用于制造多孔部件的方法及其部件的制作方法
【專利說明】用于制造多孔部件的方法及其部件
[0001]本發明涉及一種關于粉末注射模制成型MIM的改進方法，以獲得旨在限制及控制機械系統(如封閉式壓縮機)的空氣靜壓軸承中氣體流體流量分布的多孔部件。
【背景技術】
[0002]目前，使用由電馬達驅動的活塞和氣缸組是非常普遍的，用在冷卻設備的氣體壓縮機上，所述冷卻設備諸如家用、商用和工業用的電冰箱，冷凍機和空氣調節器。在這類氣體壓縮機中，所觀察到的技術挑戰是要確保活塞和氣缸沒有直接接觸。因此，由于活塞和氣缸之間的相對運動，有必要借助于位于活塞氣缸組的可動表面之間的流體來支承活塞，以避免可動部件之間的接觸及其它們的過早磨損。
[0003]通常，為了空氣靜壓軸承有效工作，有必要使用能夠限制來自于壓縮機中高壓區域的壓縮流體流量的限制器，以便活塞和氣缸之間間隙內的氣體壓力是較低的并且適于專門應用。換句話說，如文獻中公開的，此限制的目的在于允許通過負載損耗和控制來自壓縮機中高壓區域的壓縮氣體的流量來減小或控制軸承區域中的壓力。為了使限制器的實施方式能提供軸承區域中壓力的減少，已經提出多個實施例。例如，美國專利US 6，901，845描述了一種包括多孔介質的限制器，其中多孔帶材與壓縮環一起使用。該構造類型的缺點是在壓縮環生產中需要尺寸精度，這使生產方法更昂貴，由于尺寸精度越高，制造機械構件的成本也越高。另一個美國專利(US 6，293，184)描述了由設置在氣缸的外壁上的微通道形成的限制器，其中所述氣缸與里面插入有所述氣缸的套筒一起形成獨立且閉合的通道，從而產生多種限制器。與前述專利的情況類似，該構造類型的缺點是需要套筒生產的精確度，那會使生產成本更昂貴。該技術的另一個缺點來自于由微通道形成的這種類型容易被壓縮機中所觀察到的粒子或污垢所堵塞；因此需要過濾器以確保流體可免受任何污垢類型地到達限制器，因為污垢將會妨礙設備的正確工作。國際專利申請W0/2008/055809描述了包括設置在產生于激光器應用上的汽缸壁上的微小孔的限制器。而且，微小孔的生產要求高的精確度，這可以防止在市場上壓縮機以有競爭的價格加以制造。此外，微小孔也可能被壓縮機中所觀察到的粒子或污垢所堵塞。因此，仍然沒有一種已知的高效的及令人滿意的解決辦法來為用于氣體壓縮機的活塞和氣缸之間的軸承中的氣體流量提供限制，并具有良好的可靠性、性能、應用性同時還有低的成本。因此，本發明闡述了一種滿足這一缺陷的解決方法，其在技術上通過使用精制的多孔材料來控制流體流量而變得可行，所述材料可以通過由零件的粉末注射模制成型和燒結技術改造而成的方法路線來生產。
[0004]從技術上講，在工程學中，表達“多孔材料”用在當材料的工程學功能通過自身體積中孔隙的存在而成為可能的時候，其百分比、大小、分布取決于它的專門應用。當某些材料由于它的生產方法具有殘余孔隙時，但所述孔隙不需要滿足其工程學功能，當他們沒有損害應用時，則這些孔隙被認為是可容許的，當他們負面影響了材料預期用途或應用的性能時，則這些孔隙被認為是不期望的。關于孔隙類型，材料可以分類成具有可以用作結構支撐的閉口孔隙的材料、或具有可以主要用于需要輸送流體處的開口孔隙的材料；例如，在流量控制、過濾、催化劑支撐、熱絕緣及隔音的潤滑劑沉積，或者其它情況。用于生產多孔材料的方法限定了他們的特性，諸如(閉口或開口)孔隙、在體積中孔隙的體積百分比、大小與形狀、分布上的均勻性和孔隙的互連性。
[0005]可以由諸如復制、材料的受控沉積(INC0F0AM)的方法路線通過快速成型技術和諸如包括與(金屬或陶瓷)基體粉末混合的犧牲相(造孔劑(space holder))的粉末混合物的燒結的粉末冶金技術來形成具有開口孔隙的結構，其中所述基體粉末在燒結步驟等期間被消除。可以通過具有中空元素的金屬基體(“復合泡沫塑料”)、具有發泡劑的合金粉末的混合物的壓實、簡單倒入容器中的粉末的燒結、在金屬鑄造中氣體的直接注射或在金屬鑄造中造孔劑的添加等聯合起來生產具有閉口孔隙的材料。
[0006]多年以來，已經提出多種可替換的工藝方法用于生產多孔材料。然而，對于特殊地預期應用，即，用于封閉式壓縮機、多孔部件中空氣靜壓軸承的流體流量控制必須具備低成本；因此，可以通過具有高度自動化水平及易控制的高產能方法以大規模系列等效零件的形式來生產多孔部件。為此，粉末冶金技術是高潛能的處理技術。由于在提出的多孔部件中同時需要高開口孔隙率和高負載損耗，因此需要生成精確的多孔結構，導致需要使用具有窄顆粒大小分布的精細粉末，以便能夠在孔隙大小上有窄分布，諸如那些用在粉末冶金學上的可替代技術，稱為粉末注射模制成型。該技術，由于使用了非常精細的粉末且窄的大小分布，允許獲得總體精確的微結構、包括所有的微結構要素、包括燒結不完全時的孔隙結構；即，經過生坯(green)零件的燒結以足夠低的溫度進行傳導以避免明顯的稠化的時候。因此，獲得具有高百分比開口孔隙率的多孔部件是可能的，所述開口孔隙是精細的(幾微米)、在多孔部件的體積上均勻分布，因而當多孔部件作為流量限制器時，通過所述多孔部件考慮允許流量和負載損耗的精細控制。要重點強調的是，不同于這里說明的應用，即，對于生產多孔體，由于通過使用非常精細的粉末(通常具有大概I到40微米平均大小的粉末，這取決于粉末生產方法)呈現的高燒結性，粉末注射模制成型技術在工程領域被公知為考慮可以允許高密度部件(低殘余孔隙率)的技術。通常，在常規條件下實施的粉末注射模制成型，生成具有殘余閉口孔隙(未互相連通)的體積百分比低于5%的部件。然而，如本發明所示，通過準確地使用選定的粉末原材料和適當的方法參數，有可能獲得具有合適的孔隙度及孔隙大小的燒結的多孔材料，用于生產具有本發明中預期的工程功能的多孔部件；BP，用作多孔限制器，其允許精確控制關于設置在封閉式壓縮機中汽缸活塞組的空氣靜壓軸承的氣體流體流量。
[0007]由于將塑料注射模制成型的通用性及產率與金屬材料的固有性質相結合，金屬注射模制成型(MIM)已經成為極具吸引力的方法。在用于以粉末(諸如陶瓷粉末、復合粉末和近年來的金屬粉末)形式作原材料生產材料的技術中，粉末注射模制成型方法(以下稱作PM)變得突出。更具體地，按照傳統的應用技術，諸如基體單軸向壓制、深拉及粘結，粉末注射模制成型的優點之一是能夠生產具有良好自身幾何形狀的零件。這些零件，當通過其它方法生產時，需要許多額外操作才可獲得他們自身的復雜形狀。
[0008]目前，吸收基于這種模制方法生產的產品的潛在市場基本包括具有較小質量和尺寸及高稠化率且需要大規模生產的零件。換句話說，由通過粉末注射模制成型方法獲得的材料和部件服務的主要市場是面向汽車、牙齒矯正、防衛和軍火、電子設備市場及主要的還有醫療工業。
[0009]按照方法，PIM基本上上分成金屬注射模制成型(MM)方法和陶瓷注射模制成型(CM)技術。
[0010]簡而言之，粉末注射模制成型的基本原理在于兩種工業上的合并技術:注聚合物和常規的粉末冶金。總之，(陶瓷和/或金屬)粉末與由聚合體和其它有機物(例如，石蠟和聚丙烯)一起形成的有機系統相混合。因此，這些有機產品用作輸送金屬載荷、陶瓷粒子(粉末)或兩者的混合物的工具，從而力圖來填充具有要獲得零件(部件)形狀的某一模具腔體。
[0011]目前，在工程應用中，當使用金屬注射模制成型方法(MIM)時，預期獲得的是高密度金屬材料(即，具有低含量的殘余孔隙)，通過由于所使用的精細粉末的高燒結性所帶來的殘余孔隙度的減少，如果與通過傳統的粉末冶金生成的燒結材料相比較，這使得能夠在部件的機械性質(例如線束(harness)、阻力及延展性)中得到顯著的改善；即通過具有平均粒子大小大了 10倍(大約100 μπι)的粉末的基體單軸壓制。
[0012]更具體地，目前采用的PIM方法在高溫下的燒結期間通過粉末粒子之間形成接觸及這些接觸的增加來力圖完全地去除材料的孔隙。另一方面，所述部件注射模制成型后在高溫下燒結產生可能導致最后得到零件的尺寸偏差和失真的強烈體積收縮。除了使用具有良好的燒結性的粉末外，為了獲得具有高稠化的部件(低百分比殘余孔隙)，通常，注射元素的“生坯(green)”密度必須較高，S卩