粉末金屬渦旋件的製作方法

2023-05-12 03:56:26

專利名稱：粉末金屬渦旋件的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及壓縮機，尤其是涉及一種形成壓縮機的部件的方法。
發明的
背景技術：
和簡要說明目前製造渦旋件的方法是熔融金屬法(「鑄造」)。通常，液體灰鑄鐵特別形成合金、進行孕育(inoculate)並倒入腔體內，然後再固化後形成渦旋件。目前的鑄造方法生成渦旋件的毛坯鑄件，其線性尺寸精度為大約+/-0.020英寸每英寸。而且，因為由鑄造所引起的固有的冶金表面不規則或變形，除了導致形成大約0.060+/-0.020英寸的總餘量和變量的該公差外還必須加上額外的需要機械加工去除的機械加工餘量(大約0.060英寸)。因為砂子(或陶瓷)與金屬的界面在固化和冷卻時發生複雜的熱力學、動力學和冶金/化學方面的相互作用，因此產生趨膚效應(skin effect)。
用於鑄造方法中的模具包括砂子、粘接劑和/或陶瓷塗層，熔融金屬將流入該模具中，且該模具的結構並不完全為剛性。當液態鐵與模具壁面接觸時，將向該模具施加壓力，這使得模具壁面膨脹。灰鑄鐵尤其易於固化膨脹，因為碳或石墨含量高。該現象是所述尺寸變化和公差增大的主要原因。
為了能合適地工作，渦旋件必須沒有洩漏、磨損或破裂，因此必須保證非常精確的最終尺寸。為此，需要對毛坯鑄件進行大量、複雜和昂貴的機械加工，以便通過目前鑄件加工方法將它們轉變成可用的渦旋件。因此，由於目前的鑄造方法的前述能力，過多的機械加工餘量是大批量生產的主要障礙，因為需要進行機械加工以切去一定量的材料。最難進行機械加工的渦旋件區域是漸開線渦旋結構自身。銑該部分將引起最大的工具磨損，並花費最長的加工時間。因此，「漸開線渦旋結構」的尺寸精度是最重要的。
本文所述的兩種基本類型的粉末金屬製造方法能夠以「趨膚效應」層更少和尺寸公差更好的方式製造渦旋件，同時還能滿足渦旋件工作所需的嚴格應力和壓力要求。它們是金屬注入模製和普通擠壓和粉末燒結冶金技術。這兩種方法都有在粉末冶金實踐中使用的相關實施例，並可用於製造接近淨形狀的渦旋件或製造淨形狀的渦旋件。該渦旋件既可以整體形成，也可以以部件方式形成，然後連接在一起，以形成整個渦旋件。
通常，本發明涉及在形成渦旋件壓縮機的渦旋件的過程中使用粉末金屬。可以考慮整個渦旋件都利用粉末金屬技術形成。還可以考慮，渦旋件壓縮機部件的一部分利用粉末冶金技術製造。這些部分例如渦旋件的漸開線部分，該部分需要極高的尺寸公差，然後再將它們固定在渦旋件的、通過例如鑄造、鍛造等方法形成的其它部分上，或者甚至固定在其它粉末金屬部分上。
通過下面的詳細說明，能夠更好地理解本發明的應用領域。應當知道，表示本發明優選實施例的詳細說明和特定實例都是為了解釋目的，不是對本發明範圍的限定。
附圖的詳細說明通過詳細說明和附圖，能夠更好地理解本發明，附圖中

圖1-2是本發明的渦旋件；圖3a-3b是本發明第二實施例的渦旋件的分解透視圖；圖4a-4b是本發明第三實施例的渦旋件的分解透視圖；圖5a-5b是本發明第四實施例的渦旋件的分解透視圖；圖6是本發明第五實施例的分解圖；圖7-7e是渦旋件漸開線與基座之間的交界面的可選截面；以及圖8-10是本發明的渦旋件的冶金結構的顯微照片。
優選實施例的詳細說明下面將參考附圖，附圖中是為了舉例表示本發明的優選實施例，而不是為了進行限定。圖1-2表示了根據本發明製造的渦旋件的透視圖。
漸開線渦旋結構10與基板12連接，該基板12由基座14和輪轂16形成。所示漸開線渦旋結構10是粉末金屬的，而基板12是(最小Grade 30)灰鑄鐵的。優選是，由於經濟原因，該基板12由普通的砂鑄方法製成，例如垂直分模法(DISA等)。
優選是，基板12的基體為最少90％的珠光體，片狀石墨的長度最大大約為0.64mm。可以利用孕育來保證使石墨分布均勻和大小足夠均勻。可以考慮將稀土元素作為孕育劑添加到粉末金屬混合物中。儘管在輸入的部件中，漸開線渦旋結構10的淨形狀和尺寸的精度水平是最重要的，該基板12也可以進行大量的後機械加工處理。除了多孔性，該漸開線渦旋結構10的基體優選為具有最少90％的珠光體。漸開線渦旋結構10中石墨的存在並不必要，但是需要時可以提高耐磨損性。
將粉末金屬的漸開線渦旋結構10連接到灰鑄鐵基板12上可以利用普通的電阻焊、電容放電焊接(電阻焊的一種變化形式)、釺焊來實現，或者可以採用燒結連接。電容放電焊接與普通電阻焊類似，只是將產生非常高的供熱速率。電容的放電將允許在短時間內有較高電流，從而產生很高供熱速率。該焊接方法的主要優點是可以在無有害作用(產生裂紋等)的情況下對該用途中所需的高碳材料進行焊接。還有，該方法能夠在無有害作用的情況下對粉末金屬部件進行焊接，該有害作用例如液體焊接金屬從處理流體芯吸到粉末金屬空隙中的不利作用。電容放電焊接還能夠使不同金屬連接，並能夠適應漸開線渦旋結構10的磨損、疲勞和摩擦特性，且不會增加基板12的成本。
圖3a-3b表示了本發明第二實施例的分解透視圖。所示的渦旋件8有通過粉末金屬技術形成為一件的漸開線渦旋結構10和基座14。輪轂16利用前述的焊接技術在輪轂槽29內與粉末金屬的漸開線渦旋件基座子組件18連接，該輪轂利用標準砂鑄技術或其它成形方法單獨形成，該其它成形方法包括粉末金屬方法。優選是，可以利用釺焊材料來將粉末金屬輪轂連接到粉末金屬基板上。在燒結過程中，該生坯部件裝配和焊接在一起。也可選擇，可以利用在燒結過程中硬化的材料來固定實心輪轂。
圖4a-4b表示了本發明的第三實施例。圖中所示的漸開線渦旋結構10和板(palette)20子組件22由粉末金屬製成。該漸開線渦旋件板子組件22利用前述連接技術與基板12連接。應當知道，該漸開線渦旋件板子組件22的形狀允許漸開線渦旋結構10的形狀以及板20的交界面24都非常精確。更有利的是，這允許基座部件12可以利用普通的低成本方法進行便宜的鑄造。
圖5a-5b表示了利用形成於基座12上的基板槽25來接受漸開線渦旋結構10。基板槽25有利於使漸開線渦旋結構10與基板12對齊和定位。基板槽25也能提高該漸開線渦旋結構10在基板12的交界面處的強度。可以採用焊接方法來使焊接界面處的硬化區域減至最小，這可以通過快速從焊接溫度冷卻而實現。靠近焊接位置的該硬化層可能會成為裂紋的起源點，因為在硬化區的局部延伸性較低。電容放電焊接的高速供熱和除熱將有助於使該區域的寬度減至最小。具有相對較高碳含量的材料尤其容易出現該現象，例如本文所述的材料。基板槽25可以承受彎曲力矩，並有助於使前述硬化區中的局部應變減至最小和減小在接頭處出現疲勞失效的可能性。基板槽25的缺點是引起分流(渦旋件的處於槽壁處的側部形成短路)。在漸開線渦旋結構10上或在基板12的基板槽25內形成有高阻力塗層21都可以使分流效應減至最小。
在焊接過程中，漸開線渦旋結構10的整個長度需要連續進行焊接。這需要沿它的長度有均勻的壓力和電流。這需要進行專門的固定和尺寸精度來保證。焊接過程中的變形必須通過固定來減至最小。電容放電焊接由於快速供熱，因此也使變形更小。
最好如圖7a所示，優選是，在渦旋件上模製形成倒角26，以便減小與基板12的邊緣接觸，從而相應地減小分流和有助於在連接過程中自動對齊。電阻焊需要在焊接交界面處有減小面積的凸起37。在焊接過程中，凸起37有助於集中電流，這有利於進行熔解。在焊接過程中，該凸起37局部毀壞。該凸起37可以是不連續的，並布置成彼此以預定間隔環繞渦旋件，或者該凸起37可以是連續的。圖7b和7c是電阻焊。電阻焊需要減小的區域。在焊接過程中，凸起37使電流集中，並在焊接過程中毀壞該凸起37。
基板12中的基板槽25可以用於將漸開線渦旋結構10對齊和定位在基板12上。在使漸開線渦旋結構10與基板12連接之前，該基板槽25在灰鑄鐵鑄件上機械加工形成。如圖6所示，還可以在不採用基板槽25的情況下使漸開線渦旋結構10直接與基板12對齊。這不需要銑出基板槽25，銑該基板槽25將增加成本。
如圖7d-7e所示，可以利用釺焊材料，以便於將漸開線渦旋結構10連接到基板12上。另外，可以利用釺焊材料28來將輪轂16連接到基板12的背面輪轂槽29內。這一方法的優點是例如通過前述焊接方法在接頭交界面形成硬化區。當其中有石墨時(例如本文所述的灰鐵或石墨粉末金屬)，釺焊材料28的一個問題是該石墨將覆蓋金屬的表面，並延遲該釺焊材料28的浸潤。解決該問題的一個方法是在允許發生浸潤的合適氣體中進行熔爐釺焊。另一方法是將釺焊材料28與助熔劑一起使用，該助熔劑將充分清除石墨，以便能夠進行浸潤(例如黑色型的助熔劑AWS FB3-C或AMS 3411)。另一方法是在釺焊之前的一個單獨步驟中預先清除石墨渦旋件部分。另一方法是使用能很好地與鑄鐵型材料浸潤的釺焊材料，例如Bni-7(含鎳軸承合金)。其它合金如Bag-3、Bag-4、Bag-24或RBCuZn型填料也能成功用於鑄鐵型材料。
一個這樣的清潔劑是熔鹽。該熔鹽處理包括將部件浸入與槽隔離的液池中，施加直流電，且極性設置成能夠對需要清潔的表面進行氧化或還原。需要時，可以根據極性來除去石墨和氧化物。由於經濟原因，優選的情況是在進行釺焊之前能夠在例如基於鹼性水的清潔劑中對灰鐵進行普通清洗。另一種清潔表面的方法是例如利用鎳或鋼砂進行噴砂。
釺焊粉末金屬的另一問題是過多的釺焊材料28將芯吸到多孔的粉末金屬部分中。當芯吸過量時，可能導致釺焊接頭質量差，因為釺焊材料28從該連接表面除去。解決該問題的一種方法是採用能夠減小芯吸作用的釺焊材料28。所需的釺焊合金必須能與粉末金屬表面反應。該反應通過產生熔融溫度比當前釺焊溫度更高的冶金化合物來減小芯吸的量。一種這樣的釺焊合金為SKC-72，它的組分為30-50％重量的銅、10-20％鎂、3-25％的鐵、0.5-4％的矽、0.5-2％的硼，其餘為鎳(30-50％)。通過添加某些元素，尤其是鐵，可以獲得令人滿意的良好生坯強度和可接受的基體金屬熔化水平。
釺焊材料28可以是鍛件形式、糊狀物或金屬粉、或者鑄造預製品，或者優選是固體粉末金屬的預製金屬塊，它們將在釺焊之前布置於基板12的基板槽25中或布置於輪轂槽29中。當採用糊狀物時，必須注意不能在釺焊過程中產生氣體。該釺焊的方法可以是局部電阻加熱或熔爐釺焊。電阻焊的優點是加熱的變形最小，因為加熱在局部進行。熔爐釺焊的優點是能夠在保護氣體中進行釺焊，該保護氣體將有助於浸潤。還有，釺焊可以與燒結同時進行，這在經濟上有利。
圖7d表示了有優選倒角26的焊接材料28的形狀。儘管圖中所示為扁平條帶，但是也可以採用其它形式的焊料，例如絲狀、預製部件或糊狀(有或沒有助熔劑)。接頭間隙將根據所用焊接合金的類型而按照AWS標準確定。例如，對於前述SKC-72合金，優選的接頭間隙將在0.002和0.005英寸之間。(優選的)「粉末金屬塊」的密度為大約4.5-6.5克/cc，尤其優選是大約5.5克/cc。粉末金屬預製塊的密度對於獲得良好的可焊性很重要。
圖7e中所示為在將漸開線渦旋結構10插入基板槽25中之後，將焊接材料28布置在基板12的頂部。然後，毛細作用將焊接材料28吸入間隙30中，並環繞漸開線渦旋結構10的底部32。也可選擇，漸開線渦旋結構10和基板12可以模製在一起，但是軸承輪轂16單獨製造，並連接到該基板12上。
圖3b表示了將軸承輪轂16連接到基板12上，它們通過粉末冶金技術製成一件，如圖3a所示。該軸承輪轂16製成一個單獨的粉末金屬件，並通過前述焊接方法而連接到渦旋件/基板組件上。在該方法中，軸承輪轂16可以是普通鋼、粉末金屬或鑄鐵。
這裡所述的方法稱為形成渦旋件壓縮機的漸開線渦旋件部分的方法。所述的金屬注射模製法採用非常細的鐵粉，其中，粉末微粒覆蓋有聚合物「粘合劑」。然後使該粉末/聚合物組合(「供料」)加熱，並通過使用注射模製機而注入模具中，以便形成渦旋件。粘合劑作為載體，有助於進行注射模製。金屬注射模製的基本過程與注塑模製類似。模製壓力和溫度根據所用的特定粉末/粘合劑系統而優化成能夠合適填充成漸開線渦旋結構。注射系統內的情況實際上是觸變(當由注射處理的熱引起的剪切應力增大時，粘性減小)。然後使所形成的模製渦旋件去粘合(debound)(除去粘合劑)，再進行燒結(以便完成緻密化(densification))。這兩個步驟可以組合進行或作為分離的操作步驟。所用的專門處理的通道和材料選擇為使得尺寸變化(公差)最小和幾何形狀變形最小。當線性尺寸公差為大約0.3％時，不需要用於「趨膚效應」的材料餘量。模具的起模角大約為0.5度。
為了減小成本，優選是採用平均微粒大小儘可能大的鐵粉(大約超過5微米)。大約在2和20微米之間的微粒尺寸能夠有合適的燒結時間，並能有合適的可模製性。圓形微粒擠得更緊，燒結更快，且需要更少的粘合劑，但是在去粘合(debinding)和燒結的過程中不能阻礙形狀變形。不規則形狀的粉末微粒能夠比球形微粒更好地保持部件形狀。球形微粒具有更高的堆積密度(在振動粉末試樣後獲得最高密度，從而使體積最小)。儘管100％不規則形狀和更大的微粒在經濟上有利，但是因為處理困難，因此需要採用既有球形也有不規則形狀的混合或散布微粒。100％的球形形狀、100％的不規則形狀或各佔某種比例都可以採用。
必須採用有合適粘性的供料，以便形成漸開線渦旋結構。金屬加載更高，供料的粘性可以更大。當粘性太大時，材料將不能進行注射模製。不過，太低的粘性可能使得供料易於在注射模製過程中產生金屬粘合劑分離。
多種粘合劑系統可以用於渦旋件形成處理蠟聚合物、基於乙醯的、水溶性的、基於瓊脂水的、以及水溶性/交叉連接的。基於「乙醯」的粘合劑系統的主要成分是聚甲醛或聚乙醯，並有少量的聚烯烴。乙醯粘合劑系統具有結晶性質。因為結晶性，模製的粘性相當高，這需要在模製溫度方面進行閉環控制。該粘合劑的去粘合通過由硝酸在低溫下對聚乙醯成分進行化學催化去聚合作用而進行。尤其是對於更厚的部件，粘合劑的去粘合處理可以更快。模製溫度為大約180℃，模具溫度為大約100-140℃，這相對較高。
還可以採用「蠟聚合物」粘合劑系統。該粘合劑具有良好的可模製性，但是因為蠟在去粘合過程中變軟，需要考慮變形。需要進行固定或優化去粘合時間，以便能克服該問題。還可以考慮採用多組分粘合劑化合物，這樣，性質能夠隨溫度逐漸變化。這能夠使加工範圍更廣。蠟聚合物系統能夠在氣體爐或真空爐中和通過溶解方法去粘合。通常的材料模製溫度為175℃，模具溫度通常為40℃。
還可以採用「水溶性」粘合劑。「水溶性」粘合劑由聚乙烯構成，並還有一些聚丙烯、部分水解且可溶於冷水的聚乙烯醇、水和增塑劑。粘合劑部分能夠在大約80-100℃下通過水去除。模製溫度為大約185℃。該系統為環保、無害且可生物降解。因為去粘合的溫度較低，在去粘合過程中的變形傾向較低。
還可以採用基於「瓊脂-水」的粘合劑。基於瓊脂-水的粘合劑的優點是，因為水的蒸發引起去粘合，因此不需要單獨的去粘合處理步驟。去粘合能夠包括到處理的燒結階段。模製溫度為大約85℃，模具溫度更低。在模製過程中要注意，失水可能會影響金屬負載和粘性。因此，需要進行仔細控制，以避免在處理過程中的蒸發。另一缺點是，因為模製部件較軟，需要小心地進行特定操作。在剛模製之後可以進行專門的乾燥，以便於操作。
還可以採用「水溶性/交叉連接」粘合劑。該水溶性/交叉連接粘合劑涉及首先浸泡在水中以便部分去粘合，然後進行交叉連接步驟。有時這也稱為供料的化合反應。主要的成分是聚乙二醇甲醚和聚甲醛。該粘合劑/去粘合系統導致較低的變形和較低的尺寸公差。還有，當混合有不同類型的粉末時，能夠獲得很高的金屬負載。
也可選擇，在去粘合和/或燒結過程中進行夾緊，以幫助防止部件滑落(slumping)。還發現，「在燒結點之下」(但是仍然緻密化成能夠滿足密度/強度標準)將有助於保持尺寸控制。可以利用石墨或渦旋件形狀的陶瓷來進行夾緊，以便使變形減至最小。
渦旋件的幾何設計必須進行優化，以便於金屬注射模製。整個部件的壁厚應當儘可能均勻和薄，所用的芯應當適於實現該要求。均勻和最小的壁厚能夠使變形減至最小，並能加快去粘合和燒結，且減小材料成本。
還發現，所述金屬注射模製法製成非常緻密的部件(通常比重超過7.4)。這是金屬注射模製的一個獨特方面，能夠製造特別高強度的材料，這能夠生成比目前的鑄鐵結構更薄和更輕的渦旋件。因此，金屬注射模製法能夠提供比現有技術的灰鑄鐵渦旋件更優的強度。
(固定和公轉的)渦旋件部分的最終的燒結密度最小值為大約6.5gm/cm3(優選是最小值為大約6.8gm/cm3)。該密度應當儘可能均勻地分布。該密度最小值必須保持，以便滿足渦旋件的疲勞強度要求。通過相互連接的金屬孔隙的洩漏也要考慮，因為將損失壓縮機效率。具有較高密度足以在不進行其它處理的情況下形成壓力密封。需要時，也可以對該孔隙進行浸漬、蒸氣處理或滲透(聚合物、金屬氧化物或金屬)，以便密封相互連接的孔。
最終部件的材料組分為大約0.6-0.9％的碳(當有自由石墨時為3.0-3.3％)、0-10％的銅、0-5％的鎳、0-5％的鉬、0-2％的鉻、其餘為鐵。也可以添加有其它少量組分，以便改變或提高微觀結構的某些方面，例如可硬化性或珠光體的細度。最終材料的微觀結構將與鑄鐵類似。儘管根據壓縮機用途的摩擦要求可能需要含有石墨的結構，粉末金屬的優選微觀結構將不包含自由石墨。自由石墨的存在將降低粉末的可壓縮性，並對尺寸精度和公差有不利影響。可以設想一個渦旋件(例如固定部分含有石墨，公轉部分沒有石墨)。優選是，燒結時間將使得最終部件的基體結構中最少有90％體積的珠光體(不計空隙(discounting voids))。當存在自由石墨時，它可以為球形、不規則形狀或薄片形。自由石墨的體積百分數優選是在大約5％和20％之間，優選是大約10-12％的石墨。石墨的微粒尺寸(直徑)是有效直徑為大約40-150微米。
微粒可以集中在渦旋件中需要特定摩擦特性的特定位置(見專利No.6079962，該專利被本文參引)。或者更優選是，可以在整個渦旋件中均勻分布。微粒尺寸、形狀和分布將適於保持合適的抗疲勞性和摩擦特性(低粘性和低磨損)。該粉末金屬能夠防止其自身在壓縮機中擦傷。至少在其中一個配合渦旋件中存在石墨將允許連續存在磨損結合。在金屬注射模製或粉末金屬加工的設計中，當包含石墨時，必須考慮由於添加石墨而引起的尺寸變化。
為了在最終的粉末金屬結構中保持自由石墨，可以選擇將兩種或更多不同尺寸分布(細小和較大)的石墨微粒混合。較小的石墨微粒在燒結過程中擴散，並形成珠光體。而較粗大的石墨微粒則保持或部分保持為自由石墨。還必須考慮在熱處理中不會形成自由碳化物，該自由碳化物將使機械加工性急劇降低。也可選擇，通過將需要保持為自由狀態的石墨塗覆有金屬例如銅或鎳，從而形成自由石墨。該金屬塗層防止或至少減小在燒結過程中的碳擴散。
通常，粉末金屬或MIM(金屬注射模製)渦旋件的機械加工比鍛造或鑄造的部件更困難。粉末金屬的機械加工性降低是由多孔性引起的，該多孔性將使切割工具產生微疲勞，且使切割工具的散熱較差。為了提高機械加工性，使組分為包含石墨，並有更高密度。一種選擇是包含化學當量的鎂和硫，以便形成硫化鎂，這也有助於提高機械加工性。利用大約0.5％的硫化鎂就可以獲得合適的機械加工性。還發現，除了添加硫化鎂外，由於處理過程之間的相互作用，蒸氣氧化也可以提高表面光潔度。保持良好工具壽命(機械加工性)的優選方法是以聚合物密封(浸漬)該粉末金屬渦旋件。這可以填充空隙。該聚合物通過在機械加工時潤滑工具來提高機械加工性，同時由於填充了空隙，使微疲勞現象減至最小。合適的聚合物形式為混合有不飽和聚酯的甲基丙烯酸酯。加熱或無氧類型的固化能夠很好地進行。無氧合金固化密封器非常合適，因為使得粉末金屬的內部空隙中沒有氧氣。
並不需要通過非常精確的製造方法來製造基板12，因為漸開線渦旋結構10是渦旋件中機械加工最困難和最昂貴的部分。因此，基板12可以以普通的砂鑄方法製成，例如垂直拔模法，而渦旋件的漸開線部分可以通過粉末金屬方法製成。可以採用DISA(垂直拔模生砂鑄造法)這樣的鑄造方法，因為它與其它鑄鐵鑄造方法相比，在經濟上相對有利。
在漸開線渦旋結構10的模製和燒結過程中保持尺寸精度和避免變形以及保護其工具(模具和衝頭)都非常重要。可能需要下面的粉末金屬技術中的一種或一組來控制漸開線工具的變形。
在「熱壓緊」中，採用專門的粘合粉末材料，它在加熱時有很好的流動性。粉末和模具加熱至大約300°F(在模製之前或模製過程中)。熱壓緊能夠使生坯粉末金屬部件更堅固，並使生坯部件和最終的燒結部件有更高和更均勻的密度。更高的密度和均勻性減小了燒結變形的可能性。而且，熱壓緊的生坯比傳統模製部件更堅固，因此在加工時不會那麼容易出現裂紋。熱壓緊漸開線渦旋結構10也使得模製部件更容易從模具中取出，因此減少了出坯廢品。熱壓緊的另一獨特優點是能夠對生坯(在擠壓時的)部件進行機械加工，這有時也稱為生加工(green machining)。這樣有兩個優點，即更容易進行機械加工，因為部件並沒有燒結至全強度，且生坯部件更堅固，從而更容易加工和夾緊。
有助於粉末金屬漸開線渦旋結構10的製造的另一處理方法是「模具壁面潤滑」。在該方法中，模具壁塗覆有專門的潤滑劑，該潤滑劑可以為固體噴霧或液體形式，並在高溫下穩定。該潤滑劑減小了粉末與模具壁之間的摩擦，這能夠提高粉末的密度和流動特性。而且，模具壁潤滑可用於代替(或部分代替)在粉末內的潤滑(內部潤滑)。內部潤滑可以採用大約0.75％的潤滑劑，而模具壁潤滑將使得內部潤滑劑為大約0.05％。內部潤滑劑的量更低導緻密度更高、密度分布更好、爐中的菸灰更少、生坯強度更大、在壓緊後生坯回彈更小、表面光潔度更好和所需出坯力更小。模具壁的潤滑劑可以是液體或固體。
模具壁可能需要加熱至大約300°F，以便液化潤滑劑。液化的潤滑劑使金屬摩擦更小。作為一種變化形式，模具壁潤滑劑可以具有較低的熔點(可能低到100°F)。由於該特性，在壓緊過程中，模具壁潤滑劑可以很容易地轉變成液體。混合有高低溫度的潤滑劑可以使混合物的有效熔點降低至低於組分中的最高熔點值，只要使所用溫度高於某一臨界值。在噴入模具腔中之前，潤滑劑粉末必須很好地混合。流體化是實現該目的的一種合適方法。將不同熔點的潤滑劑混合也有助於流體化效果。混合時，必須注意不能使混合的潤滑劑在流體化過程中引起物理分離。一組這樣的潤滑劑包括亞乙基雙硬脂醯胺(EBS)、硬脂酸和月桂酸。
便於粉末金屬漸開線渦旋結構10製造的另一方法是在燒結後進行精壓或「壓制」。該方法需要在一組模具中重新壓制該燒結的部件，該組模具提高了尺寸精度，並減小了相對於燒結部件的尺寸公差。這使得該部件更接近基本形狀，並稍微使它增強。
一種避免在模具和衝頭上集中較高應力的觀點是採用「液體金屬輔助燒結」。該壓制生坯結構以與前述相同的組分製成，只是製造壓力比正常情況更小，且密度更小、多孔性程度更高。較低壓制壓力導致作用在模具上的應力更小，從而增加模具壽命，並且將減小出坯問題。然後，在燒結過程中，大約10％重量的銅合金熔融到整個部件上。該熔融的銅合金提高了燒結速度。在最終的燒結部件中，銅合金使部件的強度提高。如果沒有銅合金，壓制後的部件不能足夠堅固。還一附加優點是，分布在最終形成的部件中的銅將有助於壓縮機在工作時的摩擦特性。不過，液體金屬輔助燒結增加了該渦旋件在燒結後的變形量。
在燒結或釺焊過程中可能需要進行固定，以便使尺寸變形最小。固定可以利用石墨或渦旋件形陶瓷來進行，以便保持渦旋件的形狀。也可以採用其它固定結構，例如為可以布置在渦旋件之間的球體，以便支承它們。還有，因為在燒結過程中部件的形狀和尺寸發生變化，因此部件和保持盤之間的摩擦力很重要。還可能需要根據該原因增加或減小摩擦。減小摩擦是減小變形的最常用方法，並可以通過在部件和盤之間塗布鋁粉而實現。
粉末和部件組分的一致和均勻也能減小尺寸公差。粉末在供給過程中可能發生分離。粉末的供給和傳送機構能夠避免粉末分離將是很重要的。避免分離的一種方法是採用預先形成合金或進行了擴散粘合的粉末。這樣，每個粉末微粒都有相同的組分，從而能減弱分離。避免分離的另一種方法是儘可能快地進行充裝。粘合劑的選擇和所形成的粉末流動性將通過減小部件不同部分的密度而影響尺寸穩定性(燒結變形)。粉末流動性應當足夠高，以便使厚的部分和薄的部分都密度均勻，但是不要高到能促使不同大小的微粒分離。還有，最好採用高溫粘合劑，以防止出現流動問題。
在粉末金屬渦旋件的製造中對所有關鍵步驟進行充分的過程控制，也能夠影響尺寸精度和工具的損壞程度。需要監控的兩個這樣的關鍵步驟的實例是生坯部件性質(密度和尺寸)和在負載下的爐內燒結溫度均勻。
模具自身能夠永久性塗覆有潤滑劑，以便減小摩擦。可以採用的塗層例如金剛石或鉻。模具塗層能夠減少粉末中所需的潤滑劑，這能減少砂眼，增加生坯強度和壓縮性，如上面在模具壁潤滑部分所述。
對於減小變形，材料選擇很重要。對於尺寸穩定性，重要的是選擇最優比例的合金元素，例如，碳和銅的比例必須合適，從而避免較高的銅含量(大約3-4％)，尤其是當碳含量較低時(小於0.6％)。而且，粉末合金製造方法的選擇也很重要。擴散或粘合形成合金的方法是優選，因為這與摻混方法相比，組分均勻且一致。從尺寸方面考慮，類似於MPIF FD-0408或FC-0208這樣的合金非常適於渦旋件。
使模具完全充滿粉末很重要。為了使粉末完全充滿模具，可以採用例如振動、流體化或真空這樣的方法來幫助將粉末傳送到渦旋件成形腔體中。如前所述，必須防止在振動過程中發生粉末分離。必要時也可以採用粉末的底部供給或底部和頂部供給來達到該目的。
在本發明的另一實施例中，整個渦旋件將模製成簡單幾何形狀的實心形狀。這時，在模製時或在「生坯」狀態下，加工出漸開線渦旋結構10、輪轂16和基板12的精細部分。然後象正常情況一樣對該渦旋件進行燒結。然後可以使用該渦旋件，或者需要對它進行某些精加工，以便補償燒結變形。通過計算機輔助機械加工方法，可以完成本實施例所需的大量機械加工。
實心漸開線渦旋結構10生坯能夠由這樣的方法和材料製成，即該方法和材料能夠使該生坯強度足以承受機械加工應力和進行機械加工所需的相關夾緊應力。這時，粉末將塗覆有粘合劑，該粘合劑能夠承受直到大約300°F的較高壓緊溫度。本實施例中，生坯部件的拉伸強度最小為3000psi。
圖8-10表示了本發明的渦旋件的顯微照片。圖8-9分別表示了在放大500倍時漸開線渦旋結構的基板和頂部的情況。所示的是珠光體結構、沒有石墨結構存在。圖10表示了處於未蝕刻狀態下的粉末金屬漸開線渦旋結構在100倍時的情況。在燒結材料中可以看見孔隙。該孔隙中有聚合物密封材料。
對本發明的詳細說明僅僅是作為實例，不脫離本發明要點的變化形式也將包含在本發明的範圍內。這樣的變化形式不能認為脫離了本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種用於渦旋機械的渦旋件，所述渦旋件包括燒結的鐵粉。
2.根據權利要求1所述的渦旋件，包括鐵粉，該鐵粉有至少90％的珠光體結構。
3.根據權利要求1所述的渦旋件，包括大約0-12％的石墨。
4.根據權利要求1所述的渦旋件，包括大約10-12％的石墨。
5.根據權利要求1所述的渦旋件，包括一基板。
6.根據權利要求5所述的渦旋件，其中該基板確定有一個槽，該槽能夠接受漸開線渦旋結構。
7.根據權利要求1所述的渦旋件，包括一漸開線渦旋結構，該漸開線渦旋結構由燒結的鐵粉製成。
8.根據權利要求7所述的渦旋件，其中該漸開線渦旋結構還確定有至少一個凹槽，該凹槽能夠接受液體金屬。
9.根據權利要求8所述的渦旋件，還包括至少一個將要犧牲的(sacrificial)凸起，該凸起能夠在連接過程中變成液體。
10.根據權利要求6所述的渦旋件，其中該槽包括布置於其中的釺焊材料。
11.根據權利要求6所述的渦旋件，其中該基座部件包括一個將犧牲的釺焊材料，該釺焊材料布置成靠近所述槽。
12.根據權利要求6所述的渦旋件，還包括具有較高阻抗的材料，該材料布置在所述槽內，以便控制電流。
13.一種渦旋件的漸開線渦旋結構，包括大量通過粘合劑粘合在一起的金屬微粒。
14.根據權利要求13所述的漸開線渦旋結構，其中所述金屬微粒的平均顆粒大小大於5微米。
15.根據權利要求13所述的漸開線渦旋結構，其中所述大量金屬微粒有不規則的形狀。
16.根據權利要求15所述的漸開線渦旋結構，其中大量所述金屬微粒包括球形形狀的微粒。
17.根據權利要求13所述的漸開線渦旋結構，其中該金屬微粒包括鐵。
18.根據權利要求17所述的漸開線渦旋結構，其中該金屬微粒包括大約0.6-0.9％的碳。
19.根據權利要求17所述的漸開線渦旋結構，其中該金屬微粒包括大約0-5％的鎳。
20.根據權利要求17所述的漸開線渦旋結構，其中該金屬微粒包括大約0-5％的鉬。
21.根據權利要求17所述的漸開線渦旋結構，其中該金屬微粒包括大約0-2％的鉻。
22.根據權利要求13所述的漸開線渦旋結構，其中該粘合劑從以下組中選擇蠟聚合物、乙醯、瓊脂-水和水溶性/交叉連接型。
23.一種形成渦旋件的方法，包括以下步驟將金屬粉末注入漸開線渦旋結構模具腔內，以便形成漸開線渦旋結構生坯；將所述漸開線渦旋結構生坯從所述模具腔中取出；以及燒結所述漸開線渦旋結構生坯，以便形成漸開線渦旋結構。
24.根據權利要求23所述的方法，還包括將所述金屬粉末與粘合劑組合以形成混合物的步驟。
25.根據權利要求23所述的方法，其中所述金屬粉末包括鐵。
26.根據權利要求25所述的方法，其中使所述金屬粉末還包括從以下組中選擇的元素碳、鎳、鉬、鉻、銅以及它們的混合物。
27.根據權利要求23所述的方法，其中所述金屬粉末是平均直徑大於5微米的鐵粉。
28.根據權利要求25所述的方法，其中所述金屬粉末包括從以下組中選擇的元素0.7-3.5％的碳、0-10％的銅、0-5％的鎳、0-5％的鉬、0-2％的鉻以及它們的混合物。
29.根據權利要求23所述的方法，其中對所述漸開線渦旋結構生坯進行燒結，直到所述漸開線渦旋結構包括至少90％容積的珠光體結構。
30.根據權利要求23所述的方法，其中對所述漸開線渦旋結構生坯進行燒結，直到所述漸開線渦旋結構包括0-20％的自由石墨。
31.根據權利要求30所述的方法，其中所述漸開線渦旋結構包括大約12％的自由石墨。
32.根據權利要求23所述的方法，其中所述金屬微粒包括鐵粉，該鐵粉有多種形狀，並有至少兩種平均直徑。
33.根據權利要求23所述的方法，還包括以下步驟將金屬塗覆的石墨微粒與所述金屬粉末混合。
34.根據權利要求33所述的方法，其中所述金屬塗覆的石墨微粒包括由銅覆蓋的石墨微粒。
35.根據權利要求23所述的方法，還包括將硫化鎂與所述金屬粉末混合的步驟。
36.根據權利要求23所述的方法，還包括在將所述漸開線渦旋結構生坯從所述模具中取出後對其進行機械加工的步驟。
37.根據權利要求23所述的方法，其中對所述漸開線渦旋結構生坯進行燒結，直到所述漸開線渦旋結構的密度大於大約6.8gm/cm3。
38.一種形成渦旋件的方法，包括以下步驟形成包括金屬粉末的漸開線渦旋結構；形成基板；以及使所述漸開線渦旋結構與所述基板連接。
39.根據權利要求38所述的方法，其中所述漸開線渦旋結構與所述基座連接包括將漸開線渦旋結構通過電容放電焊接到所述基座上。
40.根據權利要求38所述的方法，其中所述漸開線渦旋結構與所述基座連接包括將釺焊材料布置成靠近所述漸開線渦旋結構；以及充分加熱，以便熔化所述釺焊材料。
41.根據權利要求40所述的方法，其中，所述釺焊材料包括大約30-50％的銅；大約10-20％的鎂；大約3-25％的鐵；大約0.5-4％的矽；大約0.5-2％的硼；其餘為鎳。
42.根據權利要求40所述的方法，其中充分加熱以便熔化所述釺焊材料是通過局部電阻加熱釺焊材料。
43.根據權利要求40所述的方法，還包括以下步驟將具有多個尺寸的石墨微粒與所述金屬粉末混合。
44.根據權利要求38所述的方法，還包括形成包括金屬粉末的輪轂；以及將所述輪轂與所述基板連接。
全文摘要
渦旋件由一個或多個接近淨形狀的粉末金屬部件形成，並且既可以整體形成，也可以由幾個部分一起形成。還介紹了「普通」壓制和燒結方法以及金屬注射模製方法。
文檔編號C22C33/02GK1434213SQ0214140
公開日2003年8月6日 申請日期2002年8月28日 優先權日2002年1月24日
發明者馬克·J·斯坎卡勒羅 申請人:科普蘭公司