專利名稱：用于將鋁熔合到構件的方法
用于將鋁熔合到構件的方法本發(fā)明涉及用于將鋁熔合(Zulegiemng)到構件的方法和藉此方法 制備的構件。由于其特殊性能，特別在航空和汽車工業(yè)中鋁是優(yōu)選的材料。由鋁 和/或含鋁材料生產(chǎn)的構件比常規(guī)的(例如由鑄鐵生產(chǎn)的)構件更輕。通 過減輕重量，例如在汽車情況下，實現(xiàn)了效率增加和燃料消耗降低和廢 氣量的改善。例如在發(fā)動機結構和傳動裝置結構中目前已經(jīng)通過這種由 鋁或者使用鋁制備的這些工件替代迄今的鋼零件和鑄鐵零件工件。因為 基于這些材料不同的物理性質，鋼零件或鑄鐵零件與由鋁制成的零件相 組合時出現(xiàn)問題，希望盡可能多地用使用鋁制備的構件代替由鋼或鑄鐵 制成的常規(guī)構件。這樣，由此避免了由于所用材料在熱膨脹系數(shù)、導熱 性、彈性等方面的差別而帶來的問題。通過使用在使用鋁條件下制備的 彼此適配的構件，還特別實現(xiàn)了更高的效率。因為許多發(fā)動機構件、連接構件和傳動裝置構件通過粉末冶金制 備，在提供能進行粉末冶金制備鋁構件的方法方面存在很大的興趣。在 使用鋁的情況下，粉末冶金生產(chǎn)構件的缺陷特別在于，鋁及其合金在接 觸空氣時往往被覆蓋以最外層穩(wěn)定金屬氧化物。由此特別提高了比表面 積。通過位于所用的含鋁材料上的氧化皮阻止了對于燒結必需的所用粉 末材料的顆粒擴散。此外，與由鋼或鑄鐵制成的構件相比，由含鋁材料 制備的構件具有降低的強度值，特別是更低的硬度。另外，位于含鋁起 始材料上的氧化皮抑制在常規(guī)壓制過程中的顆粒冷焊。典型的含鋁鋼例如為具有德國材料編號1.4767的那些。在使用這類 含鋁鋼的情況下特別不利的是，其由于上面已經(jīng)描述的鋁的高氧親合力 在燒結步驟中表現(xiàn)差。從經(jīng)濟角度來看，這類含鋁鋼的水噴霧也不可行。 如果這類含鋁鋼將用作纖維，和因此在拉伸步驟之前進行實際燒結，那 么金屬氧化皮另外導致所用拉絲模的嚴重磨損。因此，需要這樣的方法，借助該方法可生產(chǎn)含鋁構件，其在生產(chǎn)方 法中不出現(xiàn)現(xiàn)有技術已知的缺陷。因此，本發(fā)明的任務在于提供用于將 鋁熔合到這樣構件的方法，該方法不具有上述缺陷。根據(jù)本發(fā)明，該任務通過用于將鋁熔合到構件的方法實現(xiàn)，其中所述鋁的熔合通過添加含鋁材料進行，其中所述構件被至少一個容納含鋁材料的裝置(Mittel)包圍，和這樣形成的元件經(jīng)燒結。在本發(fā)明范圍 內(nèi)，本發(fā)明的方法中燒結特別理解為達到足夠的溫度，在此溫度鋁轉入 氣相并至少部分沉積在相關構件的表面，隨后在足夠溫度放置期間擴散 入該構件的材料中。由此，通過本發(fā)明方法得到了特別的構件，其在接 近表面層具有升高的鋁含量。實施本發(fā)明方法的前提條件當然是，待配 備鋁的構件在將鋁擴散入該構件中所需的溫度下本身不轉變成液態(tài)。待 配備鋁的構件本身可以含有鋁(貧鋁，特別是鋁含量低于2重量％ ,但 是其優(yōu)選基本上不含鋁)。相對于混合粉末/纖維的優(yōu)點在于，由此可實 現(xiàn)在孔的角度來看不發(fā)生由鋁熔融引起的材料組成變化。本發(fā)明的方法具有下列特別優(yōu)點，可以例如從常規(guī)鐵-鉻鋼(視需要 含有其它金屬，特別是稀土金屬)出發(fā)首次制造具有高強度值的構件(包 括生坯)，所述構件在其它步驟中可以通過將鋁熔合到特別是接近表面 的區(qū)域影響其性能，和有目的地調節(jié)其鋁含量。含鋁材料，其例如為鋁合金，更優(yōu)選為純鋁，在燒結步驟中在達到 熔融溫度(例如在純鋁情況下為大約660。C的值)時液化，然后該液態(tài) 含鋁材料被大面積地容納在容納含鋁材料的裝置中。由此減少了含鋁熔 體的滴落，在與待配備鋁的構件直接相鄰處的鋁的高濃度得以保持。通 過限制蒸氣壓，優(yōu)選高于大約IOO(TC，含鋁熔體轉變?yōu)闅鈶B(tài)鋁并聚集在 蒸氣中。因為含鋁蒸氣在緊鄰待配備鋁的構件位置產(chǎn)生，所以該氣態(tài)鋁 至少部分沉積到相關構件的表面并通過達到構件的燒結溫度擴散入構 件的臨近表面層。該溶解鋁具有熱動力學上降低的蒸氣壓和穩(wěn)定保持在 構件內(nèi)。因此，本發(fā)明的方法的特征在于在燒結步驟總共至少三個溫度 階段，其中在第一溫度階段實施含鋁材料的液化，第二溫度階段表示鋁 的蒸發(fā)，和在第三溫度階段實施實際燒結和鋁擴散到構件的至少臨近表 面的區(qū)i或。所述容納含鋁材料的裝置優(yōu)選具有足夠大、特別是足夠高的孔體 積，并優(yōu)選構造為非織造物型，其中特別優(yōu)選使用金屬和/或陶瓷制成的 非織造物。原則上容納含鋁材料的裝置應優(yōu)選具有大的表面積，由此可 以均勻的和大面積地被容納在達到第 一溫度階段后熔融的鋁或含鋁材 料，并由此均勻地分布在容納含鋁材料的裝置圍繞的構件周圍。因此， 只要需要，可以由此非常均勻地將鋁擴散到構件的整個接近表面的層內(nèi)。本發(fā)明的方法的燒結步驟優(yōu)選在含鋁材料的蒸發(fā)溫度以上進行，所 述蒸發(fā)溫度已經(jīng)在前文描述。將鋁熔合以通過擴散浸入構件的接近表面的層的溫度優(yōu)選為至少IOO(TC。鋁或含鋁材料的蒸發(fā)溫度可以在該溫度 之下。在本發(fā)明方法的優(yōu)選實施方案中，所述構件選自燒結構件和/或未燒 結構件，特別是壓坯、非織造物、粉末礦石或者纖維墊。由此，本發(fā)明 的方法既可以用于尚未經(jīng)歷燒結的構件，也可用于已經(jīng)燒結的構件。這 樣，例如經(jīng)壓制的生坯可以在根據(jù)本發(fā)明方法燒結之前被容納含鋁材料 的裝置圍繞，并在添加含鋁材料的條件下燒結，其中同時進行燒結和鋁 的熔合。構件的燒結和鋁的熔合也可以在分開的步驟中實施。含鋁材料優(yōu)選以金屬箔(Blechfolie)、粉末、金屬絲、織物和/或 纖維形式使用。特別優(yōu)選的是，以鋁箔形式使用，其另外在至少一面經(jīng) 壓花以增大表面積和使得鋁易于轉變成蒸氣相。優(yōu)選提供由純鋁組成的 含鋁材料。但是，含鋁材料也可以由含鋁合金組成。其可以例如由粉末混合物 制備，基于該粉末混合物的總量，金屬和/或其合金組成的鋁基粉末含 60-98.5重量％、優(yōu)選75-92重量％的鋁、0.2-30重量％的鎂、0.2-40重 量％的珪、0.2-15重量％的銅、0.2-15重量％的鋅、0.2-15重量％的鈦、 0.2-10重量％的錫、0.2-5重量％的錳、0.2-10重量％的鎳和/或低于1重 量％的砷、銻、鈷、鈹、鉛和/或硼，其中重量百分含量均基于鋁基粉末 的總量。用于制備含鋁合金的粉末混合物可以額外或者替代性地混入 0.8-40重量％、優(yōu)選7-15重量％的金屬粉末，基于粉末混合物的總量， 所述金屬粉末選自鐵、鉬、鴒、鉻、釩、鋯和/或釔的金屬和/或其合金。在本發(fā)明方法的 一個備選實施方案中，含鋁材料首先與構件接觸， 然后該構件被至少一個容納含鋁材料的裝置圍繞。在本發(fā)明范圍內(nèi)， "與......相接觸"不僅表示含鋁材料和構件之間的直接接觸，還表示部分或者部分表面接觸以及將含鋁材料設置得接近構件或者與該構件直 接相鄰。在本發(fā)明方法的又一備選實施方案中，首先將該含鋁材料添加到容 納該含鋁材料的裝置中，然后通過用該裝置圍繞構件讓該材料與該構件 相接觸。在另一備選實施方案中還可以設想，在用容納含鋁材料的裝置圍繞該構件后，在構件和裝置之間的區(qū)域添加含鋁材料。這種備選實施 方案特別適合于采用粉末和/或纖維或者它們的混合物形式的含鋁材料 的情形。在本發(fā)明方法的又一優(yōu)選實施方案中，所迷構件被至少一個金屬非 織造物纏繞，其中在該非織造物和構件之間設置有鋁箔，特別是經(jīng)壓花 的鋁箔。這些優(yōu)選的實施方案具有大的優(yōu)點，也即可以以簡單和安全的 方式將相對高的鋁含量設置得直接臨近該構件，和這樣形成的巻狀物(Wickel)可以在隨后的燒結步驟和/或熔合步驟中簡單地處理。此外， 可以通過使用箔均勻地調節(jié)在整個構件圍繞區(qū)域內(nèi)的蒸氣相的鋁濃度。 還可以設想，使用單層或多層的鋁箔，或者多個箔層彼此疊置。除了鋁 之外，鋁箔在必要時還應含有其它金屬的雜質。還可以使用常規(guī)的在包 裝領域已知的壓花和未壓花的鋁箔。如果本發(fā)明的方法從生坯出發(fā)，那么該生坯也可以經(jīng)歷再致密化 (其可以稱為中間致密化)。這樣，例如可以將經(jīng)壓制的生坯重新置入 常規(guī)模具中，并在其中至少部分通過相應的沖頭再致密化。優(yōu)選地，再 致密化模具完全或者部分構造為錐形，由此可以在生坯的某些預定位置 實現(xiàn)特別高的致密化。在鋁的熔合和生坯燒結之前，優(yōu)選對該生坯進行 除蠟。除蠟優(yōu)選在氮氣、氬氣、空氣和/或上述氣體的混合物存在條件下 進行，特別是借助有目的地引入空氣進行。此外，除蠟可能伴隨著吸氣 和/或放氣，因此優(yōu)選在真空中進行。除蠟可以優(yōu)選通過疊加的微波和/ 或超聲進行或者僅通過微波進行溫度進程。最后，除蠟可以通過溶劑例 如醇或其它溶劑或者通過臨界二氧化碳存在或不存在溫度、微波或超聲 的影響或者通過上述方法的組合進行。在鋁的熔合步驟后可以實施實際燒結步驟。如果構件已經(jīng)以燒結構 件或者塊狀構件形式存在，那么接下來可以進行視需要的必要熱處理， 特別是均勻退火。其中，熱處理可以根據(jù)所得構件的化學組成進行。代 替熱處理或者在熱處理之外，經(jīng)燒結的構件也可從燒結溫度或者均勻退 火溫度優(yōu)選在水中或者通過氣體激冷淬火。在燒結或者鋁的熔合之前或之后，可以進行額外表面致密化，通常 為在表面區(qū)域施加壓力內(nèi)應力，特別是通過噴砂或者噴珠、輥壓處理等 進行。同樣在均勻退火之前或之后可以進行精整(Kalibrierung )。在此 精整在室溫或者升高溫度直至鍛造溫度和在施加直至900N/mn^壓力條件下進行。精整視需要甚至可以在固相線溫度以上進行，其中構件可以 直接經(jīng)受燒結加熱或者在鋁熔合時所用的溫度。
本發(fā)明另外涉及根據(jù)本發(fā)明方法生產(chǎn)的構件。本發(fā)明生產(chǎn)的構件的 突出之處特別在于，可以確定在表面區(qū)域提高鋁含量。所得的構件可以 至少部分地在上述區(qū)域具有提高的鋁含量。
借助本發(fā)明方法得到的構件特別可用于熱氣體過濾，特別是用于內(nèi) 燃機的廢氣過濾中、和特別是作為催化劑的載體或者用作濾碳器。此外，
所述構件也可以用作非i屬層的其它基材。原則:借助本發(fā)^方法 制備的構件相對于未在接近表面層提高鋁的那些具有更高的耐氧化性。
這些和其它實例將根據(jù)下面實施例詳細闡述
由德國材料編號2.4816 (不含鋁)的因科鎳合金600 (鎳鉻合金) 粉末制備管狀生坯。其中在室溫中將該粉末混合物等壓壓制成管狀生 坯。該生坯的密度為大約2.35-大約2.38g/cm3。然后，這樣制備的生坯 在大約430。C除蠟大約30分鐘。
然后，這樣制備的生坯經(jīng)市售鋁箔(其至少具有單面壓花)單層纏 繞，其中要注意的是，該鋁箔均勻和緊密地覆蓋在該管狀生坯上。該配 備鋁箔的構件隨后被設置在兩層組成為75%鐵、20%鉻和5%鋁的金屬 非織造物之間，其中這些金屬非織造物具有85%的孔隙率。
這樣形成的巻狀物被放入真空爐中。在達到大約660。C的鋁熔融溫 度的溫度后，鋁箔開始熔融，液態(tài)鋁大面積和均勻容納在兩層金屬非織 造物內(nèi)。由此阻止了鋁熔體的滴落和由此阻止了直接在構件周圍存在的 鋁的量的減少。通過提高鋁的蒸發(fā)溫度，鋁箔蒸發(fā)并大面積地沉積在所 用的由不含鋁的鋼制備的生坯表面。通過接著使用的或者同時進行的在 大約IIO(TC溫度的生坯燒結，然后發(fā)生鋁擴散到泵葉輪生坯的接近表面 區(qū)域。爐中溫度可以逐步升高，但是如果需要，也可以馬上升高到蒸發(fā) 溫度之上的溫度，同時高于燒結溫度。
在另一實施例中，由德國材料編號1.4113 (不含鋁)的材料制備的 纖維墊在常規(guī)條件下燒結。然后，該經(jīng)燒結的纖維墊在兩面均勻設置鋁 箔，具有鋁箔的纖維墊隨后用兩個具有較低孔隙率和比所制備的纖維墊 表面積更大的金屬非織造物覆蓋。然后，進行鋁的熔合，如在之前的相 關泵葉輪生坯所述。由此可以得到這樣的纖維塾，基于纖維墊的總量，熔合的鋁含量大于5重量％。如果使用例如由德國材料編號1.4404 (不 含鋁)的材料制備的纖維墊，那么在可比較的條件進行鋁熔合之后最終 制備的纖維墊的鋁含量大于1重量％，基于纖維墊的總量。如果使用例 如由因科鎳合金600粉末制備的生坯，那么在根據(jù)所述方法使用鋁箔熔 合之后，最終燒結的構件的鋁含量多于1重量％,基于構件的總量，這 對應于材料因科鎳合金601 。由此，通過本發(fā)明提供了一種簡單的方法，借助該方法，特別是不 含鋁的材料也可以在隨后的燒結構件制備中至少在接近表面區(qū)域配備 鋁，因而可以具有有利的性能。
權利要求
1.用于將鋁熔合到構件的方法，其中鋁的熔合通過添加含鋁材料進行，其中所述構件被至少一個容納有含鋁材料的裝置圍繞，這樣形成的元件經(jīng)燒結。
2. 權利要求1的方法，其特征在于，作為容納含鋁材料的裝置使用 非織造物類型構造的裝置。
3. 前述權利要求之一的方法，其特征在于，作為容納含鋁材料的裝 置使用由金屬和/或陶瓷制成的非織造物。
4. 前述權利要求之一的方法，其特征在于，所述燒結步驟在含鋁材料的蒸發(fā)溫度以上進行。
5. 前述權利要求之一的方法，其特征在于，所述熔合溫度為至少 1000 。c。
6. 前述權利要求之一的方法，其特征在于，所述構件選自經(jīng)燒結和 /或未經(jīng)燒結的部件，特別是壓坯、非織造物、纖維墊或粉末礦石。
7. 前述權利要求之一的方法，其特征在于，所用構件基本上是不含 鋁的或者貧鋁的。
8. 前述權利要求之一的方法，其特征在于，所述含鋁材料采用金屬 箔、粉末、金屬絲、織物和/或纖維形式。
9. 前述權利要求之一的方法，其特征在于，所述含鋁材料由純鋁組成。
10. 前述權利要求之一的方法，其特征在于，所述含鋁材料首先與 構件接觸，然后將該構件被至少一個容納有含鋁材料的裝置圍繞。
11. 權利要求1-9之一的方法，其特征在于，首先將所述含鋁材料 添加到容納該含鋁材料的裝置中，然后通過用容納含鋁材料的裝置圍繞 構件讓所述材料與該構件相接觸。
12. 前述權利要求之一的方法，其特征在于，所述含鋁材料設置在 構件和容納含鋁材料的裝置之間。
13. 前述權利要求之一的方法，其特征在于，所述構件被至少一個 金屬非織造物纏繞，其中在該非織造物和構件之間設置有鋁箔。
14. 構件，根據(jù)權利要求l-13之一的方法制造。
全文摘要
為了實現(xiàn)提供能避免由含鋁材料制備構件相關的缺陷的方法，提供了用于將鋁熔合到構件的方法，其中鋁的熔合通過添加含鋁材料實現(xiàn)，其中所述構件被至少一個容納含鋁材料的裝置包圍，并由此形成的元件經(jīng)燒結。優(yōu)選地，所述構件用至少一個金屬非織造物纏繞，其中在該非織造物和構件之間設置有鋁箔。
文檔編號C23C10/06GK101273152SQ200680025525
公開日2008年9月24日 申請日期2006年6月21日 優(yōu)先權日2005年7月15日
發(fā)明者E·馬利格, Z·李 申請人:Gkn金屬燒結控股有限責任公司