一种粉末冶金部件的挤出方法与流程

1.本发明涉及一种粉末冶金部件的挤出方法。具体而言，它涉及一种可以制造简单和复杂几何形状的方法。


背景技术：

2.在机械工程技术领域内，给定部件的制造方法的选择取决于许多参数，包括部件的材料、几何形状和要制造的数量。对于由金属制成的许多类型的部件，该方法通常涉及子部件的组装，例如通过焊接或钎焊将它们连接起来。然而，除了这是一种麻烦的方法之外，它还涉及在连接区域形成弱点和缺陷的风险。如果部件暴露于机械或热疲劳载荷下，这一点尤其重要，因为这可能会导致最初的小缺陷发展成临界尺寸的裂纹，从而导致部件断裂。
3.因此，制造金属部件的改进方法将是有利的。
4.发明目的
5.因此，本发明的一个目的是提供一种制造方法，使用该制造方法可以比使用已知方法更有效地制造金属部件。
6.本发明的至少一些实施方案的另一个目的是提供一种制造具有复杂几何形状的金属部件的方法，与已知方法相比，该方法由制造导致的内置缺陷或弱点的风险更低。
7.本发明的另一个目的是提供现有技术的替代方案。
8.特别地，可以将本发明的一个目的视为提供一种制造金属部件的方法，该方法解决了现有技术的上述问题。
9.发明概述
10.因此，上述目的和若干其他目的旨在通过提供一种由含金属的粉末制造部件的方法来实现，该方法包括以下步骤：
[0011]-通过混合至少以下物质制备浆体：
[0012]-包含金属的粉末，
[0013]-粘合剂，其量为浆体的2至8重量％，
[0014]-液体，例如水，其量为浆体的5至25重量％，
[0015]-将浆体转移到挤出机，
[0016]-通过使用大于50巴的挤出压力(p)将浆体挤出成生坯，
[0017]-干燥生坯，以及
[0018]-烧结或氧化干燥的生坯，以将粉末粘合在一起，从而形成部件。
[0019]“部件”是指可以通过这种方法制成的任何形状。它既包括简单的几何形状，例如杆或板，也包括更复杂的几何形状，例如包括内部通道或多个突出的杆。可能使用这种复杂几何形状的一个例子是散热器。散热器是一种被动式热交换器，可将电子或机械设备产生的热量传递到流体介质(通常是空气或液体冷却剂)中，然后热量从设备中消散，从而调节设备的温度处于最佳水平。其他几何形状的例子将在图中显示。
[0020]“浆体”是指通过将液体与粉末混合而制成的厚重、柔软、粘稠的物质。换言之，浆
体通常由在背景流体中的颗粒状材料的悬浮液组成。在本发明的上下文中，浆体的粘度应该使得允许在从用于混合的设备转移到挤出机期间对浆体进行必要的处理。还应该考虑到后续的工艺步骤；即，浆体的粘度应该足够低以允许其挤出，并且足够高以确保挤出的生坯保持所需的几何形状。给定浆体的粘度可以通过因此设计的设备和方法来确定，例如通过使用通常用于测量剪切粘度和其他流变性质的毛细管流变仪。然而，由于粘度与材料的硬度相关，因此也可以使用该参数来确定给定的浆体是否适合于该制造方法。可能使用的相关测量是肖氏硬度(shore hardness)，其可以根据iso 868/astm d2240确定。另一种选择是使用专为粘土设计的特殊工具；这已在本发明的开发过程中使用。该工具类似于肖氏测试仪，但已适用于粘土的表征；这种仪器也可以称为粘土硬度计。工作原理是基于当工具的销钉压入被测材料中，直到销钉到达支架时，样品材料施加在仪器校准弹簧贯穿件上的力。以这种方式，始终将平稳冲程(steady stroke)的稳定力施加到仪器上。它具有从0到20的刻度，用作相对硬度参考参数，以及施加力的克刻度。使用此工具，当浆体从用于混合浆体的捏合机中取出时，将穿透点压入浆体中。然后测量穿透点在浆体内部时指示的最大值。使用最大值而不是等待它稳定下来，因为其最终会显示一个低得多的值，可能会接近0，因为穿透点将被迫通过浆体。使用这种方法，已经发现，至少对于所测试的几何形状，需要高于12肖氏的值才能获得令人满意的结果。
[0021]
粘合剂或粘合剂(binder/binding agent)是通过粘附力或内聚力以机械方式、化学方式将其他材料保持或拉到一起以形成内聚单元的任何材料或物质。粘合剂优选是有机的，例如纤维素醚、琼脂糖或聚甲醛。粘合剂的例子是：甲基纤维素、25聚(环氧乙烷)、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠(纤维素胶)、藻酸盐、乙基纤维素和沥青。
[0022]
粘合剂的量可为浆体的2至7重量％，例如量为浆体的2至6重量％，或例如量为浆体的3至5重量％。液体，例如水，的量可以是浆体的5-15重量％，例如浆体的5-10重量％，或者它可以是浆体的10-20重量％，例如量为浆体的12至18重量％。
[0023]
在本发明目前优选的实施方案中，选择粘合剂和液体使得粘合剂可溶解在液体中，并且制备浆体的步骤包括确保粘合剂在混合期间溶解在液体中。这意味着当混合浆体的所有组分时，粘合剂溶解在液体中。下面将描述混合顺序的不同示例。
[0024]“可溶解”是指它能够进入溶液中，或者换句话说，它可以掺入液体中或导致掺入液体中以形成溶液。应优选避免在混合后浆体中存在未溶解的粘合剂的团块，因为这会引起不均匀性，从而导致挤出缺陷。
[0025]
通过选择粘合剂和液体的组合以使粘合剂可溶解在液体中，并且通过使制备浆体的步骤包括将粘合剂溶解在液体中，可以制造其中孔隙的存在被最小化(例如避免)的部件。因此，根据本发明的方法可用于制造无孔隙部件。无孔隙是指目的是避免孔隙。它不排除存在如此少量或如此小尺寸的孔隙，以至于它不会损害部件的机械性能，如其给定用途所要求的那样。例如。孔隙可能是裂纹萌生的起点。可接受的孔量和孔径取决于例如：使用的材料、应用、和部件使用期间的预期载荷。
[0026]
通常，溶解性(solvability)至少在某种程度上取决于温度。因此，在本发明的描述中，“可溶解”是指在通过混合制备浆体的温度下。
[0027]
在目前优选的实施方案中，液体是水，包括软化水。然而，也可以使用特别适合与粉末和粘合剂的给定组合混合的其他类型的液体。这样的液体可以例如是乙醇或异丙醇。
[0028]
浆体还可以包含其他组分，例如粘度调节剂、分散剂、絮凝剂和润滑剂。如果有必要，可以添加这样的其他组分，以使正在制造的部件的材料和几何形状的某些组合成为可能。然而，在本发明的一些实施方案中，浆体除了粉末、粘合剂和液体之外基本上不包含其他组分。
[0029]“挤出压力”优选是指在挤出过程中压头中的压力。尽可能靠近模具来测量挤出压力。它是通过活塞式挤出机中活塞的向前运动或螺杆式挤出机的一个或多个螺杆的旋转，将浆体压向模具而产生的压力。
[0030]
干燥步骤通常在受控气氛中进行，包括控制放置生坯的温度和湿度。它还可以包括使诸如空气的气流沿着生坯流过，然后还可以控制气流的速度。
[0031]
在整个描述中，使用了措辞“烧结或氧化”，但这并不意味着排除烧结和氧化都发生。
[0032]
挤出压力可以在50至500巴之间，例如在50至200巴之间，优选在60至160巴之间，最优选在60至150巴之间。如果压力对于给定的浆体和几何形状来说太低，则无法进行挤出，因为压力太低而无法迫使浆体通过模具。如果压力太高，挤出速度会增加，这可能会导致生坯出现缺陷。
[0033]
制备浆体的步骤可以包括捏合步骤，其中持续所述捏合步骤直到基本上所有粘合剂均溶解并且直到所述浆体在均匀性、粘度和硬度方面达到所需状态。这种所需状态通常会作为开发工作的一部分预先确定，例如基于实验和可能还有计算机模拟。
[0034]
制备浆体的步骤可以包括以下步骤：
[0035]-混合粉末和粘合剂，和
[0036]-加入水并在捏合机中捏合，所述捏合机例如z型桨叶捏合机或sigma浆叶捏合机。这种类型的混合器具有高扭矩和特定几何形状的混合浆叶，已发现其适合于获得上述浆体类型的均匀混合物，该浆体通常具有高粘度。
[0037]
在这样的实施方案中，通常首先将粉末和粘合剂的干混合物放入捏合机中，然后将水加入捏合机中。
[0038]
混合可以有利地在室温或至少在足够低以确保液体不蒸发(至少不会达到任何不希望的程度)的温度下进行。在捏合过程中可能需要进行一些冷却，以确保摩擦力不会导致温度过度升高。
[0039]
制备浆体的步骤可以以其他替代方式进行，包括：
[0040]
a)首先将粉末和水混合，然后加入粘合剂。
[0041]
b)先将粘合剂和液体混合，然后加入粉末。
[0042]
c)同时混合所有成分。
[0043]
此外，对于任何混合顺序，可以在受控真空下进行，以避免或最小化浆体中气泡的存在。此外，出于同样的原因，在挤出浆体之前，可以对挤出机施加真空。
[0044]
金属可以是任何可用作粉末的金属。可能的金属的非详尽清单包括：316l、fecral、inconel 625、hastalloy x、17-4ph、430l和304l。在本发明的开发过程中已经测试过的材料组合的一些例子是：
[0045]-316l，琼脂糖和水；
[0046]-fecral、纤维素醚和水。
[0047]
浆体还可包含陶瓷颗粒。可能的陶瓷的非详尽列表包括：alo、sio、zio、氧化铝、氧化锆、氮化硼、堇青石和氮化硅。
[0048]
在包括陶瓷粉末的实施方案中，为给定应用制造的部件的所需热、机械和电性能可以通过改变以下参数中的一个或多个来获得：
[0049]-金属粉末和陶瓷粉末之间的体积比，
[0050]-陶瓷颗粒的尺寸，
[0051]-陶瓷颗粒的形状，和
[0052]-陶瓷材料的类型。
[0053]“尺寸”是指通常用于描述与粉末相关的该参数的任何量度。它通常包括考虑颗粒的平均尺寸和尺寸分布两者。
[0054]
在本发明的一些实施方案中，通过迫使浆体通过模具来形成生坯，所述模具被成型使形成具有至少一个纵向延伸通道的几何形状的生坯。制造的部件可具有多个纵向延伸的内部通道，例如具有蜂窝结构。将结合附图给出这种几何形状的示例。这样的多个通道通常以规则图案排列，但是对于本发明，还可以挤出其中通道以不规则图案排列的部件。
[0055]
通过根据本发明的方法，挤出浆体的步骤优选地由此直接为生坯提供对应于烧结或氧化步骤后获得的部件的期望最终形状的形状。“对应于”是指尺寸通常由于在烧结或氧化过程中发生的化学反应而略有变化。对于某些几何形状，这也可能会引起形状的微小变化。但是整体的最终形状是由浆体被迫通过挤出机的模具造成的，从而生坯获得了与模具形状相匹配的形状。这将在附图中说明。这种成形方法不同于例如3d打印，在3d打印中，部件的形状是通过移动模具(也称为喷嘴)和/或工作平台来获得的，该工作平台相对于彼此保持所制造的部件逐层构建部件。
[0056]
烧结可以例如在还原气氛、真空或惰性气氛中进行。烧结通常在温度为950至1430摄氏度的熔炉中进行。
[0057]
根据本发明的方法对于制造具有多个纵向延伸的内部通道的部件可能是特别有利的。形成纵向延伸的内部通道的壁的壁厚可以为0.25至2mm，例如0.25至1mm，例如0.25至0.5mm。这样的部件很难或不可能用已知的方法制造。如今，这种几何形状通常是通过堆叠波纹板然后将它们焊接或钎焊在一起来制造的。除了这比本发明的方法更麻烦之外，它还涉及在连接区域处形成弱点和缺陷的风险。导致本发明的工作表明，尽管金属的密度很高，但可以制造具有薄壁的部件。除了要求保护的特征外，这可能需要使用具有小粒径的粉末，例如称为“80％-22μm”的粉末，这意味着80％的粉末小于22微米。
[0058]
在本发明的一些实施方案中，干燥步骤包括引导气流通过至少一个纵向延伸通道。因此，可以在整个部件中获得更均匀的干燥。作为导致本发明的开发的一部分而进行的研究表明，这种干燥步骤可以更容易地确保部件保持其预期形状而不会变形或开裂。这对于复杂的几何形状或小的壁厚度尤其相关，例如对于具有大量纵向延伸的内部通道的部件。气体可以例如是与周围空气相比可能具有更高或更低温度和/或更高或更低湿度的大气空气。
[0059]
在本发明的实施方案中，其中干燥步骤包括引导气流通过至少一个纵向延伸通道，该步骤还可以包括(例如用板)覆盖生坯的外表面，使得由于气流仅通过至少一个纵向延伸通道而进行干燥，因为防止了从外表面发生蒸发。已经发现这至少对于制造的部件的
一些几何形状提供更均匀的干燥。
[0060]
干燥步骤可以包括使用干燥工具，干燥工具包括：
[0061]-第一端，其包括或可连接到气流产生装置，和
[0062]-相对的第二端，其包括多个喷嘴，其中每个喷嘴与第一端流体连通，使得在使用干燥工具期间，气体可以在气流产生装置的作用下流过每个喷嘴。
[0063]
在这样的实施方案中，以下步骤可以设置在干燥步骤之前：
[0064]-相对于生坯布置干燥工具，使得干燥工具的喷嘴延伸到生坯的至少一个纵向延伸通道中的每一个的端部区域中，并且
[0065]-启动气流产生装置，使得气体流入至少一个纵向延伸通道中的每一个。可用于执行这种干燥步骤的干燥工具的可能设计示例将在附图中给出。对于具有多个纵向通道的实施方案，也可以以类似方式进行干燥，不同之处在于引导气流通过大部分但不一定是全部的纵向通道。
[0066]
通过使用如上所述的干燥工具并让喷嘴延伸到纵向延伸通道的每一个或大部分中，可以确保整个体积的均匀干燥。此外，喷嘴的形状和尺寸可以设计，使得它们为与工具接触的至少一个纵向延伸通道的壁的部分提供结构支撑，从而防止其变形。其优点在于部件保持不变形并且气流不受阻碍，因为变形的纵向延伸通道可能使部件塌陷。
[0067]
在目前优选的实施方案中，挤出步骤在室温下进行，并且在整个挤出步骤中，浆体的温度为至多50摄氏度，例如至多40摄氏度。挤出步骤可以在室温下进行，并且在整个挤出步骤中，浆体的温度为至多30摄氏度，例如至多25摄氏度。通过保持相对较低的温度，随着时间的推移，浆体的特性可能更容易控制，因为在这些温度下不会蒸发大量的水；而对于通常使用的粘合剂，在挤出过程中，粘合剂不会达到其凝胶温度.
[0068]
在如上所述的任何实施方案中，脱粘步骤可以在烧结或氧化步骤之前，脱粘步骤通常包括将生坯加热到至少一些，例如全部粘合剂被烧掉的温度。该脱粘步骤通常在干燥步骤之后进行。脱粘是从生坯中去除粘合剂以确保在烧结或氧化过程中部件中不存在剩余碳的过程。这种脱粘通常通过将生坯加热到200到750摄氏度之间的温度并让粘合剂烧掉来完成。不同的粘合剂需要不同的脱粘温度。在使用甲基纤维素的实施方案中，脱粘在氧化气氛，通常是空气中进行，但如果最终部件没有被额外的碳含量破坏，也可以在与烧结气氛相同的气氛中进行部分脱粘。为确保脱粘后的生坯仍可处理，可能需要将粉末一起轻微氧化；这些氧化物将在烧结过程中被去除。
[0069]
附图简要说明
[0070]
现在将参照附图更详细地描述根据本发明的制造部件的方法。附图显示了实现本发明的一种方式，并且其不应被解释为限制落入所附权利要求的范围内的其他可能的实施方案。
[0071]
图1是在根据本发明的方法的实施方案中制备浆体的步骤的流程图。
[0072]
图2示意性地显示了浆体如何被挤出成生坯。
[0073]
图3.a和3.b示意性地显示了可以通过根据本发明的方法制造的不同部件的示例。图3.c示意性地显示了可用于制造具有纵向延伸的内部通道阵列的部件的模具示例。
[0074]
图4示意性地显示了在本发明的一些实施方案中使用的干燥工具的实施方案。图4.a是侧视图，图4.b是包括喷嘴的第二端的三维局部视图。
[0075]
图5示意性地显示了图4的干燥工具可以如何布置，其中喷嘴在干燥期间与生坯的通道的端部接合。
[0076]
图6示意性地显示了干燥步骤，其中使用辅助工具来支撑生坯。
具体实施方式
[0077]
图1是在根据本发明的方法的实施方案中制备浆体10的步骤的流程图。通过首先混合粉末11和粘合剂12来制备浆体10，粘合剂12的量为浆体10的2至8重量％。如上所述，优选选择粘合剂和液体的组合，使得粘合剂可溶解在液体中，并且制备浆体的步骤包括在混合期间将粘合剂溶解在液体中。粉末11包括金属并且还可以包括陶瓷。该液体在下文中被描述为水13，但也可以如上所述使用其他液体。它的添加量为浆体10的5至25重量％。在所示的实施方案中，加入水13并捏合，以获得均匀的浆体，这在捏合机30中进行，捏合机是例如z型桨叶捏合机或sigma浆叶捏合机。
[0078]
然后将制备好的浆体10转移到挤出机31中，在挤出机31中它被挤出成如图2示意性所示的生坯20。该步骤通过使用大于50巴的挤出压力p进行。在本发明的一些实施方案中，挤出压力p在50至500巴之间，例如在50至200巴之间，优选在60至160巴之间。然后将生坯20干燥并烧结或氧化以获得最终部件。
[0079]
在本发明目前优选的实施方案中，挤出步骤在室温下进行，并且浆体的温度为至多50摄氏度，例如至多40摄氏度，优选至多30摄氏度。由于被挤出的浆体和加工设备之间的摩擦可能导致浆体中不希望的温度升高，所以，为了能够控制温度，可能需要对挤出模具和挤出室进行一些冷却。
[0080]
在本发明的一些实施方案中，生坯20通过迫使浆体10通过模具32而形成，模具32被成型为使形成的生坯20具有至少一个纵向延伸通道的几何形状。图3示意性地显示了此类实施方案的示例。图3.a示出了具有一个纵向延伸通道22的部件21，图3.b示出了具有多个纵向延伸内部通道22的部件21，这些内部通道22以规则图案排列。这些几何形状通过使用具有与部件的横截面形状相对应的形状和布置的模具32来获得。图3.c显示了模具32的可能设计示例，其可以用于制造具有纵向延伸的内部通道阵列的部件21。
[0081]
在导致本发明的开发工作期间进行的实验表明，可以制造部件21，其中形成纵向延伸的内部通道22的壁23的壁厚为0.25至2mm，例如0.25至1mm，例如0.25至0.5mm。
[0082]
在根据本发明的方法中，在烧结或氧化之前干燥生坯样品的步骤可以包括引导气流通过至少一个纵向延伸通道。这可以例如通过使用如图4示意性所示的干燥工具40来完成。图4.a是侧视图，示出干燥工具40具有包括在或可连接到气流产生装置43的第一端41和相对的包括多个喷嘴44的第二端42。喷嘴44与第一端41流体连通，使得在干燥工具40的使用过程中，气体可以在气流产生装置43的作用下流过每个喷嘴44。图4.b是包括喷嘴44的第二端42的三维局部视图。在图示的实施方案中，喷嘴44以对齐的行和列的规则图案布置。
[0083]
图5示出了图4的干燥工具40可以如何布置，其中喷嘴44在干燥期间与生坯20的纵向延伸通道22的端部接合，例如延伸到端部中。必须确保喷嘴44不会损坏生坯20。当喷嘴44已经布置好时，启动气流产生装置43，使得气体流入每个纵向延伸的通道22。通过使用所述干燥工具40并让喷嘴44延伸到纵向延伸的通道22中的每一个或大部分中，可以确保整个体积的均匀干燥。此外，喷嘴44的形状和尺寸可以设计成使得它们为与干燥工具40接触的至
少一个纵向延伸通道22的壁23的一部分提供结构支撑，从而防止其变形。其优点是生坯20保持不变形和气流不受阻碍，因为变形的纵向延伸通道22可能使部件塌陷。
[0084]
图6示意性地示出了辅助工具47可以如何布置在生坯20的一端，该端是布置有干燥工具40的相对端。辅助工具47用于在干燥期间支撑纵向延伸通道22。在图6中，这被示意性地显示为从辅助工具47的端面突出的小销钉48，使得它们可以延伸到被干燥的生坯20的纵向延伸通道22中。
[0085]
尽管本发明已结合特定实施方案进行了描述，但不应将其解释为以任何方式限制于所呈现的示例。本发明的范围由所附权利要求书限定。在权利要求的上下文中，术语“包括”或“包含”不排除其他可能的元件或步骤。此外，提及诸如“一”或“一个”等的引用不应被解释为排除复数。权利要求中关于附图中指示的元件的参考符号的使用也不应被解释为限制本发明的范围。此外，不同权利要求中提及的各个特征可以有利地组合，并且在不同权利要求中提及这些特征不排除特征的组合是不可能的和有利的。