薄壁粉末金属部件制造技术

专利名称：薄壁粉末金属部件制造技术
技术领域：
本发明涉及烧结粉末金属制造，尤其涉及可用来制造诸如汽缸套之类的部 件、或其他具有高的长度与壁厚度比的器件的粉末金属装置和方法、以及从其 制造出的粉末金属部件。
背景技术：
烧结粉末金属(PM)零件近年来越来越快地用于难以用其他方法制造的 部件，因为PM部件可提供其他金属成形的部件的成本经济的替换物。粉末冶 金的一些优点包括低成本、改进的质量、增大的生产率以及更大的设计灵活性。 这些优点部分地实现，因为PM零件可被制造成产生非常少的材料浪费、并且 从而消除加工操作或使机械加工操作最少的净形或接近净形。PM制造工艺以 及从中产生的零件，尤其是相对于其他金属成形工艺的其他优点特别是包括包 含分级结构或复合金属的更大的材料灵活性、重量更轻的零件、更大的机械灵 活性、制造工艺中的降低的能耗和材料浪费、零件的高尺寸精确度、零件的好 的表面光洁度、用于自润滑或渗透的受控多孔性、部件的增大的强度和耐蚀性 以及低排放。
内燃机制造商一直在寻找更有效、节省成本以及可行的方式来在降低发动 机中的成本和重量而不牺牲性能和/或安全。发动机的最大和最重要的部件之一是汽缸体。过去，汽缸体由提供强度、耐久性以及长的使用寿命的铸铁制成。 然后，如可理解，铸铁是非常重的。此外此外，铸铁具有相对较差的导热性。 因此，人们在寻找铸铁汽缸体的替换物。
一种这样的替换物是用铝制成的机体。铝非常轻且具有好的导热性，这两 种性能中的每一个在发动机工业中都是理想的特征。然而，铝相对较软并容易 擦伤，因而不提供汽缸体中使用所需、尤其关于机体中的汽缸内孔的需要的强 度、耐久性以及长的使用寿命。此外，铝相比铁具有相对较高的热膨胀系数， 这会在高的工作温度下燃烧期间增大汽缸与活塞之间的漏气，从而增大排放。
作为替换方式，发动机制造商已在铝机体的汽缸内孔内使用更耐磨的汽缸 套。汽缸套通常镶铸在铝机体内以提供相比没有汽缸套的铝内孔改进的耐磨 性。通常将铸铁、经机械加工的汽缸套用于需要汽缸套的发动机。然而，这些 铸铁汽缸套与铝机体具有不够理想的机械结合，这导致较不理想的传热性质。 此外，在铸铁汽缸套的外侧上需要结构特征以在铝机体中"锁定"在位，并且 这些结构特征可能会产生从铸铁汽缸套到铝机体的不均匀热传递，或者不期望
的空隙或局部热点可能会在汽缸套与铝之间产生。附加地，用在铸铁汽缸套中 的合金关于强度和刚度不是最佳的，导致燃烧期间的内孔变形、更多漏气以及 更高排放。
在镶铸在铝铸件中时，粉末金属铁合金零件的固有多孔性使得熔融铝渗透
PM零件的基体，从而改进围绕的铝与PM零件之间的结合。使熔融铝能渗入 汽缸套多孔部分还利用渗入的PM基体的理想的可加工性。此外，可用于PM 零件的合金在与铸铁零件相比时可有更高的强度和刚度。
虽然PM技术具有克服使用铸铁汽缸套的问题中的一些的潜力，但是通过 常规轴向压实成净形或接近净形的PM汽缸套的生产仍未商业可用。 一个原因 是高的长度与壁厚度比导致使用金属粉末填充压实模具的额外的困难。此外， 从具有高的纵横比的零件的端部压实导致沿汽缸套的长度的不可接受的密度 梯度、以及压坯的不充足的生坯强度。这些问题可以利用冷等压成形加上后续 的辅助制造操作来稍稍克服，但与铸造汽缸套相比成本太高。
虽然上述讨论涉及汽缸套，但是在企图使用粉末金属技术生产诸如衬套、 以及电动机定子或电枢之类的具有高的长度与壁厚度比的其他器件时，这些零
6件时也具有类似的问题。

发明内容
本发明提供可用来用粉末金属制造汽缸套压坯、或者具有高的长度与壁厚 度比的其他部件压坯以供后续烧结使用的装置及方法。
在一个方面，本发明提供形成到汽缸中的具有粉末金属组合物的汽缸套， 其中该汽缸包括壁厚度和长度，并且长度与厚度之比相对较高。本发明还可有 利地应用于具有高的纵横比的其他PM部件。比率越高，本发明越可应用，因 为本发明在汽缸套中能实现例如50: l的高于24: l的纵横比，且汽缸套的侧 壁很少需要或无需通过机械加工的后续材料去除。
在另一方面，本发明提供使用弹性体(例如橡胶或聚氨酯)压实模具以及 近似刚性的(例如钢)芯棒形成的粉末金属部件，以使壁厚度沿该部件的长度 的密度可为后续推出、搬运、烧结以及后续的制造工艺提供足够的生坯强度。 替换地，芯棒可以是弹性体的，并且模具可以是刚性的，例如钢模具和橡胶或 聚氨酯芯棒。优选地，密度沿零件的长度相对均匀。
在另一方面，本发明提供具有带至少一个本发明的燃烧汽缸套的机体的内 燃机。
在另一方面，推出冲头可作成与汽缸套压坯齐平、即具有与汽缸套相同的 内径和外径，并且第二下冲头用来在用推出冲头推出压坯之前解除弹性模具在 汽缸套压坯上的施压。这有助于在弹性模具上的压力被解除时支承压坯的端部 防止端部开裂。
在另一方面，弹性模具被压縮而基本没有粉末金属的轴向压縮。两件式上 冲头被用来首先密封粉末空腔，且然后第二上冲头被用来轴向压縮弹性模具以 径向压縮空穴中的粉末金属。
在另一方面，夹头部分被设置成抵靠在弹性模具上，这些夹头部分在它们
被凸轮作用(cam)在匹配夹头上、即被轴向压到夹头部分时径向压縮模具。
粉末的压縮基本径向，且粉末金属被弹性模具压縮以形成压坯。
本发明的一个优点是能够制造低密度的粉末金属汽缸套(例如公称6.3 g/cc)以通过使熔融铝能渗透入汽缸套PM基体多孔部分来改进包围的铝与汽缸套之间的结合。
本发明的另一优点是结合中的所得改进减少或消除对于外径结构特征的 需要，并且改进从燃烧腔到包围的铝的热传递的均匀性。
铝渗入PM的另一优点是可机械加工性非常好，这是在安装有汽缸套的机 体被机械加工时是优点。
本发明的另一优点是提供沿壁的端到端长度具有可接受的密度、且优选相 对均匀的密度的粉末金属部件。
本发明在烧结粉末金属部件制造、以及其他金属器件变换成烧结粉末金属 部件方面提供以上讨论的优点。
本发明的上述以及其他优点出现在随后的详细描述中。在该描述中，参考 示出本发明的优选实施例的附图。


附图不一定成比例或尺寸精确。某些尺寸被增大或减小并且所示长度与壁
厚度(纵横)比在图l-6中相比实践中的要小以更佳地示出本发明。
在附图中
图1是根据本发明的用于制造粉末金属器件的装置的实施例的剖视图，其 包括芯棒和构造成外接芯棒的成形弹性模具，并且示出压实之前的粉末金属、 模具以及棒；
图2是图1的实施例的剖视图，其示出在压实期间的粉末金属、弹性模具 以及棒；
图3是图1的模具的另一实施例的剖视图，其在内轮廓上具有比图1和2
的模具长的半径；
图4是使用图3的模具制造的粉末金属部件的剖视图5是根据本发明的用于制造粉末金属器件的装置的实施例的剖视图，其
包括模具和构造成装配在模具内的成形弹性芯棒，并且示出在压实之前的粉末
金属、模具和弹性棒；
图6是图5的实施例的剖视图，其示出在压实期间的粉末金属、模具和弹
性棒；图7是根据本发明的粉末金属部件、尤其粉末金属汽缸套的实施例的剖视
图8是图7的粉末金属部件的端视图9是图7的细节9-9的剖视图10是图7的细节10-10的剖视图11是根据本发明的内燃机的实施例的局部立体图12A是在填充位置中的替换压实模具组的剖视图12B是在压实位置中的图12A的压实模具组的剖视图12C是在初始推出或脱出位置中的图12A的压实模具组的剖视图12D是在推出位置中的图12A的压实模具组的剖视图13A是在填充位置中的另一替换压实模具组的剖视图13B是在密封位置中的图13A的压实模具组的剖视图13C是在压实位置中的图13A的压实模具组的剖视图13D是在推出位置中的图13A的压实模具组的剖视图14A是在填充位置中的替换压实模具组的剖视图14B是在密封位置中的图14A的压实模具组的剖视图14C是在压实位置中的图14A的压实模具组的剖视图；以及
图14D是在推出位置中的图14A的压实模具组的剖视图。
优选实施例的详细描述
现在参考附图、尤其参考图1和2，图中示出用于制造汽缸套22的装置 20，该装置20包括由硬质、不可压縮的材料制成的芯棒24以及构造成外接芯 棒24的相对较软且可压縮的成形弹性体模具26。装置20可包括撞锤或冲头 23、支承件或冲头25、以及粉末金属压实操作所需的其他构件。替换地，冲头 25可类似于冲头23设置有孔以容纳棒24，并且冲头23和25在压实粉末金属 34的同时移向彼此。为了简单起见，力30被示为仅施加到冲头23，而冲头25 用作固定支承件。
成形弹性模具26可由诸如聚氨酯之类的弹性体材料制成。聚氨酯或其他 弹性体材料可以稍微坚硬，例如具有60-95之间的肖氏A硬度计硬度。更具体地，聚氨酯或其他弹性体材料可具有约肖氏90 A硬度计硬度。成形弹性模具
26具有内轮廓28,其中成形弹性模具26上的纵向荷载30同时压縮成形弹性 模具26并且使内轮廓28变形，以使弹性模具26的纵向中心相比其端部更快 地变厚、即模具的壁在中间相比在两端隆起得更多。获得特定形状的汽缸套34 所需的特定形状、硬度和可压縮性或"隆起因数"将针对各种应用经验地确定。 工具的成型表面补偿工具如何在其压縮期间径向膨胀中的变化，以获得接近所 期望形状的零件。在图1和2的实施例中，芯棒24具有外圆柱形32，并且内 轮廓28以某一半径纵向凹陷、即内表面28是桶形的。轮廓28根据汽缸套22 所期望的外部形状可以是其他形状，诸如椭圆形的、双曲线的、抛物线的、它 们的一些组合、或者其他复杂的曲线或几何形状。如在此所使用地，弹性体工 具、模具或芯棒意指主要由实心弹性体制成的工具、模具或芯棒，以使弹性体 的轴向压縮使得工具模具或芯棒的侧面隆起，并且不包括液体填充袋或囊袋， 即使包含液体的袋或囊袋以及液体是弹性体。然而可以想像，用在本发明中的 弹性体工具、模具或芯棒可包括诸如金属或塑料之类的硬质零件。
芯棒24可以是由例如工具钢或其他金属制成的相对刚性、硬质且不可压 縮的金属棒。芯棒24提供在由冲头23和25直接执行PM 34的轴向压縮的同 时PM 34通过模具26的向内隆起被径向压靠在其上的硬质外表面32。
在常规的粉末金属压实操作中，模具可以不具有成形的内部轮廓，也可以 由诸如工具钢之类的刚性材料制成。此外，在常规的粉末金属压实操作中，对 于具有高纵横比的零件，在零件壁中沿其长度上通常有密度变化，且端部相比
零件的中间有更高的密度。
相反，装置20的撞锤23同时压縮成形弹性模具26和粉末金属组合物34， 如图2所示。内轮廓28在PM组合物34上的力趋于垂直于内轮廓28的表面 作用，不考虑剪切力。如图1中可见，趋于在弹性模具26的上端有初始向下 但大体径向指向的力、且在其下端有初始向上但大体径向指向的力，这些力作 用在粉末金属组合物34上以抵销粉末金属压坯22的端部的过密的倾向，仅轴 向(纵向)压縮的常规粉末金属技术会发生这样的密度变化。
当撞锤23同时压縮成形弹性模具26和粉末金属组合物34时，成形弹性 模具26通过向内隆起变形来将径向力36施加到组合物34以帮助沿粉末金属生坯22的端到端长度形成和维持均匀的密度。
在图3和4中，成形弹性模具40被示出，其可用来代替装置20中的成形 弹性模具26。模具40的曲率小于模具26的，或者换言之轮廓42相比轮廓28 具有更长的半径，所以其桶形隆起较小或较不显著。可使用具有代替成形弹性 模具26的成形弹性模具40的装置20制备的所得粉末金属压坯44可包括具有 沙漏型横截面的外轮廓46。这在制造粉末金属汽缸套时是有利的，因为在镶铸 在铝机体内时沙漏形可帮助将汽缸套限制在位。根据所要生产的特定粉末金属 部件的净形(net shape)的要求，成形弹性模具可构造成多种不同形状构造。 图3和4中的假想线分别是进行比较的成形弹性模具26的内轮廓28和汽缸套 22的外轮廓。
粉末金属组合物34可包括约为85%与99%之间的海绵铁粉、约为0.1% 与2.0%之间的石墨、以及约为0.1 %与2.0%之间的诸如亚乙基双硬脂酰胺蜡 (与N， N'亚乙基双硬脂酰胺；N,N' 二硬脂酰基乙二胺；EBS同义)之类的 合成蜡。更具体地，粉末金属组合物34可包括约为98.1%的海绵铁粉、约为 0.9%的石墨、以及约为1.0%的亚乙基双硬脂酰胺蜡。海绵铁粉由高质磁铁矿 石的直接还原得到。此工艺产生具有良好的可压縮性、极好的生坯强度的海绵 状颗粒(例如在显微镜照片中所示)，并且生产具有良好的边缘完整性的零件。 Ancor MH-100是这种海绵铁粉的示例。
合成蜡粉末被用作粉末状金属零件的压实的润滑剂和粘合剂，诸如 Acrawax⑧润滑剂。石墨是用于烧结和合金控制的高质量粉末石墨，诸如Asbury 3203石墨。粉末金属组合物34可附加地包括高达0.5%的磷。
粉末金属汽缸套22因此沿汽缸的长度48具有相对均匀的密度。图7示出 经烧结和机械加工的汽缸套。密度可约在5.8 g/cr^与6.8 g/cii^之间，且更具 体地，密度约为6.3g/cm3。厚度50在机械加工之后可小于约0.20英寸。在机 械加工内径之前，壁厚度50可以是例如0.375英寸，并且机械加工操作可为了 0.040的内径的总增大从壁厚度去除0.20。当汽缸套22的生坯由图1-6的模具 中的一个产生时，它可具有大于IO、尤其大于15、或者甚至大于24的长度48 与厚度50比。例如，具有约5.5英寸的长度48和约0.375英寸的厚度50的汽 缸套22的生坯产生约14.7的纵横比。使用此汽缸套，或许0.200会被机械加工去除以生产0.175的最终壁厚。然而，可以构思本发明可应用于生产具有大 于24: 1、以及等于或可能甚至大于50: l的纵横比的汽缸套。在50: 1的纵 横比下，汽缸套可被压实并烧结到其最终的壁厚，且需要很少或不需要通过机 械加工(在将它铸造在汽缸内之前)后续的材料处理来达到O.ll的最终壁厚。
即使24: l的纵横比也可获得0.23的壁厚，其实现机械加工的显著的减少。
众所周知，粉末金属汽缸套生坯22通常需要在升高的温度下烧结以加强 它，并且需要一些机械加工来生产图8-10中所示的结构特征。然而可能烧结 零件可被作得如此接近净形从而可取消在镶铸之前的机械加工步骤，且唯一的 机械加工在烧结PM汽缸套22被铸造在机体内之后执行。
图11示出根据本发明的内燃机52，其包括具有至少一个其中具有活塞58 的燃烧汽缸内孔56的机体54、以及至少一个汽缸套22。内燃机52可包括诸 如燃油系统、曲柄轴、润滑系统、冷却系统以及其他已知的构件之类的其他构 件。如所述，由汽缸套22限定的汽缸内孔、渗入它的铝以及该机体的包围的 铝在汽缸套被铸造在机体54内之后可能需要附加的机械加工。汽缸套的铝 渗入的PM基体为那些过程提供具有良好的可机械加工性的材料。
在图5和6的实施例中，公开了用于制造汽缸套或其他粉末金属部件62 的装置60，其包括模具64以及构造成装配在模具64内的成形弹性芯棒66。 弹性芯棒66具有类似苹果核或反向桶的形状、在端部向外张开并且向中间逐 渐变细的外表面68。施加在成形弹性芯棒66上的纵向荷载70导致表面68向 外隆起成如图6所示的大体圆柱形，以在棒66与模具63之间的空间中的PM34 上施加径向力。
成形弹性芯棒66可由与已针对成形弹性模具26描述的相同或相似的、并 且具有相同或相似特性的材料制成。此外，粉末金属部件62可由与如已针对 汽缸套22描述的相同或相似的、并且具有相同或相似特性的粉末金属组合物 制成。
装置60包括施压构件72和撞锤74，其中装置60在纵向方向上压縮弹性 体芯棒66和粉末金属组合物34;并且使弹性体芯棒66在径向方向76上变形 以在轴向压力通过冲头72和74直接施加在PM 34上的同时使它压靠在相对较 硬的表面63上。装置60附加地包括针78以在压縮期间帮助保持弹性体芯棒
1266笔直且位于中心。
如针对成形弹性模具26先前已描述地，弹性体芯棒66、尤其是外轮廓68 可具有如由所要制造的粉末金属部件的所需形状所要求的各种几何形状。
汽缸套22、 44或62的表面的光洁度受用来压縮它的表面的材料影响。诸 如钢芯棒24的表面32以及钢模具64的内表面63之类的硬质表面产生具有更 光洁或光滑的光洁度的表面，而相应橡胶模具26或芯棒66的相对较软的表面 28和68产生具有更大糙面光洁度(matte finish)的表面。糙面光洁度对于汽 缸套的外表面是优选的，由于它提供更可被机体的熔融铝渗透的表面，而光洁 表面较难被它渗透。光洁的表面因为耐磨性对于内孔表面是优选的(如果未进 行机械加工)，且因为它较难被熔融铝渗透。这些光洁度通过使用图l-4的弹 性体模具和硬质芯棒实施例产生，且因此如果光洁度类型被认为是重要的则目 前是优选的。然而，考虑可制造性中的利益，则可能赞成使用图5-6的实施例， 因为使用那个实施例，可不利地影响工具组的弹性体零件的寿命的在模具松弛 时的弹性体摩擦的面积(销78的外侧)小于的图l-4中的面积(钢模具27的 内表面)。
糙面光洁度由具有光滑表面的弹性体模具产生。此外，模具的表面可具有 纹理，具有肋、槽、凸起、或者其他将产生与完成零件中的纹理的相反物的纹 理，并且汽缸套的外径表面中的这些纹理可对在将汽缸套铸造在汽缸内时帮助 将它锁定在汽缸中是有利的，以及熔融铝填充由这些纹理所形成的小裂缝。这 些纹理在高度上必须足够低，以使在模具上的压力被解除时，纹理拉离压坯足 够远使得该压坯可被推出而不与纹理相干涉。
虽然在所要压实的零件的整个长度有均匀的密度分布通常是目标，但是本 发明允许定制工具组的弹性体工具的形状以在所要压实的零件的整个长度提 供任何所期望的密度分布。通过适当地定形弹性体工具或者用不同可压縮性的 弹性体材料制造它以改变对于给定轴向荷载材料隆起到什么程度，可施加更大 或更小的径向力，从而沿弹性体工具的表面局部地增大或减小密度。例如，弹 性体工具在其中间的材料可相比端部的材料作得更软且更可压縮，以使PM零 件的中间具有比端部更高的密度。使用不同可压縮性的材料与不同形状的工具 组合能设计PM部件的形状和密度分布。此外，可能产生这样一种弹性体压縮工具，它由可压縮性均匀的材料制成，但通过在弹性体材料中形成诸如孔、槽 或缝之类的空隙而有差别地局部地起作用，使得它有差别地改变形状或者在 PM的局部区域上相比如果弹性体工具完全是没有空隙的实心情况使用更大或 更小的力进行推动。空隙也可使用不同可压縮性或隆起因数的材料填充。此外， 因为弹性体工具在压力从工具组被解除时将径向拉离PM零件，所以使用本发
明可能在PM零件中形成咬边，如图中汽缸套44在它的外表面上具有蘑菇形 或喇叭形端部的图4所示。
在使用弹性体工具中可能发生的困难之一是它存储能量并且可能在压实 工艺期间该能量在模具中的角落周围流动时被损坏。当在汽缸套的压实的最后 在弹性体工具上解除压力时，在准备推出汽缸套生坯期间，弹性体工具可能相 比它径向地拉离生坯更快地轴向膨胀，导致压坯的端部的开裂。
图12A-D示出端部开裂问题的解决方案，其示为应用到类似于本发明的 图1的实施例，其中模具组中的弹性体部件是弹性体模具126。在本实施例中， 对于相应的构件，使用与图1中相同的附图标记加100。弹性体模具126未示 为具有任何弯曲的横截面形状，但它可被如此成形。
图12A示出模具组的填充位置，其中粉末金属被填充到弹性体模具126 的内径与硬质工具钢芯棒124的外侧之间的环形空间101。所有的冲头、芯棒 和粉末容纳在模具127中。底部冲头125分成两件125A和125B。内冲头125A 具有与所压实的汽缸套压坯122在其底部处相同的内径和外径。这些优选是压 坯的优选公称尺寸。外冲头125B在厚度上从冲头125A的外侧延伸到模具组 位于其中的模具127中的内孔的内径。粉末填充空隙101跨距整个内冲头125A 和外冲头125B的一部分。
在如图12B中所示的压实工艺期间，上冲头123下移以压縮粉末122和 弹性体部件126。两个下冲头125A和125B还可一起上移和/或模具127可浮 动以使上和下冲头的压实力相等。当如图12B-D中所示地完成压实时，压实粉 末不再在下外冲头125B之上。
接着，当上冲头123被保持在位时，下外冲头125B如图12C所示地被降 低以释放橡胶模具部件126中的能量。如果在下外冲头125B之上存在少量粉 末材料，则它将在下外冲头125B被降低时被剪断。
14最后，如图12D所示，上冲头123上移并且下内冲头125A推出压实套管 122。下外冲头125B可在此时推出橡胶模具部件126。
替换地，上冲头123可类似于下冲头被作成两件，具有压实套管122大小 的内冲头，并且在压实之后，弹性体模具部件126上的压力从两端同时被解除。 替换地，只有上冲头是两件时，压力在压实之后仅从那端被解除。
此想法通过压坯的外径上的弹性体模具部件示出，但是该想法也可应用到 具有在压坯的内径上的弹性体模具部件的模具组。
在另一实施例中，在图13A-D示出看上去可能类似于图12A-D出现的结 构，但有改变。在此实施例中，与图1的实施例相对应的构件使用相同的附图 标记加上200来标记。
在图13A-D的实施例中，上冲头223和下冲头225都是两件的，但没有 一个冲头与压实套管222是相同大小的(虽然接触套管压坯的端部的冲头 223A、 225A中的一个或它们两个都可以这样)，并且采用了一种获得均匀压 实而没有端部开裂的不同的方式。在此实施例中，只有弹性体部件、而非粉末 被轴向压实到显著程度。
参考图13A，粉末金属被填充到芯棒224与弹性体模具226之间的环形空 间201。如图13B所示，上冲头223然后被降低，并且外冲头223B被停止在 弹性体模具226的顶部并且仅施加轻微压力。内冲头223A被移入空隙201的 顶部以密封该顶部，下移至压实套管222的高度，并且没有或仅有很小的压力 通过冲头223A被施加到空隙201中的粉末。参考图13C，压力然后通过将外 冲头223B进一步下移来施加到弹性体模具226，同时内冲头223A被保持停止。 这导致空隙201中的粉末的压縮在方向上几乎完全是径向的，并且在压实期间 位于弹性体部件226的顶部的冲头223帮助抵消弹性体部件的顶部的任何隆 起。
类似冲头223A插入顶部，下冲头225A可部分地插入弹性体部件226的 底部以形成密封并且抵抗套管压坯222的端部处的隆起。虽然部件226未示为 使用任何曲线或表面特征结构，但它可以这样。
在压实之后，外冲头223B和225B中的任一个或它们两个都被移开以解 除弹性体模具226上的压力，并使得它拉离压坯222的侧面。顶部内冲头223A(以及外冲头223B，如果其尚未撤出)然后被撤出、并且底部内冲头225A被 向上延伸以推出套管压坯222，如图13D所示。
径向压縮压坯且轴向压实很少或最少的另一种方式是使用夹头，如图 14A-D所示。在此实施例中，与图1的实施例相应的构件使用相同附图标记加 上300标记。
在图14A-D的实施例320中，粉末金属被放置在弹性体模具326与芯棒 324之间的空隙301中，并且在模具326的外侧，由下冲头325B支承的夹头 部分331具有楔形的截头锥形表面333，该表面333的角度与夹头329的截头 锥形表面337相匹配。夹头部分331在它们之间具有小的间隙，使得在夹头329 通过部分333上的压力被迫轴向向下时，部分331径向向内起凸轮作用以径向 挤压模具326，从而抵靠芯棒324径向压实套管322径向。部分331到冲头325B 的连接允许部分331在夹头329的力之下径向向内移，并且抑制它们在夹头329 从它们撤出时掉出其位置。
图14A示出其中用于制造套管322的粉末金属被填充到空隙301的填充 位置。图14B示出密封位置，其中上冲头323已被下移以覆盖空隙301并密封 它。上冲头323可压靠在芯棒324的顶部以及稍微压靠弹性体模具326以密封 压縮腔301。如图14C所示，夹头329向下(在压力之下)进入夹头部分331 与套管339之间的间隙的进一步移动径向向内对部分331产生凸轮作用，这压 縮弹性体模具326从而压实模具326与芯棒324之间的粉末金属322。
如所示的模具326的形状没有制成如图1和5中的模具那样，虽然它可以 这样。此外，本发明可应用于在压实期间如所示地径向收縮、压靠在弹性体部 件326的外圆柱形表面上的夹头，或者可应用于在压实期间通过反转零件来径 向膨胀的夹头。此外，图14A-D中的下冲头325A不具有与压实套管222相同 的内径和外径，虽然它可以是这样的。
在上述所有实施例中，弹性体模具部件、或者工具是由实心弹性体材料制 成的。这意味着弹性体工具可具有空隙、底切口或者孔，但是它不是中空或诸 如用流体之类用任何东西填充的。例如，填充有液压流体的囊袋不被认为是实 心弹性体工具或模具部件，即使囊袋的表皮是由弹性体制成的。
本发明的优选实施例已被相当详细地描述。所描述的优选实施例的许多修
16改和变体将对本领域的普通技术人员是显而易见的。因此，本发明不限于所述 各实施例。
权利要求
1.粉末金属部件压坯，其包括内和外圆柱形表面所述表面中的至少一个通过将所述部件的粉末金属放置在压实模具工具组的环形空间中形成，所述环形空间具有形成所述粉末金属部件的所述内和外圆柱形表面的内和外圆柱形表面，所述空间的所述内和外圆柱形表面中的至少一个至少部分地由压实模具工具组的可压缩实心弹性体工具限定，并且其中至少部分地通过在所述弹性体工具上施加使得所述弹性体工具压缩在所述粉末金属部件压坯的圆柱形表面的所述至少一个上的力而在所述空间中压缩所述压坯。
2. 如权利要求1所述的粉末金属部件压坯，其特征在于，所述弹性体工具压缩在所述粉末金属部件压坯的外圆柱形表面上。
3. 如权利要求1所述的粉末金属部件压坯，其特征在于，施加在所述弹 性体工具上的所述力在轴向方向上，以便于使得所述弹性体工具径向膨胀以径 向压縮所述压坯。
4. 如权利要求1所述的粉末金属部件压坯，其特征在于，所述弹性体工 具在所述轴向方向上具有成型表面，以补偿所述工具在所述工具的压縮期间径 向膨胀所产生的所述轴向方向上的变化。
5. 如权利要求1所述的粉末金属部件压坯，其特征在于，所述弹性体工 具压縮在所述粉末金属部件的内圆柱形表面上。
6. 如权利要求1所述的粉末金属部件，其特征在于，所述部件被烧结并 成形为内燃机汽缸套套管。
7. 如权利要求1所述的粉末金属部件，其特征在于，所述部件被嵌入铸 造在内燃机的汽缸内。
8. 如权利要求1所述的粉末金属部件，其特征在于，所述压实模具工具 组包括冲头，所述压坯的端部抵靠在所述冲头具有的端部上而被压縮，所述冲 头具有内冲头件和外冲头件，所述冲头的所述冲头件之一在压实之后与所述压 坯具有相同的内径和相同的外径、并且与所述压坯轴向对准，以使在压实之后， 所述弹性体工具上的所述两件式冲头的两冲头件中的另一件的压力可在所述 压坯从所述模具组推出之前被解除。
9. 如权利要求8所述的粉末金属部件，其特征在于，所述冲头是所述模 具组的下冲头。
10. 如权利要求8所述的粉末金属部件，其特征在于，所述冲头是所述模具组的下冲头，并且所述冲头的所述两冲头件的上表面在压实的初始相互齐 平。
11. 如权利要求8所述的粉末金属部件，其特征在于，所述冲头是所述模 具组的下冲头，并且在压实之前，填充有所述压坯的粉末金属的环形空间与所 述冲头的所述两冲头件交叠。
12. 如权利要求8所述的粉末金属部件压坯，其特征在于，所述弹性体工 具压缩在所述粉末金属部件的外圆柱形表面上。
13. 如权利要求1所述的粉末金属部件，其特征在于，所述压实模具工具 组包括具有第一冲头件和第二冲头件的冲头，所述第一冲头件被插入到填充有 所述压坯的粉末金属的所述环形空间内以密封所述空间的顶部，并且所述第二 冲头件压缩所述弹性体工具以压縮所述环形空间中的粉末。
14. 如权利要求13所述的粉末金属部件压坯，其特征在于，所述第二冲 头件在所述工具的端部压縮所述弹性体工具。
15. 如权利要求13所述的粉末金属部件压坯，其特征在于，由所述第二 冲头件施加在所述弹性体工具上的力在所述第一冲头件从所述环形空间撤出 之前被解除。
16. 如权利要求13所述的粉末金属部件压坯，其特征在于，所述第一冲 头件被插入到所述环形空间基本上所述压坯的高度而基本不压縮所述环形空 间中的粉末金属。
17. 如权利要求1所述的粉末金属部件，其特征在于，所述压实模具工具 组包括多个夹头部分和夹头，所述夹头部分在所述弹性体工具与所述夹头之 间，且在所述夹头部分和所述夹头上具有匹配表面，以使在将所述夹头轴向压 到所述夹头部分时，所述夹头部分凸轮作用在所述夹头的所述匹配表面上以将 所述弹性体工具的圆柱形表面压縮在所述弹性体工具上，以便于用挤压在所述 夹头部分与所述压坯之间的所述弹性体工具压缩所述压坯的圆柱形表面。
18. 如权利要求17所述的粉末金属部件，其特征在于，所述夹头部分压縮所述弹性体工具的外圆柱形表面。
19. 如权利要求17所述的粉末金属部件，其特征在于，所述弹性体工具 压縮所述压坯的外圆柱形表面。
20. 如权利要求1所述的粉末金属部件，其特征在于，所述部件是用于内燃机的汽缸套。
21. 如权利要求1所述的粉末金属部件，其特征在于，所述部件具有从所 述表面抵靠在所述弹性体工具上的压实获得的糙面光洁度。
22. 如权利要求1所述的粉末金属部件，其特征在于，所述部件具有从所 述表面抵靠在所述弹性体工具上的压实获得的有纹理的表面。
全文摘要
具有粉末金属组合物的、形成在汽缸内的粉末金属部件，其中汽缸包括壁厚度和长度，并且长度与厚度之比相对较高从而常规压实方法难以使用。粉末金属组合物包括约为85％与99％之间的海绵铁粉、约为0.1％与2.0％之间的石墨、以及约为0.1％与2.0％之间的亚乙基双硬脂酰胺蜡。粉末金属部件可使用包括硬质材料芯棒以及构造成外接芯棒的成形弹性模具的装置、或相反地具有成形弹性芯棒和硬质模具的装置制造。在前一种情况下，成形弹性模具可具有内轮廓，其中成形弹性模具上的纵向荷载将粉末金属径向地压缩成理想的形状和密度分布。在后一种情况下，纵向压缩芯棒将粉末金属径向压缩成理想的形状和密度分布。推出冲头可与汽缸套齐平，弹性模具上的压力在推出之前被解除以促进端部完整性，弹性模具可被单独压缩或在粉末金属的轴向压缩的同时压缩，或者夹头可被用来使用轴向运动来径向压缩弹性模具。
文档编号B22F5/00GK101516552SQ200780034892
公开日2009年8月26日 申请日期2007年9月21日 优先权日2006年9月22日
发明者D·D·库珀, D·J·菲利普斯, H·J·诺特, J·H·曼德尔, T·M·坎贝尔 申请人:Gkn烧结金属有限公司