專利名稱：粉末金屬部件的片材滲入的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)交叉引用本申請(qǐng)要求2004年2月4日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第60/542,271號(hào)的優(yōu)先權(quán)。
關(guān)于聯(lián)邦政府資助研究的聲明無。
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及制造粉末金屬部件，具體涉及將銅之類的金屬材料滲入(infiltrate)粉末金屬部件。
2.相關(guān)領(lǐng)域描述粉末金屬部件被用來制造許多需要網(wǎng)狀零件的汽車零件。粉末金屬零件通常是通過以下步驟制得的在模頭內(nèi)將粉末金屬壓制成具有所需形狀的壓制塊，然后燒結(jié)該壓制塊以提高部件的強(qiáng)度。
已有報(bào)道指出，通過壓制和燒結(jié)制造的常規(guī)粉末部件由于在燒結(jié)的部件中存在孔，因此沖擊強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度很差。因此，已經(jīng)提出了一些方法來除去孔隙，使部件接近完全致密。一種接近完全致密的方法是使用銅之類的金屬滲入粉末金屬部件。例如，參見美國(guó)專利第6,676,894號(hào)，6,551,373號(hào)，6,500,384號(hào)，5,925,836號(hào)，5,574,959號(hào)，5,031,878號(hào)，4,976,778號(hào)，4,861,373號(hào)，4,836,848號(hào)，4,769,071號(hào)，4,734,968號(hào)，4,731,118號(hào)，4,606,768號(hào)，4,485,147號(hào)，4,424,953號(hào)，4,412,873號(hào)，4,168,162號(hào)，4,008,051號(hào)和3,829,295號(hào)。
滲入(Infiltration)是通過毛細(xì)管作用使用熔點(diǎn)較低的熔融金屬或合金(“滲入劑”)填充粉末金屬壓制塊中的連通孔隙的過程。例如，滲入銅的鋼是通過以下步驟制造的將鐵或鐵基粉末(包含或不含石墨粉末)壓制成最終的形狀，在燒結(jié)操作過程中使銅基材料滲入連通孔隙。這可以是單次滲入，也可以是兩階段滲入。其結(jié)果是得到粉末冶金法獨(dú)有的鋼-銅結(jié)構(gòu)。與直接燒結(jié)的鐵或碳素鋼粉末金屬部件相比，滲入銅可以提高抗張強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、延展性、硬度和沖擊性能。
過去用來滲入粉末金屬部件的銅源是粉末金屬銅壓制塊，即由壓制在一起以保持其形狀的銅粉末制成的部件。然而，使用銅粉末金屬壓制塊作為滲入銅源具有一些缺點(diǎn)。例如，(1)在滲入之后會(huì)有殘余；(2)在基底金屬(base metal)表面上滲入劑進(jìn)入的位置可能會(huì)發(fā)生腐蝕；(3)由于某些形狀可能無法通過常規(guī)粉末金屬滲入劑壓制塊實(shí)現(xiàn)，因此滲入局部化可能很困難；(4)可能會(huì)由于粉末金屬滲入劑壓制塊比較脆而發(fā)生破損；(5)粉末銅壓制塊的定位可能很困難。
因此，需要一種改進(jìn)的方法，用銅之類的金屬材料滲入多孔的金屬部件。
發(fā)明簡(jiǎn)述本發(fā)明通過提供粉末金屬壓制塊的替代品作為滲入源，滿足了上述需求。本發(fā)明的滲入方法使用沖壓的金屬片材作為金屬源進(jìn)行滲入，以獲得高強(qiáng)度粉末金屬制品。在一種形式中，本發(fā)明的滲入方法使用沖壓的可鍛銅片材作為銅源進(jìn)行滲入，以獲得高強(qiáng)度的粉末鐵制品或鋼制品。
一方面，本發(fā)明提供了一種制造滲入金屬的粉末金屬部件的方法。在此方法中，將粉末金屬壓制成壓制塊，滲入劑坯件由可鍛銅片形成。將滲入劑坯件與壓制塊相接觸地放置，在一定溫度下燒制壓制塊，該溫度足以形成具有含孔基質(zhì)的燒結(jié)壓制塊，而且足以使可鍛金屬熔融，使得熔融的可鍛金屬滲入基質(zhì)的孔內(nèi)，形成滲入金屬的粉末金屬部件。將坯件置于壓制塊的頂部改進(jìn)了可鍛金屬的滲入。在一個(gè)實(shí)施方式中，粉末金屬選自鐵和鐵合金，可鍛金屬選自銅和銅合金?？慑懡饘倨牡暮穸纫诵∮?毫米。滲入劑坯件可通過沖壓、精密沖裁或磨蝕水噴射切割形成。
另一方面，本發(fā)明可在滲入劑坯件上形成定位元件，該定位元件適合用來與壓制塊上對(duì)應(yīng)的定位元件相嚙合，可將滲入劑坯件與壓制塊相接觸地放置，使得坯件的定位元件與壓制塊的相應(yīng)定位元件相嚙合。例如，所述坯件的定位元件可以是從批件主體中向外延伸出的部分。結(jié)果，坯件在壓制塊上的定位獲得了改進(jìn)。
在本發(fā)明另一個(gè)方面中，壓制塊在足以形成包含含孔基質(zhì)的燒結(jié)壓制塊的溫度下單獨(dú)燒結(jié)，滲入劑坯件由可鍛金屬片形成。然后將滲入劑坯件與燒結(jié)壓制塊相接觸地放置，熔化可鍛金屬，使得熔融的可鍛金屬滲入基質(zhì)的孔內(nèi)，形成滲入金屬的粉末金屬部件。
使用可鍛金屬片代替粉末金屬壓制塊作為滲入材料的一些優(yōu)點(diǎn)為(1)減少滲入后殘余物的量；(2)減少在滲入劑進(jìn)入的位置發(fā)生基底金屬壓制塊腐蝕的量；(3)由于片材沖壓法可以得到常規(guī)粉末金屬滲入劑壓制塊無法實(shí)現(xiàn)的幾何形狀，例如薄網(wǎng)狀(thin web)和容易錯(cuò)過的區(qū)域，因此可以改進(jìn)選擇性滲入的局部化；(4)由于消除了因脆的粉末金屬滲入劑壓制塊造成的破損，提高了滲入過程的質(zhì)量；(5)由于沖壓法能夠定位結(jié)構(gòu)，用來與進(jìn)行滲入的零件相連接或嚙合，因此改進(jìn)了沖壓的片材坯件的定位。
通過以下詳述、附圖和所附的權(quán)利要求書，可以更好地理解本發(fā)明的這些特征、方面、優(yōu)點(diǎn)，以及其它的特征、方面和優(yōu)點(diǎn)。
附圖簡(jiǎn)述

圖1顯示根據(jù)本發(fā)明一種形式，在燒結(jié)之前置于鐵基底壓制塊上的銅滲入劑坯件的俯視圖。
圖2顯示了燒結(jié)和滲入之后，試驗(yàn)試件的詳圖。
發(fā)明詳述在本發(fā)明的一個(gè)制造滲入金屬的粉末金屬部件的示例性方法中，將鐵或鐵合金粉末引入具有最終部件所需形狀的模頭內(nèi)。然后在模頭內(nèi)將粉末金屬壓制成更高密度的制品，該制品通常稱為″生壓制塊″。通常鐵基生壓制塊的密度為6.0克/立方厘米至7.3克/立方厘米。(鐵的理論密度是7.88克/立方厘米。)然后使所需量的銅或銅合金可鍛片材形成滲入劑坯件所需的形狀，該坯件與生壓制塊相接觸地放置，使得銅可以在加熱時(shí)滲入壓制塊的孔內(nèi)。
對(duì)壓制塊和與壓制塊相接觸放置的銅坯件進(jìn)行常規(guī)的燒結(jié)過程，即在合適的氣氛(例如包含氫氣的還原性氣氛)下，在高于銅的熔點(diǎn)的預(yù)定溫度(例如1100℃)下燒制固定的時(shí)間(例如15分鐘)。通常，燒結(jié)過程可促進(jìn)鐵或鐵合金粉末顆粒之間的結(jié)合或分散，形成包含含孔基質(zhì)的燒結(jié)壓制塊。在燒結(jié)過程中，熔融的銅流入基質(zhì)中的孔內(nèi)。熔融的銅通過表面張力、重力和毛細(xì)管作用滲入基質(zhì)的開放孔隙內(nèi)。因此，熔融的銅填充基質(zhì)的孔，從而增大了基質(zhì)的密度和整體性。銅的滲入量取決于基質(zhì)中所需的物理性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)。當(dāng)只需要部分地滲入基質(zhì)的時(shí)候，要減少銅的量。可以通過測(cè)定生壓制塊的孔隙率來測(cè)定所需銅滲入劑的量。
在另一過程中，首先對(duì)壓制塊單獨(dú)進(jìn)行常規(guī)的燒結(jié)，以形成包含基質(zhì)的燒結(jié)壓制塊。在第二步中，將由可鍛片材形成的銅滲入劑坯件與燒結(jié)壓制塊相接觸地放置，在預(yù)定的溫度下加熱該銅片和燒結(jié)壓制塊。在第二步中，銅熔融并流入預(yù)先燒結(jié)的多孔基質(zhì)內(nèi)的孔中。銅發(fā)生熔融并通過表面張力、重力和毛細(xì)管作用滲入基質(zhì)的開放孔隙內(nèi)。
圖1顯示了適用于本發(fā)明的壓制塊和滲入劑坯件的組合的例子。圖中顯示，在燒結(jié)之前，厚約0.032英寸(0.8128毫米)的環(huán)形銅滲入劑坯件10被置于管狀鐵基底壓制塊20的頂部22。壓制塊20的頂部22具有凹陷的區(qū)域24a，24b，24c和24d，用來接收從坯件10主體周邊12向外延伸出的接頭(tab)14a，14b，14c和14d。
接頭14a，14b，14c和14d提供了定位結(jié)構(gòu)，用來與將要用坯件10的銅滲入的壓制塊20中的凹陷區(qū)域24a，24b，24c和24d相結(jié)合或嚙合。在圖中所示的實(shí)施方式中，突頭14a，14b，14c和14d從坯件10向外延伸，與壓制塊20中的凹陷區(qū)域24a，24b，24c和24d相嚙合。然而，在另外的結(jié)構(gòu)中，坯件可包括凹陷，所述凹陷與壓制塊中向外延伸的定位結(jié)構(gòu)相嚙合。
所述銅滲入劑坯件10可通過對(duì)可鍛銅或銅合金片材進(jìn)行沖壓、精密沖裁或磨蝕水噴射切割形成?！翱慑憽北硎就ㄟ^輥軋、鍛造、擠壓或拉制之類的機(jī)械作用成形的材料?？慑懖牧系拿芏韧ǔ４笥诶碚撁芏鹊?9％。因此，壓制的粉末材料并不被看作可鍛材料，這是由于可鍛材料的密度通常等于或小于理論密度的93％。示例性的可鍛銅材料的厚度為0.001-0.250英寸(0.0254-6.35毫米)。特別優(yōu)選可鍛銅材料的厚度小于0.039英寸(1毫米)。合適的銅合金包括黃銅和青銅。
實(shí)施例通過以下實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明，但是并不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成限制。
1.試驗(yàn)方法將三種滲入技術(shù)與未滲入的參比試驗(yàn)相比較。使用標(biāo)稱外徑2.0英寸(50.8毫米)×內(nèi)徑0.75英寸(19.05毫米)×長(zhǎng)1.125英寸(28.575毫米)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)，該測(cè)試環(huán)由滿足Metal Powder Industries Federation(MPIF)的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)35 FC-0208的材料制成。MPIF Std 35 FC-0208如下所述元素態(tài)鐵粉93.2-97.9重量％元素態(tài)銅粉1.5-3.9重量％碳(石墨粉)0.6-0.9重量％和最多2.0重量％的其它元素。
將基底壓制塊壓制成密度為6.95克/立方厘米。制造18個(gè)測(cè)試環(huán)進(jìn)行滲入。
所研究的三種滲入技術(shù)是(1)基于MPIF Std 35 FC-0208的無滲入的(參比)試驗(yàn)；(2)依照MPIF Std 35(FX系列)所述進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)粉末金屬銅滲入，即使用粉末狀銅滲入劑材料，將其壓制成適合置于壓制的鐵或鐵基粉末金屬制品頂部的形狀，以便隨后在燒結(jié)過程中滲入銅；(3)雙加入法，在此方法中，將銅粉與MPIF STD 35 FC-0208材料混合，然后降低模頭，第二次填入銅滲入材料并進(jìn)行壓制；(4)使用0.032英寸(0.8128毫米)的厚銅沖壓材料的滲入，使用鐵皮剪將該沖壓材料切割成與測(cè)試環(huán)面積相同的成形銅源。
所有的試件在常規(guī)燒結(jié)條件下在24英寸的高溫烘爐內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)條件是在90％氮?dú)?10％氫氣的氣氛下，在2050(1121℃)燒制15分鐘。
圖2顯示燒結(jié)/滲入之后的試件的詳圖。頂部一排是雙加入法的試件。從頂部算起的第二排是在頂部放置壓制的粉末銅壓制塊環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)。從底部算起的第二排是在頂部放置預(yù)先制造的沖壓銅件的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)。底部一排是標(biāo)準(zhǔn)環(huán)。注意在頂部?jī)膳派蠚堄嗟脑鼩さ牧?。預(yù)先制造的沖壓件沒有留下渣殼。
2.測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了密度測(cè)試，結(jié)果見表1。
表1
本發(fā)明的銅沖壓件的滲入得到最大的密度，因此適合用來代替粉末金屬滲入法。還可使用銅以外的可鍛片材作為滲入材料的源。
測(cè)試了腐蝕/清潔度，并列于表2。
表2
3.總結(jié)雙加入材料不是適合用來對(duì)粉末金屬制品進(jìn)行滲入的方法。
常規(guī)銅滲入法會(huì)顯著產(chǎn)生殘余物和腐蝕。由于難以將壓制的銅滲入劑條對(duì)齊，使得滲入不均勻。由于壓制的滲入劑材料的生坯強(qiáng)度很脆，當(dāng)滲入劑條很薄的時(shí)候，由于操作破損產(chǎn)生的廢品很多。
通過銅沖壓件進(jìn)行滲入是一種獨(dú)特的方法，該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)該方法是產(chǎn)生低腐蝕的滲入法；(2)該方法是產(chǎn)生低殘余物的滲入法；(3)通過沖壓出常規(guī)粉末金屬滲入劑條無法實(shí)現(xiàn)的形狀，例如薄網(wǎng)狀物和容易錯(cuò)過的區(qū)域，該方法是選擇性的滲入法；(4)該方法使用薄規(guī)格銅材料，消除了與粉末金屬滲入劑條相關(guān)的破損，從而減少了廢料，提高了質(zhì)量；(5)該方法可使用“耳(ear)”、“凸緣”或“突頭”之類的沖壓定位結(jié)構(gòu)或其他很容易沖壓的取向結(jié)構(gòu)。
因此，本發(fā)明提供了一種粉末金屬壓制塊作為滲入源的替代品。本發(fā)明的一種滲入法使用沖壓的金屬(例如銅)片材作為滲入用金屬(例如銅)源，以獲得高強(qiáng)度粉末金屬(例如鐵或鋼)部件。
盡管已經(jīng)結(jié)合一些實(shí)施方式詳細(xì)描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，本發(fā)明可通過所述實(shí)施方式以外的方式實(shí)施，所述實(shí)施方式僅用來說明本發(fā)明，而非用來限制。因此，所附權(quán)利要求書的范圍不應(yīng)被本文所含的實(shí)施方式所限。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明涉及制造更牢固、密度更大、表面結(jié)構(gòu)獲得改進(jìn)的粉末金屬部件。
權(quán)利要求
1.一種制造滲入金屬的粉末金屬部件的方法，該方法包括將粉末金屬壓制成壓制塊；由可鍛金屬片材形成滲入劑坯件；將滲入劑坯件置于壓制塊的頂部；在一定溫度下燒制壓制塊，該溫度足以形成具有含孔基質(zhì)的燒結(jié)的壓制塊，而且足以使可鍛金屬熔融，使得熔融的可鍛金屬滲入基質(zhì)的孔內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末金屬選自鐵、鐵合金及其混合物；所述可鍛金屬選自銅和銅合金。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述可鍛金屬片材的厚度小于1毫米。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述滲入劑坯件可通過選自沖壓、精密沖裁和磨蝕水噴射切割的方法形成。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括在滲入劑坯件上形成適合用來與壓制塊上相應(yīng)的定位元件相嚙合的定位元件；將滲入劑坯件與壓制塊相接觸地放置，使得坯件的定位元件與壓制塊上相應(yīng)的定位元件相嚙合。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述坯件的定位元件是從該坯件的主體向外延伸的坯件的一部分。
7.一種制造滲入金屬的粉末金屬部件的方法，該方法包括將粉末金屬壓制成壓制塊；在足以形成具有含孔基質(zhì)的燒結(jié)壓制塊的溫度下燒結(jié)該壓制塊；由可鍛金屬片材形成滲入劑坯件；將滲入劑坯件置于燒結(jié)的壓制塊的頂部；使可鍛金屬熔融，使得熔融的可鍛金屬滲入基質(zhì)的孔內(nèi)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述粉末金屬選自鐵和鐵合金及其混合物；所述可鍛金屬選自銅和銅合金。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述可鍛金屬片材的厚度小于1毫米。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述滲入劑坯件可通過選自沖壓、精密沖裁和激光切割的方法形成。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，該方法還包括在滲入劑坯件上形成適合用來與壓制塊上相應(yīng)的定位元件相嚙合的定位元件；將滲入劑坯件與壓制塊相接觸地放置，使得坯件的定位元件與壓制塊上相應(yīng)的定位元件相嚙合。
12.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述坯件的定位元件是從該坯件的主體向外延伸的坯件的一部分。
13.一種制造滲入金屬的粉末金屬部件的方法，該方法包括將粉末金屬壓制形成壓制塊；由可鍛金屬片材形成滲入劑坯件，所述坯件具有適合用來與壓制塊上相應(yīng)的定位元件相嚙合的定位元件；將滲入劑坯件與壓制塊相接觸地放置，使得坯件的定位元件與壓制塊上相應(yīng)的定位元件相嚙合；在一定的溫度燒結(jié)該壓制塊，該溫度足以形成具有含孔基質(zhì)的燒結(jié)壓制塊，而且足以熔化可鍛金屬，使得熔融的可鍛金屬滲入孔內(nèi)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述粉末金屬選自鐵和鐵合金及其混合物；所述可鍛金屬選自銅和銅合金。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述可鍛金屬片材的厚度小于1毫米。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于所述滲入劑坯件可通過選自沖壓、精密沖裁和激光切割的方法形成。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于所述坯件的定位元件是從該坯件的主體向外延伸的坯件的一部分。
18.一種制造滲入金屬的粉末金屬部件的方法，該方法包括將粉末金屬壓制形成壓制塊；在足以形成具有含孔基質(zhì)的燒結(jié)壓制塊的溫度下燒結(jié)該壓制塊；由可鍛金屬片材形成滲入劑坯件，所述坯件具有適合用來與燒結(jié)的壓制塊上相應(yīng)的定位元件相嚙合的定位元件；將滲入劑坯件與燒結(jié)壓制塊相接觸地放置，使得坯件的定位元件與燒結(jié)壓制塊上相應(yīng)的定位元件相嚙合；熔化可鍛金屬，使得熔融的可鍛金屬滲入燒結(jié)的壓制塊的孔內(nèi)。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述粉末金屬選自鐵和鐵合金及其混合物；所述可鍛金屬選自銅和銅合金。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于所述可鍛金屬片材的厚度小于1毫米。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于所述滲入劑坯件可通過選自沖壓、精密沖裁和激光切割的方法形成。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于所述坯件的定位元件是從該坯件的主體向外延伸的坯件的一部分。
全文摘要
一種粉末金屬部件滲入法，該方法使用沖壓的金屬片作為滲入金屬源，以得到高強(qiáng)度粉末金屬部件。對(duì)粉末金屬進(jìn)行壓制，滲入劑坯件由可鍛金屬片形成。將滲入劑坯件置于粉末金屬壓制塊頂上，在一定的溫度下燒結(jié)壓制塊，該溫度足以形成具有含孔基質(zhì)的燒結(jié)壓制塊，而且足以熔化可鍛金屬，使得熔融的可鍛金屬滲入基質(zhì)的孔內(nèi)?？稍跐B入劑坯件上形成定位元件，用來與壓制塊上相應(yīng)的定位元件相嚙合，以提高坯件在壓制塊上的定位。還可單獨(dú)地?zé)茐褐茐K，然后將滲入劑坯件置于燒結(jié)的壓制塊頂上。然后熔化可鍛金屬，使得熔融的可鍛金屬滲入基質(zhì)的孔內(nèi)。
文檔編號(hào)B22F3/26GK1913994SQ200580004076
公開日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2005年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月4日
發(fā)明者K·L·小伯德, A·泰勒 申請(qǐng)人:Gkn燒結(jié)金屬股份有限公司