粉末金属多叶加工工具及其制造方法

摘要

一种由粉末金属制成的加工工具(10)，例如由粉末形式的改性的T15 HSS制成，该加工工具(10)具有用于在工件中冲压多叶凹口的多叶端部轮廓(12)，例如在紧固件的头部中进行冲压。加工工具(10)非常均匀并且仅包含相对很小的碳化物，例如在1-4微米范围内。此外还提供了用于制造这样的加工工具的方法。该方法需要切割粉末金属的杆，然后加工被切割的部件以提供多叶加工工具。与金属注射成型部件中仅形成95％-98％的致密度相反，最终部件理论上为100％的致密度。在使用中，由于其制造过程，最终的部件具有增加的柱强度和增加的抗冲击性能。

权利要求

1.一种制造由粉末金属制成的加工工具(10)的方法，其中，所述加工工具(10)具有用于在工件中冲压多叶凹口的多叶端部轮廓(12)，所述方法的特征在于：提供由粉末金属形成的杆；从所述杆切割预定长度，所述预定长度限定了部件；在所述部件的至少一端形成斜面；将所述部件的外径磨至预定尺寸；在所述部件的一端(12)上挤出多叶构造；研磨将所述部件的外径磨至预定尺寸；并将所述部件形成为预定长度。

2.如权利要求1所述的方法，其进一步的特征在于：在热处理炉中对所述部件进行应力释放。

3.如权利要求1所述的方法，其进一步的特征在于：在所述部件上压印商标。

4.如权利要求1所述的方法，其进一步的特征在于：端面车削所述部件至预定的最终长度。

5.如权利要求1所述的方法，其进一步的特征在于：修整所述部件上的前端角。

6.如权利要求1所述的方法，其进一步的特征在于：热处理所述部件至预定硬度。

7.如权利要求5所述的方法，其进一步的特征在于：抛光所述前端角至需要的光洁度。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：从所述杆切割预定长度的步骤包括从由高速钢形成的杆切割预定长度。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：从所述杆切割预定长度的步骤包括从由T15高速钢形成的杆切割预定长度。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：从所述杆切割预定长度的步骤包括从由包含钼的高速钢形成的杆切割预定长度。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于：从所述杆切割预定长度的步骤包括从由包含钼的T15高速钢形成的杆切割预定长度。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述部件的至少一端形成斜面的步骤包括在所述部件的两端形成47°/45°的斜面。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述部件的一端上挤出多叶构造的步骤还包括施加油至所述部件，并在紧固在冲床中的挤出模中挤出所述多叶构造。

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于例如在紧固件的头部中冲压多叶凹口的多叶加工工具。更具体地，本发明涉及由粉末金属制成的多叶加工工具和加工工具毛坯。本发明还涉及形成粉末金属多叶加工工具的方法。

背景技术

通常被称为“冲针”的多叶加工工具被用于例如在紧固件的头部中冲压多叶凹口。图1图示多叶冲针10。在使用时，冲针10的头部12(即具有多叶轮廓)被冲压到工件中，例如紧固件的头部中，以形成多叶凹口。
一般来说，冲针由标准工具钢(例如M42工具钢)形成。工具钢本身是非常不均匀的，并通常包含大且偏析的碳化物。图2提供了由M42工具钢形成的冲针的图像，该图像是沿着横向截面(也就是沿着图1中的线2)用显微镜在400倍下取的。图3是类似的图像，但是该图像是沿着纵向截面(也就是沿着图1中的线3)所取的。如图所示，其中的许多相对较大的碳化物(图像中较亮的区域)可以在任意一个截面中找到。对于尺寸，在由传统的工具钢形成的冲针中，通常存在10-50微米或者甚至更大尺寸的碳化物。
碳化物偏析的存在易于产生硬、脆或者被弱化的面，其中材料具有破裂或破碎的倾向。一般说来，不希望冲针含有大的碳化物和碳化物偏析，因为碳化物提供了弱化的点。如果相当大的碳化物碰巧沿着多叶冲针的叶而存在，则这一点尤其明显。在这种情况下，碳化物可以引起叶在使用中过早地破碎，如图4所示。图4提供了由M42工具钢形成的冲针的图像，该图像是在多次使用冲针以在工件中冲压多叶凹口之后用扫描电子显微镜(SEM)在35倍下取的。当较大的碳化物存在于冲针的叶上时，不仅可能出现问题，而且冲针越大该问题甚至会越严重。
美国专利No.6,537,487公开了使用金属注射成型(“MIM”)工艺来成型粉末金属部件的方法。该工艺相对复杂并使用粘合剂。必须在烧结中或者在烧结之前去除粘合剂(也就是去粘合)。用这种工艺制成的成品部件通常仅具有95％至98％的致密度，并具有减小的柱强度(columnstrength)和有限的抗冲击性能。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种由粉末金属形成的多叶加工工具和加工工具毛坯，由此使得所述加工工具非常均匀，并且仅包含非常小特征的碳化物。
本发明的另一个目的是提供一种用于制造多叶粉末金属加工工具的相对简单的方法，其中无论是在烧结之前还是在烧结过程中，该方法都不需要任何去粘合的步骤。
简单来说，根据前述目的中的至少一个，本发明的一个实施例提供了一种由粉末金属制成的加工工具，例如由粉末形式的被改性(以添加钼的方式改性)的T15高速钢(HSS)制成，该加工工具具有用于在工件中(例如在紧固件的头部中)冲压多叶凹口的多叶端部轮廓。
本发明的另一个实施例提供了一种用于制造由粉末金属制成的加工工具的方法，其中该加工工具具有多叶端部轮廓。该方法包括步骤：从由粉末金属形成的杆切割预定长度，该粉末金属例如为改性的T15 HSS(以添加钼的方式改性)；在两端形成47°/45°的斜面；将外径磨至预定尺寸；施加油，并在紧固在冲床中的挤出模中，在一个切断端上挤出多叶构造；在热处理炉中对该部件进行应力释放；在部件上压印商标(如果需要的话)；将外径磨至预定尺寸；端面车削至预定长度；修整前端角；热处理至预定硬度；将前端角磨到要求的光洁度和长度；将外径台阶磨至预定尺寸和长度；抛光前端角至需要的光洁度。

附图说明

通过结合附图并参考以下的描述，可以最优地理解本发明的结构和操作的构成和方式及其进一步的目的和优点，其中类似的参考标号表示类似的元件，其中：
图1是多叶冲针的立体图；
图2提供了由M42工具钢形成的冲针的图像，该图像是沿着横向截面(也就是沿着图1中的线2)用显微镜在400倍下取的；
图3类似于图2，但是图像是沿着纵向横截面(也就是沿着图1中的线3)取的；
图4提供了由M42工具钢形成的冲针的图像，该图像是在多次用冲针在工件中冲压多叶凹口之后用扫描电子显微镜(SEM)在35倍下取的；
图5提供了根据本发明的实施例，由粉末形式的改性的T15 HSS形成的冲针的图像，该图像是沿着横向截面(也就是沿着图1中的线2)用显微镜在400倍下取的；
图6类似于图5，但是图像是沿着纵向横截面(也就是沿着图1中的线3)取的；
图7提供了由粉末形式的改性的T15 HSS形成的冲针的图像，该图像是在多次用冲针在工件中冲压多叶凹口之后用扫描电子显微镜(SEM)在50倍下取的；
图8提供了制造多叶加工工具(例如冲针)的方法的流程图，该方法是根据本发明实施例的方法。

具体实施方式

在附图中所表示的以及下面要详细描述的是本发明的实施方式，应该理解，这里所作的描述应该理解为对本发明原理的举例说明，而不是意图将本发明限制为这里所图示和描述的内容。本发明可以采用不同形式的实施方式。
如上所述，图2-4涉及由M42工具钢形成的冲针。图5-7提供了类似的视图，但是涉及根据本发明实施例的多叶工具，具体而言是由粉末形式的改性(以添加钼的方式来改性)的T15 HSS形成的冲针。作为用粉末金属成型的结果，冲针更加均匀，且与通常包含在由工具钢形成的冲针中的碳化物相比，仅包含相对较小的碳化物(图5和6中所示图像中的较亮区域)。由于更加均匀且仅包含相对较小的碳化物，冲针非常坚固且在使用中(也就是例如当用于在紧固件的头部中冲压凹口时)不容易破碎或者以其他方式失效。
图5提供了冲针的图像，该图像是沿着横向截面(即沿着图1中的线2)用显微镜在400倍下取的。图6类似于图5，但是图像是沿着纵向截面(也就是沿着图1中的线3)取的。与出现在如图2和3所示的工具钢冲针中的碳化物相比，如图5和6所示的碳化物(图像中的较亮区域)相对较小。具体而言，出现在由工具钢制成的冲针中的碳化物可能为40微米或更大，但是在冲针由粉末金属(例如粉末形式的改性的T15 HSS)形成的情况下，所得到的结果是碳化物可以是1-4微米那么小。
图7提供的冲针图像是在多次用冲针在工件中冲压多叶凹口之后用SEM在50倍下取的。对比图4和图7，粉末金属的冲针(图7)仅显示出可接受的磨损而没有破碎，而工具钢冲针(图4)在叶处出现一些破碎。
因为较大的碳化物提供了弱化点，且诸如冲针之类的多叶加工工具在受到冲击时接收大量应力，所以提供或者确保较大的碳化物不存在于多叶加工工具的叶处是很重要的。一般来说，诸如冲针之类的多叶加工工具由非常不均匀的工具钢形成。在多叶加工工具由粉末金属形成的情况下，例如粉末形式的改性的T15 HSS，所得到的结果是部件的颗粒结构更加均匀。于是，较大的碳化物不太可能或者甚至不可能存在于一个叶的区域中或者一个叶上。由此，冲针更加坚固，且具有改进的柱强度和抗冲击性能，具有更长的使用寿命。
图8图示用于制造粉末金属多叶加工工具(例如图5-7中所示的冲针)的方法，该方法是根据本发明实施例的方法。如图所示，该方法提供了如下步骤：从由粉末金属形成的棒料杆切割预定长度，该粉末金属例如为改性的T15 HSS(以添加钼的方式改性)；在两端形成47°/45°的斜面；将外径磨至预定尺寸；施加油，并在紧固在冲床中的挤出模中，在切断的一端上挤出多叶构造；在热处理炉中对该部件进行应力释放；在部件上压印商标(如果需要的话)；将外径磨至预定尺寸；端面车削至预定长度；修整前端角；热处理至预定硬度；将前端角磨到要求的光洁度和长度；将外径台阶磨至预定尺寸和长度；抛光前端角至需要的光洁度。该过程相对简单，并且与金属注射成型工艺相反，不需要任何去粘合步骤，在金属注射成型工艺中必须在烧结中或者在烧结之前去除粘合剂。用这种注射成型工艺制成的成品部件通常仅具有95％至98％的致密度。相反，用上述方法制造的成品部件在理论上具有100％的致密度，提高了柱强度、抗冲击性能和工具寿命。
为了提供钢粉末棒，在进行前述制造步骤之前，可以使用以下的处理：
1.合适组分的熔化金属在惰性气体氛围中雾化。
2.形成的粉末金属密封在大钢“罐”中，该罐是长为5至6英尺、直径为10至12英寸的钢管。
3.将密封的罐放置在热等静压(HIP)中，该热等静压在2100F的温度下施加1000个大气压的压力。
4.在HIP处理之后，对钢罐进行处理而从已经为固体和100％致密度的P.M.钢锭去掉。
5.然后像传统浇铸的钢锭一样加工P.M.钢锭。
尽管已经图示并描述了本发明的实施例，但是应当预见到对于本领域技术人员来说，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以设计对本发明的各种修改。