專利名稱：粉末金屬渦旋件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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。
背景技術(shù)：
目前制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)并倒入腔體內(nèi)，然后再固 化后形成渦旋件。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(guī)則或變形，除了導(dǎo)致形成大約0.060+/-0.020英寸的總 余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 工余量(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(fā)生復(fù)雜的熱力學(xué)、動力學(xué)和冶金/化學(xué)方面的相互作用， 因此產(chǎn)生趨膚效應(yīng)(skin effect)。用于鑄造方法中的模具包括砂子、粘接劑和/或陶瓷涂層，熔融金 屬將流入該模具中，且該模具的結(jié)構(gòu)并不完全為剛性。當(dāng)液態(tài)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?；诣T鐵 尤其易于固化膨脹，因為碳或石墨含量高。該現(xiàn)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，渦旋件必須沒有泄漏、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、復(fù)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(zhuǎn)變成可用的 渦旋件。因此，由于目前的鑄造方法的前述能力，過多的機械加工余 量是大批量生產(chǎn)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(qū)域是漸開線渦旋結(jié)構(gòu)自身。銑該 部分將引起最大的工具磨損，并花費最長的加工時間。因此，"漸開線 渦旋結(jié)構(gòu)"的尺寸精度是最重要的。 發(fā)明內(nèi)容本文所述的兩種基本類型的粉末金屬制造方法能夠以"趨膚效應(yīng)" 層更少和尺寸公差更好的方式制造渦旋件，同時還能滿足渦旋件工作 所需的嚴格應(yīng)力和壓力要求。它們是金屬注入模制和普通擠壓和粉末 燒結(jié)冶金技術(shù)。這兩種方法都有在粉末冶金實踐中使用的相關(guān)實施例， 并可用于制造接近凈形狀的渦旋件或制造凈形狀的渦旋件。該渦旋件 既可以整體形成，也可以以部件方式形成，然后連接在一起，以形成 整個渦旋件。通常，本發(fā)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?？梢钥紤]整個渦旋件都利用粉末金屬技術(shù)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(shù)制造。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，然后再將它們固定 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(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)當(dāng) 知道，表示本發(fā)明優(yōu)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(fā)明范圍的限定。


通過詳細說明和附圖，能夠更好地理解本發(fā)明，附圖中 圖1-2是本發(fā)明的渦旋件；圖3a-3b是本發(fā)明第二實施例的渦旋件的分解透視圖； 圖4a-4b是本發(fā)明第三實施例的渦旋件的分解透視圖； 圖5a-5b是本發(fā)明第四實施例的渦旋件的分解透視圖； 圖6是本發(fā)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- IO是本發(fā)明的渦旋件的冶金結(jié)構(gòu)的顯微照片。
具體實施方式
下面將參考附圖，附圖中是為了舉例表示本發(fā)明的優(yōu)選實施例，而不是為了進行限定。圖l-2表示了根據(jù)本發(fā)明制造的渦旋件的透視 圖。漸開線渦旋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)IO是粉末金屬的，而基板12是(最小 Grade 30 )灰鑄鐵的。優(yōu)選是，由于經(jīng)濟原因，該基板12由普通的砂 鑄方法制成，例如垂直分模法(DISA等)。優(yōu)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?？梢岳迷杏齺肀ＷC使石墨分布均勻和大小足 夠均勻?？梢钥紤]將稀土元素作為孕育劑添加到粉末金屬混合物中。 盡管在輸入的部件中，漸開線渦旋結(jié)構(gòu)10的凈形狀和尺寸的精度水平 是最重要的，該基板12也可以進行大量的后機械加工處理。除了多孔 性，該漸開線渦旋結(jié)構(gòu)10的基體優(yōu)選為具有最少卯％的珠光體。漸 開線渦旋結(jié)構(gòu)10中石墨的存在并不必要，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(jié)構(gòu)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)、釬焊來 實現(xiàn)，或者可以采用燒結(jié)連接。電容放電焊接與普通電阻焊類似，只 是將產(chǎn)生非常高的供熱速率。電容的放電將允許在短時間內(nèi)有較高電 流，從而產(chǎn)生很高供熱速率。該焊接方法的主要優(yōu)點是可以在無有害 作用(產(chǎn)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，并能夠適應(yīng)漸開線渦 旋結(jié)構(gòu)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(fā)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(shù)形成為一件的漸開線渦旋結(jié)構(gòu)10和基座14。輪 轂16利用前述的焊接技術(shù)在輪轂槽29內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)砂鑄技術(shù)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(yōu)選是，可以利用釬焊材料 來將粉末金屬輪轂連接到粉末金屬基板上。在燒結(jié)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(jié)過程中硬化的材料 來固定實心輪轂。圖4a - 4b表示了本發(fā)明的第三實施例。圖中所示的漸開線渦旋結(jié) 構(gòu)10和板(palette ) 20子組件22由粉末金屬制成。該漸開線渦旋件 板子組件22利用前述連接技術(shù)與基板12連接。應(yīng)當(dāng)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(jié)構(gòu)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表示了利用形成于基座12上的基板槽25來接受漸開線 渦旋結(jié)構(gòu)10。基板槽25有利于使?jié)u開線渦旋結(jié)構(gòu)10與基板12對齊 和定位?；宀?5也能提高該漸開線渦旋結(jié)構(gòu)IO在基板12的交界面 處的強度?？梢圆捎煤附臃椒▉硎购附咏缑嫣幍挠不瘏^(qū)域減至最小， 這可以通過快速從焊接溫度冷卻而實現(xiàn)?？拷附游恢玫脑撚不瘜涌?能會成為裂紋的起源點，因為在硬化區(qū)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于使該區(qū)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(xiàn)該現(xiàn)象，例如本文所述的材料?；?槽25可以承受彎曲力矩，并有助于使前述硬化區(qū)中的局部應(yīng)變減至最 小和減小在接頭處出現(xiàn)疲勞失效的可能性?；宀?5的缺點是引起分 流(渦旋件的處于槽壁處的側(cè)部形成短路)。在漸開線渦旋結(jié)構(gòu)10 上或在基板12的基板槽25內(nèi)形成有高阻力涂層21都可以使分流效應(yīng) 減至最小。在焊接過程中，漸開線渦旋結(jié)掎，IO的整個長度需要連續(xù)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 容放電焊接由于快速供熱，因此也使變形更小。最好如圖7a所示，優(yōu)選是，在渦旋件上模制形成倒角26，以便減小與基板12的邊緣接觸，從而相應(yīng)地減小分流和有助于在連接過程 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有助于集中電流，這有利于進行熔解。在焊接過程 中，該凸起37局部毀壞。該凸起37可以是不連續(xù)的，并布置成彼此 以預(yù)定間隔環(huán)繞渦旋件，或者該凸起37可以是連續(xù)的。圖7b和7c 是電阻焊。電阻焊需要減小的區(qū)域。在焊接過程中，凸起37使電流集 中，并在焊接過程中毀壞該凸起37?；?2中的基板槽25可以用于將漸開線渦旋結(jié)構(gòu)IO對齊和定位 在基板12上。在使?jié)u開線渦旋結(jié)構(gòu)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，還可以在不采用基板 槽25的情況下使?jié)u開線渦旋結(jié)構(gòu)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，可以利用釬焊材料，以便于將漸開線渦旋結(jié)構(gòu) 10連接到基板12上。另外，可以利用釬焊材料28來將輪轂16連接 到基板12的背面輪轂槽29內(nèi)。這一方法的優(yōu)點是例如通過前述焊接 方法在接頭交界面形成硬化區(qū)。當(dāng)其中有石墨時(例如本文所述的灰 鐵或石墨粉末金屬)，釬焊材料28的一個問題是該石墨將覆蓋金屬的 表面，并延遲該釬焊材料28的浸潤。解決該問題的一個方法是在允許 發(fā)生浸潤的合適氣體中進行熔爐釬焊。另 一方法是將釬焊材料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AWSFB3-C或AMS3411)。另一方法是在釬焊之前 的一個單獨步驟中預(yù)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釬焊材料，例如Bni-7 (含鎳軸承合金)。其 它合金如Bag-3、 Bag-4、 Bag-24或RBCuZn型填料也能成功用于鑄 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(shè)置成能夠?qū)π枰鍧嵉谋砻孢M行氧 化或還原。需要時，可以根據(jù)極性來除去石墨和氧化物。由于經(jīng)濟原 因，優(yōu)選的情況是在進行釬焊之前能夠在例如基于堿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。釬焊粉末金屬的另一問題是過多的釬焊材料28將芯吸到多孔的 粉末金屬部分中。當(dāng)芯吸過量時，可能導(dǎo)致釬焊接頭質(zhì)量差，因為釬 焊材料28從該連接表面除去。解決該問題的一種方法是采用能夠減小 芯吸作用的釬焊材料28。所需的釬焊合金必須能與粉末金屬表面反 應(yīng)。該反應(yīng)通過產(chǎn)生熔融溫度比當(dāng)前釬焊溫度更高的冶金化合物來減 小芯吸的量。 一種這樣的釬焊合金為SKC-72，它的組分為30-50%重 量的銅、10-20%鎂、3-25%的4失、0.5-4%的硅、0.5-2%的硼，其余為 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。釬焊材料28可以是鍛件形式、糊狀物或金屬粉、或者鑄造預(yù)制品， 或者優(yōu)選是固體粉末金屬的預(yù)制金屬塊，它們將在釬焊之前布置于基 板12的基板槽25中或布置于輪轂槽29中。當(dāng)釆用糊狀物時，必須注 意不能在釬焊過程中產(chǎn)生氣體。該釬焊的方法可以是局部電阻加熱或 熔爐釬焊。電阻焊的優(yōu)點是加熱的變形最小，因為加熱在局部進行。 熔爐釬焊的優(yōu)點是能夠在保護氣體中進行釬焊，該保護氣體將有助于 浸潤。還有，釬焊可以與燒結(jié)同時進行，這在經(jīng)濟上有利。圖7d表示了有優(yōu)選倒角26的焊接材料28的形狀。盡管圖中所示 為扁平條帶，但是也可以采用其它形式的焊料，例如絲狀、預(yù)制部件 或糊狀(有或沒有助熔劑)。接頭間隙將根據(jù)所用焊接合金的類型而 按照AWS標(biāo)準(zhǔn)確定。例如，對于前述SKC-72合金，優(yōu)選的接頭間 隙將在0.002和0.005英寸之間。(優(yōu)選的)"粉末金屬塊"的密度為大 約4.5-6.5克/cc，尤其優(yōu)選是大約5.5克/cc。粉末金屬預(yù)制塊的密度對 于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(jié)構(gòu)IO插入基板槽25中之后，將 焊接材料28布置在基板12的頂部。然后，毛細作用將焊接材料28 吸入間隙30中，并環(huán)繞漸開線渦旋結(jié)構(gòu)10的底部32。也可選擇，漸 開線渦旋結(jié)構(gòu)10和基板12可以模制在一起，但是軸承輪轂16單獨制造，并連接到該基板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(shù)制成一件，如圖3a所示。該軸承輪轂16制成一個單獨的粉末金 屬件，并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。這里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。所述的金屬注射模制法釆用非常細的鐵粉，其中，粉末微粒覆蓋 有聚合物"粘合劑"。然后使該粉末/聚合物組合("供料")加熱，并通 過使用注射模制機而注入模具中，以便形成渦旋件。粘合劑作為栽體， 有助于進行注射模制。金屬注射模制的基本過程與注塑模制類似。模 制壓力和溫度根據(jù)所用的特定粉末/粘合劑系統(tǒng)而優(yōu)化成能夠合適填 充成漸開線渦旋結(jié)構(gòu)。注射系統(tǒng)內(nèi)的情況實際上是觸變(當(dāng)由注射處 理的熱引起的剪切應(yīng)力增大時，粘性減小)。然后使所形成的模制渦 旋件去粘合(deboimd)(除去粘合劑)，再進行燒結(jié)(以便完成致 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(dāng)線性尺寸公差為大約0.3%時，不需要用于 "趨膚效應(yīng)"的材料余量。模具的起模角大約為0.5度。為了減小成本，優(yōu)選是采用平均微粒大小盡可能大的鐵粉(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(jié) 時間，并能有合適的可模制性。圓形微粒擠得更緊，燒結(jié)更快，且需 要更少的粘合劑，但是在去粘合(debinding)和燒結(jié)的過程中不能阻 礙形狀變形。不規(guī)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(在振動粉末試樣后獲得最高密 度，從而使體積最小)。盡管100%不規(guī)則形狀和更大的微粒在經(jīng)濟 上有利，但是因為處理困難，因此需要采用既有球形也有不規(guī)則形狀 的混合或散布微粒。100%的球形形狀、100%的不規(guī)則形狀或各占某 種比例都可以采用。必須采用有合適粘性的供料，以便形成漸開線渦旋結(jié)構(gòu)。金屬加載更高，供料的粘性可以更大。當(dāng)粘性太大時，材料將不能進行注射 模制。不過，太低的粘性可能使得供料易于在注射模制過程中產(chǎn)生金 屬粘合劑分離。多種粘合劑系統(tǒng)可以用于渦旋件形成處理蠟聚合物、基于乙酰 的、水溶性的、基于瓊脂水的、以及水溶性/交叉連接的。基于"乙酰" 的粘合劑系統(tǒng)的主要成分是聚曱醛或聚乙酰，并有少量的聚烯烴。乙 酰粘合劑系統(tǒng)具有結(jié)晶性質(zhì)。因為結(jié)晶性，模制的粘性相當(dāng)高，這需 要在模制溫度方面進行閉環(huán)控制。該粘合劑的去粘合通過由硝酸在低 溫下對聚乙酰成分進行化學(xué)催化去聚合作用而進行。尤其是對于更厚 的部件，粘合劑的去粘合處理可以更快。模制溫度為大約180°C，模 具溫度為大約100-140。C,這相對較高。還可以釆用"蠟聚合物，，粘合劑系統(tǒng)。該粘合劑具有良好的可模制 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(yōu)化去粘合時間，以便能克服該問題。還可以考慮采用多組分粘合 劑化合物，這樣，性質(zhì)能夠隨溫度逐漸變化。這能夠使加工范圍更廣。 蠟聚合物系統(tǒng)能夠在氣體爐或真空爐中和通過溶解方法去粘合。通常 的材料模制溫度為175°C，模具溫度通常為40'C。還可以采用"水溶性"粘合劑。"水溶性，，粘合劑由聚乙烯構(gòu)成，并 還有一些聚丙烯、部分水解且可溶于冷水的聚乙烯醇、水和增塑劑。 粘合劑部分能夠在大約80-100。C下通過水去除。模制溫度為大約 185'C。該系統(tǒng)為環(huán)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。還可以釆用基于"瓊脂-水"的粘合劑?；诃傊?水的粘合劑的優(yōu) 點是，因為水的蒸發(fā)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(jié)階段。模制溫度為大約85。Cr模具溫度 更低。在模制過程中要注意，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(fā)。另一缺點是，因為 模制部件較軟，需要小心地進行特定操作。在剛模制之后可以進行專 門的干燥，以便于操作。還可以采用"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，然后進行交叉連接步驟。有 時這也稱為供料的化合反應(yīng)。主要的成分是聚乙二醇甲醚和聚曱醛。 該粘合劑/去粘合系統(tǒng)導(dǎo)致較低的變形和較低的尺寸公差。還有，當(dāng)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(jié)過程中進行夾緊，以幫助防止部件滑落(slumping)。還發(fā)現(xiàn)，"在燒結(jié)點之下"(但是仍然致密化成能 夠滿足密度/強度標(biāo)準(zhǔn))將有助于保持尺寸控制。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(shè)計必須進行優(yōu)化，以便于金屬注射模制。整個部 件的壁厚應(yīng)當(dāng)盡可能均勻和薄，所用的芯應(yīng)當(dāng)適于實現(xiàn)該要求。均勻 和最小的壁厚能夠使變形減至最小，并能加快去粘合和燒結(jié)，且減小 材料成本。還發(fā)現(xiàn)，所述金屬注射模制法制成非常致密的部件(通常比重超 過7.4)。這是金屬注射模制的一個獨特方面，能夠制造特別高強度的 材料，這能夠生成比目前的鑄鐵結(jié)構(gòu)更薄和更輕的渦旋件。因此，金 屬注射模制法能夠提供比現(xiàn)有技術(shù)的灰鑄鐵渦旋件更優(yōu)的強度。(固定和公轉(zhuǎn)的)渦旋件部分的最終的燒結(jié)密度最小值為大約 6.5gm/cm3 (優(yōu)選是最小值為大約6.8gm/cm3)。該密度應(yīng)當(dāng)盡可能均 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泄漏也要考慮，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(dāng)有自由石墨封力 3.0-3.3%) 、 0-10%的銅、0-5%的鎳、0-5%的鉬、0-2%的鉻、其余 為鐵。也可以添加有其它少量組分，以便改變或提高微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)將與鑄鐵 類似。盡管根據(jù)壓縮機用途的摩擦要求可能需要含有石墨的結(jié)構(gòu)，粉末金屬的優(yōu)選微觀結(jié)構(gòu)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，并對尺寸精度和公差有不利影響?？梢栽O(shè)想一個渦旋 件(例如固定部分含有石墨，公轉(zhuǎn)部分沒有石墨)。優(yōu)選是，燒結(jié)時間將使得最終部件的基體結(jié)構(gòu)中最少有90%體積的珠光體(不計空隙 (discounting voids))。當(dāng)存在自由石墨時，它可以為球形、不規(guī)則 形狀或薄片形。自由石墨的體積百分數(shù)優(yōu)選是在大約5%和20%之間， 優(yōu)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?？梢约性跍u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(yōu)選是，可以在整個渦旋 件中均勻分布。微粒尺寸、形狀和分布將適于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(xù)存在磨損 結(jié)合。在金屬注射模制或粉末金屬加工的設(shè)計中，當(dāng)包含石墨時，必 須考慮由于添加石墨而引起的尺寸變化。為了在最終的粉末金屬結(jié)構(gòu)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(jié)過程中擴散，并形成珠光體。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(tài)的石墨涂覆有金屬例如銅或鎳，從而形成自由石墨。該金屬 涂層防止或至少減小在燒結(jié)過程中的碳擴散。通常，粉末金屬或MIM (金屬注射模制)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(chǎn)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，并有更高密度。 一種選擇 是包含化學(xué)當(dāng)量的鎂和硫，以便形成疏化鎂，這也有助于提高機械加 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(fā)現(xiàn)， 除了添加硫化鎂外，由于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(yōu)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，同時由于填充了空隙， 使微疲勞現(xiàn)象減至最小。合適的聚合物形式為混合有不飽和聚酯的曱 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(nèi)部空隙中沒有氧氣。
并不需要通過非常精確的制造方法來制造基板12，因為漸開線渦 旋結(jié)構(gòu)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制成，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制成?？梢圆捎肈ISA(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(jīng)濟上 相對有利。
在漸開線渦旋結(jié)構(gòu)10的模制和燒結(jié)過程中保持尺寸精度和避免 變形以及保護其工具(模具和沖頭)都非常重要。可能需要下面的粉 末金屬技術(shù)中的一種或一組來控制漸開線工具的變形。
在"熱壓緊"中，采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300T (在模制之前或模制過程中)。 熱壓緊能夠使生坯粉末金屬部件更堅固，并使生坯部件和最終的燒結(jié) 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(jié)變形的 可能性。而且，熱壓緊的生坯比傳統(tǒng)模制部件更堅固，因此在加工時 不會那么容易出現(xiàn)裂紋。熱壓緊漸開線渦旋結(jié)構(gòu)10也使得模制部件更 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(yōu)點是 能夠?qū)ι?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(yōu)點，即更容易進行機械加工，因 為部件并沒有燒結(jié)至全強度，且生坯部件更堅固，從而更容易加工和 夾緊。
有助于粉末金屬漸開線渦旋結(jié)構(gòu)10的制造的另一處理方法是"模 具壁面潤滑"。在該方法中，模具壁涂覆有專門的潤滑劑，該潤滑劑可 以為固體噴霧或液體形式，并在高溫下穩(wěn)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 壁潤滑可用于代替(或部分代替)在粉末內(nèi)的潤滑(內(nèi)部潤滑)。內(nèi)
部潤滑可以采用大約0.75%的潤滑劑，而模具壁潤滑將使得內(nèi)部潤滑 劑為大約0.05%。內(nèi)部潤滑劑的量更低導(dǎo)致密度更高、密度分布更好、 爐中的煙灰更少、生坯強度更大、在壓緊后生坯回彈更小、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下，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100T)。由于該特性，在壓緊過程中，模具壁 潤滑劑可以很容易地轉(zhuǎn)變成液體?；旌嫌懈叩蜏囟鹊臐櫥瑒┛梢允够?合物的有效熔點降低至低于組分中的最高熔點值，只要使所用溫度高 于某一臨界值。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(xiàn)該目的的一種合適方法。將不同熔點的潤滑劑混合也有 助于流體化效果。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酰胺(EBS )、 硬脂酸和月桂酸。
便于粉末金屬漸開線渦旋結(jié)構(gòu)10制造的另一方法是在燒結(jié)后進 行精壓或"壓制"。該方法需要在一組模具中重新壓制該燒結(jié)的部件， 該組模具提高了尺寸精度，并減小了相對于燒結(jié)部件的尺寸公差。這 使得該部件更接近基本形狀，并稍微使它增強。
一種避免在模具和沖頭上集中較高應(yīng)力的觀點是采用"液體金屬 輔助燒結(jié)"。該壓制生坯結(jié)構(gòu)以與前述相同的組分制成，只是制造壓力 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(dǎo)致 作用在模具上的應(yīng)力更小，從而增加模具壽命，并且將減小出坯問題。 然后，在燒結(jié)過程中，大約1分％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(jié)速度。在最終的燒結(jié)部件中，銅合金使部件 的強度提高。如果沒有銅合金，壓制后的部件不能足夠堅固。還一附 加優(yōu)點是，分布在最終形成的部件中的銅將有助于壓縮機在工作時的 摩擦特性。不過，液體金屬輔助燒結(jié)增加了該渦旋件在燒結(jié)后的變形量。
在燒結(jié)或釬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。 也可以采用其它固定結(jié)構(gòu)，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(jié)過程中部件的形狀和尺寸發(fā)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(jù)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，并可以通過在部件 和盤之間涂布鋁粉而實現(xiàn)。
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(fā)生分離。粉末的供給和傳送機構(gòu)能夠避免粉末分離將是很 重要的。避免分離的一種方法是釆用預(yù)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盡可能快地進行充裝。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(wěn)定性(燒 結(jié)變形)。粉末流動性應(yīng)當(dāng)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，最好采用 高溫粘合劑，以防止出現(xiàn)流動問題。
在粉末金屬渦旋件的制造中對所有關(guān)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(jiān)控的兩個這樣的 關(guān)鍵步驟的實例是生坯部件性質(zhì)(密度和尺寸)和在負載下的爐內(nèi)燒 結(jié)溫度均勻。
模具自身能夠永久性涂覆有潤滑劑，以便減小摩擦?？梢圆捎玫?涂層例如金剛石或鉻。模具涂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。
對于減小變形，材料選擇很螯要。對于尺寸穩(wěn)定性，重要的是選 擇最優(yōu)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(dāng)碳含量較低時(小于0.6%)。 而且，粉末合金制造方法的選擇也很重要。擴散或粘合形成合金的方 法是優(yōu)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，類似于MPIF FD-0408或FC-0208這樣的合金非常適于渦旋件。
使模具完全充滿粉末很重要。為了使粉末完全充滿模具，可以采 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(fā)生粉末分離。必要時 也可以采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(fā)明的另 一 實施例中，整個渦旋件將模制成簡單幾何形狀的 實心形狀。這時，在模制時或在"生坯"狀態(tài)下，加工出漸開線渦旋結(jié) 構(gòu)10、輪轂16和基板12的精細部分。然后象正常情況一樣對該渦旋 件進行燒結(jié)。然后可以使用該渦旋件，或者需要對它進行某些精加工， 以便補償燒結(jié)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(jié)構(gòu)IO生坯能夠由這樣的方法和材料制成，即該 方法和材料能夠使該生坯強度足以承受機械加工應(yīng)力和進行機械加工 所需的相關(guān)夾緊應(yīng)力。這時，粉末將涂覆有粘合劑，該粘合劑能夠承 受直到大約300T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(fā)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(jié)構(gòu)的基板和頂部的情況。所示的是珠光 體結(jié)構(gòu)、沒有石墨結(jié)構(gòu)存在。圖IO表示了處于未蝕刻狀態(tài)下的粉末金 屬漸開線渦旋結(jié)構(gòu)在100倍時的情況。在燒結(jié)材料中可以看見孔隙。 該孔隙中有聚合物密封材料。
對本發(fā)明的詳細說明僅僅是作為實例，不脫離本發(fā)明要點的變化 形式也將包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這樣的變化形式不能認為脫離了本 發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1. 一種渦旋件的漸開線渦旋結(jié)構(gòu)，包括大量被處于預(yù)燒結(jié)狀態(tài)的粘合劑粘合在一起的金屬微粒，形成了一種處于燒結(jié)后的狀態(tài)的多孔金屬漸開線渦旋結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的漸開線渦旋結(jié)構(gòu)，其中所述金屬微粒 的平均微粒直徑大于5微米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸開線渦旋結(jié)構(gòu)，其中大量所述金屬 微粒有不規(guī)則的形狀。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸開線渦旋結(jié)構(gòu)，其中大量所述金屬 微粒包括球形形狀的微粒。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸開線渦旋結(jié)構(gòu)，其中該金屬微粒包 括鐵。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的漸開線渦旋結(jié)構(gòu)，其中該金屬微粒包 括大約0.6-0.9%的碳。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸開線渦旋結(jié)構(gòu)，其中該金屬微粒包 括大約0-5%的鎳。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸開線渦旋結(jié)構(gòu)，其中該金屬微粒包 括大約0-5%的鉬。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的漸開線渦旋結(jié)構(gòu)，其中該金屬微粒包 括大約0-2%的鉻。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸開線渦旋結(jié)構(gòu)，其中該粘合劑從 以下組中選擇蠟聚合物、乙?；傊凰退苄?交叉連接型。
11. 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(jié)構(gòu)模具腔內(nèi)，'以便形成漸開線渦旋結(jié)構(gòu)生坯；將所述漸開線渦旋結(jié)構(gòu)生坯從所述模具腔中取出；以及 燒結(jié)所述漸開線渦旋結(jié)構(gòu)生坯，以便形成漸開線渦旋結(jié)構(gòu)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11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。
13. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中所述金屬粉末包括鐵。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13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。
15. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中所述金屬粉末是平均直 徑大于5微米的鐵粉。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述金屬粉末還包括從 以下組中選擇的元素0.7-3.5%碳、0-10%銅、0-5%鎳、0-5%鉬、0-2% 鉻以及它們的混合物。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中對所述的漸開線渦旋結(jié) 構(gòu)生坯進行燒結(jié)，直到所述的漸開線渦旋結(jié)構(gòu)包括至少90%容積的珠 光體結(jié)構(gòu)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中對所述的漸開線渦旋結(jié) 構(gòu)生坯進行燒結(jié)，直到所述漸開線渦旋結(jié)構(gòu)包括0-20%的自由石墨。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述漸開線渦旋結(jié)構(gòu)包 括12%的自由石墨。
20. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述金屬粉末包括鐵粉， 該鐵粉有多種形狀，并有至少兩種平均直徑。
21. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括以下步驟 將金屬涂覆的石墨微粒與所述金屬粉末混合。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述金屬涂覆的石墨微 粒包括由銅涂覆的石墨微粒。
23. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括將硫化鎂與所述金屬 粉末混合的步驟。
24. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括在將所述的漸開線渦 旋結(jié)構(gòu)生坯從所述模具中取出后對其進行機械加工的步驟。
25. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中對所述的漸開線渦旋結(jié)構(gòu) 生坯進行燒結(jié)，直到所述的漸開線渦旋結(jié)構(gòu)的密度大于大約 6.8gm/cm3。
26. —種形成渦旋件的方法，包括以下步驟 形成一漸開線渦旋結(jié)構(gòu)，其包括漸開線和通過粉末冶煉過程而形成的基板部分；形成一輪轂，其包括金屬材料；以及 使所述漸開線渦旋結(jié)構(gòu)與所述輪轂連接。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述方法，其中所述漸開線渦旋結(jié)構(gòu)和所述 輪轂的所述連接包括將漸開線渦旋結(jié)構(gòu)通過電容放電焊接至輪轂。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述方法，其中所述漸開線結(jié)構(gòu)和所述輪轂 的所述連接包括將釬焊材料布置成靠近所述漸開線渦旋結(jié)構(gòu)，以及充分加熱，以便熔化所述釬焊材料。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述方法，其中所述釬焊材料包括 大約30-50%的銅；大約10-20%的鎂； 大約3-25%的4失； 大約0.5-4%的珪； 大約0.5-2%的硼； 其余為鎳。
30. 根據(jù)權(quán)利要求28所述方法，其中充分加熱以便熔化所述釬焊 材料是通過局部電阻加熱釬焊材料。
31. 根據(jù)權(quán)利要求28所述方法，還包括以下步驟將具有多個尺 寸的金屬石墨微粒與所述金屬粉末混合。
32. 根據(jù)權(quán)利要求26所述方法，其中所述輪穀的形成通過一粉末 冶煉過程而進行。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述方法，其中形成所述漸開線渦旋結(jié)構(gòu)的 步驟包括首先由金屬粉末形成漸開線渦旋結(jié)構(gòu)生坯；形成所述輪轂結(jié) 構(gòu)的步驟包括首先由金屬粉末形成輪穀結(jié)構(gòu)生坯；所述方法還包括對 所述漸開線渦旋結(jié)構(gòu)生坯和輪轂結(jié)構(gòu)生坯加熱，以便同時燒結(jié)并連接 所述漸開線和渦旋結(jié)構(gòu)。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33所述方法，其中所述方法還包括將釬焊材料布置成靠近所述漸開線渦旋結(jié)構(gòu)生坯的一個或多個區(qū)域內(nèi)，所述加熱 是燒結(jié)-釬焊過程。
35. —渦旋件，包括多孔的渦旋結(jié)構(gòu)，其具有漸開線和基板部分，所述渦旋結(jié)構(gòu)包括 處于預(yù)燒結(jié)狀態(tài)的金屬粉末；一輪轂結(jié)構(gòu)包括金屬材料；其中渦旋結(jié)構(gòu)通過接頭同輪轂結(jié)構(gòu)連 接以形成單片渦旋件。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述渦旋件，其中還包括設(shè)置于金屬粉末附 近的處于預(yù)燒結(jié)狀態(tài)的粘合劑。
37. 根據(jù)權(quán)利要求35所述渦旋件，其中所述輪轂結(jié)構(gòu)的金屬材料 包括處于預(yù)燒結(jié)狀態(tài)的金屬粉末，以及所述輪轂結(jié)構(gòu)被置于與渦旋結(jié) 構(gòu)連接接近處。
38. 根據(jù)權(quán)利要求37所述渦旋件，其中所述輪轂結(jié)構(gòu)還包括處在 所述預(yù)燒結(jié)狀態(tài)的聚合體。
39. 根據(jù)權(quán)利要求35所述渦旋件，其中金屬粉末包括從以下組中 選擇的元素碳、鎳、鉬、鉻、銅以及它們的混合物。
40. 根據(jù)權(quán)利要求35所述渦旋件，其中所述金屬粉末包括鐵。
41. 根據(jù)權(quán)利要求40所述渦旋件，其中所述金屬粉末是平均直 徑大于5微米的鐵粉。
42. 根據(jù)權(quán)利要求40所述渦旋件，其中所述金屬粉末還包括從以 下組中選擇的元素0.7-3.5%碳、0-10%銅、0-5%鎳、0-5%鉬、0-2% 鉻以及它們的混合物。
43. 根據(jù)權(quán)利要求35所述渦旋件，所述渦旋結(jié)構(gòu)包括至少90% 容積的珠光體。
44. 才艮椐權(quán)利要求35所述渦旋件，所述渦旋結(jié)構(gòu)包括少于^^0% 的自由石墨。
45. 根據(jù)權(quán)利要求44所述渦旋件，其中所述渦旋結(jié)構(gòu)包括約 12%的自由石墨。
46. 根據(jù)權(quán)利要求35所述渦旋件，其中所述金屬粉末包括鐵粉，該鐵粉有多種形狀，并有至少兩種平均直徑。
47. 根據(jù)權(quán)利要求35所述渦旋件，其中所述金屬粉末包括金屬涂 覆的石墨」微粒。
48. 根據(jù)權(quán)利要求47所述渦旋件，其中所述金屬涂覆的石墨微 粒包括由銅覆蓋的石墨微粒。
49. 根據(jù)權(quán)利要求35所述渦旋件，其中所述渦旋結(jié)構(gòu)還包括硫化鎂。
50. 根據(jù)權(quán)利要求35所述渦旋件，其中所述的漸開線部分包括一 機械加工面。
51. 根據(jù)權(quán)利要求35所述渦旋件，其中所述的多孔渦旋結(jié)構(gòu)的燒 結(jié)后密度大于大約6.8gm/cm3。
52. 根據(jù)權(quán)利要求35所述渦旋件，還包括被設(shè)于渦旋結(jié)構(gòu)和輪轂 結(jié)構(gòu)間的釬焊材料，以便形成所述接頭。
53. 根據(jù)權(quán)利要求52所述渦旋件，其中所述釬焊材料包括 大約30-50%的銅；大約10-20%的鎂； 大約3-25%的4失； 大約0.5-4%的珪； 大約0.5-2%的硼； 其余為鎳。
全文摘要
渦旋件由一個或多個接近凈形狀的粉末金屬部件形成，并且既可以整體形成，也可以由幾個部分一起形成。還介紹了“普通”壓制和燒結(jié)方法以及金屬注射模制方法。
文檔編號C22C33/02GK101275567SQ20081009917
公開日2008年10月1日 申請日期2002年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月24日
發(fā)明者馬克·J·斯坎卡勒羅 申請人:愛默生氣候技術(shù)公司