[发明专利]用于制造金属部件的方法和金属部件

说明书

技术领域

本发明涉及通过喷射成型技术制造的高性能金属部件，如模具嵌入件和不同种类的工具零件，以及制造方法。

背景技术

由于极端恶劣的工作条件，存在许多需要耗费大量时间和成本的生产过程而制造出的高性能金属部件，如模具嵌入件、发动机零件和工具头。这些部件通常会遭受重机械和热循环压力、机械磨损、侵蚀和/或腐蚀，上述条件都对部件材料加以特殊要求。这些情况加上经常需要的几何形状的复杂性使得生产过程非常具有挑战性。因此，对于改进这些部件质量、降低成本和较长的交付时间的方法存在持续需求。

粉末冶金是制造高质量金属材料的一种可能途径，但是成本通常较高，并且在制造成型部件时尺寸精度并非总能令人满意。

喷射成型是一种独特的凝固工艺，其中熔融金属被惰性气体雾化成10-200微米的液滴，并以亚音速飞到沉积基底上。该方法的要点是喷雾在飞行和沉积的过程中，以精确控制的方式被气体迅速冷却，从而预成型件的凝固不取决于模具表面的温度和/或热性能。抵达模具的颗粒处于这样一种情形，即熔接到已沉积金属的过程是彻底的，并且粒子间的边界不再扩展。因此所形成的高质量材料具有细密的、等轴并且均质的微观结构。不需要进一步热加工或者硬化。此外，通过这种工艺，能够不通过进一步处理制成网状部件，这是因为在喷射成型物体中通常只产生最小限度的收缩。这些特征在制造高合金部件中特别显著。

一种基本的喷射成型方法，即当前被称为Osprey^TM方法，从1975年开始披露在专利GB 1472939中。后来喷射成型技术的变型方式也被众所周知。例如专利US 5658506公开了一种用于成型金属板的冲模快速生产过程，其中通过将工具钢喷射到陶瓷模腔来生产具有优良属性且无需进一步加工的网状工具。专利US 6074194公开了用于喷射成型的设备领域中最新发展的实施例。

虽然可以通过喷射成型技术实现那些优良的材料属性，但从对于通过喷射成型制造的部件的不同区域或表面的不同需要中也产生了严峻的问题。由于免除了加热，要求在模具嵌入件、发动机零件和工具的工作表面中具有非常高的硬度和耐磨性能，将不被模具限定的部件背面加工成所期望的最终形状和表面结构是非常困难并且费时的。此外，例如为了紧固目的有可能需要对背面稍后进行的焊接(这是基于部件工作表面的完全不同需要的材料选择)将变得非常具有挑战性。

发明目的

本发明的目的是提供一种通过喷射成型技术生产高性能金属部件的新方法，以及提供这种新的部件，该部件具有功能上的分层结构，每一层的特性都根据所述层的最新目的和/或执行到所述层的作用得到优化。

发明内容

根据本发明的方法其特征由权利要求1体现。特别地，按照本发明的部件其特征由权利要求6体现。

本发明的方法是通过喷射成型技术制造金属部件。不同类型的喷射成型工艺和用于该工艺的设备对于本领域技术人员而言是已知的，因而这里无需详细描述。基本原理是通过惰性气体流将熔融的金属雾化成细小雾滴，以形成快速冷却金属雾滴的喷雾，然后引导喷雾到模具上，用于沉积成带有细小微观结构的高质量金属。喷射成型能够直接制造出含有具有超高硬度和耐用性以及良好耐热性能的材料的网状部件。

按照本发明，所述方法包括首先通过喷射成型在模具上沉积第一种金属的第一层，然后通过喷射成型在第一层上沉积第二种金属的第二层。当在第一层上开始沉积第二层时，实际上首先形成混合层。当然，这不会对部件性能产生实际影响。本发明的本质特征是选择被沉积的材料和沉积的处理条件以生产第一层的微观结构，所述微观结构被优化用于由模具限定的第一层表面的最终用途，并且第二层的微观结构不同于第一层的微观结构，所述第二层的微观结构被优化用于进一步作用于第二层。简言之，本发明提供了一种用于生产具有功能性分层微观结构的部件的方法。这里微观结构是指沉积材料中金属原子的类型和排列。可以通过选择待喷射材料对微观结构进行控制，在某些程度上也可通过对喷射成型技术领域的技术人员而言熟知的不同工艺参数的调节来进行控制。例如，通过由工具钢制造的模具嵌入件的第一层微观结构被优化用于铸造条件，其中所述工具钢包括铁、碳、硅、锰、铬、钼和超过1.4％的钒，如在WO 2004/035250中披露的。