粉末冶金體及其製備方法
2023-05-01 23:35:56 1
專利名稱：粉末冶金體及其製備方法
技術領域：
本發明涉及粉末冶金體以及粉末冶金體的製備方法。
背景技術：
德國專利文獻DE 103 01 175 Al披露了一種通過粉末冶金法製得的粉末冶金體，該粉末冶金體具有至少一個多孔區域和至少一個平面流體密封區域(fMchigen fluiddichten Bereich)。該流體密封區域設計用於阻止某些液體的滲透，並且在某些情況下，該流體密封區域也應阻止氣體的滲透。這種流體密封區域可在粉末冶金體內形成一道屏障。
發明內容
本發明的目的在於改善粉末冶金體的密封功能。這一目的是通過將獨立權利要求1和13的特徵加以組合而得以實現的。本發明基於如下原理將獨立的密封元件(例如，彈性體密封件)安裝於粉末冶金體(優選由燒結鐵或燒結鋼製成)上，並將所述密封元件的密封功能與再緻密化的粉末冶金體區域相結合。密封元件具有這樣的功能，即，對粉末冶金體壁進行密封以防止不利的氣體和/或液體滲透。通過如下方式使這一密封功能得以改善將密封元件安裝於粉末冶金體的安裝底座上，而該粉末冶金體的安裝底座區域中存在再緻密化的深度區域 (Tiefenbereich)。因此，該深度區域的平均孔隙率低於該粉末冶金體整體的平均孔隙率 (因此，該深度區域具有更高的材料密度)。優選通過阿基米德方法或藉助於定量圖像分析來確定孔隙率。在通過定量圖像分析來確定孔隙率時，優選通過上述阿基米德方法來進行度量修正。根據本發明，可將粉末冶金體的孔隙率優勢(靜質量低、材料消耗低、生產成本效益高)與粉末冶金體僅在要求區域內的較高的材料密度(較低的孔隙率)相結合。根據本發明，這些區域至少位於還將要設置一個或多個密封元件的位置。安裝底座優選形成針對密封元件的機械接觸表面。在所述深度區域中，特別地提供了封閉的孔隙以形成局部相對較低的孔隙率。這樣，粉末冶金體中常規密封元件區域內的密封性得到有效地提高。在優選實施方案中，局部相對緻密的區域(即，具有局部相對較低的孔隙率的深度區域)的材料深度至少為0. Olmm或至少0. 05mm。通常由安裝底座開始測量材料深度。在優選實施方案中，材料深度達0. 5mm、l. OmmU. 5mm,2. Omm或2. 5mm。當材料深度小於0. Olmm 或0. 05mm時(取決於其用途)，可能不一定確保粉末冶金體具有所需的用以支持該深度區域中的密封元件的不透性。當材料深度大於2. 5mm時，則用以獲得所需的局部相對較高密度或局部相對較低孔隙率的過程所耗費的費用可能會相對較高，而在該過程中卻並不會獲得密封作用方面所要求的額外益處。優選的是，在橫向顯微斷面中，該深度區域被表示為橫截面積，該橫截面積形成為
4材料深度與材料寬度的乘積，其中該材料寬度特別地平行於安裝底座延伸。材料寬度的尺寸優選小於或等於安裝底座的寬度。所考慮的橫截面積尤其為至少0. 3mm2。該橫截面積表示(例如)材料深度為0. 5mm、材料寬度為0. 6mm的待考慮區域。為了提高安裝底座區域的密封作用，對於材料深度與孔隙率之間的關係來說，以下實施方案是優選的當材料深度達0. 05mm時，該深度區域內的平均孔隙率至多為4體積％ (相當於至少為理論密度的96% )、優選至多為2.5體積％ (相當於至少為理論密度的97.5% )。 當材料深度達0. 5mm時，該深度區域內的平均孔隙率至多為5體積％、優選至多為2. 5體積％。當材料深度達1. Omm時，該深度區域內的平均孔隙率至多為6體積％、優選至多為3 體積％。當材料深度達1. 5mm時，該深度區域內的平均孔隙率至多為7體積％、優選至多為 3. 5體積％。所示出的孔隙率值優選利用定量圖像分析方法(金相學)確定。所述深度區域中的平均孔隙率優選至多為5體積％。如果深度區域中的平均孔隙率高於5體積％，則可能不一定確保獲得所需的針對氣體和液體的不透性。在所述深度區域以外，粉末冶金體無需具有針對液體/氣體的不透性，因此這裡的平均孔隙率(例如，高於10體積％ )可相當於常規粉末冶金成分的平均孔隙率。安裝底座優選為用以容納密封元件的密封槽的構成部分，這樣便可通過簡單的技術方式將密封元件固定在粉末冶金體上。特別地，安裝底座被布置在密封槽的槽底上。特別地，安裝底座是在粉末冶金體的圓周方向上連續地形成的。由此可使安裝底座與(例如) 環狀密封元件匹配，這經常會結合部件的有效密封來使用。粉末冶金體優選具有粉末冶金體軸(例如，對稱軸或旋轉軸)。特別地，安裝底座或密封槽的槽底位於橫過粉末冶金體軸的平面內。粉末冶金體優選呈環狀。優選的是，結合布置在粉末冶金體前端區域中的密封槽來實現局部相對較低的孔隙率或局部相對較高的密度。在前端區域中或者還在其他位置處，粉末冶金體中環繞密封元件的壁部分通常相對較薄。就粉末冶金體不利地缺乏不透性而言，這些位置是至關重要的。採用經過再加工的材料凸起部這種簡單的技術手段，可避免這些位置存在缺乏不透性的風險。在某些技術應用中，對粉末冶金部件加以密封以防止氣體和液體(例如，油)滲透和/或溢出是非常重要的，尤其是在機械工程領域和汽車製造領域中更是如此。粉末冶金部件為(例如)凸輪軸調節器系統的轉子和定子。舉例來說，需要能夠防止飛濺的油或壓力達1至10巴數量級的油滲透的不透性。為了改善密封性，可將布置於這些部件上的常規密封元件與粉末冶金部件的安裝底座區域(即，深度區域)中的局部相對較低的孔隙率相
糹口口。藉助於所提供的材料凸起部，可通過合適的工具和方法步驟以目標方式使粉末冶金體的單獨區域具有局部相對較低的孔隙率。對材料凸起部的加工使得在加工後，距離安裝底座一定材料深度的深度區域發生了局部的再緻密化。這種單獨區域的局部再緻密化還具有這樣的優勢避免了對整個粉末冶金體進行再緻密化(例如，德國專利文獻DE 20 2008 001 976 Ul所提出的做法)，這種對整個粉末冶金體進行再緻密化會導致在工藝過程和成本方面支出得更多。
特別地，在對材料凸起部進行加工後，將密封元件安裝在安裝底座上。優選通過加工使材料凸起部平坦化，即在加工後使材料凸起部的厚度更得更平或被完全消除，使得不再存在材料凸起部。這種平坦化過程有利地使深度區域受到所需的壓縮、或者獲得所需的相對較低的孔隙率。為了進行局部加工，利用恰當的工具以實現再緻密化。優選以特定的校準操作或壓制操作形式來實現再緻密化。為了這一目的，特別是採用了任何標準工具，由此，以極為成本有效的方式實現了局部再緻密化。在優選實施方案中，校準壓制適合於校準操作。或者，通過校準軋制來實現再緻密化。在這種情況下，用於再緻密化的工具優選為平行於上文所述的粉末冶金體軸而運動，並且將位於運動方向上的作用力或所施加的壓力作用在安裝底座或材料凸起部的表面上，其中，安裝底座或材料凸起部特別地布置為橫過該運動方向。在進行壓制操作的情況下，此時的運動方向與壓制方向一致。作為一種可替代的方式，或者除了使工具運動外，還可使粉末冶金體沿著工具的方向運動。優選的是，粉末冶金體上存在多個安裝底座。例如，如果在粉末冶金體的相對兩側 (例如，前端)分別設置一個安裝底座，則有利的是，可使適當的再緻密化工具的相應部分由粉末冶金體的兩側彼此相向地運動，從而在這兩個安裝底座區域中同時實現再緻密化， 這樣這兩個相對的工具部分各自能夠像鐵砧一樣作用於粉末冶金體的一側上，從再緻密化過程中的工藝學工程方面來看，這種方式是簡便的。在優選實施方案中，提供粉末冶金體連同材料凸起部，作為粉末冶金坯件。這樣避免了(例如)在坯件燒結後，通過在坯件上提供材料來實現材料凸起部的額外而複雜的方法步驟。優選的是，僅在壓制後的生坯經過燒結之後，對粉末冶金體的材料凸起部區域進行局部加工。由於在燒結之後無論如何通常要對燒結體進行校準，所以優選的是，可在單一一個方法步驟中實施粉末冶金體的校準以及對材料凸起部的加工，以節省時間並降低成本。優選的是，在對材料凸起部進行加工之後，接著還進行至少一個另外的方法步驟， 在該方法步驟中，將粉末冶金體表面上的孔隙至少部分地密封。這種粉末冶金體表面的密封有助於促進所需的粉末冶金體對流體/氣體的不透性，優選利用磁鐵礦層覆蓋孔隙或儘量減少孔隙來實現表面的密封，另外磁鐵礦層還可起到防腐蝕並增加表面硬度的作用。在密封的又一實施方案中，孔隙中浸漬有塑料。在密封的又一實施方案中，首先按上述方式用蒸氣對粉末冶金體進行處理，隨後用塑料進行浸漬。
下面將基於附圖和製備例對本發明進行更為詳細的闡述圖1示出了具有附件和密封元件的粉末冶金體的示意性側視截面圖，圖2示出了圖1中所示細節II的放大示意圖，圖3示出了具有材料凸起部的密封槽的示意性側視截面圖，圖4示出了燒結後的待壓制混合粉末(鐵、銅、碳、壓制助劑)固體截面的光學顯微圖，其中該固體不具有材料凸起部，並且在槽底區域中沒有經過再緻密化，
圖5示出了圖4中所示細節V的放大顯微圖，圖6示出了根據圖4的粉末混合物在燒結後、但是在槽底區域中經過再緻密化的固體截面的光學顯微圖，圖7示出了圖6中所示細節VII的放大顯微圖。
具體實施例方式下面將基於圖1和圖2對裝置1防止液體2 (例如，油)流出的密封作用進行闡述。 裝置1包括通過粉末冶金法製得的粉末冶金體3，該裝置1在粉末冶金體3的圓周方向上具有連續的側壁4。該側壁4限定了內部空間5的邊界。液體2位於內部空間5中。在粉末冶金體3的兩個端側7上均設置有附板(Anbauplatte)S,附板8在軸向6上彼此相對地設置。利用適合的緊固手段(圖中未示出)將附板8安裝(例如，用螺絲擰緊)在粉末冶金體3上，從而在軸向6上將內部空間5封閉。兩個彈性變形的密封環9形式(這兩個密封環9是各自連續的)的密封元件旨在防止液體2通過附板8與粉末冶金體3之間的過渡區域而由內部空間5進入外部環境10。為了防止液體2從側壁4滲出，將粉末冶金體3密封。為了這一目的，優選進行塑料浸漬。通過在負壓下將多孔的粉末冶金體3浸入液體浸漬介質中，使得浸漬介質滲透至粉末冶金體3的孔隙內，從而進行浸漬。在將粉末冶金體3從浸漬介質中移出後，漂洗除去多餘的浸漬材料，位於孔隙中的浸漬介質固化形成固體，由此獲得了不透流體的效果。這一方法的條件意味著在漂洗過程中，浸漬介質可能會被不利地洗掉。尤其是在邊緣區域和/ 或粉末冶金體3的壁厚度較薄的區域，存在這樣的風險，即，粉末冶金體3未被充分密封或粉末冶金體3仍為可滲透性的，因此便形成了滲透通道。在圖2中，通過箭頭11示出了該通道。該通道位於多孔粉末冶金體3的接觸表面12區域中，貼靠該接觸表面密封元件9保持為彈性變形狀態。為了避免形成這種滲透通道，在針對密封元件9的接觸表面12的深度區域13中設置了局部降低的孔隙率。圖3同樣為放大圖，其示出了用以接受密封元件(圖中未示出)的多孔粉末冶金體3的密封槽15。設置了安裝底座16 (其對應於圖2中的接觸表面12)，該安裝底座為密封槽15的槽底17的構成部分。在組裝後的狀態中，密封元件被安裝在槽底17或安裝底座 16上。也可將密封元件安裝於側面的槽肋18上。因此，槽肋18也可類似地均形成安裝底座或接觸表面。安裝底座16設置有材料凸起部19。按照下文將要解釋的方式，藉助於再緻密化工具W對材料凸起部19進行加工，其中再緻密化工具W沿著與粉末冶金體軸A平行的運動方向P進行移動(僅在圖中示意性地示出了該再緻密化工具W)，通過這種方式，在對安裝底座16加工之後，鄰近的深度區域13處的局部孔隙率遠遠低於遠離安裝底座16的區域(例如，區域14)處的孔隙率。深度區域13處的平均孔隙率也遠遠低於粉末冶金體3整體的平均孔隙率。局部具有相對較低孔隙率的區域13沿深度方向TR延伸的材料深度T隨著技術應用以及對粉末冶金體3的要求的不同而有所改變。在圖3中，僅部分地示出了粉末冶金體3。粉末冶金體3是在圓周方向上連續地形成的，其圓周平面被設置為與粉末冶金體軸A成直角。類似地，加工後的安裝底座16的平面或其表面也基本上橫過粉末冶金體軸A延伸、或者與粉末冶金體軸A成直角(參見圖6)。 密封槽15位於粉末冶金體3的前端7的區域中。密封槽15同樣是連續的，以容納作為密封元件的環狀密封件、優選為彈性的環狀密封件。因此，安裝底座同樣是在粉末冶金體3的圓周方向上連續地形成的，例如，被成形為環狀表面。也可在粉末冶金體上設置多個密封槽 15，無論這些密封槽在粉末冶金體3的圓周方向上是否連續。尤其是，粉末冶金體3具有這樣設置的第二密封槽15，該第二密封槽15在深度方向TR上與所示密封槽15位置相對(也參見圖1)。下面將基於實施例對多孔粉末冶金體3的製備進行描述，其中多孔粉末冶金體3 在深度區域13中具有局部相對較低的孔隙率、或具有局部相對較高的密度。在施加380MPa的壓力下，將由銅(1重量％至1. 5重量％ )、石墨(0. 45重量％至 0. 65重量％ )、硫化錳(0. 3重量％至0. 4重量％ )、微晶蠟(0. 75重量％至0. 85重量％ ) 以及餘量的鐵構成的金屬粉末混合物壓制形成生坯。這樣設計壓制工具，使得還能夠成形並壓製出位於密封槽15上的材料凸起部19。隨後於吸熱氣體中，將得到的生坯在1120°C 的直通型帶式窯(Banddurchlaufofen)中燒結20分鐘。在燒結後，在施加700MPa的壓力下通過校準壓制對燒結後的粉末冶金體3的材料凸起部19進行加工，並使之平坦化，由此實現了局部再緻密化(參見圖6和圖7中所示的光學顯微圖)。在此，使校準壓制所用的再緻密化工具(該工具相當於示意性示出的工具W)沿著運動方向P(即，平行於粉末冶金體軸A)向著安裝底座16或材料凸起部19的方向運動，並將材料凸起部19平坦化。由於進行了該再緻密化處理，使得深度區域13的孔隙率遠遠低於多孔粉末冶金體3中區域14處的孔隙率，其中區域14遠離區域13，並且未經再緻密化處理。類似地，與具有相同構造、但安裝底座16區域中未經這種局部再加工或再緻密化的粉末冶金體的相應區域相比，圖6和圖7中的深度區域13的孔隙率大幅降低(參見圖4和圖5中的深度區域13)。通過定量圖像分析的手段來確定材料深度T方向上的孔隙率分布(相對於所考慮的整個表面的孔隙表面之和)。在測量中，孔隙尺寸0. 5mm，所給出的區域1的孔隙率值均為平均值，該平均值是由相應的亞區域Fl的孔隙率值得出的。例如區域1 (T = 0-0. 5mm)孔隙率=0. 76體積％，等於亞區域Fl (T = 0-0. 5mm)孔隙
亞區域F1(T = 0. 5mm-l. Omm)孔隙率=1. 56體積％。由此便得出區域1 (T = 0-1. Omm)孔隙率=(0. 76 體積％ +1. 56 體積％ )/2 = 1. 16 體積％。可按照類似方式，由亞區域F2的孔隙率值確定出區域2的孔隙率值。由於粉末冶金體3的孔隙不存在優選取向，因此所確定的面積相關孔隙率幾乎也相當於體積相關孔隙率。表 權利要求
1.一種粉末冶金體(3)，其具有安裝底座(12，16)，該安裝底座(12，16)上安裝密封元件(9)，以便對液體和/或氣體提供密封作用，其中所述粉末冶金體C3)在所述安裝底座 (12，16)的深度區域(13)中為再緻密化的。
2.根據權利要求1所述的粉末冶金體，其特徵在於所述粉末冶金體(3)在所述深度區域(13)中具有封閉的孔隙，特別是僅具有封閉的孔隙。
3.根據前述權利要求中的任意一項所述的粉末冶金體，其特徵在於以橫截面積來表示所述深度區域(13)，其中該橫截面積形成為距離所述安裝底座(12，16)的材料深度(T) 與特別地平行於所述安裝底座(12，16)延伸的材料寬度(B)的乘積。
4.根據前述權利要求中的任意一項所述的粉末冶金體，其特徵在於所述深度區域 (13)的橫截面積為至少0.3mm2。
5.根據前述權利要求中的任意一項所述的粉末冶金體，其特徵在於當距離所述安裝底座(12，16)的材料深度(T)達0.05mm時，所述深度區域(1 的平均孔隙率為至多4%， 優選為至多2%。
6.根據前述權利要求中的任意一項所述的粉末冶金體，其特徵在於當距離所述安裝底座(12，16)的材料深度(T)達0. 5mm時，所述深度區域(1 的平均孔隙率為至多5%，優選為至多2. 5%。
7.根據前述權利要求中的任意一項所述的粉末冶金體，其特徵在於當距離所述安裝底座(12，16)的材料深度(T)達1.0mm時，所述深度區域(1 的平均孔隙率為至多6%，優選為至多3%。
8.根據前述權利要求中的任意一項所述的粉末冶金體，其特徵在於當距離所述安裝底座(12，16)的材料深度(T)達1.5mm時，所述深度區域(1 的平均孔隙率為至多7%，優選為至多3. 5%。
9.根據前述權利要求中的任意一項所述的粉末冶金體，其特徵在於所述安裝底座 (12，16)為用以容納所述密封元件(9)的密封槽(15)的構成部分。
10.根據權利要求9所述的粉末冶金體，其特徵在於所述安裝底座(12，16)為所述密封槽(15)的槽底(17)的構成部分。
11.根據前述權利要求中的任意一項所述的粉末冶金體，其特徵在於所述安裝底座 (12，16)是在所述粉末冶金體(3)的圓周方向上連續地形成的。
12.根據前述權利要求中的任意一項所述的粉末冶金體，其特徵在於所述密封槽 (15)設置在所述粉末冶金體(3)的前端(7)的區域內。
13.一種製備粉末冶金體(3)的方法，該粉末冶金體(3)能藉助於密封元件(9)加以密封，該方法包括以下方法步驟(a)為粉末冶金體(3)的安裝底座(12，16)提供材料凸起部(19)，其中所述安裝底座 (12，16)用以安裝所述密封元件(9)，(b)對所述材料凸起部(19)進行加工，使得在所述加工後，所述粉末冶金體C3)在所述安裝底座(12，16)的深度區域(1 中為再緻密化的。(c)將所述密封元件(9)安裝在所述安裝底座(12，16)上。
14.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於通過所述加工使所述材料凸起部(19) 平坦化。
15.根據權利要求13或14所述的方法，其特徵在於通過校準壓制對所述材料凸起部 (19)進行加工。
16.根據權利要求13至15中任意一項所述的方法，其特徵在於提供所述粉末冶金體 (3)連同所述材料凸起部(19)，作為粉末冶金坯件。
17.根據權利要求13至16中任意一項所述的方法，其特徵在於在對所述坯件進行燒結後，對所述材料凸起部(19)進行加工。
18.根據權利要求13至17中任意一項所述的方法，其特徵在於在對所述材料凸起部進行加工後，將所述粉末冶金體( 表面上的孔隙至少部分地密封。
19.根據權利要求18所述的方法，其特徵在於通過用塑料浸漬將所述孔隙密封。
全文摘要
本發明涉及粉末冶金體(3)及其製備方法。該粉末冶金體(3)包括安裝底座(16)，該安裝底座用於安裝密封元件，以便對液體和/或氣體提供密封作用，其中所述粉末冶金體(3)在安裝底座(16)的深度區域(13)中為再緻密化的。
文檔編號B22F3/11GK102365144SQ201080009076
公開日2012年2月29日 申請日期2010年2月24日 優先權日2009年2月26日
發明者魯道夫·米內夫 申請人:Pmg菲森有限公司