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PERFECTIONNEMENTS APPORTES A LA FABRICATION D'OBJETS A PARTIR DE POUDRES
METALLIQUES.
L'invention est relative à la fabrication, par frittage, de corps conformés, à partir de poudres métalliques. L'expression "poudre métallique", employée dans cette description, englobe les poudres composées d'un seul métal ou alliage ou de plusieurs métaux ou alliages, ainsi que les poudres comprenant une proportion prédominante de métal en même temps qu'une substance non métallique qui peut ou non être chimiquement combinée au métal (comme, par exemple, des mélangera fer-carbone, du carbure de tungstène, du borare de zirconium).
L'objet de l'invention est de procurer une méthode simple d'agglomération de la poudre métallique avant frittage, de manière à former un corps conformé qui soit suffisamment stable pour permettre des opérations normales de manipulation qui sont inhérentes aux procédés de moulage et de frittage, sans danger de détruire la forme de l'objet et sans qu'il soit nécessai- re de rendre la poudre compacte par une pression délibérée.
C'est une technique courante de la métallurgie des poudres de former des corps conformés à partir de poudres métalliques en rendant ces poudres compactes sous pression dans dés moules ou des matrices convenablement établis. Les objets ainsi confectionnés ont une porosité finale qui dépend de plusieurs facteurs, notamment: la dimension des particules de poudre, le degré de la pression procurant la compacité, la nature des métaux ou des alliages, et la température ainsi que la durée du frittage.
Dans certains cas une porosité faible ou nulle est obtenue, par exemple si une pression considérable est employée ou bien si une poudre polyphasée, telle une poudre cuivreplomb est utilisée, alors que la phase cuivre est amenée à la température de frittage tandis que la phase plomb est portée au delà du point de fusion, en produisant ainsi une éponge de cuivre imprégnée de plomb fondu.
Comme, selon une caractéristique de la présente invention, au-
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cune pression produisant de la compacité n'est requise pour agglomérer la poudre, il s'ensuit que les cas spéciaux mis à part, comme par exemple lorsqu'une poudre polyphasée de caractéristiques particulières, tel le cuivre-: plomb, est utilisée, le corps conformé résultant sera beaucoup plus poreux qu'une masse de poudre rendue compacte et frittéeo
L'élimination d'une obligation quelconque d'avoir à assurer une compacité par application de pression est par suite désirable, en particulier dans les cas où un corps poreux doit être formé.
En outre, dans les cas où un corps creux de conformation complexe est requis, l'absence de né- cessité d'un outillage de presse simplifie considérablement la fabrication et réduit les frais de celle-ci.
Il doit être entendu que lorsque l'expression "frittage" est employée dans cette description, un tel processus de frittage doit nécessairement être exécuté en atmosphère contrôlée ou en atmosphère réductrice, qui empêchera ou atténuera la formation d'oxydes ou autres pellicules sur les particules métalliques et favorisera ainsi leur mutuelle adhésion.
Conformément à la présente invention, on prévoit une méthode de production de corps conformés à partir de poudres métalliques, consistant à mélanger la poudre avec un liant propre à faire prise à une température inférieure à la température de frittage de la poudre métallique, et qui est pratiquement détruit ou réduit à cette température de frittage, à amener le mélange à la conformation requise, à provoquer ou à permettre au liant de faire prise, et à friter le corps conformé afin de procurer une structure métallurgiquement liéeo
Lorsqu'on désire produire des corps conformés creux, et en particulier des corps creux d'une forme complexe, alors qu'un noyau ne peut être aisément retiré du corps terminé,
l'invention comprend également l'opération consistant à amener le mélange à la forme requise autour d'un noyau qui est entièrement ou partiellement fusible, fragile, ou qui peut être autrement détruit.
Conformément à une autre caractéristique de l'invention, des corps creux de conformation complexe et, en particulier, des corps creux poreux fermés ou pratiquement fermés, peuvent être produits à partir de poudres métalliques agglomérées à l'aide d'un liant, en conformant de tels agglomérats autour d'un noyau, formé ou recouvert de matière plastique ayant un très bas point de fusiono Lorsqu'un noyau recouvert est utilisé, le recouvrement sera fondu ou brûlé bien en dessous de la température de frittage, et le noyau pourra alors être retiré par des ouvertures du corps creux, qui peuvent être plus étroites que les dimensions du noyau recouvert original.
Alternativement, si un corps creux poreux fermé doit être exécuté, on peut employer un noyau complètement fusible qui fondra, sera brûlé ou se vaporisera bien en dessous de la température de frittage du métal, en laissant ainsi un corps creux poreux vide, de structure solide, métallurgiquement lié par frittage.
Une autre technique connue qui peut être utilement employée con- 'siste à former un noyau plein à l'aide de sable, lui-même maintenu aggloméré par un liant qui sera réduit aux températures de frittage, de manière telle qu'après frittage le sable puisse être évacué par une ouverture étroite quelconque du corps creux.
Une matière de noyau à bas point de fusion qui s'est démontrée extrêmement efficace est la cire de paraffinée La masse de la cire peut être fondue et évacuée, et le petit résidu s'enflamme et est brûlé à une température bien en dessous de la température de frittage de presque toutes les poudres métalliques
Diverses techniques peuvent être utilisées pour amener des poudres métalliques à la forme requise dans un moule ou autour d'un noyau. Dans certains cas le mélange "argileux" ou plastique de poudre métallique et de liant peut être enduit ou autrement distribué sur la surface d'un moule jusqu'à l'épaisseur requise, en lui permettant de faire prise avant frittage.
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La même technique peut être employée pour conformer le mélange autour d'un noyau, et cette technique est efficace et économique lorsqu'une production en masse, continues n9est pas requise comme, par exemple, lorsqu'on établit des prototypes expérimentaux.
Une autre technique qui permet la production en masse, con- siste à appliquer le recouvrement de poudre métallique et de liant par pul- vérisation ou projection sur la surface d'un moule ou d'un noyau. Les tech- niques bien connues de pulvérisation ou projection d'un métal ou d'une pein- ture peuvent être facilement adaptées à la pulvérisation ou projection de mélanges de poudres métalliques et de liants.
L'invention n'est pas limitée à un type particulier quelcon- que de liant pour une poudre métallique, pourvu qu'il satisfasse à la con- dition d'être destructible à la température de frittage du métal. Des adhé- sifs organiques peuvent être utilisés avec avantage, et des adhésifs à base de cellulose se sont montrés particulièrement satisfaisants. De tels adhésifs peuvent également être utilisés comme liant pour le noyau lorsqu'un noyau de sable doit être employé,
Trois réalisations de l'invention vont maintenant être décrites, mais bien entendu à titre d'exemples seulement.
Les premier et second exemples sont des corps poreux conformés devant être établis à partir d'une fine poudre de fer, en utilisant comme adhésif un ciment d'acétate de celluloseo Les deux corps sont destinés à être utilisés comme éléments de filtre, l'un ayant la forme d'une barre ronde en vue de son introduction dans un tube; l'autre ayant la forme d'un cylindre ouvert à ses extrémités, propre à être utilisé dans certains emplacements, tels ceux des raccoids de filtres, ou filtres, des installations de canalisations d'essence pour les carburateurs de moteurs à combustion interne.
Dans la fabrication de la barre ronde, de la poudre de fer finement divisée, dont la dimension des particules variera d'après le degré requis de filtration, est mélangée à un liant liquide ou plastique d'acétate de cellulose pour former une masse "argileuse"o Cette masse est alors amenée à la forme requise, par exemple par moulage ou extrusion, et l'on permet ensuite à l'adhésif de durcir. Après prise, la barre est transférée dans un four de frittage et portée, dans une atmosphère convenablement contrôlée, à une température suffisante pour lier entre elles les particules de fer sans les fondreo A cette température toute trace de l'adhésif est éliminée car cet adhésif a été brûlé.
Dans la fabrication du cylindre, une technique analogue et les mêmes matières sont utilisées, sauf que la masse "argileuse" est conformée, par exemple par pulvérisation ou projection, autour d'un noyau tournant. Si le cylindre est de forme régulière, et le noyau peut être retiré aisément de l'objet terminé, un noyau entièrement fragile ou fusible n'est pas nécessaire, bien qu'un recouvrement de cire ou d'une matière analogue soit requis pour prévenir l'adhérence du noyauo Si toutefois on doit confectionner un cylindre qui est fermé à une extrémité et étranglé à l'autre, un noyau totalement ou partiellement fusible ou fragile sera utilisé, composé de, ou recouvert d'une matière appropriée telle que de la cire de paraffine.
Dans le dernier cas, lorsque le noyau et la couche métallique qui l'entoure sont frittés dans unfour, la cire de paraffine est enflammée et consuméeo Si le noyau a été établi entièrement en cire de paraffine, cette dernière sera éliminée par fusion et la cire résiduelle sera brûlée pendant le frittage.
Si un noyau à recouvrement a été employé, le noyau proprement dit pourra être aisément retiré du corps creux par un orifice étroit après que le recouvrement a été brûlée
Dans le troisième exemple, un corps creux conformé plus complexe doit être produit, par exemple des tubes ayant un faible degré de porosité, comme des tubes de Venturi destinés à être utilisés pour de la vapeur ou autre gaz, ou bien des tubes à haut degré de porosité comme des tubes Venturi à utiliser pour des gaz à températures élevées devant être re-
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froidis par évaporation de liquides dans les pores de l'objet, ou bien des tubes à diffusion pour la séparation de gaz à des températures élevées.
La méthode de l'invention est particulièrement avantageuse dans la production de tels objets, du fait que l'on obtient un produit de porosité pratiquement uniforme dans lequel la matière n'est pas rendue plus compacte dans les angles ou les courbe? qu'aux emplacements des surfaces planes.
En service l'objet peut être refroidi par exudation (sweat cooled). auquel cas il est entouré d'une enveloppe ou écran métallique imperméable, et l'espace intermédiaire est rempli d'un fluide sous pression dans le but de réduire la température de l'objet creux.
Pour ce genre d'objets on établit un noyau approprié soit en une matière entièrement fusible comme de la cire de paraffine, soit comprenant une ou plusieurs parties ou portions infusibles recouvertes de cire de paraffine et conformées de manière à pouvoir le cas échéant être aisément retirées du corps fritté lorsque le recouvrement a été fondu ou brûlé.
Sur ce noyau on applique de la poudre d'acier inoxydable mélangée à un liant approprié comme de l'acétate de cellulose, par pulvérisation ou projection jusqu9à obtenir l'épaisseur requise, et on laisse faire prisée Les parties fusibles du noyau sont alors fondues, et les parties infu- sibles, s'il y en a, sont retirées par des ouvertures du moule ; corps ré- sultant est ensuite fritté dans une atmosphère contrôlée de façon appropriée, par exemple dans de l'hydrogène seco Il est alors prêt à l'emploi sauf tout usinage de la surface qui pourrait être nécessaire pour lui donner un fini particulière
REVENDICATIONS .
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IMPROVEMENTS IN THE MANUFACTURING OF OBJECTS FROM POWDERS
METAL.
The invention relates to the manufacture, by sintering, of shaped bodies, from metal powders. The expression "metallic powder", used in this description, includes powders composed of a single metal or alloy or of several metals or alloys, as well as powders comprising a predominant proportion of metal together with a non-metallic substance. which may or may not be chemically combined with the metal (eg, iron-carbon mixtures, tungsten carbide, zirconium borare).
The object of the invention is to provide a simple method of agglomeration of the metal powder before sintering, so as to form a shaped body which is sufficiently stable to allow normal handling operations which are inherent in the molding and molding processes. sintering, without danger of destroying the shape of the object and without the need to compact the powder by deliberate pressure.
It is a common technique in powder metallurgy to form shaped bodies from metal powders by compacting these powders under pressure into properly established molds or dies. The objects thus made have a final porosity which depends on several factors, in particular: the size of the powder particles, the degree of pressure providing compactness, the nature of the metals or alloys, and the temperature as well as the duration of the sintering.
In some cases little or no porosity is obtained, for example if considerable pressure is used or if a polyphase powder, such as a copper-lead powder is used, while the copper phase is brought to the sintering temperature while the lead phase is raised above the melting point, thereby producing a copper sponge impregnated with molten lead.
As, according to a characteristic of the present invention, au-
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cno pressure producing compactness is required to agglomerate the powder, it follows that special cases apart, such as for example when a polyphase powder with particular characteristics, such as copper-: lead, is used, the resulting shaped body will be much more porous than a compacted and sintered mass of powder
Elimination of any requirement of having to provide compactness by application of pressure is therefore desirable, particularly in cases where a porous body is to be formed.
Furthermore, in cases where a hollow body of complex shape is required, the absence of the need for press tooling considerably simplifies the manufacture and reduces the cost thereof.
It should be understood that when the term "sintering" is used in this specification, such a sintering process must necessarily be carried out in a controlled atmosphere or a reducing atmosphere, which will prevent or attenuate the formation of oxides or other films on the particles. metal and will thus promote their mutual membership.
In accordance with the present invention, there is provided a method of producing shaped bodies from metal powders, comprising mixing the powder with a binder capable of setting at a temperature below the sintering temperature of the metal powder, and which is substantially destroyed or reduced at that sintering temperature, to bring the mixture to the required conformation, to cause or allow the binder to set, and to sinter the shaped body to provide a metallurgically bonded structure.
When it is desired to produce shaped hollow bodies, and in particular hollow bodies of a complex shape, when a core cannot easily be removed from the finished body,
the invention also includes the step of bringing the mixture to the required shape around a core which is wholly or partially fusible, brittle, or which can be otherwise destroyed.
According to another characteristic of the invention, hollow bodies of complex conformation and, in particular, closed or practically closed porous hollow bodies, can be produced from metallic powders agglomerated using a binder, by conforming such agglomerates around a core, formed or covered with plastics material having a very low melting point o When a coated core is used, the coating will be melted or burnt well below the sintering temperature, and the core can then be removed through openings in the hollow body, which may be narrower than the dimensions of the original covered core.
Alternatively, if a closed porous hollow body is to be executed, a fully fusible core can be employed which will melt, burn or vaporize well below the sintering temperature of the metal, thus leaving an empty porous hollow body of solid structure. , metallurgically bonded by sintering.
Another known technique which can be usefully employed is to form a solid core with the aid of sand, itself kept agglomerated by a binder which will be reduced at sintering temperatures, such that after sintering the sand can be removed through any narrow opening in the hollow body.
A low melting point core material which has been shown to be extremely effective is paraffin wax.The mass of the wax can be melted and vented, and the small residue ignites and is burned at a temperature well below the temperature. sintering temperature of almost all metal powders
Various techniques can be used to bring metal powders to the required shape in a mold or around a core. In some cases the "clay" or plastic mixture of metal powder and binder can be coated or otherwise distributed over the surface of a mold to the required thickness, allowing it to set before sintering.
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The same technique can be employed to conform the mixture around a core, and this technique is efficient and economical when continuous mass production is not required such as, for example, when building experimental prototypes.
Another technique which allows mass production is to apply the coating of metal powder and binder by spraying or spraying onto the surface of a mold or a core. The well known techniques of spraying or spraying a metal or a paint can be easily adapted to the spraying or spraying of mixtures of metal powders and binders.
The invention is not limited to any particular type of binder for a metal powder, provided that it satisfies the condition of being destructible at the sintering temperature of the metal. Organic adhesives can be used with advantage, and cellulose-based adhesives have been found to be particularly satisfactory. Such adhesives can also be used as a binder for the core when a sand core is to be employed,
Three embodiments of the invention will now be described, but of course by way of example only.
The first and second examples are shaped porous bodies to be made from fine iron powder, using cellulose acetate cement as an adhesive. Both bodies are intended to be used as filter elements, one having the shape of a round bar with a view to its introduction into a tube; the other having the shape of a cylinder open at its ends, suitable for use in certain locations, such as those of filter raccoids, or filters, of gasoline pipe installations for the carburettors of internal combustion engines.
In the manufacture of the round bar, finely divided iron powder, the particle size of which will vary depending on the degree of filtration required, is mixed with a liquid or plastic binder of cellulose acetate to form a "clayey mass". This mass is then brought to the required shape, for example by molding or extrusion, and the adhesive is then allowed to cure. After setting, the bar is transferred to a sintering furnace and brought, in a suitably controlled atmosphere, to a temperature sufficient to bind the iron particles together without melting them. At this temperature any trace of the adhesive is removed because this adhesive was burnt.
In the manufacture of the cylinder, a similar technique and the same materials are used, except that the "clayey" mass is shaped, for example by spraying or spraying, around a rotating core. If the cylinder is of regular shape, and the core can be easily removed from the finished article, an entirely brittle or fusible core is not necessary, although a covering of wax or the like is required to prevent the adhesion of the core If, however, a cylinder is to be made which is closed at one end and constricted at the other, a totally or partially fusible or fragile core will be used, composed of, or covered with a suitable material such as paraffin wax.
In the latter case, when the core and the metallic layer surrounding it are sintered in a furnace, the paraffin wax is ignited and consumed. If the core has been made entirely of paraffin wax, the latter will be melted away and the wax residual will be burnt off during sintering.
If a lap core has been employed, the core itself can easily be removed from the hollow body through a narrow hole after the lap has been burned.
In the third example, a more complex shaped hollow body is to be produced, for example tubes having a low degree of porosity, such as Venturi tubes intended to be used for steam or other gas, or alternatively high degree tubes. porosity such as Venturi tubes to be used for gases at high temperatures to be re-
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cooling by evaporation of liquids in the pores of the object, or diffusion tubes for gas separation at high temperatures.
The method of the invention is particularly advantageous in the production of such objects, since a product of substantially uniform porosity is obtained in which the material is not made more compact at angles or curves. than at the locations of flat surfaces.
In service, the object can be cooled by sweat cooled. in which case it is surrounded by an impermeable metallic envelope or screen, and the intermediate space is filled with a pressurized fluid in order to reduce the temperature of the hollow object.
For this type of object, a suitable core is established either in a fully fusible material such as paraffin wax, or comprising one or more infusible parts or portions covered with paraffin wax and shaped so as to be able to be easily removed if necessary. of the sintered body when the cover has been melted or burnt.
On this core is applied stainless steel powder mixed with a suitable binder such as cellulose acetate, by spraying or spraying until the required thickness is obtained, and the fusible parts of the core are then melted. and the infusible parts, if any, are removed through openings in the mold; resulting body is then sintered in an appropriately controlled atmosphere, for example in seco hydrogen. It is then ready for use except for any surface machining which might be necessary to give it a particular finish
CLAIMS.
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