CN101670439A - 加工由复合材料制成的零件的方法和由复合材料制成的零件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加工由复合材料制成的零件的方法和由复合材料制成的零件。按照本发明的方法规定由烧结材料制成第一原始部件(10)。该第一原始部件(10)以部分压实的烧结零件、绿色部件或褐色部件出现。据此该原始部件还没有或没有完全压实，例如通过烧结过程。此外按照本发明的方法规定至少一个第二原始部件(20)，它至少部分地加入到第一原始部件(10)的空腔(15)里面，优选以间隙配合。接着进行烧结过程，在该过程中使原始部件(10，20)处于恒温处理。在此在至少部分地由第二原始部件(20)填充的空腔(15)中产生原始部件(10，20)之间的连接(30)。由于原始部件(10，20)材料之间的化学连接以材料结合的形式构成该连接(30)。在两个原始部件(10，20)处于相互接触的位置产生材料结合。

Description

加工由复合材料制成的零件的方法和由复合材料制成的零件

技术领域

本发明涉及一种用于加工由复合材料制成的零件的方法和尤其是按照这种方法加工的由复合材料制成的零件。

背景技术

复合材料提供了可能性和优点，使不同的材料族组合并以这种方式得到具有与基础材料相比突出特性的部件。对于许多应用特别有意义的是使硬的、耐磨损的材料(硬金属、金属陶瓷、陶瓷)与高韧性和延展性的钢基体组合。

早就通过力结合的连接如夹紧、螺栓连接或热装或者也通过材料结合的连接如钎焊、焊接、粘接或浇注实现硬金属与钢的接合。

夹紧和热装存在缺陷，在两个零件之间不存在形状配合的连接。如果挤压力太小或者随着时间减小，则可能导致两个零件的分离。螺栓连接仅仅适用于相当大的零件并且在这里用于加工孔和螺纹的相应加工费用也是相当高的。其它缺陷是在螺栓连接上的应力集中，它们可能导致早在达到各个材料的自身承载性之前就已经失效。此外螺栓连接可能由于振动或循环负载松动。

在钎焊、焊接、粘接或浇注方法中尽管在不同的材料之间实现材料结合的连接。但是由于粘接缝与要被结合的材料副相比大多明显不同的材料特性使这种连接是金相组织中的薄弱点。此外上述方法与明显的加工技术费用和部分高成本相关。

为了加工钢与硬金属之间的材料结合的连接已知在借助于软薄板(最好是铜或镍)的条件下用于扩散焊接的不同的方法，例如在专利文献DE 10104632 C2中描述的那样。但是扩散焊接局限于在连接平面中的简单几何形状并且要求要被连接的工件的非常高的表面品质。

在专利申请EP 630713 A1和EP 810051 A1中描述了用于使钢和硬金属零件借助于粉末或膏状的不同的高温焊剂扩散钎焊的方法。在此已经证实钎焊连接与基本材料相比微小强度的缺陷，基本材料必需部分地通过附加的力或形状配合补偿。此外只能有限的补偿由于温度变化引起的机械应力。

在专利申请EP 1625896 A1中建议一种用于冷轧金属板的钢-硬金属复合材料轧辊。由钢芯和硬金属外层利用真空烧结或热均衡挤压实现具有耐高温冲击的复合体。在此在钢芯与硬金属外层之间涂覆一个薄的金属陶瓷中间层。这个中间层在温度影响下形成钢芯与硬金属之间的金属冶金连接。

发明内容

本发明的目的是，建议一种方法，通过它能够使不同的材料的零件、尤其是钢和硬金属零件在不使用其它辅助措施、如钎焊材料、中间层或机械固定的条件下相互连接。

此外本发明的目的还在于提出一种由复合材料制成的零件，尤其是由硬的、耐磨损的材料和具有高韧性和延展性的材料组成的复合物。

这些目的按照本发明通过对应于独立权利要求特征部分所述特征的、一种用于加工由复合材料制成的零件的方法和由复合材料制成的零件得以实现。

按照本发明的方法规定由烧结材料制成第一原始部件。该第一原始部件以部分压实的烧结零件、绿色部件或褐色部件形式出现。据此该原始部件还没有或没有完全压实，例如通过烧结过程。此外按照本发明的方法规定至少一个第二原始部件，它至少部分地加入到第一原始部件的空腔里面，优选以间隙配合。接着进行烧结过程，在该过程中使原始部件在温度影响下压实。在此在至少部分地由第二原始部件填充的空腔中产生原始部件之间的连接。由于原始部件材料之间的化学连接、尤其是原子键合以材料结合的形式构成该连接。在两个原始部件处于相互接触的位置产生材料结合。

优选在烧结过程期间通过至少第一原始部件的所期待的烧结收缩保证两个原始部件相互间的接触结构。存在烧结收缩，由此也消除在烧结过程前出现的两个原始部件的间隙配合。通过烧结过程减少至少第一原始部件的孔隙度和体积。在形成接触时第二原始部件对于至少部分地由其填充的第一原始部件的空腔优选具有理论上的过尺寸。这个过尺寸通过烧结过程期间的材料转移补偿，这更加有利于均匀且完全地产生两个原始部件的连接。

这种材料结合极大地有利于原始部件的非常稳定的连接。尤其由于在烧结温度下活跃发生的材料转移由于扩散、蠕变过程和粘滞或塑性的流动实现化学连接的形成。以有利的方式对于原始部件的连接、尤其是以材料结合的形式不再需要其它辅助措施。

此外优点是，在一个工艺步骤中实现至少第一原始部件的材料的压实以及产生连接。因此本发明能够使两个工艺步骤压实和接合钢-硬金属复合物相互组合。这极大地有助于降低部件成本。此外与常见的将加热部件热装在未加热的部件上不同，按照本发明使所有原始部件处于相同的烧结温度。由此以有利的方式不在连接位置产生由热冲击引起的原始部件的材料失效。

通过在从属权利要求中描述的措施能够实现在独立权利要求中给出的特征的有利改进方案和改善。

例如本方法的一个变型规定，附加地以压配合的形式构成所述连接。尤其在烧结过程后在冷却时由于原始部件材料的不同热膨胀系数产生压配合。在此第一原始部件要具有比其余原始部件更大的膨胀系数。因此在冷却时出现第一原始部件比至少第二原始部件更大的收缩。

由于新的方法不需要低熔点的钎焊材料，因此按照这种方法制成的复合材料在高温时也具有高度机械稳定性的连接。这种复合材料可以在许多应用中作为在那里使用的零件材料。这种由复合材料制成的零件可以用于不同类型的磨损部件，其中与钢零件或与由其它材料制成的零件的材料配合连接是有利的(例如钻孔和切割刀具、轧辊、泵部件)。同样可以设想在汽车领域(例如喷射技术、废气涡轮增压器、滚动轴承、减速器)里面作为高承载组件使用。

附图说明

由下面的优选实施例描述以及借助于附图给出本发明的其它优点、特征和细节。附图中：

图1以示意图示出烧结前的钢-硬金属复合体，

图2示出图1中的钢-硬金属复合体在烧结后的复合部件。

具体实施方式

图1以示意图示出对应于按照本发明方法的在烧结前的钢-硬金属复合体。

在此以10表示第一原始部件。该原始部件10由烧结材料、最好是多孔的烧结材料组成。在此烧结材料至少部分地呈现未压实的状态、优选未压实的状态。这意味着，第一原始部件10还没有或者没有完全通过热处理得到烧结处理。通常将未压实呈现的烧结零件也称为绿色部件(Gruenteil)(通过有机粘接)或者褐色部件(Braunteil)(未粘接状态)。

在图1中第一原始部件10由空心圆柱体构成。通常对于第一原始部件10能够实现任意的部件形状，其中它具有至少一个空腔15。这种空腔15在图1所示的第一原始部件10中是具有空心圆柱体内表面11的内孔。在第一原始部件10的空腔15里面至少局部地加入第二原始部件20。最好使第二原始部件20的外轮廓与空腔15的内轮廓互补地构成。因此，在图1中所示的第二原始部件20在空腔15内部以具有外表面21的圆柱体构成。在此也能够实现一个空腔15，在其中第二原始部件20全面地由第一原始部件10包围。

图1中的优选实施例在空腔15内部存在第一与第二原始部件10，20之间的间隙配合。在这种情况下在第一原始部件10的内表面11与第二原始部件20的外表面21之间存在间隙16。

在这种状态下使原始部件10和20接着处于烧结过程。在温度处理期间第一原始部件10收缩并由此减小体积。总体上由此使第一原始部件10的烧结材料得到压实。在此规定，使第一原始部件10的烧结收缩这样大，使得排除内表面11与外表面21之间的间隙16。通过烧结收缩要保证两个原始部件10和20的接触。

在图2中示出图1中的钢-硬金属复合材料在烧结后的复合部件50。通过尤其第一原始部件10的烧结收缩至少部分地使第一原始部件10的内表面11与第二原始部件20的外表面21相互接触。

在此在原始部件10，20相互接触的位置上在复合部件50里面已经产生材料结合形式的连接30。由于在烧结过程时的热处理在原始部件10和20里面在其相互接触位置产生活跃的材料转移。材料转移的原因是扩散、蠕变过程和粘性或塑性流动。这在接触位置导致形成原始部件10和20的材料之间的化学连接。附加地由此也更加有利于表面11和21的最佳几何形状配合。

为了保证材料结合，要使在烧结前或烧结期间在还原的烧结气氛的条件下去除在连接30部位中存在的氧化层。

附加地在图2的复合部件50中已经产生压配合形式的连接30。通过选择具有比在第二原始部件20中更大的热膨胀系数的第一原始部件10，由此在烧结过程后冷却时使第一原始部件10与至少第二原始部件20相比呈现更大的收缩。通过由此产生的压配合使内表面11与外表面21在存在较小的不平度时也良好地相互紧贴，由此保证原始部件10和20在连接30上的完全且均匀的接触。在原始部件的表面粗糙度Rz＜100μm时实现特别均匀的接触。也可以选择在连接30中在烧结过程以后存在过渡配合或只使原始部件10和20相互间局部接触。

要注意，在压配合时避免第二原始部件20的太大过尺寸。否则这可能导致妨碍第一原始部件10在径向上的压实。结果是可能导致第一原始部件10的扭曲畸变。由此两个原始部件10和20的连接30应尽可能在烧结过程结束时才产生，尤其在烧结过程期间通过第二原始部件20形成过尺寸情况下。。在此作为可能性使两个原始部件10，20的间隙配合与通过烧结过程原始部件10，20的要期待的烧结收缩匹配。

优选无压力地实现烧结过程。如上所述，由此按照本发明以非常成本有利的方式实现原始部件之间的非常稳定的连接。此外也可以使用其它烧结工艺，如压力烧结、真空烧结、热均衡挤压和磁场支持的烧结。由此能够总体上尤其压力支持地附加实现烧结材料更大的压实和改善的复合部件表面质量。但是原则上由此与更高的加工费用相关。

按照本发明的方法的实施例对于第二原始部件20规定用已经压实的、至少部分压实的烧结材料状态或者陶瓷或者熔化金属冶金制成的材料、尤其是金属。也可以选择使第二原始部件20由烧结材料以绿色部件或褐色部件呈现。

按照本发明优选规定，使由钢和硬金属制成的复合部件50由原始部件10和20的材料构成。

作为用于第一和/或第二原始部件10和20的烧结材料建议尤其具有Fe-，Ni-或Co-粘接金属(约6-20重量百分比)的WC硬金属，其中它们可以含有Ti，Ta，V或Nb基的附加碳化物。同样可以使用烧结钢。除了上述烧结材料以外也建议由陶瓷硬材料、金属陶瓷或熔化金属冶金制成的材料制成的替代的烧结材料。优选考虑具有碳含量≥0.5重量百分比的钢，例如100Cr6，X65Cr13。由此可以抑制在烧结过程期间过度的碳扩散，由此不使钢在其特性上变差。

优选通过粉末技术方法、例如利用粉末压铸实现由烧结材料制成的原始部件10，20的加工。以有利的方式可以通过这种方法大批量加工复杂的且接近最终形状的零件。同样有利的是，对于第一和第二原始部件10，20作为绿色部件或褐色部件可以调节两个原始部件10，20相互间的收缩特性。因此通过在第一原始部件10中和第二原始部件20中各自的聚合物分量保证，第一原始部件10具有比第二原始部件20更大的收缩能力。也可以选择地使第二原始部件20含有具有更高粘接金属含量(＞20重量百分比)的边缘层。由此可能使用双组分材料或覆层。由此可以使原始部件10，20相互间的热膨胀系数最佳地匹配。为了加工由烧结材料制成的原始部件10，20同样可以使用其它粉末技术工艺、如挤出或单轴挤压或均衡挤压。

通常通过材料交换由于在扩散区31中的扩散形成原始部件10，20材料的各现有合金元素的集中梯度。在此在连接30里面并且从那里继续在原始部件10和20中构成扩散区31。由于集中梯度可能在扩散区31里面构成其它材料相态。例如在钢和硬金属作为原始部件10，20的材料情况下可能形成所谓的η相(M₆C或M₁₂C)。但是这种相态是非常脆的并且可能使连接30的机械特性变差。因此致力于非常窄的扩散区31，用于使形成这个相态保持微小或者避免。形成多大的扩散区31，通过调节烧结持续时间和烧结温度施加影响。

除了η相以外根据原始部件10，20的材料的组分在连接30里面也可能形成液相。这尽管一般导致完全的且无孔隙的连接，但是这种熔液在固化后大多是脆的并因此是不期望的。

按照本发明的方法一般规定，为了减少复合部件50里面的固有应力在烧结过程以后在冷却过程期间执行多个等温的保持级。这种固有应力在冷却过程期间可能在原始部件10，20热膨胀系数非常不同时产生。例如，钢具有约11-12×10^-6/K的热膨胀系数，硬金属具有约5-6×10^-6/K的热膨胀系数。钢制原始部件10的径向收缩在此导致在由硬金属制成的第二原始部件20内部的固有压应力。这个压应力首先由于硬金属的高耐压性是毫无问题的或者甚至是有利的。但是也产生轴向应力，它们可能导致硬金属失效。在冷却过程期间多个等温保持时间起到相应地有利于减少固有应力的作用。

Claims (18)

1.一种用于加工由复合材料制成的零件(50)的方法，该零件具有由烧结材料制成的第一原始部件(10)，其中第一原始部件(10)以部分压实的烧结零件、绿色部件或褐色部件的形式出现，其特征在于，将至少一个第二原始部件(20)至少部分地加入到第一原始部件(10)的空腔(15)里面，并且烧结两个原始部件(10，20)，然后在至少部分地由第二原始部件(20)填充的空腔(15)中产生原始部件(10，20)之间的连接(30)，其中由于原始部件(10，20)材料之间的化学连接以材料结合的形式构成该连接(30)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由于第一原始部件(10)的较大收缩附加地以压配合的形式构成所述连接(30)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在连接(30)的范围里面构成扩散区(31)并由此基本没有形成中间相态地保持材料结合，其中通过烧结持续时间调节扩散区(31)的大小。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在很大程度上在烧结过程结束时构成所述连接(30)。

5.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，至少第一原始部件(10)通过粉末金属冶金工艺制成。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，作为粉末金属冶金工艺使用粉末压铸、挤出或单轴挤压或均衡挤压。

7.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在烧结前或烧结期间在还原的烧结气氛下去除在连接(30)的范围中存在的氧化层。

8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在烧结过程后在冷却过程期间设置多个等温保持级。

9.一种由复合材料制成的零件，具有由烧结材料制成的第一原始部件(10)，其特征在于，使至少一个第二原始部件(20)至少部分地设置在第一原始部件(10)的空腔(15)里面，在烧结过程后复合部件(50)在至少部分地由第二原始部件(20)填充的空腔(15)里面具有一种连接(30)，该连接(30)由于原始部件(10，20)的材料之间的化学连接以材料结合的形式构成。

10.如权利要求9所述的零件，其特征在于，所述连接(30)附加地以原始部件(10，20)相互间的压配合的形式构成。

11.如权利要求9至10中任一项所述的零件，其特征在于，所述材料结合基本上没有形成的中间相态。

12.如权利要求9至10中任一项所述的零件，其特征在于，至少第一原始部件(10)是粉末技术制成的零件。

13.如权利要求9至10中任一项所述的零件，其特征在于，至少第二原始部件(20)由烧结材料、陶瓷硬材料、金属陶瓷或熔化金属冶金制成的材料组成。

14.如权利要求13所述的零件，其特征在于，所述至少第二原始部件(20)由金属组成。

15.如权利要求9至10中任一项所述的零件，其特征在于，所述烧结材料在第一原始部件(10)和/或第二原始部件(20)中是具有Fe-，Ni-或Co-粘接金属(约6-20重量百分比)的WC硬金属、陶瓷金属、陶瓷或熔化金属冶金制成的材料。

16.对应于如权利要求1至15所述的零件(50)作为耐磨损的零件和/或在汽车领域作为高承载的零件的使用。

17.如权利要求16所述的使用，其特征在于，所述的零件(50)被用作为钻孔和切割刀具、作为轧辊或泵部件。

18.如权利要求16所述的使用，其特征在于，所述的零件(50)在喷射技术中、在废气涡轮增压器中、在滚动轴承中或在减速器中被用作为高承载零件。

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