专利名称：用于将铝熔合到构件的方法
用于将铝熔合到构件的方法本发明涉及用于将铝熔合(Zulegiemng)到构件的方法和藉此方法 制备的构件。由于其特殊性能，特别在航空和汽车工业中铝是优选的材料。由铝 和/或含铝材料生产的构件比常规的(例如由铸铁生产的)构件更轻。通 过减轻重量，例如在汽车情况下，实现了效率增加和燃料消耗降低和废 气量的改善。例如在发动机结构和传动装置结构中目前已经通过这种由 铝或者使用铝制备的这些工件替代迄今的钢零件和铸铁零件工件。因为 基于这些材料不同的物理性质，钢零件或铸铁零件与由铝制成的零件相 组合时出现问题，希望尽可能多地用使用铝制备的构件代替由钢或铸铁 制成的常规构件。这样，由此避免了由于所用材料在热膨胀系数、导热 性、弹性等方面的差别而带来的问题。通过使用在使用铝条件下制备的 彼此适配的构件，还特别实现了更高的效率。因为许多发动机构件、连接构件和传动装置构件通过粉末冶金制 备，在提供能进行粉末冶金制备铝构件的方法方面存在很大的兴趣。在 使用铝的情况下，粉末冶金生产构件的缺陷特别在于，铝及其合金在接 触空气时往往被覆盖以最外层稳定金属氧化物。由此特别提高了比表面 积。通过位于所用的含铝材料上的氧化皮阻止了对于烧结必需的所用粉 末材料的颗粒扩散。此外，与由钢或铸铁制成的构件相比，由含铝材料 制备的构件具有降低的强度值，特别是更低的硬度。另外，位于含铝起 始材料上的氧化皮抑制在常规压制过程中的颗粒冷焊。典型的含铝钢例如为具有德国材料编号1.4767的那些。在使用这类 含铝钢的情况下特别不利的是，其由于上面已经描述的铝的高氧亲合力 在烧结步骤中表现差。从经济角度来看，这类含铝钢的水喷雾也不可行。 如果这类含铝钢将用作纤维，和因此在拉伸步骤之前进行实际烧结，那 么金属氧化皮另外导致所用拉丝模的严重磨损。因此，需要这样的方法，借助该方法可生产含铝构件，其在生产方 法中不出现现有技术已知的缺陷。因此，本发明的任务在于提供用于将 铝熔合到这样构件的方法，该方法不具有上述缺陷。根据本发明，该任务通过用于将铝熔合到构件的方法实现，其中所述铝的熔合通过添加含铝材料进行，其中所述构件被至少一个容纳含铝材料的装置(Mittel)包围，和这样形成的元件经烧结。在本发明范围 内，本发明的方法中烧结特别理解为达到足够的温度，在此温度铝转入 气相并至少部分沉积在相关构件的表面，随后在足够温度放置期间扩散 入该构件的材料中。由此，通过本发明方法得到了特别的构件，其在接 近表面层具有升高的铝含量。实施本发明方法的前提条件当然是，待配 备铝的构件在将铝扩散入该构件中所需的温度下本身不转变成液态。待 配备铝的构件本身可以含有铝(贫铝，特别是铝含量低于2重量％ ,但 是其优选基本上不含铝)。相对于混合粉末/纤维的优点在于，由此可实 现在孔的角度来看不发生由铝熔融引起的材料组成变化。本发明的方法具有下列特别优点，可以例如从常规铁-铬钢(视需要 含有其它金属，特别是稀土金属)出发首次制造具有高强度值的构件(包 括生坯)，所述构件在其它步骤中可以通过将铝熔合到特别是接近表面 的区域影响其性能，和有目的地调节其铝含量。含铝材料，其例如为铝合金，更优选为纯铝，在烧结步骤中在达到 熔融温度(例如在纯铝情况下为大约660。C的值)时液化，然后该液态 含铝材料被大面积地容纳在容纳含铝材料的装置中。由此减少了含铝熔 体的滴落，在与待配备铝的构件直接相邻处的铝的高浓度得以保持。通 过限制蒸气压，优选高于大约IOO(TC，含铝熔体转变为气态铝并聚集在 蒸气中。因为含铝蒸气在紧邻待配备铝的构件位置产生，所以该气态铝 至少部分沉积到相关构件的表面并通过达到构件的烧结温度扩散入构 件的临近表面层。该溶解铝具有热动力学上降低的蒸气压和稳定保持在 构件内。因此，本发明的方法的特征在于在烧结步骤总共至少三个温度 阶段，其中在第一温度阶段实施含铝材料的液化，第二温度阶段表示铝 的蒸发，和在第三温度阶段实施实际烧结和铝扩散到构件的至少临近表 面的区i或。所述容纳含铝材料的装置优选具有足够大、特别是足够高的孔体 积，并优选构造为非织造物型，其中特别优选使用金属和/或陶瓷制成的 非织造物。原则上容纳含铝材料的装置应优选具有大的表面积，由此可 以均匀的和大面积地被容納在达到第 一温度阶段后熔融的铝或含铝材 料，并由此均匀地分布在容納含铝材料的装置围绕的构件周围。因此， 只要需要，可以由此非常均匀地将铝扩散到构件的整个接近表面的层内。本发明的方法的烧结步骤优选在含铝材料的蒸发温度以上进行，所 述蒸发温度已经在前文描述。将铝熔合以通过扩散浸入构件的接近表面的层的温度优选为至少IOO(TC。铝或含铝材料的蒸发温度可以在该温度 之下。在本发明方法的优选实施方案中，所述构件选自烧结构件和/或未烧 结构件，特别是压坯、非织造物、粉末矿石或者纤维垫。由此，本发明 的方法既可以用于尚未经历烧结的构件，也可用于已经烧结的构件。这 样，例如经压制的生坯可以在根据本发明方法烧结之前被容纳含铝材料 的装置围绕，并在添加含铝材料的条件下烧结，其中同时进行烧结和铝 的熔合。构件的烧结和铝的熔合也可以在分开的步骤中实施。含铝材料优选以金属箔(Blechfolie)、粉末、金属丝、织物和/或 纤维形式使用。特别优选的是，以铝箔形式使用，其另外在至少一面经 压花以增大表面积和使得铝易于转变成蒸气相。优选提供由纯铝组成的 含铝材料。但是，含铝材料也可以由含铝合金組成。其可以例如由粉末混合物 制备，基于该粉末混合物的总量，金属和/或其合金组成的铝基粉末含 60-98.5重量％、优选75-92重量％的铝、0.2-30重量％的镁、0.2-40重 量％的珪、0.2-15重量％的铜、0.2-15重量％的锌、0.2-15重量％的钛、 0.2-10重量％的锡、0.2-5重量％的锰、0.2-10重量％的镍和/或低于1重 量％的砷、锑、钴、铍、铅和/或硼，其中重量百分含量均基于铝基粉末 的总量。用于制备含铝合金的粉末混合物可以额外或者替代性地混入 0.8-40重量％、优选7-15重量％的金属粉末，基于粉末混合物的总量， 所述金属粉末选自铁、钼、鴒、铬、钒、锆和/或钇的金属和/或其合金。在本发明方法的 一个备选实施方案中，含铝材料首先与构件接触， 然后该构件被至少一个容纳含铝材料的装置围绕。在本发明范围内， "与......相接触"不仅表示含铝材料和构件之间的直接接触，还表示部分或者部分表面接触以及将含铝材料设置得接近构件或者与该构件直 接相邻。在本发明方法的又一备选实施方案中，首先将该含铝材料添加到容 納该含铝材料的装置中，然后通过用该装置围绕构件让该材料与该构件 相接触。在另一备选实施方案中还可以设想，在用容纳含铝材料的装置围绕该构件后，在构件和装置之间的区域添加含铝材料。这种备选实施 方案特别适合于采用粉末和/或纤维或者它们的混合物形式的含铝材料 的情形。在本发明方法的又一优选实施方案中，所迷构件被至少一个金属非 织造物缠绕，其中在该非织造物和构件之间设置有铝箔，特别是经压花 的铝箔。这些优选的实施方案具有大的优点，也即可以以简单和安全的 方式将相对高的铝含量设置得直接临近该构件，和这样形成的巻状物(Wickel)可以在随后的烧结步骤和/或熔合步骤中简单地处理。此外， 可以通过使用箔均匀地调节在整个构件围绕区域内的蒸气相的铝浓度。 还可以设想，使用单层或多层的铝箔，或者多个箔层彼此叠置。除了铝 之外，铝箔在必要时还应含有其它金属的杂质。还可以使用常规的在包 装领域已知的压花和未压花的铝箔。如果本发明的方法从生坯出发，那么该生坯也可以经历再致密化 (其可以称为中间致密化)。这样，例如可以将经压制的生坯重新置入 常规模具中，并在其中至少部分通过相应的冲头再致密化。优选地，再 致密化模具完全或者部分构造为锥形，由此可以在生坯的某些预定位置 实现特别高的致密化。在铝的熔合和生坯烧结之前，优选对该生坯进行 除蜡。除蜡优选在氮气、氬气、空气和/或上述气体的混合物存在条件下 进行，特别是借助有目的地引入空气进行。此外，除蜡可能伴随着吸气 和/或放气，因此优选在真空中进行。除蜡可以优选通过叠加的微波和/ 或超声进行或者仅通过微波进行温度进程。最后，除蜡可以通过溶剂例 如醇或其它溶剂或者通过临界二氧化碳存在或不存在温度、微波或超声 的影响或者通过上述方法的组合进行。在铝的熔合步骤后可以实施实际烧结步骤。如果构件已经以烧结构 件或者块状构件形式存在，那么接下来可以进行视需要的必要热处理， 特别是均匀退火。其中，热处理可以根据所得构件的化学组成进行。代 替热处理或者在热处理之外，经烧结的构件也可从烧结温度或者均匀退 火温度优选在水中或者通过气体激冷淬火。在烧结或者铝的熔合之前或之后，可以进行额外表面致密化，通常 为在表面区域施加压力内应力，特别是通过喷砂或者喷珠、辊压处理等 进行。同样在均匀退火之前或之后可以进行精整(Kalibrierung )。在此 精整在室温或者升高温度直至锻造温度和在施加直至900N/mn^压力条件下进行。精整视需要甚至可以在固相线温度以上进行，其中构件可以 直接经受烧结加热或者在铝熔合时所用的温度。
本发明另外涉及根据本发明方法生产的构件。本发明生产的构件的 突出之处特别在于，可以确定在表面区域提高铝含量。所得的构件可以 至少部分地在上述区域具有提高的铝含量。
借助本发明方法得到的构件特别可用于热气体过滤，特别是用于内 燃机的废气过滤中、和特别是作为催化剂的载体或者用作滤碳器。此外，
所述构件也可以用作非i属层的其它基材。原则:借助本发^方法 制备的构件相对于未在接近表面层提高铝的那些具有更高的耐氧化性。
这些和其它实例将根据下面实施例详细阐述
由德国材料编号2.4816 (不含铝)的因科镍合金600 (镍铬合金) 粉末制备管状生坯。其中在室温中将该粉末混合物等压压制成管状生 坯。该生坯的密度为大约2.35-大约2.38g/cm3。然后，这样制备的生坯 在大约430。C除蜡大约30分钟。
然后，这样制备的生坯经市售铝箔(其至少具有单面压花)单层缠 绕，其中要注意的是，该铝箔均匀和紧密地覆盖在该管状生坯上。该配 备铝箔的构件随后被设置在两层组成为75%铁、20%铬和5%铝的金属 非织造物之间，其中这些金属非织造物具有85%的孔隙率。
这样形成的巻状物被放入真空炉中。在达到大约660。C的铝熔融温 度的温度后，铝箔开始熔融，液态铝大面积和均匀容纳在两层金属非织 造物内。由此阻止了铝熔体的滴落和由此阻止了直接在构件周围存在的 铝的量的减少。通过提高铝的蒸发温度，铝箔蒸发并大面积地沉积在所 用的由不含铝的钢制备的生坯表面。通过接着使用的或者同时进行的在 大约IIO(TC温度的生坯烧结，然后发生铝扩散到泵叶轮生坯的接近表面 区域。炉中温度可以逐步升高，但是如果需要，也可以马上升高到蒸发 温度之上的温度，同时高于烧结温度。
在另一实施例中，由德国材料编号1.4113 (不含铝)的材料制备的 纤维垫在常规条件下烧结。然后，该经烧结的纤维垫在两面均匀设置铝 箔，具有铝箔的纤维垫随后用两个具有较低孔隙率和比所制备的纤维垫 表面积更大的金属非织造物覆盖。然后，进行铝的熔合，如在之前的相 关泵叶轮生坯所述。由此可以得到这样的纤维塾，基于纤维垫的总量，熔合的铝含量大于5重量％。如果使用例如由德国材料编号1.4404 (不 含铝)的材料制备的纤维垫，那么在可比较的条件进行铝熔合之后最终 制备的纤维垫的铝含量大于1重量％，基于纤维垫的总量。如果使用例 如由因科镍合金600粉末制备的生坯，那么在根据所述方法使用铝箔熔 合之后，最终烧结的构件的铝含量多于1重量％,基于构件的总量，这 对应于材料因科镍合金601 。由此，通过本发明提供了一种简单的方法，借助该方法，特别是不 含铝的材料也可以在随后的烧结构件制备中至少在接近表面区域配备 铝，因而可以具有有利的性能。
权利要求
1.用于将铝熔合到构件的方法，其中铝的熔合通过添加含铝材料进行，其中所述构件被至少一个容纳有含铝材料的装置围绕，这样形成的元件经烧结。
2. 权利要求1的方法，其特征在于，作为容纳含铝材料的装置使用 非织造物类型构造的装置。
3. 前述权利要求之一的方法，其特征在于，作为容纳含铝材料的装 置使用由金属和/或陶瓷制成的非织造物。
4. 前述权利要求之一的方法，其特征在于，所述烧结步骤在含铝材料的蒸发温度以上进行。
5. 前述权利要求之一的方法，其特征在于，所述熔合温度为至少 1000 。c。
6. 前述权利要求之一的方法，其特征在于，所述构件选自经烧结和 /或未经烧结的部件，特别是压坯、非织造物、纤维垫或粉末矿石。
7. 前述权利要求之一的方法，其特征在于，所用构件基本上是不含 铝的或者贫铝的。
8. 前述权利要求之一的方法，其特征在于，所述含铝材料采用金属 箔、粉末、金属丝、织物和/或纤维形式。
9. 前述权利要求之一的方法，其特征在于，所述含铝材料由纯铝组成。
10. 前述权利要求之一的方法，其特征在于，所述含铝材料首先与 构件接触，然后将该构件被至少一个容纳有含铝材料的装置围绕。
11. 权利要求1-9之一的方法，其特征在于，首先将所述含铝材料 添加到容纳该含铝材料的装置中，然后通过用容纳含铝材料的装置围绕 构件让所述材料与该构件相接触。
12. 前述权利要求之一的方法，其特征在于，所述含铝材料设置在 构件和容纳含铝材料的装置之间。
13. 前述权利要求之一的方法，其特征在于，所述构件被至少一个 金属非织造物缠绕，其中在该非织造物和构件之间设置有铝箔。
14. 构件，根据权利要求l-13之一的方法制造。
全文摘要
为了实现提供能避免由含铝材料制备构件相关的缺陷的方法，提供了用于将铝熔合到构件的方法，其中铝的熔合通过添加含铝材料实现，其中所述构件被至少一个容纳含铝材料的装置包围，并由此形成的元件经烧结。优选地，所述构件用至少一个金属非织造物缠绕，其中在该非织造物和构件之间设置有铝箔。
文档编号C23C10/06GK101273152SQ200680025525
公开日2008年9月24日 申请日期2006年6月21日 优先权日2005年7月15日
发明者E·马利格, Z·李 申请人:Gkn金属烧结控股有限责任公司