CN107850868A - 组装由脆性材料制成的部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于包括第一部件(101)和第二部件(102)的装置(100)的组装方法，第一部件由第一材料制成且第二部件由第二材料制成，该装置还包括由第三材料制成的第三部件(103)，第三部件用作实现组装的中间部件，其特征在于所述方法还包括以下步骤：‑提供预成型件(115)，该预成型件由体积能够在温度和/或压力条件下增大的至少部分非晶态金属材料制成；‑提供第一部件和第二部件并且将它们与预成型件一起放置在具有装置的相反形状的两个凹模之间；‑将组件加热至预成型件的玻璃化转变温度Tg和结晶温度Tx之间的温度，以便最迟在该步骤期间使预成型件能够呈泡沫形式并使得预成型件能够膨胀以便填充该装置的相反形状并形成第三部件；‑冷却组件以便固化预成型件并且将装置与凹模分离。

Description

组装由脆性材料制成的部件

技术领域

本发明涉及一种装置，其包括由第一材料制成的第一部件和由第二材料制成的至少一个第二部件的，其特征在于，该第二部件由泡沫制成并组装到第一部件上。

本发明的技术领域为精密机械的领域。

背景技术

存在许多用于制造第一部件与第二部件的组件的方法，这些方法可以是粘合剂结合、钎焊或铆接等。

然而，尽管每种方法都具有其自身的优点和缺点，所以应当指出不同和/或脆性材料的组装是复杂的。

事实上，存在许多使用由脆性材料制成的至少一个元件的装置。例如，钟表界开始使用硅，硅是由于其磁性和其对普通使用期间的温度变化的不敏感而被使用的类金属。这是它用于钟表应用、特别是用于诸如游丝或齿轮系的调节部件的原因。

然而，硅具有塑性范围很小的缺点。硅是在承受过高的应力时有断裂倾向的脆性材料。

但是，当制造硅齿轮系时，硅齿轮系要被紧固到轴上以便安置在手表的机芯中。齿轮系到轴的紧固通过多种方法来执行。

第一方法包括像常规黄铜齿轮系那样将所述齿轮系推动到轴上。但是推动包括将所述轴压配合在齿轮系的孔中。由于硅是脆性材料，所以推动是非常困难的，因为高应力施加至硅部件并且这通常导致部件断裂。

另一方法包括使用钎焊/焊接来将硅部件紧固在其支承件上。然而，该技术也是有问题的，因为为了有机会焊接陶瓷或硅材料，需要依靠使用温度循环和惰性气氛或高真空的反应性钎焊/焊接。这引起很长的组装周期和硅的破裂/开裂的风险。

此外，也可使用粘合剂结合，但粘合剂结合会引起对机芯的运行有害的有机化合物的排气风险并且可能造成老化问题(粘接剂暴露于用于机芯骨架的紫外线)。

发明内容

本发明的目的在于通过提出提供一种用于将至少两个部件彼此组装的方法来克服现有技术的缺点，所述方法使得能够以简单和安全的方式紧固两个部件而没有与紧固在一起的部件的性质有关的局限性。

为此，本发明涉及一种用于组装包括第一部件和第二部件的装置的方法，所述第一部件由第一材料制成且所述第二部件由第二材料制成，所述装置还包括由第三材料制成的第三部件，该第三部件用作实现组装的中间部件，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

-提供由第三材料制成的预成型件，所述第三材料为能够在温度和/或压力条件下增大其体积的至少部分非晶态金属材料；

-提供所述第一部件和第二部件并且将它们与预成型件一起放置在具有所述装置的相反形状的两个凹模之间；

-将所述组件加热至预成型件的玻璃化转变温度Tg和结晶温度Tx之间的温度，以便最迟在该步骤期间使预成型件能够形成泡沫并使得所述预成型件能够膨胀以便填充该装置的相反形状并形成所述第三部件；

-冷却该组件以便固化预成型件并且将所述装置与凹模分离。

在第一有利实施例中，第一部件和第二部件各自设有凹腔，非晶态金属预成型件延伸入所述凹腔中。

在第二有利实施例中，第一部件的凹腔和第二部件的凹腔具有不同形状。

在第三有利实施例中，第一部件的凹腔和第二部件的凹腔具有不同的可变截面。

在第四有利实施例中，第一部件和第二部件均具有结构化特征(structurings)。

在第五有利实施例中，该方法包括制造由至少部分非晶态金属合金泡沫制成的预成型件的预备步骤。

在第六有利实施例中，泡沫的膨胀通过温度控制，温度越高，膨胀越大。

在另一有利实施例中，泡沫的膨胀取决于泡沫中的气体的密度，截留气体的体积越大，膨胀越大。

在另一有利实施例中，通过使泡沫中的压力大于大气压来产生膨胀。

本发明还涉及一种包括第一部件和第二部件的装置，由第三材料制成的第三部件被用作用于将第二部件紧固到第一部件的中间部件，其特征在于，第三部件由至少部分非晶态金属合金泡沫制成。

在第一有利实施例中，第一部件或第二部件设置有凹腔，形成第三部件的非晶态金属泡沫延伸入所述凹腔中。

在第二有利实施例中，第一部件和第二部件各自都设置有凹腔，形成第三部件的非晶态金属泡沫延伸入所述凹腔中。

在第三有利实施例中，第一部件的凹腔和第二部件的凹腔具有不同的形状。

在第四有利实施例中，第一部件的凹腔和第二部件的凹腔具有不同的可变截面。

在另一有利实施例中，第一部件和第二部件均具有结构化特征。

在另一有利实施例中，第一部件和第二部件彼此布置成使得能够存在空隙，形成所述第三部件的所述至少部分非晶态金属合金泡沫将在该空隙中成形。

附图说明

根据本发明的方法的目的、优点和特征将在以下单独借助于非限制性的示例给出并通过附图图示的本发明的至少一个实施例的详细描述中更清楚地显现，在附图中：

-图1至6示意性地示出根据本发明的第一实施例的装置及其组装过程；

-图7示意性地示出根据本发明的第一实施例的装置的第一变型；

-图8和9示意性地示出根据本发明的第一实施例的装置的第二变型；

-图10示意性地示出根据本发明的第一实施例的装置的另一变型。

具体实施方式

本发明涉及一种装置及其组装方法，该装置包括第一部件和至少一个第二部件。

在图1和图2中可见的第一实施例中，装置100包括第一部件101和第二部件102，该第二部件经由被用作中间部件的第三部件103组装到在第一部件上。第一部件101由第一材料制成，而第二部件102由第二材料制成。

具体而言，第一部件101和第二部件102的尺寸确定为使得，当它们相对于彼此安装时，出现空隙104。该空隙104然后被使用，使得中间部件103可以插入其中，该中间部件被用作接合部。

在图2中可见的示例中，装置100例如可以是紧固到轴上的轮。于是认为第一部件101是轴111且所述至少一个第二部件102是轮112。该轮112的形式为由中心通孔112a贯穿的圆形部件。因此，该圆形部件包括其上可布置有齿的外缘112b和位于中心通孔112a处的内缘112c。

第一材料和/或第二材料可以是常规地使用的材料，例如钢、黄铜、铝或钛，但它们也可以是所谓的脆性材料。脆性材料应理解为指不具有可利用的塑性变形的材料，比方说，例如石英、红宝石、蓝宝石、玻璃、硅、石墨、碳或陶瓷，诸如氮化硅和碳化硅或金属陶瓷型复合材料。于是应理解，由这种材料制成的部件是非常易碎的。

轮112然后被组装到轴111上以便形成装置100。

有利地，根据本发明，用作接合部的第三部件或中间部件103由第三材料制成，所述第三材料是包括至少一种金属元素的至少部分非晶态金属合金，诸如至少部分非晶态金属合金，该非晶态金属材料呈泡沫形式。

该金属元素可以是铁、镍、锆、钛或铝类型的常规金属元素或贵金属元素，诸如金、铂、钯、铼、钌、铑、银、铱或锇。至少部分非晶态材料应理解为指该材料在非晶相中至少部分地固化，也就是说它承受高于其熔点的升温，该升温使得它能够局部地损失任何晶体结构，所述升温接着冷却至低于其玻璃化转变温度的温度，从而使得它能够变成至少部分地非晶态的。该材料于是可以是金属合金。

也可以设想不需要材料的熔化的其它方法，比方说，例如通过：

-机械混合，该机械混合包括在球磨机中将材料结合以便获得细粉末。然后施加热等静压(HIP)以便同时压缩和烧结粉末。最终的热处理步骤有助于消除在可能已经使用的冷压期间产生的已有的内部应力；

-高能量电子/离子/原子照射；

-沉积。

这种泡沫可使用多种技术产生。第一方法包括提供合金并加热合金直到所述合金达到液态为止。此时，将气泡注入处于液态的所述合金中。气泡的这种注入发生在快速冷却步骤之前。执行这种快速冷却步骤以便在截留气泡的同时固化所述合金。

用于生产这种泡沫的第二方法包括提供合金并将其加热直到该合金达到液态为止。此时，将化学制剂注入处于液态的所述合金中。这些化学制剂为气体释放剂，使得气体释放剂在某些条件下释放气体。气体的这种释放发生在快速冷却步骤之前。执行这种快速冷却步骤以便在截留气泡的同时固化所述合金。

该第二方法的一个变型包括提供能够变成泡沫的材料以便获得仅在它成形的瞬间才变成非晶态金属泡沫的材料。具体而言，所使用的化学制剂为在特定温度和压力条件下释放气体的释放剂。因而，通过在冷却期间提高压力，气体的释放被抑制。在成形期间，温度的升高实现了气体的释放和因此材料向泡沫的转换。

在该变型的一个替代方案中，可通过例如利用在玻璃化转变温度Tg与结晶温度Tx之间的热压或压实粉末混合物(已经为非晶态的金属粉末与前体粉末的混合物)来制造预成型件。

在第二变型中，从开始就存在化学制剂，例如，如果金属合金呈粉末形式存在，则制剂可在加热混合物之前与该金属粉末混合。

用于生产非晶态金属泡沫的第三方法包括粉末层的连续沉积，每层粉末通过激光束或电子束局部烧结。该局部烧结因而使得可以在每层粉末处产生将使得可以形成泡沫的孔隙。

用于制造和组装所述装置的方法包括第一步骤，该第一步骤包括提供非晶态金属泡沫预成型件115。该预成型件具有与空隙的形状相似的形状。例如，在组装到轴111上的轮112的情况下，空隙将呈环形并且因此预成型件也将呈环形。还提供了由两个凹模124a、124b形成的模具124。这两个凹模被挖空以便在它们结合时形成组装好的装置100的相反形状。

在图3中可见的第二步骤中，轴111、轮112和非晶态金属泡沫预成型件115被放置在由两个凹膜124a，124b形成的相反形状中中。非晶态金属泡沫预成型件115因而被安置在轴111与轮112之间，也就是说处于其最终位置。然而，由于预成型件不是最终部件，如图4中可见，所以存在该预成型件的特定浮动。

在第三步骤中，执行加热步骤。该加热步骤包括将组件加热至预成型件的玻璃化转变温度Tg和结晶温度Tx之间的温度。在该温度下，非晶态金属具有大幅减小的粘度，粘度的减小取决于温度。考虑到泡沫的非晶态金属处于所谓的粘性状态，气体的膨胀引起泡沫预成型件的膨胀，该预成型件开始鼓胀。因此，预成型件所占据的体积增大。预成型件保持其非晶态。由两个凹模形成的相反形状的尺寸确定为具有组装好的最终装置的尺寸，使得当预成型件鼓胀时，轴111和轮112楔入它们的最终位置，预成型件如图5中可见的那样填充位于所述轴和所述轮之间的空隙114并在轴111和轮112上施加等静压力。

为了实现非晶态金属泡沫预成型件的膨胀，需要相反形状中的压力低于预成型件内部的气体的压力，否则不可能存在膨胀。在密封式模具的情况下，可以巧妙地将由两个凹模形成的空腔置于真空下。在两个凹模形成非密封式模具的情况下，将规定模具位于其中的腔室被置于真空下。当然，如果在该材料被加热之前材料的孔隙中的气体的压力大于环境压力，即模具中的压力，则加热步骤可在环境压力下执行。恰好需要孔隙中的气体与环境气体之间具有压力差。

可以进行具有可控粘度的发泡，也就是说通过调节Tg与Tx之间的温度，可以更改合金的粘度以使得膨胀更快或更慢。

由于玻璃化转变温度Tg和结晶温度Tx低于所述泡沫的熔点，这使得可以组装熔点低于金属泡沫的熔点的部件。

最后，如果未超过泡沫的熔点，结合保持纯机械并且不会发生焊接，即，不存在形成非期望相(例如，脆性金属间相)的风险。

类似地，为了防止由于轴111和轮112上的预成型件的膨胀而施加的应力导致模具的两个凹模的分离，可经由诸如螺钉的紧固装置或单纯通过对它们施加充分的压力来将这两个凹模紧固在一起。

一旦已执行预成型件的膨胀并且轴111和轮112被楔入它们的最终位置——其中预成型件115如图6中可见的那样填充它们之间的空隙104，便进行冷却步骤。执行该冷却步骤以便固化非晶态金属泡沫预成型件并形成中间部件。

从凹模移除使用中间部件103组装的轴111和轮112以便形成根据本发明的装置100。

本实施例的一个优点在于，它使得中间部件可以用作接合部，该接合部使得脆性部件能够在不施加过大应力并且不具有应力集中的情况下安装，施加在两个部件上的应力是均匀和等静压的。

在图7中可见的本实施例的第一变型中，第一部件111和/或第二部件112的与非晶态金属泡沫中间部件103接触的表面具有结构化特征106，以便提高粗糙度以及因此第一部件和第二部件与中间部件的附接。

当然，该装置不限于固定在轴上的轮并且例如可以是利用表圈安装在中间件上的表镜或嵌套安装的两个管或其中可使用中间部件来填充空隙并将两个部件紧固在一起的任何装置。例如，第一部件可以是设置有壳腔的支承件，一个或多个第二部件例如像镶嵌物那样布置在该壳腔中，粘合剂是在第一部件和第二部件上施加压力的非晶态金属泡沫。在另一示例中，第一部件可以是设置有壳腔的支承件，一个或多个第二部件布置在该壳腔中，这些第二部件是精密叉瓦，非晶态金属泡沫是用于将所述精密叉瓦紧固在支承件上的粘合剂。

在图9中可见的实施例的第二变型中，凹腔107可增加至结构化特征106并且布置成与轴和/或轮齐平以便将一个凹腔107布置在轴111上并且将一个凹腔107布置在轮112上，所述凹腔在轴111和轮112组装好时至少部分地彼此相对。彼此相对的这两个凹腔107则形成壳腔108。在该壳腔108中，布置有称为中间部件103的第三部件。

用于制造和组装所述装置的方法包括第一步骤，该第一步骤包括提供非晶态金属泡沫预成型件。该预成型件具有适配或类似于由两个凹腔107形成的壳腔的形状的形状。

第二步骤包括提供第一部件和第二部件并且将预成型件置于壳腔中。然后将轴111和轮112对齐并保持在该位置。为此，使用挤压或紧固装置。

在第三步骤中，执行加热步骤，该步骤包括泡沫预成型件的膨胀。该预成型件开始鼓胀。因此，由预成型件占据的容积增大并引起由两个凹腔形成的壳腔被所述非晶态金属泡沫填充。

一旦已执行预成型件的膨胀，便进行冷却步骤。执行该冷却步骤以便固化非晶态金属泡沫预成型件并形成附接第一部件和第二部件的中间部件。

使用中间部件组装的第一部件101和第二部件102从凹模移除以便形成根据本发明的装置。该变型有利地使得可以具有如图8所示完全不可见的中间部件103。

在图9中可见的本发明的第一实施例的第二变型的一个替代方案中，第一部件111和/或第二部件112的凹腔107具有使得可以改善附接的形状。这种形状包括凹腔107，其开口不是恒定的，也就是说所述开口的表面随深度而变化。随着非晶态金属泡沫延伸入凹腔中以便填充每个凹部，这使得可以提供额外的保持。这是因为，如果一个或多个凹腔的侧壁是线性的，则在装置的一个或两个部件上拉动会引起两个部件的分离和因此装置的破坏。凹腔107可非限制性地具有直角梯形(A)或球形(B)或T形(C)形状。

在多个实施例的方法的一个变型中，预成型件仅在第三步骤期间变成泡沫。具体而言，当泡沫使用在温度作用下释放气体的前体化学制剂时，前面已陈述包含这些前体化学制剂的合金可以在这些制剂释放气体之前制造，从而使得可以获得不呈泡沫形式的预成型件。

该可能性使得可以实现其中将预成型件转换成泡沫的步骤和使所述泡沫膨胀的步骤同时发生的方法。这是可能的，因为通过前体化学制剂释放气体和泡沫的膨胀在材料被加热时发生。

因此，该方法包括提供不呈泡沫形式的预成型件并且将它置于模具中。然后将这些全部加热至使得前体化学制剂能够释放气体的温度。该温度也使得气体能够膨胀以便获得材料的膨胀。

在多种实施例中，可采用多种方式控制非晶态金属泡沫预成型件的膨胀。

第一方案包括在泡沫的生产期间更改气泡的密度。一种生产非晶态金属泡沫的方法包括将气泡注入熔化的金属中以及冷却它以便截留这些气泡。气泡的注入可被控制成使得气泡的注入或多或少是均匀的并且或多或少是密集的。于是应理解，气泡的密度越大，截留在泡沫中的气体的体积越大。然而，截留气体的体积越大，由于气体在加热步骤期间的膨胀而将引起的膨胀越大。类似地，可通过更改前体制剂的密度来控制气泡的密度，以便改变所释放的气体的密度。

第二方案包括通过更改加热步骤的温度来控制非晶态金属泡沫的膨胀。有效的是，当气体升温时，形成它的颗粒的运动量增加。在恒定体积下，这引起压力的升高，因为单位面积的颗粒之间的撞击次数增加。如果压力必须保持恒定，则根据理想气体定律，气体的体积于是必须增大。因此，通过在加热步骤期间升高或降低加热温度，截留在非晶态金属泡沫中的气体的体积改变且其膨胀因此更改。

在第三方案中，非晶态金属泡沫的膨胀通过控制第二实施例的加热腔室或第一实施例的模具的凹腔中的气氛来控制。该方案从膨胀可以自截留在非晶态金属泡沫中的气体的压力大于泡沫外部的气氛的压力的瞬间起的原理开始。理想状况在于，外部气氛是充足以便有利于泡沫尽可能多地膨胀的真空。因此，通过调节外部压力，在了解外部气氛的压力越大、气体的膨胀越低的情况下调节所述泡沫的膨胀幅度。

应理解，可对以上公开的本发明的各种实施例做出对本领域的技术人员来说显而易见的各种变更和/或改进和/或组合而不脱离通过所附权利要求限定的本发明的范围。

当然，上述实施例不限于两个或三个部件的组装，使得部件的数量不受限制。

此外，可实现通过如图10中可见的突起15来替换或补充凹腔。这些突起是凹腔的相反形状并具有相同功能。由此应理解，非晶态金属泡沫成形为能包封该突起或这些突起并且改善第一部件与第二部件之间的附接。

Claims (17)

1.一种用于包括第一部件(111)和第二部件(112)的装置(100)的组装方法，所述第一部件由第一材料制成且所述第二部件由第二材料制成，所述装置还包括由第三材料制成的第三部件(103)，所述第三部件用作实现组装的中间部件，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

-提供由该第三材料制成的预成型件(115)，该第三材料为能够在温度和/或压力条件下增大其体积的至少部分非晶态金属材料；

-提供所述第一部件和第二部件并且将所述第一部件和第二部件与所述预成型件一起放置在具有最终装置的相反形状的两个凹模之间；

-将所述组件加热至所述预成型件的玻璃化转变温度Tg和结晶温度Tx之间的温度，以便最迟在该步骤期间使所述预成型件能够呈至少部分非晶态金属泡沫的形式并使得所述预成型件能够膨胀以便填充所述装置的相反形状并形成所述第三部件；

-冷却所述组件以便固化所述预成型件，从而保持所述至少部分非晶态金属泡沫状态并且将组装好的装置与所述凹模分离。

2.如权利要求1所述的组装方法，其特征在于，所述第一部件和所述第二部件各自都设有凹腔，形成所述第三部件的非晶态金属泡沫延伸入所述凹腔中。

3.如权利要求1所述的组装方法，其特征在于，所述第一部件的凹腔(107)和所述第二部件的凹腔(107)具有不同的形状。

4.如权利要求1所述的组装方法，其特征在于，所述第一部件的凹腔和所述第二部件的凹腔具有不同的可变截面。

5.如前述权利要求中任一项所述的组装方法，其特征在于，所述第一部件和所述第二部件具有结构化特征。

6.如前述权利要求中任一项所述的组装方法，其特征在于，所述组装方法包括制造由至少部分非晶态金属合金泡沫制成的预成型件的预备步骤。

7.如前述权利要求中任一项所述的组装方法，其特征在于，所述泡沫的膨胀通过温度来控制，温度越高，膨胀越大。

8.如前述权利要求中任一项所述的组装方法，其特征在于，所述泡沫的膨胀取决于所述泡沫中的气体的密度，截留的气体的体积越大，膨胀越大。

9.如前述权利要求中任一项所述的组装方法，其特征在于，所述膨胀通过使泡沫中的压力大于环境压力来执行。

10.一种装置(100)，该装置包括第一部件(111)和第二部件(112)，由第三材料制成的第三部件(103)被用作用于将所述第二部件紧固到所述第一部件的中间部件，其特征在于，所述第三部件由至少部分非晶态金属合金泡沫制成。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第一部件或所述第二部件设有凹腔，形成所述第三部件的所述非晶态金属泡沫延伸入所述凹腔。

12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第一部件和所述第二部件各自都设有凹腔，形成所述第三部件的所述非晶态金属泡沫延伸入所述凹腔中。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述第一部件的凹腔和所述第二部件的凹腔具有不同的形状。

14.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述第一部件的凹腔和所述第二部件的凹腔具有不同的可变截面。

15.如权利要求12至14中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一部件和所述第二部件具有结构化特征。

16.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第一部件和所述第二部件彼此布置成使得能够存在空隙，形成所述第三部件的所述至少部分非晶态金属合金泡沫将在所述空隙中成形。

17.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第三部件是不可见的。