BRPI0820415B1 - Hot or hot uniaxial isostatic pressing process, graphite matrix for use in this process and the component produced by this process - Google Patents

Description

"PROCESSO DE PRENSAGEM ISOSTÁTICA A QUENTE OU UNIAXIAL A QUENTE, MATRIZ DE GRAFITE PARA USO NESTE PROCESSO E COMPONENTE PRODUZIDO POR ESTE PROCESSO” Campo da Invenção [001] Esta invenção refere-se a um processo de metalurgia de pó conhecido como “net ou near net shape", [002] A invenção refere-se particularmente, porém não exclusivamente, ao fornecimento de um filtro de difusão atômica entre uma matriz de grafite, usado para derivar a forma acabada “net ou near net shape" usada na fabricação de componentes de metalurgia de pó "net ou near net shape".

Antecedentes da invenção [003] Um método de fabricação conhecido usado para produzir componentes e materiais utiliza a consolidação de pós metálicos por Prensagem isostática a quente. Uma pré-consolidação dos pós metálicos pode ou não ser usada utilizando a Prensagem Isostática a Frio.

[Q04JEm síntese, o pó metálico é colocado em um refreamento e um vácuo é aplicado dentro do refreamento, e o refreamento é selado. Este pode ou não ser parcialmente consolidado em uma forma fria submetendo-se o refreamento a um processo isostático a frio (ClPing). O pó refreado é então submetido à Prensagem isostática a quente (HIPing).

[005JO processo HIPing utiliza a aplicação de aquecimento em aproximadamente, porém não essencialmente, 80% de sólidos do material do qual o pó é derivado. Este processo submete o pó metálico à tensão mecânica por meio da qual os pós metálicos são mecanicamente deformados em uma condição plástica superior. O contato intimo resultante e o movimento entre as partículas de pó resultam em um cisalhamento e tensões compressivas sendo colocados sobre elas. Como resultado deste processo, uma interação atômica (inter-difusâo) entre as partículas ocorre subsequentemente removendo toda a história prática anterior, desse modo criando um sólido metálico de forma homogênea.

[006] Existe uma necessidade com certos componentes de serem capazes de criar uma forma final precisa e/ou quase precisa para o componente que está sendo fabricado. Isto pode ser feito usando uma matriz de grafite usinada para um tamanho exato.

[007] Nós apreciamos que é desejável parcialmente inibir ou limitar (filtrar) a difusão de átomos de carbono do grafite no metat em pó que está sendo processado.

Declarações da Invenção [008] De acordo com um aspecto da invenção em um processo de prensagem ísos-tática a quente ou processo de prensagem uniaxial a quente, um filtro de difusão é provido entre uma matriz de grafite e o pó metálico a ser prensado.

[009] Preferimos aplicar o filtro à matriz que foi precisamente usinada.

[0010] Preferivelmente um depósito pulverizado por via úmida de uma suspensão aquosa de Nitreto de Boro é usado para criar a barreira/filtro. A espessura total do revestimento, determinada primariamente pelo número de revestimentos pode ser desenvolvida para controlar a quantidade de difusão de carbono desejada ou que pode ser tolerada.

[0011 ]0 método de pulverização é por meio de pulverização manual para aplicação geral, ou pelo uso de robóticas no caso de requisitos de alta precisão e em aplicações que requerem capacidade de repetição precisa.

[0012] Suspensões aquosas de nitreto de boro em diferentes percentagens de volume podem ser selecionadas por meio de uma série de testes tendo em vista a otimização da constituição de pulverização e possibilitando pulverização precisa ser empreendida.

[0013] A pulverização de nitreto de boro é preferivelmente aplicada substancialmente normalmente para fornecer uma pluralidade de múltiplas camadas finas. Muito cuidado é requerido para assegurar que a espessura das camadas seja controlada a fim de fornecer o nível de filtragem total correto do revestimento.

[0014] Em um método preferido de aplicação do revestimento de nitreto de boro, a adesão das camadas de revestimento inicial é empreendida pelo uso de revestimentos de aparência leve finos aplicados por pulverização. Isto ajuda a impedir a suspensão aquosa de escorrer e ajuda a prover adesão do revestimento à matriz de carbono/grafite antes da formação de revestimentos secundários de resistência normal serem aplicados.

[0015] 0 procedimento é de particular importância com respeito a componentes precisos grandes até e além de 2 metros de comprimento.

[0016] Pode ser necessário aquecer o componente para assegurar que o revestimento de aparência leve fina seque rapidamente antes que a barreira com base aquosa escorra e trabalhe para afastar o revestimento de nitreto de boro deixando a sem revestimento.

[0017] Pode requerer uma pluralidade de revestimentos de aparência leve; tanto quanto três pode ser requerido ou mais em alguns casos onde um acabamento de superfície elevado foi criado sobre a matriz carbono/grafite.

[0018jO controle preciso da espessura do revestimento é essencial no caso de formação “net-shape" para assegurar que as dimensões acabadas após a consolidação são precisas.

[0019jO número preciso de revestimentos secundários é regulado para essencialmente controlar o nível de difusão de carbono, porém a precisão do componente acabado é também influenciada pela espessura do revestimento.

[0020]Preferimos adaptar as dimensões da matriz de carbono/grafite para acomo- dar a espessura precisa/número de revestimentos de nitreto de boro aplicado. Este processo pode envolver equilibrar o nível de difusão com o requisito de precisão final requerido para a peça.

[0021 ]A superfície do pó consolidado adjacente ao filtro de nitreto de boro é essencialmente modificada pela difusão controlada de carbono da matriz de carbono/grafite durante a consolidação. A atividade de átomos de carbono é alta na temperatura de consolidação que é, em caso de ligas a base de níquel em, ou acima de 1000°C.

[0022] A capacidade de modificar a morfologia da superfície do pó consolidado é de importância em muitos casos e possibilita a superfície ser adaptada à aplicação específica. Por exemplo, aumentar a resistência ao desgaste e/ou rigidez embora as camadas de sub-superfície possam ser estruturadas para fornecer tenacidade aumentada e/ou resistência à corrosão.

[0023] A análise química dos pós pré-consolidados é preferivelmente ajustada para acomodar a difusão de carbono. Este é o caso tanto com ligas à base de níquel quanto ligas ferrosas.

[0024] A modificação de superfície pode ser utilizada para realçar peças formadas de pó já estruturado. Isto pode prover uma operação in situ que não requer nenhum processo de difusão e, particularmente no caso de algumas ligas à base de níquel, não requer nenhum outro processamento de tratamento térmico para obter dureza ideal.

[0025JA espessura do revestimento também controla/influencia o acabamento de superfície da interface consolidada do componente. As camadas espessas de nitreto de boro têm um nível elevado de conformidade ao pó de interface durante a consolidação e desse modo a superfície transportará a topografia da forma de partícula do pó. Revestimentos mais finos, com subsequentes níveis maiores de difusão de carbono, são menos conforman-tes e apresentam uma superfície mais próxima semelhante àquela da matriz de carbono/grafite. Neste caso, se um acabamento de grau elevado for aplicado à matriz o pó consolidado também apresentará um acabamento de superfície similar.

[0026] É essencial secar a matriz de grafite revestida cuidadosamente antes da consolidação, quando o nitreto de boro tiver sido aplicado em uma suspensão aquosa.

[0027] 0 nitreto de boro consolidar-se-á durante ambos HIPing e CIPing, e quando usando combinações de ambos, e as predições de tamanho podem ser desenvolvidas de uma série de testes.

[0028] lsto tem o efeito de aumentar a dureza da superfície, e é particularmente vantajoso visto que nenhuma outra usinagem é requerida para atingir o tamanho final. Outra usinagem de uma superfície dura de outra maneira seria difícil.

[0029] 0 uso de nitreto de boro sobre as matrizes de grafite pode apresentar uma outra e muito importante função. Isto é para permitir a expansão diferencial entre o metal em pó e a matriz de carbono/grafite. Isto é de maior importância durante o ciclo de resfriamento quando os dois materiais estão resfriando da temperatura de consolidação. Isto pode, por exemplo, ser de uma temperatura em excesso de 1000°C, e a expansão diferencial tipicamente entre uma superliga de níquel e algum grafite pode ser tão alta quanto 11x10'6/°C. Este diferencial de expansão pode tornar-se um problema maior. Entretanto, a presença de nitreto de boro pode I permite que o movimento entre os dois materiais ocorra e desse modo impedem que o trabalho seja destruído ou na melhor das hipóteses prejudicado.

[0030] Este aspecto é particularmente importante no caso de componentes longos tal como motores e/ou bombas lineares. Neste caso, componentes até e maiores do que 2 metros são produzidos por este método que não seria possível sem a utilização desta técnica. Em particular quando materiais duros e/ou pós compostos de matriz de metal duro são consolidados, nenhuma usinagem adicional e/ou formação de forma podem ser feitas, portanto, a incorporação deste tipo de técnica é essencial.

[0031 ]0 coeficiente de expansão térmica de grafite pode variar de 4x10'6/°C a aproximadamente 6x10 VO que é uma diferença significante, porém não tão significante quanto a diferença potencial entre os diferentes tipos de metais em pó que podem ser usados neste processo, o que pode variar entre ISxIO V^C e 9x10 $/°C. Pode ser claramente observado que grande cuidado é requerido para acomodar a diferença de GTE entre a matriz e os pós consolidados quando em resfriamento.

Exemplos de acordo com a invenção: [0032] No caso de formas de grafite usadas para produzir “net/near-net-shapes” em ligas à base de níquel PM contendo, por exemplo, camadas aquosas finas de Cr, Fe, B, Si, C 5 de BN entre 1 pm e 2 pm por camada funcionam satisfatoriamente. Isto permite uma quantidade controlada de carbono difundir-se na liga de Ni em profundidade entre 100 pm e 500 pm. Isto aumenta ligeiramente o tamanho do CrC precipitado dentro desta faixa de 100 pm e desse modo aumentando a macro dureza de no minai mente 55 Rc a aproximadamente 57Rc. Este ligeiro aumento na dureza aumenta a resistência ao desgaste do material consolidado, embora limitando o comportamento quebradiço. Os revestimentos formados de múltiplas camadas de 1 pm até e além de 250 pm têm sido aplicados para controlar e adaptar a morfologia da superfície e as propriedades dos materiais consolidados.

[0033] Além disso, nesta particular aplicação da invenção, a camada de BN também age como um agente de liberação permitindo a matriz de grafite ser removida seguindo Hl-Ping. Aqui o acabamento de superfície da peça “net-shape” é importante. Portanto, é de adicional importância assegurar que a camada de BN seja depositada uniformemente e precisamente.

[0034] (B) Paredes perfuradas traçadas na forma de rede de casca fina podem ser produzidas para a indústria automotiva de alto desempenho. É requerido que estas peças sejam fabricadas em liga de aço ferroso de alta qualidade, e nesta aplicação particular da invenção é essencial controlar o nível de difusão de carbono na peça de aço circundante e mantê-lo tão baixo quanto possível. Embora neste caso a precisão não seja tão importante, a qualidade e subsequente o desempenho do material são de grande importância. A barreira de difusão de BN nesta aplicação é aplicada em uma espessura que é desse modo escolhida de modo a reduzir a difusão de carbono no aço para um nível insignificante.

[0035] (C) Escolha de Ligas Adequadas para Tratamento de Superfície [0036] Materiais típicos adequados para modificação de superfície pela difusão de carbono são ligas à base de níquel contendo Si, B, Fe, Cr e C. Neste caso, o teor de carbono da liga é realçado pela difusão ainda do carbono durante o processo HIPing. Pode ser desejável ajustar o teor de carbono e/ou cromo especificado para otimizar as propriedades pós processo do material.

[0037] Foi descoberto ser benéfico orquestrar a difusão de carbono em diversos materiais com base em níquel e em ferro, porém aços de liga designados especificamente para carburização são em particular adequados para uso nesta aplicação.

[0038] Uma liga a base de níquel é tipicamente: Equilíbrio de Ni de C1,0, Cr15, Si 4.0, B3,5, Fe4,5, por porcentagem em peso.

[0039] Uma liga ferrosa é tipicamente: C 0,13, Si 0,20, Mn 0,50, P 0.020, S 0,020, Mo 0,18, Ni 3,40, por porcentagem em peso.

[0040] Além do material específico, a composição pode ser compilada para otimizar o potencial do processo para um requisito particular.

[0041 ]A difusão de carbono em outras ligas de aço seguida por um tratamento térmico apropriado pode ser benéfica para aumentar tanto a rigidez quanto o desempenho dos componentes da superfície mesmo se os materiais não forem usualmente tratados de tal maneira.

[0042]Em todos os casos a duração do pico de temperatura HIPing pode ser ajustada para otimizar a intensidade da difusão de carbono; contanto que o aumento no tempo não tenha um efeito prejudicial sobre a morfologia total do material consolidado. Por exemplo, crescimento do grão aumentado e/ou indesejavelmente afeta a fração de volume ou dimensões dos precipitados.

REIVINDICAÇÕES

Claims (13)

1. Processo de prensagem ísostática a quente ou processo de prensagem uníaxial a quente, CARACTERIZADO por ser para produção de um produto "net ou near net shape", em que um filtro de difusão compreendendo nitreto de boro é fornecido entre uma matriz de grafite e o pó metálico a ser prensado contra ela, em que o filtro de difusão compreende uma ou mais camadas de um material de revestimento de nitreto de boro, em que a camada ou as camadas são aplicadas à superfície da matriz de grafite antes do pó metálico ser disposto próximo á matriz pela aplicação de uma suspensão do material de revestimento à superfície,

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato da suspensão ser uma suspensão aquosa,

3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato da suspensão ser aplicada por pulverização.

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, CARACTERIZADO por uma ou mais camadas de revestimento de aparência leve e fina da suspensão serem aplicadas à superfície da matriz de grafite antes de uma ou mais camadas da suspensão de resistência normal serem aplicadas,

5. Processo, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato da camada de revestimento ser deixada secar/ ser secada antes da camada seguinte ser aplicada,

6. Processo, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato da matriz ser aquecida para secar pelo menos uma das camadas.

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, CARACTERIZADO pelo fato do pó metálico ser uma liga à base de níquel PM e da camada ou das camadas quando secas serem de espessura de 1 pm a 2 pm por camada.

8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, CARACTERIZADO por ser usado para criar um componente prensado de comprimento maior do que 2 m, contração relativa do componente e matriz durante o resfriamento do componente sendo acomodado pelo revestimento de nitreto de boro sobre a matriz,

9. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, CARACTERIZADO pelo fato do pó metálico ser uma liga à base de níquel tendo a seguinte composição: Equilíbrio de Ni com C 1,0, Cr 15, Si 4,0, B 3,5, Fe 4,5.

10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, CARACTERIZADO pelo fato do pó metálico ser uma liga terrosa tendo a seguinte composição: C 0,13, Si 0,20, Μη 0,50, P 0,020, S 0,020, Mo 0,18, Ni 3,40.

11. Matriz de grafite para uso em um processo de prensagem isostática a quente ou processo de prensagem uniaxial a quente CARACTERIZADA por ser fornecida com um revestimento sobre a superfície da mesma que prensa contra o pó metálico em uso da matriz, o revestimento compreendendo múltiplas camadas de nitreto de boro para agir como um filtro de difusão, em que cada camada quando seca tem espessura de 1 pm a 2 pm por camada.

12. Componente produzido por um processo, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, CARACTERIZADO pelo fato da superfície do componente incorporar uma quantidade controlada de carbono que se difunde na superfície da matriz de grafite durante a prensagem, o teor de carbono da superfície do componente acabado tendo sido determinado por testes de como o teor de carbono varia com a espessura do revestimento de nitreto de boro sobre a matriz, e por escolha das dimensões da matriz não revestida, de acordo com a espessura do revestimento requerida e as dimensões finais requeridas do componente prensado.

13. Componente, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO por ser feito de uma liga à base de níquel PM e do carbono difundir a uma profundidade entre 100 pm e 500 pm.