通过烧结粉状金属材料制造机械部件的方法和装置的制造方法
【专利说明】通过烧结粉状金属材料制造机械部件的方法和装置
[0001]本发明涉及通过烧结粉状金属材料制造机械部件的方法和用于实施这种方法的制造装置。
[0002]预期的一个应用领域是通常用于制造例如齿轮、衬垫或环的机械学。另一预期应用领域是生物医学用途，例如用于制造假体元件。
[0003]“烧结”在此是指将在金属模具中的压实粉末颗粒加热到比它们的熔点低的温度以在保持由模具提供的形状的同时将它们结合在一起形成一个实心体块的处理。
[0004]已知的粉末冶金法能够通过附聚和随后烧结金属或陶瓷粉末来制造机械部件。为实现这一点，在第一压实步骤中，使用具有纵向通孔的模具，经所述通孔的一侧衔接下冲压件，其由此划定开放腔的边界，并经所述通孔的另一侧衔接适合封闭该空腔的上冲压件。该模具定向为使该纵向孔竖直延伸。因此，随后可以用粉末填充该空腔，其被下冲压件托住。然后经该纵向孔使上冲压件就位以封闭该空腔并施加力。然后使粉末附聚并在这两个冲压件之间用力压实。一种特定压实方法在于上冲压件以给定能量冲击以产生形成生压坯所需的力。第二独立烧结步骤包括该部件的温度处理以提供其机械性质。
[0005]但是，由此形成的部件通常在从模具中推出后显著变形，也可能出现收缩缺陷以致该部件不可用。此外，对于精密机械部件，由此获得的部件必须机械加工以实现所需尺寸。
[0006]因此，所出现的并且本发明意图克服的一个问题是提供能使通过烧结粉状材料获得的机械部件在从模具中推出后保持它们的尺寸的方法。
[0007]为此，和根据第一目的，本发明提出通过烧结粉状材料制造机械部件的方法，所述方法为包括下列步骤的类型:提供包含颗粒的粉状金属材料，所述粉状金属材料具有确定的熔融温度;然后使给定量的所述粉状金属材料在空腔内在压力下附聚;然后向所述给定量的粉状金属材料提供热能以使其达到低于所述熔融温度的给定温度;和冲击所述给定量的附聚的粉状金属材料并使其达到所述给定温度以将所述粉状金属材料的颗粒互相结合或焊接以获得一个实心体。根据本发明，使所述一个实心体保持在压力下并使积聚在所述实心体中的热能消散以获得所述机械部件。
[0008]因此，本发明的一个特征在于在使实心体保持在压力下的同时使该实心体冷却。因此，实心体的几何形状和尺寸由于在整个冷却步骤过程中向其提供的压力而得以保持。此外，本发明的方法防止了与冷却有关的缺陷出现，这使得能够考虑制造实心体部件。
[0009]优选，所提供的粉状金属材料由具有低熔点(例如低于800°C)的粉状金属材料颗粒形成。因此通过本发明的方法可以实施铜基合金。
[0010]在本发明的一个特别有利的实施方案中，在圆柱对称的空腔内在压力下使所述给定量的所述粉状金属材料附聚。圆柱形空腔使得容易推动冲压件平移，以使粉状金属材料压实和附聚。
[0011]此外，和根据一个特别有利的方案，将所述一个实心体转到另一空腔内以消散所述积聚的热能。将该实心体从相对较热的空腔转移到相对较冷的空腔能更急剧降低该实心体的温度并由此固定该实心体的尺寸。根据另一实施方案变体，在所述一个空腔中消散积聚在该实心体中的热能。
[0012]为了简化实心体的转移，使其从所述圆柱对称的空腔向具有相同圆柱对称性的所述另一空腔平移。如下文解释，将两个圆柱对称的空腔相互延伸布置进一步简化了该转移。
[0013]此外，优选地，使所述给定量的所述粉状金属材料在所述一个空腔内在两个相对的壁之间在压力下附聚。因此，更容易地向附聚的金属材料粉末提供更大量的动能，并与初始热能一起，由此使金属材料颗粒互相结合。
[0014]根据另一目的，本发明提出用于通过烧结包含颗粒的粉状金属材料制造机械部件的装置，所述粉状金属材料具有确定的熔融温度，所述装置包括，一方面，具有适合容纳给定量的粉状金属材料的空腔的模具，和另一方面，用于使所述给定量的所述粉状金属材料在压力下附聚的冲压件，所述模具包括用于向所述给定量的粉状金属材料供应热能并使其达到比所述熔融温度低的给定温度的加热装置，所述装置进一步包括用于撞击所述冲压件以冲击或压实所述给定量的达到所述给定温度的附聚的粉状金属材料的器件，从而将所述粉状金属材料的颗粒互相结合以获得一个实心体。根据本发明，该装置进一步包括热交换器以在所述冲压件使所述实心体保持在压力下的同时使积聚在所述实心体中的热能消散，以获得所述机械部件。
[0015]因此，借助位于实心体周围的热交换器，使在加热阶段和在冲击过程中积聚在其内的热能消散。
[0016]此外，本发明的制造装置还包括适合朝所述冲压件同轴移动的反向冲压件。因此，形成适合以改进的机械效率附聚和压实粉状金属材料的两个相对的壁。
[0017]优选地，所述一个空腔具有圆柱对称性。因此冲压件和反向冲压件，可以在其内被彼此相对地同轴平移。因此，在冲压件和反向冲压件之间使实心体保持在压力下，同时其通过压力的作用径向紧靠模腔壁。由此，可以使该实心体在该空腔内轴向平移。
[0018]根据本发明的一个特别有利的特征，所述热交换器限定出具有相同圆柱对称性的另一空腔，且所述交换器适合连接到所述模具上以使所述另一空腔与所述一个空腔的延长线重合。此外，冲压件和反向冲压件适合经过所述另一空腔。因此，冲压件和反向冲压件(实心体保持在它们之间)的同轴平移能够将该实心体推动到所述另一空腔内。由此，将该实心体从热的模具空腔向冷的热交换器空腔推动。因此，可以在所述另一空腔内急剧降低该实心体的温度，同时使其保持在冲压件和反向冲压件之间的压力下。
[0019]有利地，所述热交换器具有适合形成所述另一空腔的两个半壳。这两个半壳彼此相对放置并可以在彼此远离的位置和彼此靠近的位置(在这里它们由此形成在所述一个模腔的延长线上的所述另一空腔)之间横向移动。
[0020]此外，所述热交换器优选包括热交换流体的流动通道。这些流动通道布置在这两个半壳中并特别靠近形成所述另一空腔的壁。在下文的描述中更详细解释经过热交换器的流动通道的布置。
[0021]参考附图，在阅读仅作为示例性和非限制性实例给出的本发明的一个具体实施方案的下列描述时会看出本发明的其它特征和优点，其中:
[0022]图1A-1D是用于制造烧结机械部件的装置在该实施方法的各种阶段中的局部示意图；
[0023]图2A是图1D中所示的制造装置的一个元件的示意性顶视图；且
[0024]图2B是图2A中所示的元件的示意性透视图。
[0025]本发明的制造方法和用于实施该方法的制造装置适用于粉状金属材料。有利地，它们适用于具有明显低于800°C的熔融温度的粉状金属材料。因此，通过这种方法可以实施具有低熔点的金属合金。
[0026]参考图1A至1D示意性和详细描述基本工具元件和根据本发明的压实方法的各种步骤。
[0027]图1A是具有圆对称性的圆柱形通孔12的模具10的示意图。模具10配有加热装置(未显示)。根据第一个方案，经模具10插入通过焦耳效应工作的筒形加热器。根据另一方案，提供用于使热的传热流体经过模具10以将其加热的流动通道。根据再一方案，使用感应加热手段。模具10配有经由圆柱形孔12部分接合在模具10的下部的反向冲压件14，其限定出模具10内的开放空腔16。反向冲压件14的上端配有下密封盘18，其构成空腔16的下平壁。下密封盘18能以密封方式封闭圆柱形孔12的下端和因此封闭空腔16。
[0028]此外，图1A示出位于空腔16的对侧并远离模具10的冲压件19。冲压件19具有与反向冲压件14相同的横截面并同轴安置。此外，还通过加热装置(未显示)使反向冲压件14和冲压件19达到温度。它们可以通过加热带和/或通过包含筒形加热器的活动外壳系统加热；所述活动外壳包围冲压件的活动端。
[0029]在该方法的第一阶段中，在密封盘18上的空腔16内插入粉状金属材料20，例如铜合金。例如，将60克所述合金粉末倒入空腔16中。预先例如在炉中使该金属粉末达到接近700°C的温度。此外，借助它们的加热和热调节装置使模具10和冲压件19和反向冲压件14的与金属材料接触的部分达到温度。
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