粉末金属涡旋件的制作方法

专利名称：粉末金属涡旋件的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及压缩机，尤其是涉及一种形成压缩机的部件的方法。
发明的
背景技术：
和简要说明目前制造涡旋件的方法是熔融金属法(“铸造”)。通常，液体灰铸铁特别形成合金、进行孕育(inoculate)并倒入腔体内，然后再固化后形成涡旋件。目前的铸造方法生成涡旋件的毛坯铸件，其线性尺寸精度为大约+/-0.020英寸每英寸。而且，因为由铸造所引起的固有的冶金表面不规则或变形，除了导致形成大约0.060+/-0.020英寸的总余量和变量的该公差外还必须加上额外的需要机械加工去除的机械加工余量(大约0.060英寸)。因为砂子(或陶瓷)与金属的界面在固化和冷却时发生复杂的热力学、动力学和冶金/化学方面的相互作用，因此产生趋肤效应(skin effect)。
用于铸造方法中的模具包括砂子、粘接剂和/或陶瓷涂层，熔融金属将流入该模具中，且该模具的结构并不完全为刚性。当液态铁与模具壁面接触时，将向该模具施加压力，这使得模具壁面膨胀。灰铸铁尤其易于固化膨胀，因为碳或石墨含量高。该现象是所述尺寸变化和公差增大的主要原因。
为了能合适地工作，涡旋件必须没有泄漏、磨损或破裂，因此必须保证非常精确的最终尺寸。为此，需要对毛坯铸件进行大量、复杂和昂贵的机械加工，以便通过目前铸件加工方法将它们转变成可用的涡旋件。因此，由于目前的铸造方法的前述能力，过多的机械加工余量是大批量生产的主要障碍，因为需要进行机械加工以切去一定量的材料。最难进行机械加工的涡旋件区域是渐开线涡旋结构自身。铣该部分将引起最大的工具磨损，并花费最长的加工时间。因此，“渐开线涡旋结构”的尺寸精度是最重要的。
本文所述的两种基本类型的粉末金属制造方法能够以“趋肤效应”层更少和尺寸公差更好的方式制造涡旋件，同时还能满足涡旋件工作所需的严格应力和压力要求。它们是金属注入模制和普通挤压和粉末烧结冶金技术。这两种方法都有在粉末冶金实践中使用的相关实施例，并可用于制造接近净形状的涡旋件或制造净形状的涡旋件。该涡旋件既可以整体形成，也可以以部件方式形成，然后连接在一起，以形成整个涡旋件。
通常，本发明涉及在形成涡旋件压缩机的涡旋件的过程中使用粉末金属。可以考虑整个涡旋件都利用粉末金属技术形成。还可以考虑，涡旋件压缩机部件的一部分利用粉末冶金技术制造。这些部分例如涡旋件的渐开线部分，该部分需要极高的尺寸公差，然后再将它们固定在涡旋件的、通过例如铸造、锻造等方法形成的其它部分上，或者甚至固定在其它粉末金属部分上。
通过下面的详细说明，能够更好地理解本发明的应用领域。应当知道，表示本发明优选实施例的详细说明和特定实例都是为了解释目的，不是对本发明范围的限定。
附图的详细说明通过详细说明和附图，能够更好地理解本发明，附图中

图1-2是本发明的涡旋件；图3a-3b是本发明第二实施例的涡旋件的分解透视图；图4a-4b是本发明第三实施例的涡旋件的分解透视图；图5a-5b是本发明第四实施例的涡旋件的分解透视图；图6是本发明第五实施例的分解图；图7-7e是涡旋件渐开线与基座之间的交界面的可选截面；以及图8-10是本发明的涡旋件的冶金结构的显微照片。
优选实施例的详细说明下面将参考附图，附图中是为了举例表示本发明的优选实施例，而不是为了进行限定。图1-2表示了根据本发明制造的涡旋件的透视图。
渐开线涡旋结构10与基板12连接，该基板12由基座14和轮毂16形成。所示渐开线涡旋结构10是粉末金属的，而基板12是(最小Grade 30)灰铸铁的。优选是，由于经济原因，该基板12由普通的砂铸方法制成，例如垂直分模法(DISA等)。
优选是，基板12的基体为最少90％的珠光体，片状石墨的长度最大大约为0.64mm。可以利用孕育来保证使石墨分布均匀和大小足够均匀。可以考虑将稀土元素作为孕育剂添加到粉末金属混合物中。尽管在输入的部件中，渐开线涡旋结构10的净形状和尺寸的精度水平是最重要的，该基板12也可以进行大量的后机械加工处理。除了多孔性，该渐开线涡旋结构10的基体优选为具有最少90％的珠光体。渐开线涡旋结构10中石墨的存在并不必要，但是需要时可以提高耐磨损性。
将粉末金属的渐开线涡旋结构10连接到灰铸铁基板12上可以利用普通的电阻焊、电容放电焊接(电阻焊的一种变化形式)、钎焊来实现，或者可以采用烧结连接。电容放电焊接与普通电阻焊类似，只是将产生非常高的供热速率。电容的放电将允许在短时间内有较高电流，从而产生很高供热速率。该焊接方法的主要优点是可以在无有害作用(产生裂纹等)的情况下对该用途中所需的高碳材料进行焊接。还有，该方法能够在无有害作用的情况下对粉末金属部件进行焊接，该有害作用例如液体焊接金属从处理流体芯吸到粉末金属空隙中的不利作用。电容放电焊接还能够使不同金属连接，并能够适应渐开线涡旋结构10的磨损、疲劳和摩擦特性，且不会增加基板12的成本。
图3a-3b表示了本发明第二实施例的分解透视图。所示的涡旋件8有通过粉末金属技术形成为一件的渐开线涡旋结构10和基座14。轮毂16利用前述的焊接技术在轮毂槽29内与粉末金属的渐开线涡旋件基座子组件18连接，该轮毂利用标准砂铸技术或其它成形方法单独形成，该其它成形方法包括粉末金属方法。优选是，可以利用钎焊材料来将粉末金属轮毂连接到粉末金属基板上。在烧结过程中，该生坯部件装配和焊接在一起。也可选择，可以利用在烧结过程中硬化的材料来固定实心轮毂。
图4a-4b表示了本发明的第三实施例。图中所示的渐开线涡旋结构10和板(palette)20子组件22由粉末金属制成。该渐开线涡旋件板子组件22利用前述连接技术与基板12连接。应当知道，该渐开线涡旋件板子组件22的形状允许渐开线涡旋结构10的形状以及板20的交界面24都非常精确。更有利的是，这允许基座部件12可以利用普通的低成本方法进行便宜的铸造。
图5a-5b表示了利用形成于基座12上的基板槽25来接受渐开线涡旋结构10。基板槽25有利于使渐开线涡旋结构10与基板12对齐和定位。基板槽25也能提高该渐开线涡旋结构10在基板12的交界面处的强度。可以采用焊接方法来使焊接界面处的硬化区域减至最小，这可以通过快速从焊接温度冷却而实现。靠近焊接位置的该硬化层可能会成为裂纹的起源点，因为在硬化区的局部延伸性较低。电容放电焊接的高速供热和除热将有助于使该区域的宽度减至最小。具有相对较高碳含量的材料尤其容易出现该现象，例如本文所述的材料。基板槽25可以承受弯曲力矩，并有助于使前述硬化区中的局部应变减至最小和减小在接头处出现疲劳失效的可能性。基板槽25的缺点是引起分流(涡旋件的处于槽壁处的侧部形成短路)。在渐开线涡旋结构10上或在基板12的基板槽25内形成有高阻力涂层21都可以使分流效应减至最小。
在焊接过程中，渐开线涡旋结构10的整个长度需要连续进行焊接。这需要沿它的长度有均匀的压力和电流。这需要进行专门的固定和尺寸精度来保证。焊接过程中的变形必须通过固定来减至最小。电容放电焊接由于快速供热，因此也使变形更小。
最好如图7a所示，优选是，在涡旋件上模制形成倒角26，以便减小与基板12的边缘接触，从而相应地减小分流和有助于在连接过程中自动对齐。电阻焊需要在焊接交界面处有减小面积的凸起37。在焊接过程中，凸起37有助于集中电流，这有利于进行熔解。在焊接过程中，该凸起37局部毁坏。该凸起37可以是不连续的，并布置成彼此以预定间隔环绕涡旋件，或者该凸起37可以是连续的。图7b和7c是电阻焊。电阻焊需要减小的区域。在焊接过程中，凸起37使电流集中，并在焊接过程中毁坏该凸起37。
基板12中的基板槽25可以用于将渐开线涡旋结构10对齐和定位在基板12上。在使渐开线涡旋结构10与基板12连接之前，该基板槽25在灰铸铁铸件上机械加工形成。如图6所示，还可以在不采用基板槽25的情况下使渐开线涡旋结构10直接与基板12对齐。这不需要铣出基板槽25，铣该基板槽25将增加成本。
如图7d-7e所示，可以利用钎焊材料，以便于将渐开线涡旋结构10连接到基板12上。另外，可以利用钎焊材料28来将轮毂16连接到基板12的背面轮毂槽29内。这一方法的优点是例如通过前述焊接方法在接头交界面形成硬化区。当其中有石墨时(例如本文所述的灰铁或石墨粉末金属)，钎焊材料28的一个问题是该石墨将覆盖金属的表面，并延迟该钎焊材料28的浸润。解决该问题的一个方法是在允许发生浸润的合适气体中进行熔炉钎焊。另一方法是将钎焊材料28与助熔剂一起使用，该助熔剂将充分清除石墨，以便能够进行浸润(例如黑色型的助熔剂AWS FB3-C或AMS 3411)。另一方法是在钎焊之前的一个单独步骤中预先清除石墨涡旋件部分。另一方法是使用能很好地与铸铁型材料浸润的钎焊材料，例如Bni-7(含镍轴承合金)。其它合金如Bag-3、Bag-4、Bag-24或RBCuZn型填料也能成功用于铸铁型材料。
一个这样的清洁剂是熔盐。该熔盐处理包括将部件浸入与槽隔离的液池中，施加直流电，且极性设置成能够对需要清洁的表面进行氧化或还原。需要时，可以根据极性来除去石墨和氧化物。由于经济原因，优选的情况是在进行钎焊之前能够在例如基于碱性水的清洁剂中对灰铁进行普通清洗。另一种清洁表面的方法是例如利用镍或钢砂进行喷砂。
钎焊粉末金属的另一问题是过多的钎焊材料28将芯吸到多孔的粉末金属部分中。当芯吸过量时，可能导致钎焊接头质量差，因为钎焊材料28从该连接表面除去。解决该问题的一种方法是采用能够减小芯吸作用的钎焊材料28。所需的钎焊合金必须能与粉末金属表面反应。该反应通过产生熔融温度比当前钎焊温度更高的冶金化合物来减小芯吸的量。一种这样的钎焊合金为SKC-72，它的组分为30-50％重量的铜、10-20％镁、3-25％的铁、0.5-4％的硅、0.5-2％的硼，其余为镍(30-50％)。通过添加某些元素，尤其是铁，可以获得令人满意的良好生坯强度和可接受的基体金属熔化水平。
钎焊材料28可以是锻件形式、糊状物或金属粉、或者铸造预制品，或者优选是固体粉末金属的预制金属块，它们将在钎焊之前布置于基板12的基板槽25中或布置于轮毂槽29中。当采用糊状物时，必须注意不能在钎焊过程中产生气体。该钎焊的方法可以是局部电阻加热或熔炉钎焊。电阻焊的优点是加热的变形最小，因为加热在局部进行。熔炉钎焊的优点是能够在保护气体中进行钎焊，该保护气体将有助于浸润。还有，钎焊可以与烧结同时进行，这在经济上有利。
图7d表示了有优选倒角26的焊接材料28的形状。尽管图中所示为扁平条带，但是也可以采用其它形式的焊料，例如丝状、预制部件或糊状(有或没有助熔剂)。接头间隙将根据所用焊接合金的类型而按照AWS标准确定。例如，对于前述SKC-72合金，优选的接头间隙将在0.002和0.005英寸之间。(优选的)“粉末金属块”的密度为大约4.5-6.5克/cc，尤其优选是大约5.5克/cc。粉末金属预制块的密度对于获得良好的可焊性很重要。
图7e中所示为在将渐开线涡旋结构10插入基板槽25中之后，将焊接材料28布置在基板12的顶部。然后，毛细作用将焊接材料28吸入间隙30中，并环绕渐开线涡旋结构10的底部32。也可选择，渐开线涡旋结构10和基板12可以模制在一起，但是轴承轮毂16单独制造，并连接到该基板12上。
图3b表示了将轴承轮毂16连接到基板12上，它们通过粉末冶金技术制成一件，如图3a所示。该轴承轮毂16制成一个单独的粉末金属件，并通过前述焊接方法而连接到涡旋件/基板组件上。在该方法中，轴承轮毂16可以是普通钢、粉末金属或铸铁。
这里所述的方法称为形成涡旋件压缩机的渐开线涡旋件部分的方法。所述的金属注射模制法采用非常细的铁粉，其中，粉末微粒覆盖有聚合物“粘合剂”。然后使该粉末/聚合物组合(“供料”)加热，并通过使用注射模制机而注入模具中，以便形成涡旋件。粘合剂作为载体，有助于进行注射模制。金属注射模制的基本过程与注塑模制类似。模制压力和温度根据所用的特定粉末/粘合剂系统而优化成能够合适填充成渐开线涡旋结构。注射系统内的情况实际上是触变(当由注射处理的热引起的剪切应力增大时，粘性减小)。然后使所形成的模制涡旋件去粘合(debound)(除去粘合剂)，再进行烧结(以便完成致密化(densification))。这两个步骤可以组合进行或作为分离的操作步骤。所用的专门处理的通道和材料选择为使得尺寸变化(公差)最小和几何形状变形最小。当线性尺寸公差为大约0.3％时，不需要用于“趋肤效应”的材料余量。模具的起模角大约为0.5度。
为了减小成本，优选是采用平均微粒大小尽可能大的铁粉(大约超过5微米)。大约在2和20微米之间的微粒尺寸能够有合适的烧结时间，并能有合适的可模制性。圆形微粒挤得更紧，烧结更快，且需要更少的粘合剂，但是在去粘合(debinding)和烧结的过程中不能阻碍形状变形。不规则形状的粉末微粒能够比球形微粒更好地保持部件形状。球形微粒具有更高的堆积密度(在振动粉末试样后获得最高密度，从而使体积最小)。尽管100％不规则形状和更大的微粒在经济上有利，但是因为处理困难，因此需要采用既有球形也有不规则形状的混合或散布微粒。100％的球形形状、100％的不规则形状或各占某种比例都可以采用。
必须采用有合适粘性的供料，以便形成渐开线涡旋结构。金属加载更高，供料的粘性可以更大。当粘性太大时，材料将不能进行注射模制。不过，太低的粘性可能使得供料易于在注射模制过程中产生金属粘合剂分离。
多种粘合剂系统可以用于涡旋件形成处理蜡聚合物、基于乙酰的、水溶性的、基于琼脂水的、以及水溶性/交叉连接的。基于“乙酰”的粘合剂系统的主要成分是聚甲醛或聚乙酰，并有少量的聚烯烃。乙酰粘合剂系统具有结晶性质。因为结晶性，模制的粘性相当高，这需要在模制温度方面进行闭环控制。该粘合剂的去粘合通过由硝酸在低温下对聚乙酰成分进行化学催化去聚合作用而进行。尤其是对于更厚的部件，粘合剂的去粘合处理可以更快。模制温度为大约180℃，模具温度为大约100-140℃，这相对较高。
还可以采用“蜡聚合物”粘合剂系统。该粘合剂具有良好的可模制性，但是因为蜡在去粘合过程中变软，需要考虑变形。需要进行固定或优化去粘合时间，以便能克服该问题。还可以考虑采用多组分粘合剂化合物，这样，性质能够随温度逐渐变化。这能够使加工范围更广。蜡聚合物系统能够在气体炉或真空炉中和通过溶解方法去粘合。通常的材料模制温度为175℃，模具温度通常为40℃。
还可以采用“水溶性”粘合剂。“水溶性”粘合剂由聚乙烯构成，并还有一些聚丙烯、部分水解且可溶于冷水的聚乙烯醇、水和增塑剂。粘合剂部分能够在大约80-100℃下通过水去除。模制温度为大约185℃。该系统为环保、无害且可生物降解。因为去粘合的温度较低，在去粘合过程中的变形倾向较低。
还可以采用基于“琼脂-水”的粘合剂。基于琼脂-水的粘合剂的优点是，因为水的蒸发引起去粘合，因此不需要单独的去粘合处理步骤。去粘合能够包括到处理的烧结阶段。模制温度为大约85℃，模具温度更低。在模制过程中要注意，失水可能会影响金属负载和粘性。因此，需要进行仔细控制，以避免在处理过程中的蒸发。另一缺点是，因为模制部件较软，需要小心地进行特定操作。在刚模制之后可以进行专门的干燥，以便于操作。
还可以采用“水溶性/交叉连接”粘合剂。该水溶性/交叉连接粘合剂涉及首先浸泡在水中以便部分去粘合，然后进行交叉连接步骤。有时这也称为供料的化合反应。主要的成分是聚乙二醇甲醚和聚甲醛。该粘合剂/去粘合系统导致较低的变形和较低的尺寸公差。还有，当混合有不同类型的粉末时，能够获得很高的金属负载。
也可选择，在去粘合和/或烧结过程中进行夹紧，以帮助防止部件滑落(slumping)。还发现，“在烧结点之下”(但是仍然致密化成能够满足密度/强度标准)将有助于保持尺寸控制。可以利用石墨或涡旋件形状的陶瓷来进行夹紧，以便使变形减至最小。
涡旋件的几何设计必须进行优化，以便于金属注射模制。整个部件的壁厚应当尽可能均匀和薄，所用的芯应当适于实现该要求。均匀和最小的壁厚能够使变形减至最小，并能加快去粘合和烧结，且减小材料成本。
还发现，所述金属注射模制法制成非常致密的部件(通常比重超过7.4)。这是金属注射模制的一个独特方面，能够制造特别高强度的材料，这能够生成比目前的铸铁结构更薄和更轻的涡旋件。因此，金属注射模制法能够提供比现有技术的灰铸铁涡旋件更优的强度。
(固定和公转的)涡旋件部分的最终的烧结密度最小值为大约6.5gm/cm3(优选是最小值为大约6.8gm/cm3)。该密度应当尽可能均匀地分布。该密度最小值必须保持，以便满足涡旋件的疲劳强度要求。通过相互连接的金属孔隙的泄漏也要考虑，因为将损失压缩机效率。具有较高密度足以在不进行其它处理的情况下形成压力密封。需要时，也可以对该孔隙进行浸渍、蒸气处理或渗透(聚合物、金属氧化物或金属)，以便密封相互连接的孔。
最终部件的材料组分为大约0.6-0.9％的碳(当有自由石墨时为3.0-3.3％)、0-10％的铜、0-5％的镍、0-5％的钼、0-2％的铬、其余为铁。也可以添加有其它少量组分，以便改变或提高微观结构的某些方面，例如可硬化性或珠光体的细度。最终材料的微观结构将与铸铁类似。尽管根据压缩机用途的摩擦要求可能需要含有石墨的结构，粉末金属的优选微观结构将不包含自由石墨。自由石墨的存在将降低粉末的可压缩性，并对尺寸精度和公差有不利影响。可以设想一个涡旋件(例如固定部分含有石墨，公转部分没有石墨)。优选是，烧结时间将使得最终部件的基体结构中最少有90％体积的珠光体(不计空隙(discounting voids))。当存在自由石墨时，它可以为球形、不规则形状或薄片形。自由石墨的体积百分数优选是在大约5％和20％之间，优选是大约10-12％的石墨。石墨的微粒尺寸(直径)是有效直径为大约40-150微米。
微粒可以集中在涡旋件中需要特定摩擦特性的特定位置(见专利No.6079962，该专利被本文参引)。或者更优选是，可以在整个涡旋件中均匀分布。微粒尺寸、形状和分布将适于保持合适的抗疲劳性和摩擦特性(低粘性和低磨损)。该粉末金属能够防止其自身在压缩机中擦伤。至少在其中一个配合涡旋件中存在石墨将允许连续存在磨损结合。在金属注射模制或粉末金属加工的设计中，当包含石墨时，必须考虑由于添加石墨而引起的尺寸变化。
为了在最终的粉末金属结构中保持自由石墨，可以选择将两种或更多不同尺寸分布(细小和较大)的石墨微粒混合。较小的石墨微粒在烧结过程中扩散，并形成珠光体。而较粗大的石墨微粒则保持或部分保持为自由石墨。还必须考虑在热处理中不会形成自由碳化物，该自由碳化物将使机械加工性急剧降低。也可选择，通过将需要保持为自由状态的石墨涂覆有金属例如铜或镍，从而形成自由石墨。该金属涂层防止或至少减小在烧结过程中的碳扩散。
通常，粉末金属或MIM(金属注射模制)涡旋件的机械加工比锻造或铸造的部件更困难。粉末金属的机械加工性降低是由多孔性引起的，该多孔性将使切割工具产生微疲劳，且使切割工具的散热较差。为了提高机械加工性，使组分为包含石墨，并有更高密度。一种选择是包含化学当量的镁和硫，以便形成硫化镁，这也有助于提高机械加工性。利用大约0.5％的硫化镁就可以获得合适的机械加工性。还发现，除了添加硫化镁外，由于处理过程之间的相互作用，蒸气氧化也可以提高表面光洁度。保持良好工具寿命(机械加工性)的优选方法是以聚合物密封(浸渍)该粉末金属涡旋件。这可以填充空隙。该聚合物通过在机械加工时润滑工具来提高机械加工性，同时由于填充了空隙，使微疲劳现象减至最小。合适的聚合物形式为混合有不饱和聚酯的甲基丙烯酸酯。加热或无氧类型的固化能够很好地进行。无氧合金固化密封器非常合适，因为使得粉末金属的内部空隙中没有氧气。
并不需要通过非常精确的制造方法来制造基板12，因为渐开线涡旋结构10是涡旋件中机械加工最困难和最昂贵的部分。因此，基板12可以以普通的砂铸方法制成，例如垂直拔模法，而涡旋件的渐开线部分可以通过粉末金属方法制成。可以采用DISA(垂直拔模生砂铸造法)这样的铸造方法，因为它与其它铸铁铸造方法相比，在经济上相对有利。
在渐开线涡旋结构10的模制和烧结过程中保持尺寸精度和避免变形以及保护其工具(模具和冲头)都非常重要。可能需要下面的粉末金属技术中的一种或一组来控制渐开线工具的变形。
在“热压紧”中，采用专门的粘合粉末材料，它在加热时有很好的流动性。粉末和模具加热至大约300°F(在模制之前或模制过程中)。热压紧能够使生坯粉末金属部件更坚固，并使生坯部件和最终的烧结部件有更高和更均匀的密度。更高的密度和均匀性减小了烧结变形的可能性。而且，热压紧的生坯比传统模制部件更坚固，因此在加工时不会那么容易出现裂纹。热压紧渐开线涡旋结构10也使得模制部件更容易从模具中取出，因此减少了出坯废品。热压紧的另一独特优点是能够对生坯(在挤压时的)部件进行机械加工，这有时也称为生加工(green machining)。这样有两个优点，即更容易进行机械加工，因为部件并没有烧结至全强度，且生坯部件更坚固，从而更容易加工和夹紧。
有助于粉末金属渐开线涡旋结构10的制造的另一处理方法是“模具壁面润滑”。在该方法中，模具壁涂覆有专门的润滑剂，该润滑剂可以为固体喷雾或液体形式，并在高温下稳定。该润滑剂减小了粉末与模具壁之间的摩擦，这能够提高粉末的密度和流动特性。而且，模具壁润滑可用于代替(或部分代替)在粉末内的润滑(内部润滑)。内部润滑可以采用大约0.75％的润滑剂，而模具壁润滑将使得内部润滑剂为大约0.05％。内部润滑剂的量更低导致密度更高、密度分布更好、炉中的烟灰更少、生坯强度更大、在压紧后生坯回弹更小、表面光洁度更好和所需出坯力更小。模具壁的润滑剂可以是液体或固体。
模具壁可能需要加热至大约300°F，以便液化润滑剂。液化的润滑剂使金属摩擦更小。作为一种变化形式，模具壁润滑剂可以具有较低的熔点(可能低到100°F)。由于该特性，在压紧过程中，模具壁润滑剂可以很容易地转变成液体。混合有高低温度的润滑剂可以使混合物的有效熔点降低至低于组分中的最高熔点值，只要使所用温度高于某一临界值。在喷入模具腔中之前，润滑剂粉末必须很好地混合。流体化是实现该目的的一种合适方法。将不同熔点的润滑剂混合也有助于流体化效果。混合时，必须注意不能使混合的润滑剂在流体化过程中引起物理分离。一组这样的润滑剂包括亚乙基双硬脂酰胺(EBS)、硬脂酸和月桂酸。
便于粉末金属渐开线涡旋结构10制造的另一方法是在烧结后进行精压或“压制”。该方法需要在一组模具中重新压制该烧结的部件，该组模具提高了尺寸精度，并减小了相对于烧结部件的尺寸公差。这使得该部件更接近基本形状，并稍微使它增强。
一种避免在模具和冲头上集中较高应力的观点是采用“液体金属辅助烧结”。该压制生坯结构以与前述相同的组分制成，只是制造压力比正常情况更小，且密度更小、多孔性程度更高。较低压制压力导致作用在模具上的应力更小，从而增加模具寿命，并且将减小出坯问题。然后，在烧结过程中，大约10％重量的铜合金熔融到整个部件上。该熔融的铜合金提高了烧结速度。在最终的烧结部件中，铜合金使部件的强度提高。如果没有铜合金，压制后的部件不能足够坚固。还一附加优点是，分布在最终形成的部件中的铜将有助于压缩机在工作时的摩擦特性。不过，液体金属辅助烧结增加了该涡旋件在烧结后的变形量。
在烧结或钎焊过程中可能需要进行固定，以便使尺寸变形最小。固定可以利用石墨或涡旋件形陶瓷来进行，以便保持涡旋件的形状。也可以采用其它固定结构，例如为可以布置在涡旋件之间的球体，以便支承它们。还有，因为在烧结过程中部件的形状和尺寸发生变化，因此部件和保持盘之间的摩擦力很重要。还可能需要根据该原因增加或减小摩擦。减小摩擦是减小变形的最常用方法，并可以通过在部件和盘之间涂布铝粉而实现。
粉末和部件组分的一致和均匀也能减小尺寸公差。粉末在供给过程中可能发生分离。粉末的供给和传送机构能够避免粉末分离将是很重要的。避免分离的一种方法是采用预先形成合金或进行了扩散粘合的粉末。这样，每个粉末微粒都有相同的组分，从而能减弱分离。避免分离的另一种方法是尽可能快地进行充装。粘合剂的选择和所形成的粉末流动性将通过减小部件不同部分的密度而影响尺寸稳定性(烧结变形)。粉末流动性应当足够高，以便使厚的部分和薄的部分都密度均匀，但是不要高到能促使不同大小的微粒分离。还有，最好采用高温粘合剂，以防止出现流动问题。
在粉末金属涡旋件的制造中对所有关键步骤进行充分的过程控制，也能够影响尺寸精度和工具的损坏程度。需要监控的两个这样的关键步骤的实例是生坯部件性质(密度和尺寸)和在负载下的炉内烧结温度均匀。
模具自身能够永久性涂覆有润滑剂，以便减小摩擦。可以采用的涂层例如金刚石或铬。模具涂层能够减少粉末中所需的润滑剂，这能减少砂眼，增加生坯强度和压缩性，如上面在模具壁润滑部分所述。
对于减小变形，材料选择很重要。对于尺寸稳定性，重要的是选择最优比例的合金元素，例如，碳和铜的比例必须合适，从而避免较高的铜含量(大约3-4％)，尤其是当碳含量较低时(小于0.6％)。而且，粉末合金制造方法的选择也很重要。扩散或粘合形成合金的方法是优选，因为这与掺混方法相比，组分均匀且一致。从尺寸方面考虑，类似于MPIF FD-0408或FC-0208这样的合金非常适于涡旋件。
使模具完全充满粉末很重要。为了使粉末完全充满模具，可以采用例如振动、流体化或真空这样的方法来帮助将粉末传送到涡旋件成形腔体中。如前所述，必须防止在振动过程中发生粉末分离。必要时也可以采用粉末的底部供给或底部和顶部供给来达到该目的。
在本发明的另一实施例中，整个涡旋件将模制成简单几何形状的实心形状。这时，在模制时或在“生坯”状态下，加工出渐开线涡旋结构10、轮毂16和基板12的精细部分。然后象正常情况一样对该涡旋件进行烧结。然后可以使用该涡旋件，或者需要对它进行某些精加工，以便补偿烧结变形。通过计算机辅助机械加工方法，可以完成本实施例所需的大量机械加工。
实心渐开线涡旋结构10生坯能够由这样的方法和材料制成，即该方法和材料能够使该生坯强度足以承受机械加工应力和进行机械加工所需的相关夹紧应力。这时，粉末将涂覆有粘合剂，该粘合剂能够承受直到大约300°F的较高压紧温度。本实施例中，生坯部件的拉伸强度最小为3000psi。
图8-10表示了本发明的涡旋件的显微照片。图8-9分别表示了在放大500倍时渐开线涡旋结构的基板和顶部的情况。所示的是珠光体结构、没有石墨结构存在。图10表示了处于未蚀刻状态下的粉末金属渐开线涡旋结构在100倍时的情况。在烧结材料中可以看见孔隙。该孔隙中有聚合物密封材料。
对本发明的详细说明仅仅是作为实例，不脱离本发明要点的变化形式也将包含在本发明的范围内。这样的变化形式不能认为脱离了本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用于涡旋机械的涡旋件，所述涡旋件包括烧结的铁粉。
2.根据权利要求1所述的涡旋件，包括铁粉，该铁粉有至少90％的珠光体结构。
3.根据权利要求1所述的涡旋件，包括大约0-12％的石墨。
4.根据权利要求1所述的涡旋件，包括大约10-12％的石墨。
5.根据权利要求1所述的涡旋件，包括一基板。
6.根据权利要求5所述的涡旋件，其中该基板确定有一个槽，该槽能够接受渐开线涡旋结构。
7.根据权利要求1所述的涡旋件，包括一渐开线涡旋结构，该渐开线涡旋结构由烧结的铁粉制成。
8.根据权利要求7所述的涡旋件，其中该渐开线涡旋结构还确定有至少一个凹槽，该凹槽能够接受液体金属。
9.根据权利要求8所述的涡旋件，还包括至少一个将要牺牲的(sacrificial)凸起，该凸起能够在连接过程中变成液体。
10.根据权利要求6所述的涡旋件，其中该槽包括布置于其中的钎焊材料。
11.根据权利要求6所述的涡旋件，其中该基座部件包括一个将牺牲的钎焊材料，该钎焊材料布置成靠近所述槽。
12.根据权利要求6所述的涡旋件，还包括具有较高阻抗的材料，该材料布置在所述槽内，以便控制电流。
13.一种涡旋件的渐开线涡旋结构，包括大量通过粘合剂粘合在一起的金属微粒。
14.根据权利要求13所述的渐开线涡旋结构，其中所述金属微粒的平均颗粒大小大于5微米。
15.根据权利要求13所述的渐开线涡旋结构，其中所述大量金属微粒有不规则的形状。
16.根据权利要求15所述的渐开线涡旋结构，其中大量所述金属微粒包括球形形状的微粒。
17.根据权利要求13所述的渐开线涡旋结构，其中该金属微粒包括铁。
18.根据权利要求17所述的渐开线涡旋结构，其中该金属微粒包括大约0.6-0.9％的碳。
19.根据权利要求17所述的渐开线涡旋结构，其中该金属微粒包括大约0-5％的镍。
20.根据权利要求17所述的渐开线涡旋结构，其中该金属微粒包括大约0-5％的钼。
21.根据权利要求17所述的渐开线涡旋结构，其中该金属微粒包括大约0-2％的铬。
22.根据权利要求13所述的渐开线涡旋结构，其中该粘合剂从以下组中选择蜡聚合物、乙酰、琼脂-水和水溶性/交叉连接型。
23.一种形成涡旋件的方法，包括以下步骤将金属粉末注入渐开线涡旋结构模具腔内，以便形成渐开线涡旋结构生坯；将所述渐开线涡旋结构生坯从所述模具腔中取出；以及烧结所述渐开线涡旋结构生坯，以便形成渐开线涡旋结构。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括将所述金属粉末与粘合剂组合以形成混合物的步骤。
25.根据权利要求23所述的方法，其中所述金属粉末包括铁。
26.根据权利要求25所述的方法，其中使所述金属粉末还包括从以下组中选择的元素碳、镍、钼、铬、铜以及它们的混合物。
27.根据权利要求23所述的方法，其中所述金属粉末是平均直径大于5微米的铁粉。
28.根据权利要求25所述的方法，其中所述金属粉末包括从以下组中选择的元素0.7-3.5％的碳、0-10％的铜、0-5％的镍、0-5％的钼、0-2％的铬以及它们的混合物。
29.根据权利要求23所述的方法，其中对所述渐开线涡旋结构生坯进行烧结，直到所述渐开线涡旋结构包括至少90％容积的珠光体结构。
30.根据权利要求23所述的方法，其中对所述渐开线涡旋结构生坯进行烧结，直到所述渐开线涡旋结构包括0-20％的自由石墨。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述渐开线涡旋结构包括大约12％的自由石墨。
32.根据权利要求23所述的方法，其中所述金属微粒包括铁粉，该铁粉有多种形状，并有至少两种平均直径。
33.根据权利要求23所述的方法，还包括以下步骤将金属涂覆的石墨微粒与所述金属粉末混合。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述金属涂覆的石墨微粒包括由铜覆盖的石墨微粒。
35.根据权利要求23所述的方法，还包括将硫化镁与所述金属粉末混合的步骤。
36.根据权利要求23所述的方法，还包括在将所述渐开线涡旋结构生坯从所述模具中取出后对其进行机械加工的步骤。
37.根据权利要求23所述的方法，其中对所述渐开线涡旋结构生坯进行烧结，直到所述渐开线涡旋结构的密度大于大约6.8gm/cm3。
38.一种形成涡旋件的方法，包括以下步骤形成包括金属粉末的渐开线涡旋结构；形成基板；以及使所述渐开线涡旋结构与所述基板连接。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述渐开线涡旋结构与所述基座连接包括将渐开线涡旋结构通过电容放电焊接到所述基座上。
40.根据权利要求38所述的方法，其中所述渐开线涡旋结构与所述基座连接包括将钎焊材料布置成靠近所述渐开线涡旋结构；以及充分加热，以便熔化所述钎焊材料。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，所述钎焊材料包括大约30-50％的铜；大约10-20％的镁；大约3-25％的铁；大约0.5-4％的硅；大约0.5-2％的硼；其余为镍。
42.根据权利要求40所述的方法，其中充分加热以便熔化所述钎焊材料是通过局部电阻加热钎焊材料。
43.根据权利要求40所述的方法，还包括以下步骤将具有多个尺寸的石墨微粒与所述金属粉末混合。
44.根据权利要求38所述的方法，还包括形成包括金属粉末的轮毂；以及将所述轮毂与所述基板连接。
全文摘要
涡旋件由一个或多个接近净形状的粉末金属部件形成，并且既可以整体形成，也可以由几个部分一起形成。还介绍了“普通”压制和烧结方法以及金属注射模制方法。
文档编号C22C33/02GK1434213SQ0214140
公开日2003年8月6日 申请日期2002年8月28日 优先权日2002年1月24日
发明者马克·J·斯坎卡勒罗 申请人:科普兰公司