TWI599421B - 生產成形零件之方法 - Google Patents

Description

生產成形零件之方法 [相關申請案]

本申請案主張2013年6月4日申請之美國臨時專利申請案第61/830,892號之利益及優先權，該美國臨時專利申請案之全部揭示內容以引用的方式併入本文中。

在各種實施例中，本發明係關於在施加壓力或無施加壓力下之泥漿鑄造，尤其係關於金屬體之泥漿鑄造或壓力鑄造。

粉末冶金技術已應用於製造各種類型之成品金屬零件。例如，可使用金屬粉末填充可撓袋，且將該可撓袋置於近似於零件之最終壓製形狀及尺寸的模具中。密封該袋及模具，且使用冷均壓法形成金屬粉末之壓製「生坯」。接著可燒結生坯以提高其密度且隨後機械加工成其最終所需尺寸。雖然該等粉末冶金技術適用於特定應用，但是若最終零件具有較複雜的形狀，則該等技術之實用性受到限制。形狀越複雜，在袋及模具中就必須置放更過量的粉末，以防止在壓製過程中破裂。因此，燒結零件的重量與該零件在其最終經機械加工之形式下的新重量的比率可大於4：1，因而導致大量的機械加工材料及勞動成本。此外，藉由該等粉末冶金技術製造之零件很難達到超過其理論密度94%之最終燒結密度。該等零件亦可能具有不利的大晶粒尺寸(例如，大於40微米)。

另一種用於生產複雜形狀之粉末冶金技術為泥漿鑄造，其中將「泥漿」(亦即細微金屬粉末在水中的懸浮液)、分散劑(用於穩定粉末，使其不受膠態力的影響)、一或多種溶劑(用於控制泥漿黏度及幫助鑄造)及用於強化鑄造形狀之黏合劑置於模具中，移除液體，且燒結所產生之生坯以使其緻密化且提高其強度。不利的是，泥漿鑄造典型地需要使用去絮凝劑或懸浮助劑以防止粉末沈降及黏聚且維持理想的泥漿黏度。該等去絮凝劑包括例如醇類、其他有機液體或褐藻酸鹽(例如褐藻酸之銨及鈉鹽)。使用該等添加劑會提高泥漿鑄造製程之成本、複雜性、環境影響及材料處理需求。

鑒於先前所述，需要用於製造複雜金屬零件的基於粉末冶金之簡化技術，其不使用外來添加劑且能夠實現高零件密度及較小的最終晶粒尺寸。

根據本發明之各種實施例，使用金屬粉末之泥漿或壓力鑄造來生產金屬零件(或「體」)，其中該等金屬粉末具有特定的粉末尺寸分佈，從而在鑄造過程中不需要使用添加的有機或無機懸浮助劑。將金屬粉末懸浮於包括或基本上由水(例如去離子(DI)水)組成之液體中，且傾倒入模具中進行鑄造。如以上所提及，液體不包括任何絮凝或去絮凝添加劑。此外，較佳的實施例使用基本上僅由一或多種金屬組成且不含固態或粉末試劑(諸如黏合劑或塑化劑)之粉末。模具為多孔的(且可包括或基本上由例如石膏組成)，且經由毛細作用將粉末懸浮於其中之液體引入模具中。將所產生之生坯燒結以增加其密度，且對其進行最終機械加工(需要及/或必需時)，從而使最終零件成形。金屬粉末可包括或基本上由例如一或多種耐火金屬組成。例如，金屬粉末可包括或基本上由以下組成：鎢(W)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、鉬(Mo)及/或鈦(Ti)。

通常，泥漿不展現膨脹流動或搖變減黏流動，例如當將泥漿傾倒 入模具時；事實上，泥漿之黏度較佳約略為隨施加於泥漿之剪切率而變化(亦即隨剪切率而改變)的常數。此外，在本發明之較佳實施例中，不藉由攪拌(例如攪動、震盪、旋轉及/或振動)泥漿及/或模具來促進金屬粉末在泥漿內之混合或沈降；事實上，泥漿內的粉末顆粒之經設計之粒徑分佈可在鑄造之前及鑄造過程中防止粉末在泥漿內之沈降(亦即在較佳實施例中，泥漿為膠體穩定的而不是例如膠體不穩定的或甚至介穩定的)，同時亦有助於在不存在攪拌之情況下泥漿自身之低阻力澆鑄性。類似地，在本發明之較佳實施例中，在鑄造製程中無電壓或電流施加於模具或泥漿以影響沈降行為。此外，生坯及模製零件(在燒結之前及之後)在功能上或機械上通常不會分級，亦即該等零件之組成、微觀結構、機械性質、孔隙率、殘餘應力、晶粒尺寸、粒徑等展現很小的梯度(如果有的話)。事實上，根據本發明之實施例製造之坯體及零件的機械及功能性質(例如未經燒結或燒結零件之晶粒尺寸，及/或泥漿及/或生坯之粉末粒徑)在各種(或甚至所有)方向上為實質上均勻的。此外，本發明之實施例提供實質上不含酸性或鹼性pH值調節劑的泥漿；該等調節劑可能對用於較佳實施例中之金屬粉末顆粒具有不利的影響(例如腐蝕及/或化學反應)，且對於設計本文所描述之泥漿之膠態穩定性通常不是必需的。

如本文中所使用，術語「體」、「零件」及「物件」係指塊狀三維物體(與僅為粉末晶粒形成對照)，其具有與板塊一樣簡單的形狀，但也具有更複雜的形狀，諸如坩堝形及其他具有凸出及/或凹陷之體積。對於複雜的形狀，最終形狀(不考慮任何與製程相關之收縮)典型地係藉由鑄造(與整體壓縮形成對照)及燒結且之後藉由機械加工而形成。

在一態樣中，本發明之實施例提供一種製造成形零件之方法。將粉末懸浮於包含或基本上由水組成之液體中，由此形成泥漿。該粉末具有0.15微米至0.5微米之粒徑分佈d10、0.6微米至1微米之d50及2.4微 米至3微米之d90，其中Y之粒徑分佈dX指示X%之顆粒具有小於Y之尺寸。將泥漿引入形狀與成形零件之所需形狀大致相同的模具中。粉末之粒徑分佈(i)實質上防止粉末藉由黏聚及/或沈降而與液體分離，及(ii)維持粉末顆粒在液體內之實質上地均勻的分佈。其後，液體之至少一部分自泥漿中排出，從而生產出包含或基本上由粉末組成之生坯，且將該生坯燒結以生產成形零件。

本發明之實施例可按各種不同組合中的任一種包括一或多種以下情形。粉末之粒徑分佈可為大約0.3微米之d10、大約0.8微米之d50及大約2.7微米之d90。燒結後，成形零件可具有理論密度之大約95%至大約99%，或甚至理論密度之97%至99%之密度。燒結後，成形零件可具有大約10微米至大約20微米之晶粒尺寸(例如平均晶粒尺寸)。粉末可包括或基本上由一或多種金屬(例如一或多種耐火金屬)組成。粉末可包括或基本上由以下組成：鎢、鉭、鈮、鋯、鉬及/或鈦。生坯可在氫氣中燒結。生坯可在大約3000℉至大約5000℉之溫度下燒結。

可藉由提供具有大約0.42微米之粒徑分佈d10、大約1.8微米之d50及大約3.8微米之d90之初始粉末，將該初始粉末之一部分去黏聚，且摻合該初始粉末之去黏聚部分與該初始粉末之第二部分來生產粉末。該初始粉末之部分可藉由球磨研磨而去黏聚。生坯之密度可為理論密度之大約30%至大約40%。液體基本上可由去離子水組成。模具可為多孔的。實質上所有的來自泥漿之液體可流入模具內以形成生坯。在將泥漿引入模具之後且在生產生坯之前，不對泥漿或模具進行攪拌(例如震盪、攪動、振動及/或旋轉)。在將泥漿引入模具之過程中及/或之後，可向模具及/或泥漿施加超大氣壓力(其可為流體靜壓力)。粉末可實質上均勻分佈於生坯內(亦即在生坯內形成之顆粒或晶粒尺寸可能沒有可覺察的梯度或區間)。模具實質上可僅含有泥漿。成形零件可機械加工成所需尺寸及/或形狀。

在另一態樣中，本發明之實施例提供一種生產成形零件之方法。在無絮凝或去絮凝添加劑存在下，將粉末懸浮於水中，由此形成泥漿。將泥漿引入形狀實質上大致互補於(亦即將泥漿引入其中的空間封閉成大致等於)成形零件之所需形狀的模具中，而無需在該過程中將粉末與水分離(及/或在水中沈降或沈積粉末)。之後，允許液體之至少一部分自泥漿中排出，以生產出包括或基本上由粉末組成之生坯，且燒結生坯以生產成形零件。

本發明之實施例可按各種不同組合中的任一種包括一或多種以下情形。粉末之粒徑分佈(i)可實質上防止粉末藉由黏聚或沈降中之至少一者與水分離，且(ii)可維持粉末顆粒在液體內之實質上均勻的分佈。粒徑分佈可為0.15微米至0.5微米之d10、0.6微米至1微米之d50及2.4微米至3微米之d90，Y之粒徑分佈dX指示X%之顆粒具有小於Y之尺寸。粉末可包括或基本上由一或多種金屬(例如耐火金屬，諸如鎢)組成。可在將泥漿引入模具之過程中及/或之後，向模具及/或泥漿施加超大氣壓力。模具實質上可僅含有泥漿。

經由參照以下實施方式、附圖及申請專利範圍，此等及其他目標連同本文所揭示之本發明之優勢及特徵將變得更加顯而易知。此外，應理解本文中所描述之各種實施例之特徵並非相互排斥，且其可以各種組合及排列存在。如本文中所使用，術語「大約」及「實質上」意謂±10%，且在一些實施例中為±5%。術語「基本上由……組成」意謂排除有助於功能之其他材料，除非本文中另外定義。但是，該等其他材料可總體地或個別地以微量存在。如本文中所使用，「基本上由至少一種金屬組成」係指一種金屬或兩種或兩種以上金屬之混合物，而不是金屬與非金屬元素或化學物質(諸如氧或氮)之化合物(例如金屬氮化物或金屬氧化物)；該等非金屬元素或化學物質可總體地或個別地以微量存在(例如以雜質形式存在)。

100‧‧‧泥漿

110‧‧‧模具

200‧‧‧生坯

300‧‧‧燒結零件

500‧‧‧壓力鑄造設備

510‧‧‧壓力護套

510-1‧‧‧壓力護套部分

510-2‧‧‧壓力護套部分

520‧‧‧泥漿進料管線

530‧‧‧管線

540‧‧‧管線

在圖式中，類似的參考字符通常係指在不同視圖中的相同部分。該等圖式亦不必依照比例，事實上通常著重於說明本發明之原理。在以下說明中，參照以下圖式描述本發明之各種實施例，其中：圖1為根據本發明之各種實施例，引入模具之泥漿之截面示意圖；圖2為根據本發明之各種實施例，模具內之生坯之截面示意圖；圖3為根據本發明之各種實施例，在鑄造之後的物件之截面示意圖；圖4為描繪根據本發明之各種實施例之鑄造物件的微觀結構的顯微圖；及圖5A-5C為根據本發明之各種實施例，經由壓力鑄造之物件製造之截面示意圖。

為了無需添加懸浮助劑來實現泥漿及壓力鑄造，根據本發明之實施例所使用之金屬粉末具有可維持粉末沈積速率與泥漿黏度之間的有利比率的粒徑分佈(PSD)。在各種實施例中，金屬粉末具有0.15微米至0.5微米之PSD d10(例如0.3微米)、0.6微米至1微米之PSD d50(例如0.8微米)及2.4微米至3微米之PSD d90(例如2.7微米)。(如熟習此項技術者已知，X之PSD d10值指示10%的粉末顆粒具有小於X之尺寸。)具有所需PSD之粉末可經由例如去黏聚及摻合可市售之粉末而製備。在各種實施例中，泥漿之黏度為0.7至1.3Pa-s，且較佳地為0.9至1.1Pa-s。相比而言，使用具有習知PSD且無懸浮助劑之粉末典型地產生不適合於泥漿鑄造之高沈積速率及低黏度(例如低於0.5Pa-s)。

例如，在一實施例中，鑑定具有較小的費歇爾亞篩分粒機(Fisher sub-sieve sizer，FSSS)粒徑的鎢粉末。(如熟習此項技術者已知，FSSS粒徑表示根據透氣性所確定之平均粒徑，其中假設粉末顆粒為完全球 形。)在一實施例中，起始粉末之FSSS粒徑為0.5微米至1微米(例如0.7微米)。例如，初始粉末可為具有0.7微米之FSSS粒徑的HC70S鎢粉末，其可購自H.C.Starck GmbH(Goslar,Germany)。該粉末可具有以下PSD：0.42微米之d10、1.8微米之d50及3.8微米之d90。可藉由例如使用碳化鎢研磨球之球磨研磨以減少粉末之黏聚，或藉由超音處理(亦即施加超音能)並持續足以減少或實質上消除粉末黏聚之時間，使初始粉末之全部或一部分去黏聚。

在一實施例中，粉末摻合物可隨後藉由將初始粉末之未經研磨部分與已經去黏聚之部分摻合，從而形成具有所需粒徑分佈之粉末來生產。例示性粉末摻合物可包括例如按重量計60%至80%(例如70%)的未經研磨粉末及按重量計20%至40%(例如30%)的經去黏聚粉末。在使用HC70S鎢粉末作為初始粉末之一實施例中，所產生的粉末摻合物可具有以下PSD：0.3微米之d10、0.8微米之d50及2.7微米之d90。

在生產具有經設計之粒徑分佈之粉末後，將該粉末懸浮於包括或基本上由水(例如DI水)組成之液體中。所產生之泥漿較佳地含有以體積計30%至40%(例如大約35%)的固態顆粒。如圖1所示，將泥漿100傾倒入多孔模具110(例如包括或基本上由石膏、樹脂、一或多種聚合材料(例如聚苯乙烯)及/或熟石膏組成之模具)中，該多孔模具110具有預燒結零件所需之形狀及尺寸(亦即在燒結後，使零件實質上具備最終所需形狀及尺寸的形狀及尺寸)。在本發明之各種實施例中，如在下文中更詳細地描述，當用泥漿100填充模具110時，施加外部壓力。例如，可在超過大氣壓之壓力下，將泥漿100泵入模具110中。如藉由重量分析法所確定，鑄造泥漿100之密度可為例如30%至40%(例如大約34%)。接著如圖2所示，將懸浮粉末之液體吸收入模具110中，從而產生由模具110成形之生坯200。如圖3所示，將生坯200自模具110中移除且實質上燒結以使其緻密化，從而產生燒結零件300。可經由管線530、540 施加(一起或依次)高壓空氣及/或真空以便幫助生坯200自模具110中移除。在一例示性實施例中，在氫氣環境中燒結生坯200。燒結可在大約3000℉至大約5000℉(例如大約4000℉)的溫度下進行大約2小時至大約7小時(例如大約5小時)之時段。

燒結之後，零件300之晶粒尺寸可小於大約30微米，例如大約10微米至大約20微米。零件300之密度可為其理論密度之大約95%至大約99%(例如大約97%)。該零件可以其鑄造及燒結成之形式使用，或可機械加工成所需形狀，例如坩堝狀、遮熱板狀、無縫管狀或其他空心或圓錐形狀。圖4為根據本發明之實施例，由W粉末製造的零件300之微觀結構之光學顯微圖。如圖4所示，零件300之晶粒尺寸在大約10微米至大約20微米之範圍內。在圖4中，已經藉由使用村上蝕刻劑(Murakami's etchant)進行蝕刻而暴露出零件300之晶粒，熟習此項技術者已知該蝕刻劑為鐵氰化鉀(K₃Fe(CN)₆)、氫氧化鉀(KOH)及水之混合物。

本發明之實施例使用具有經設計之PSD之粉末的壓力鑄造以形成金屬零件。圖5A描繪一種可用於本發明之實施例之壓力鑄造設備500。如圖所示，設備500提供部分地或實質上內嵌於壓力護套510內之模具110，該壓力護套510可包括或基本上由一或多種機械強度及硬度大的材料組成，該等材料可抵抗施加於泥漿上的壓力同時防止模具110變形或破裂。如圖所示，壓力護套510(及模具110)可由多個不同零件組成，該等零件可分離(參見圖5C)以便幫助鑄造零件自模具110中移除。圖5A至圖5C之壓力護套510被描繪為由壓力護套部分510-1、510-2組成。經由泥漿進料管線520將泥漿100引入模具110中，泥漿100可在施加壓力下抽汲通過該泥漿進料管線520。設備500亦包括壓力管線530、540，其用於引入例如高壓空氣(或其他氣體，例如惰性氣體)，以在鑄造過程中向泥漿100施加壓力。例如，可將具有第一超大氣壓力 (亦即具有高於大氣壓之壓力)之空氣引入壓力管線530中，以向模具110及泥漿100施加壓力，且可經由壓力管線540施加具有低於第一超大氣壓力之第二壓力之空氣或施加真空。所施加之壓力可實質上為流體靜壓力，且其可有利地減少鑄造製程所需之時間數量(由於例如在鑄造過程中增加來自泥漿100之水的流出量)及/或提高所產生之生坯之密度(及/或改良其他機械性質)。根據本發明之各種實施例，可在鑄造過程中施加大於大約10巴、大約20巴或甚至大於大約40巴之壓力。

圖5B描繪了在經由泥漿進料管線520將泥漿100引入模具110之後的設備500。在引入泥漿100之後，將壓力施加於模具110內之泥漿100(如以上參照圖5A所詳細描述)，從而產生藉由模具110成形之生坯200。如圖5C所示，壓力護套510及/或模具110可分離成多個部分以便幫助生坯200自模具110中移除。在壓力鑄造之後，可燒結生坯200以使其緻密化，從而產生燒結零件300。在一例示性實施例中，在氫氣環境中燒結生坯200。燒結可在大約3000℉至大約5000℉(例如大約4000℉)之溫度下進行大約2小時至大約7小時(例如大約5小時)之時段。

本文中所使用之術語及表述係作為說明性而非限制性的術語及表述使用，且在該等術語及表述之使用中，並不意欲排除所顯示及所說明之特徵或其部分之任何等效物。此外，在已說明本發明之特定實施例之情況下，對於熟習此項技術者而言，顯而易知的是，其他合併有本文中所揭示之概念之實施例可在不背離本發明之精神及範疇之情況下使用。因此，應認為所說明之實施例在所有態樣中僅為例示性的而並非限制性的。

Claims (19)

1. 一種生產成形零件之方法，該方法包含：將具有0.15微米至0.5微米之粒徑分佈d10、0.6微米至1微米之d50及2.4微米至3微米之d90的粉末懸浮於基本上由水組成之液體中，由此形成泥漿；將該泥漿引入形狀與該成形零件之所需形狀大致相同的模具中，該粉末之粒徑分佈(i)實質上防止該粉末藉由黏聚或沈降中之至少一者與該液體分離，及(ii)維持粉末顆粒在該液體內之實質上均勻的分佈；其後，允許該液體之至少一部分自該泥漿中排出，從而生產包含該粉末之生坯；及將該生坯燒結以生產該成形零件。
2. 如請求項1之方法，其中該粉末之粒徑分佈為大約0.3微米之d10、大約0.8微米之d50及大約2.7微米之d90。
3. 如請求項1之方法，其中在燒結後，該成形零件具有理論密度之大約95%至大約99%的密度。
4. 如請求項1之方法，其中在燒結後，該成形零件具有大約10微米至大約20微米之晶粒尺寸。
5. 如請求項1之方法，其中該粉末包含一或多種金屬。
6. 如請求項1之方法，其中該粉末包含一或多種耐火金屬。
7. 如請求項1之方法，其中該粉末包含鎢、鉭、鈮、鋯、鉬或鈦中之至少一種。
8. 如請求項1之方法，其中該粉末包含鎢。
9. 如請求項1之方法，其中該生坯在氫氣中燒結。
10. 如請求項1之方法，其中該生坯在大約3000℉至5000℉之溫度下燒 結。
11. 如請求項1之方法，其進一步包含藉由包含以下之製程生產該粉末：提供具有大約0.42微米之粒徑分佈d10、大約1.8微米之d50及大約3.8微米之d90之初始粉末；將該初始粉末之一部分去黏聚；及摻合該初始粉末之經去黏聚的部分與該初始粉末之第二部分。
12. 如請求項11之方法，其中該初始粉末之該部分藉由球磨研磨而去黏聚。
13. 如請求項1之方法，其中該生坯之密度為理論密度之大約30%至大約40%。
14. 如請求項1之方法，其中該液體基本上由去離子水組成。
15. 如請求項1之方法，其中(i)該模具為多孔的且(ii)來自該泥漿之實質上所有的液體均流入該模具內以形成該生坯。
16. 如請求項1之方法，其中在將該泥漿引入該模具後，不攪拌該泥漿及該模具。
17. 如請求項1之方法，其進一步包含在將該泥漿引入該模具之過程中或之後，向該模具或該泥漿中之至少一者施加超大氣壓力。
18. 如請求項1之方法，其中該粉末實質上均勻分佈於該生坯內。
19. 如請求項1之方法，其進一步包含將該成形零件機械加工成所需尺寸及/或形狀。