形成金屬部件的方法
【專利說(shuō)明】形成金屬部件的方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2013年8月2日提交的英國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?313849.9、2013年11月15日提交的英國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?320168.6和2013年11月15日提交的英國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?320171.0的優(yōu)先權(quán)，其全部公開內(nèi)容通過(guò)引用的方式被完整包含在本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及由粉末供料形成金屬部件的方法。
[0004]本發(fā)明還涉及由粉末供料形成金屬部件的裝置。
【背景技術(shù)】
[0005]粉末冶金是由粉末供料形成金屬部件的已知方法。在已知的熱等靜壓制(HIP)工藝中，粉末在鋼鐵模具中成形，鋼鐵模具被施加壓力和溫度。一般，氬氣被用于提供50兆帕至300兆帕范圍的等靜壓力。在此工藝中，材料溫度被提高從而燒結(jié)粉末并引起顆粒熔合到一起。然而，已知的粉末冶金受到被加工產(chǎn)品的尺寸及其形狀復(fù)雜度的限制。另外，這是一種高昂且費(fèi)時(shí)的工藝。與更為傳統(tǒng)的鑄造工藝所生產(chǎn)的產(chǎn)品相比，這難于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)并且經(jīng)常不能生產(chǎn)出所需尺寸和復(fù)雜度的產(chǎn)品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供了一種由粉末供料形成金屬部件的前述類型的方法，包括的步驟有:由陶瓷材料構(gòu)建陰性模具，所述陶瓷材料的熔點(diǎn)高于所述粉末供料的熔點(diǎn)；將金屬粉末的所述供料布置在所述模具中；將所述模具置于具有感應(yīng)加熱系統(tǒng)的真空室中；和采用所述感應(yīng)加熱系統(tǒng)將所述模具加熱至高于所述金屬粉末的熔點(diǎn)的溫度，使得所述金屬粉末在所述模具中熔化;其中所述感應(yīng)加熱系統(tǒng)包括顆粒狀的電納材料。在一個(gè)實(shí)施例中，在將供料布置在模具中的過(guò)程中，能夠引入一定程度的振動(dòng)以利于供料在模具內(nèi)的分散。
[0007]在一個(gè)實(shí)施例中，還引入供料管，供料管內(nèi)含有額外的液態(tài)金屬用于隨著模具的冷卻和模具內(nèi)所含金屬的收縮而供給至模具。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供了一種上述類型的裝置，包括:由陶瓷材料構(gòu)成的部件的陰性模具，陶瓷材料的熔點(diǎn)高于容納在模具中的所述粉末供料的熔點(diǎn)；用于容納所述模具的真空室，該真空室裝備有感應(yīng)加熱系統(tǒng);其中所述感應(yīng)加熱系統(tǒng)包括顆粒狀的電納材料并且被配置為將所述模具加熱至高于金屬粉末的熔點(diǎn)的溫度以利于模具內(nèi)的金屬粉末熔化。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1示出了形成金屬部件的方法；
[0010]圖2示出了構(gòu)建陽(yáng)性模型的步驟；
[0011]圖3示出了用于生產(chǎn)模具的附加層；
[0012]圖4示出了供料的布置；
[0013]圖5示出了用于形成金屬部件的裝置；
[0014]圖6示出了供料段的橫截面；
[0015]圖7示出了金屬粉末加載后的圖5的模具；
[0016]圖8示出了具有液態(tài)金屬的圖7的模具；
[0017]圖9示出了模具的部分橫截面視圖；
[0018]圖10不出了進(jìn)一步冷卻后的圖9的視圖；
[0019]圖11示出了一個(gè)可選結(jié)構(gòu)的模具；
[0020]圖12表明了一個(gè)加熱系統(tǒng)；
[0021]圖13不出了模具的一個(gè)可選實(shí)施例;及
[0022]圖14示出了浸入顆粒狀電納材料的模具。
【具體實(shí)施方式】
[0023]圖1
[0024]—種由粉末供料形成金屬部件的方法在圖1中被表明。供料初始處于粉末狀態(tài)(圖4中詳示)并且通過(guò)采用加熱的方式(圖12中詳示)形成固態(tài)部件。在步驟101中，部件的犧牲性陽(yáng)性模型102被構(gòu)建。在步驟103中，由材料圍繞陽(yáng)性模型構(gòu)建陰性模具104，構(gòu)建陰性模具的材料的熔點(diǎn)高于形成部件的材料的熔點(diǎn)(圖3中詳示)。
[0025]在步驟105中犧牲性陽(yáng)性模型被移除從而在陰性模具的內(nèi)部留下空隙106。
[0026]在步驟107中金屬粉末108的供料被布置在模具內(nèi)。在步驟109中，加熱110被施加至模具直至高于金屬粉末的熔點(diǎn)的溫度從而引起金屬粉末在模具內(nèi)熔化，由此在模具104內(nèi)產(chǎn)生恪融金屬111。
[0027]在此用于形成金屬部件的金屬粉末108，在第一個(gè)實(shí)施例中，為由純金屬顆粒形成的粉末。然而，在可選實(shí)施例中金屬粉末108為包括合金的顆粒。因此應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，由所述金屬粉末形成的金屬部件能夠由純金屬或者合金化合物組成。
[0028]然而金屬粉末需要根據(jù)已知的粉末冶金技術(shù)分級(jí)至特定的尺寸范圍，例如熱等靜壓、粉末冶金、金屬注塑，等，本文所描述的方法對(duì)粉末顆粒的尺寸范圍相對(duì)不敏感。唯一的要求在于金屬粉末易于流入陶瓷模具。當(dāng)模具限定的橫截面具有小至0.5毫米的直徑的情況下，通過(guò)例如氣體物化生產(chǎn)的球形粉末將更為合適。在更大的模具橫截面的條件下，即使通過(guò)壓碎和碾磨生產(chǎn)的帶角的粉末也能夠填充模具，特別是當(dāng)粉末的流動(dòng)能夠得到振動(dòng)的輔助時(shí)，例如將結(jié)合圖4所描述的。
[0029]圖2
[0030]構(gòu)建陽(yáng)性犧牲性模型的步驟在圖2中被表明。操作根據(jù)原材料201執(zhí)行以生產(chǎn)陽(yáng)性模型102。在第一個(gè)實(shí)施例中，能夠根據(jù)合適的材料執(zhí)行機(jī)加工操作以確定陽(yáng)性模型的形狀。然而，應(yīng)當(dāng)注意的是所采用的材料必須是能夠移除犧牲性材料的類型從而限定陰性模具。
[0031]可選擇地，能夠執(zhí)行注蠟工藝203。在圍繞蠟陽(yáng)性模型構(gòu)建模具后，能夠通過(guò)加熱的方式移除蠟。此方案在傳統(tǒng)鑄造系統(tǒng)中是已知的，此時(shí)同樣需要在注入熔融金屬之前對(duì)模具進(jìn)行加熱。然而，在一個(gè)實(shí)施例中，模具能夠允許冷卻并且顆粒能夠在室溫條件下添加。
[0032]可選擇地，能夠通過(guò)增材制造204的工藝生產(chǎn)陽(yáng)性模具，例如通過(guò)合適的快速成型材料。材料能夠通過(guò)加熱和/或合適的溶解的方式被移除。
[0033]圖3
[0034]在本實(shí)施例中，陰性模具，熔點(diǎn)高于待形成的部件的金屬的熔點(diǎn)，為相對(duì)透氣的陶瓷殼體。在一個(gè)實(shí)施例中，陶瓷模具通過(guò)添加多個(gè)層來(lái)制造，如圖3所示。
[0035]在圖3所示的實(shí)施例中，層被添加為可選的濕漿體層及其后的基本干燥的灰粉層。
[0036]漿體301被涂敷至模型102。干燥的灰粉302隨后被涂敷將其自身黏附至濕漿體從而構(gòu)建一個(gè)層。
[0037]此過(guò)程被重復(fù)，如步驟303—般所示，結(jié)果層304被構(gòu)建。因此，進(jìn)行進(jìn)一步的重復(fù)直至陰性模具104被構(gòu)建至所需厚度。陶瓷模具104理想地應(yīng)當(dāng)具有相對(duì)薄的壁橫截面從而允許來(lái)自于輻射熱系統(tǒng)的輻射熱在其中傳遞，以使得金屬粉末能夠被熔化。然而，壁橫截面必須足夠厚以防止加工期間的開裂或者破損，并且因此在構(gòu)建模具時(shí)必須實(shí)現(xiàn)具有高熱傳導(dǎo)性但同時(shí)具有足夠強(qiáng)度的折中。
[0038]在一個(gè)實(shí)施例中，采用初級(jí)耐火惰性漿體插入至所采用的金屬。類似或者不同材料的干沙隨后被涂敷并且另外的漿體被涂敷，隨后是沙、灰粉等。
[0039]用于形成陶瓷殼體的多種合適陶瓷材料是已知的，例如二氧化硅和氧化鋁。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)二氧化硅殼體并不具有足夠高的熱傳導(dǎo)性以允許粉末金屬在合適的時(shí)間范圍內(nèi)采用輻射熱系統(tǒng)控制熔化。因此，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，采用由具有高熱傳導(dǎo)性的氧化鋁材料構(gòu)成陰性模具。具有高熱傳導(dǎo)性的其它類型的殼體材料也能夠被采用，然而它們不能易于在熔融金屬中分解，正如采用某些金屬時(shí)石墨基模具所經(jīng)受的。
[0040]圖4
[0041]用于布置供料的步驟107在圖4中被詳細(xì)示出。陽(yáng)性犧牲性模型102已經(jīng)被移除，如步驟105所表明地。陰性模具104被置于振動(dòng)臺(tái)401上，其自身被靜態(tài)基座402支撐。以此方式，隨著供料108倍布置到模具104內(nèi)，或者在布置完成后，引入一定程度的振動(dòng)，如箭頭403和404所示，以利于供料在模具內(nèi)分散。高頻振動(dòng)，例如40至60赫茲，及例如0。10至0.15毫米的低振幅使得用于大型和復(fù)雜的金屬部件的模具能夠被很容易地填充。
[0042]因此，被布置在模具內(nèi)然后被加熱，如步驟109所表明的。在一個(gè)實(shí)施例中，加熱是在無(wú)壓力條件下實(shí)施的并且模具被加熱至引起供料熔化的溫度。以此方式，能夠獲得接近100%密度而采用的工藝相比于已知系統(tǒng)而言具有較小的整體復(fù)雜性。加熱不僅需要提高金屬的溫度，還需要完全熔化金屬。因此，在純金屬條件下，一般加熱至高于金屬熔點(diǎn)大約50攝氏度，或者在合金條件下高于液態(tài)溫度。
[0043]在一些已知系統(tǒng)中，污染物經(jīng)常通過(guò)容器引入并且當(dāng)采用鈦時(shí)這是一個(gè)突出問(wèn)題。采用固態(tài)擴(kuò)散的工藝導(dǎo)致容器經(jīng)受與其內(nèi)部容納的材料類似的環(huán)境。因此，即使機(jī)加工消除后，仍然可能殘留顯著的材料混合物層。因此，需要額外的處理以獲得所需結(jié)果。
[0044]已經(jīng)認(rèn)識(shí)到采用金屬粉末作為供料能夠生產(chǎn)具有所需性能的產(chǎn)品。對(duì)于微結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)存在非常均勻的趨勢(shì)，這能夠提高強(qiáng)度和疲勞性能。此類型的性能能夠通過(guò)鍛造操作提供，但眾所周知的是，鍛造導(dǎo)致高水平的浪費(fèi)的產(chǎn)生并且因此提高了整體成本。類似地，鑄造工藝領(lǐng)域一般為50 % ;當(dāng)貴重合金被采用時(shí)再次提高了