傳統 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10也將允許該模鑄部件可以更容易地由該模 15 頭移除，藉此會減少射出不良品。溫壓實的另一獨特優點 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，有更容易搬運與夾持之更堅固的 生部件。 20 另一有助於渴旋狀捲形物1 〇粉末金屬生產的加工是 “模頭壁潤滑”。在此技術中，該模頭壁被塗上一特殊的潤 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 20 1252787 部分替代物）以潤滑其中的顆粒（内部潤滑）。内部的潤滑可 使用大約.75%潤滑物，但是模頭壁潤滑會產生大約0.05%内 部潤滑。較低量的内部潤滑會產生較高的密度、更好的密 度分佈、爐中有更少的煤灰、更大的濕強度、在壓實後有 5 較少的生坯狀態破裂、更好的表面最後加工以及需要更少 的頂出力量。該模頭壁潤滑物可能是一液體或一固體。 該模頭壁可能需要被加熱到300°F的溫度，以液化該潤 滑物。被液化的潤滑物會產生較少的金屬摩擦。這個方法 的另一種變形是該模頭壁潤滑物可能有一種變化，其有一 10 低的熔點（可能低至l〇〇°F)。依據這些性質，在壓實過程期 間該模頭壁潤滑物可以輕易地被轉換成一液體。只要使用 的溫度高於某一臨界數值，混合高低溫潤滑物可將該摻合 物的有效熔點下降至最高熔點組成物的熔點以下。在喷進 模頭腔之前，該潤滑物顆粒必須被充分地混合。流體化是 15 一個完成此要求之可接受的方法。不同熔點之潤滑物的摻 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St胺(EBS)、硬酯酸和月桂酸 組成。 20 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 度之模中再擠壓該燒結的部件，並且降低相對於已經燒結 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 1252787 一避免該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 較低的密度及較高水準的孔隙度。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10%重量的銅合 金被熔融。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， 10 分散在所得部件中之銅對於壓縮機運作時的摩擦性質是有 助益的。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 需要的。固定可藉由使用有助於維持該捲形物的捲繞形狀 15 之石墨或陶瓷捲形物來完成。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撐它們的球形物也可以 被使用。因為燒結期間該部件形狀與大小變化，該部件與 該支撐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 20 的方法，而且可以藉由在該些部件與盤之間施加氧化鋁顆 粒來完成。 顆粒與部件組成物的一致性與均勻性也可以將尺寸容 差降到最小。在粉末饋料期間可能會發生聚集。避免粉末 聚集之粉末饋料與傳送機制是重要的。一種避免此一現象 22 1252787 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 此處高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链部件的性質（密度和 尺寸）和具有負荷之烘箱中燒結溫度均勻性。 該些模頭本身可以永久地塗上一潤滑物以將摩擦減到 最小。諸如鑽石或鉻的塗料已經被使用。模頭塗層允許在 該顆粒中使用較少的潤滑物，在該模頭壁潤滑部分中，這 15 會減少起泡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 有最適宜的比例之合金元素對於尺寸安定性是相當重要 的：舉例來說，碳和銅必須按比例，以便避免有一較高的 銅含量（大約3-4%)，特別是當碳濃度較低時（小於.6%)。而 20 且，粉末合金製造方法的選擇是重要的。擴散或接合合金 方法是較好的，因為組成份的均勾性與一致性產生相當於 混合的變化形式。由尺寸的觀點而言，類似MGPIF FD-0408 或FC-0208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 1252787 填該模頭，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 面說明的震動期間，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 一簡單幾何形狀的實心形狀。然後，在該模鑄或“生坯”狀 態，該渦旋狀捲形物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 用電腦輔助機械加工方法，此實施例對需要大量機械加工 是可行的。 該生坯固態渦旋狀捲形物10應該是由一提供充分的生 坯強度以支撐該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 一可以承受高達大約300T之較高壓實溫度的黏合劑。對於 此實施例而言，該生坯部件的抗張強度最小應該是3000 psi 〇 第8-10圖表示本發明之該捲形物組件的顯微照片。第 20 8-9圖表示該分別是500倍放大倍率之基板與該渦旋狀捲形 物的尖端。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 1252787 本發明的說明基本上只是作為示範，因此在不偏離本 發明的主旨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】 5 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 第5 a - 5 b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 15 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。 【主要元件符號說明】 10.. .渦旋狀捲形物 12.. .基板 14.. .基座 24.. ..渦旋狀捲形物與該托板 的界面 25.. .基板槽 16.. .輪轂 26···凹槽 20.. .托板 28...銅焊材料 22…次總成 25

Claims (1)

1252787 十、申請專利範圍： 該捲形物組件包含： 種用於捲形物機械的捲形物組件 一固體金屬鑄造部份；以及 燒結的鐵粉渦旋狀部份 份。 其係耦合至該固體金屬鑄造部 2. 3. =請專利範圍第！項之該捲形物組件，包含具有至少9〇% 波來鐵結構之鐵粉。 如申請專利範圍第！、項之該捲形物組件具有大约㈣石 ，置、〇 如申請專利範圍第1項之該捲形物組件具有大約㈣％石

5.6. 如申請專利範圍第丨項之該捲形物 :十料利範圍物之該捲形物組件，其中=板定義一 了以谷納渴旋狀捲形物的凹槽。 如申請專利範圍第1項之該捲形物組件 形成之渦旋狀捲形物。 包含由燒結的鐵粉 •如申巧專利範圍第7項之該捲形物組件，其中該渦旋狀捲形 物進-步定義至少一個可以容納液體金屬的槽口。 9. 如申巧專利圍第8項之該捲形物組件，進—步包括至少一 個在麵合程序期間可以變成液體之犧牲突出物。 10. 如申請專利範圍第6項之該捲形物組件，其中該凹槽包含一 配置在其中的銅焊材料。 U·如申請專利範圍第6項之該捲形物組件，其中該基底組件包 含配置在相鄰於該凹槽之犧牲銅焊材料。 12·如申請專利範圍第6項之該捲形物組件，進―步有―配置在 26 1252787 。亥凹槽中之兩阻抗材料，以控制電流流量。 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20, 21 22 一種捲形物部件的渦旋狀捲形物，包含藉由一黏合劑而被 黏合在一起的多數金屬顆粒。 如申請專利範圍第13項之該減狀捲形物，其中該金屬顆 粒具有大於5微米的平均粒度。 如申請專利範圍第13項之制旋狀捲形物，其中該多數金 屬顆粒有不規則的組織型態。 如申w專利範圍第丨5項之該渦旋狀捲形物，其中該多數金 屬顆粒有球形的組織型態。 如申請專利範圍第13項之㈣旋狀捲形物，其巾該些金屬 顆粒包含鐵。 如申明專利範圍第17項之該渦旋狀捲形物，其中該些金屬 顆粒包含大約0.6-0.9%碳。 如申請專利範圍第17項之該減狀捲形物，其中該些金屬 顆粒包含大約〇_5%錄。 如申請專利範_17項之該減狀捲形物，其巾該些金屬 顆粒包含大約〇_5%|目。 如申請專利範圍第17項之該滿旋狀捲形物，其中該些金屬 顆粒包含大約0-2%鉻。 .如申請專利範圍第13項之該滿旋狀捲形物，其中該黏合劑 疋由蠟-聚合物、乙醯物、瓊脂-水和水可溶/交聯的組成之 群組中選出。 27