CN105828986A - 用于制造包层部件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过热等静压制造具有芯(5)和金属包层(51)的金属部件(50)的方法，该方法包括以下步骤：?布置封壳(10)和芯(5)，使得所述封壳(10)至少部分地围绕所述芯(5)并且使得空间(6)形成在所述芯(5)的至少一部分与所述封壳(10)的一部分之间；其中在热等静压的步骤之前，所述芯(5)设有至少一个定中装置(11、12)，用于使在热等静压的步骤中所获得的固体形体(20)在金属加工设备(30)中定中。

Description

用于制造包层部件的方法
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于制造具有芯和包层的金属形体的方法。
背景技术
热等静压(HIP)是用于制造金属材料的部件的常规方法。该方法允许以近净形制造复杂部件且还允许将不同材料集成到同一产品中。在HIP中，以金属粉末填充界定部件的最终形状的钢制封壳，且此后，使其经受高温和高压，使得金属粉末的颗粒结合成固体部件。
热等静压可用于将金属材料的包层施加到预制的芯上。WO2004/030850A1描述了用于制造燃料阀门喷嘴的方法。根据该方法，将金属管段布置成形成围绕预锻造出来的喷嘴芯的空间。以金属粉末填充该空间，且将该布置封闭在封壳中，并使其经受HIP，使得金属粉末、芯和管段结合成固体部件。
用于制造阀门喷嘴的类似方法描述在申请人的EP12173411号欧洲专利申请中。此方法包括以下步骤：在金属加工操作中使固体坯料形成为预制形体，其中预制形体包括底壁和侧壁，而芯从底壁延伸且侧壁封闭围绕芯的空间。以金属包层材料填充该空间，且通过上壁来闭合该空间，并且随后使其经受HIP。
在HIP之后，固体部件通常经受加工，以便暴露芯上的包层。通常，加工通过车削或铣削来执行。
然而，最终固结部件经常在HIP过程期间变形。变形在部件的加工中导致问题，这是因为难以将部件精确地夹持在加工工具中并使之定中。因此，包层的尺寸可能不特别精确。现有技术的另一缺点在于，部件的加工由于繁重的人力劳动以及可接受的部件的低产率而耗时且昂贵。
因此，本发明的目标是提出一种改进的方法，该方法允许通过HIP来制造具有包层的金属部件，其中最终部件上的包层具有较小厚度变化。本发明的另一目标是实现用于制造具有包层的金属部件的成本有效的方法。本发明的又一目标是提出一种用于制造具有包层的金属部件的方法，其中可在短时间内且不费力地执行该方法。
发明内容
根据本发明，上述目标中的至少一个目标通过用于制造具有芯5和金属包层60的金属部件50的方法来实现，该方法包括以下步骤：
-布置封壳10和芯5，使得封壳10至少部分地围绕芯5且使得空间6形成在芯5的至少一部分与封壳10的一部分之间；
-以金属包层材料8填充空间6，使得金属包层材料8覆盖芯5的至少一部分；
-将空气从封壳(10)抽空并且密封封壳10；
-在预定温度、预定压力下，使封壳10经受热等静压(HIP)持续预定时间，使得包层材料8结合到芯5，且固体形体20形成；
-使固体形体20经受金属加工操作，其中包层材料8在金属加工设备30中被加工成预定厚度的金属包层60；特征在于：
-在热等静压的步骤之前，芯5设有至少一个定中装置11、12，用于使在热等静压的步骤中所获得的固体形体20在金属加工设备30中定中。
通过在热等静压的步骤之前在芯中设置至少一个定中装置，能够关于固体形体的芯的中心使固体形体在加工工具中精确地定中，即使固体形体因HIP过程而变形也是如此。通过随后将金属包层加工到被确定为与芯的中心相距的距离的预定厚度，芯上的包层的厚度可保持在非常窄的公差范围内。
参照图13进一步解释本发明的原理。图13示意性地示出固体的经HIP的部件20的纵向横截面，其中固体的经HIP的部件20包括芯5，而芯5包括第一表面3a、第二表面4a和芯部分5a。芯部分5a嵌入在金属包层材料8中，且端部表面3a、4a暴露，即，未被包层材料覆盖。封壳10围绕固体形体。呈突起的截锥形和截锥形凹部的形式的定中装置11、12设置在第一端部表面3a和第二端部表面4a中。
图13示意性地图示已在HIP过程期间在固体形体中发生的变形。此变形在某种程度上通常是各向异性的，且特别地，在伸长圆柱形部件的状况下，经HIP的本体的周界可能不均匀地变形。
然而，应了解，图13是示意性的，且出于说明的原因而极大地夸示了变形的各向异性性质。实际上，变形会复杂得多。
根据本发明，在HIP之前，将定中装置11和12施加在芯5的端部表面3a和4a的中心(位置X1)中。在致密化期间，固体形体20的周界在径向上各向异性地变形。然而，定中装置11和12在芯的端部表面3a和4a中的位置不受变形影响。当固体形体随后经受加工操作(例如，车削)时，固体形体将通过加工工具中对应的顶尖(center)而沿着线X1定中。固体形体接着将关于芯5的实际中心定中，且加工操作将围绕芯产生具有非常小的厚度变化的包层。
在包层部件(其不包括定中装置)的常规制造的状况下，固体形体20的端部通常被卡盘抓住，且固体形体将因此关于卡盘的中心定中。然而，因为固体形体的周围各向异性地变形，所以卡盘的中心将不与芯的中心对准。而是，固体形体将沿着从芯的中心偏置的线X2定中。当固体形体被加工时，偏置的定中将导致固体形体偏心地旋转且导致厚度在芯上变化。
附图说明
图1到图6示意性地示出本发明的方法的一般步骤。
图7到图12示意性地示出本发明的方法的替代例。
图13是通过本发明的方法制造的固体形体的示意性说明，且解释本发明的原理。
具体实施方式
将在下文中参照图1到图6以一般方式描述本发明的方法。出于说明的目的，在图1到图6中参照包层的辊来描述本发明。然而，本发明适用于制造包括具有非常窄的厚度公差的包层的芯的任何类型的部件。
在第一步骤中，参见图1，设置芯5。芯5包括固体芯部分5以及第一端3和第二端4。在图1中，芯预期用于制造辊，例如，用于金属板的热轧的辊，且因此是具有均匀圆形横截面的伸长圆柱体。然而，取决于所涉及的部件，芯5的设计可能更复杂。芯可具有任何形状、横截面和尺寸。举例来说，芯设计可包含椭圆形、三角形、长方形或六边形横截面的伸长棒、复杂几何形状(例如，蘑菇形)、分支芯等。
举例来说，芯可例如通过锻造、铸造或通过一块固体材料的加工来制造。芯的材料取决于所涉及的应用，适当材料的一个实例是工具钢，例如，AISI H13/SS2242，另一实例是合金奥氏体阀门钢，例如，SNCrW钢。在本实例中，芯通过工具钢制成的圆柱棒的加工来制造。
根据本发明，至少一个定中装置11、12在热等静压的步骤之前设置在芯5中。在本实施例中，两个定中装置11、12设置在芯5中。图1示意性地示出芯5中的定中装置的位置。第一定中装置11设置在芯5的第一下端表面3a中，且第二定中装置12设置在芯5的第二上端表面4a中。两个定中装置的设置使得能够使固体形体在车床中精确地定中，其中车床是用于将包层加工到预定厚度的优选工具。
优选地，定中装置11和12相互相对地位于芯5的第一端表面3a和第二端表面4a的中心中。因而，定中装置11、12沿着直线13对准，其中直线13穿过芯部分5的中心且穿过两个定中装置11、12纵向延伸。这允许在车床中非常精确地定中。
芯的第一端表面与第二端表面两者中的定中装置被设计成被常规金属加工设备中的对应的顶尖接合。根据本发明，也被称为“金属机床”或“机床”的“金属加工设备”可以是金属切削机，例如，车床或铣刀。金属加工设备还可以是电火花加工装置。
在所描述的实施例中，金属加工设备是车床。如下文进一步描述，车床的顶尖是所谓的“阳型顶尖”，呈圆锥形或截锥形的形式。或者，车床的顶尖是所谓“阴型顶尖”，呈具有圆锥形形状或截锥形形状开口的套筒(也称为“锥形套筒”)的形式。这些顶尖例如可从公司(GmbH,50,89567Sontheim/Brenz,德国)购得。
因此，芯中的定中装置呈“阳型定中装置”或“阴型定中装置”的形式。阳型定中装置是突起元件，例如，呈圆锥形或截锥形的形式。阴型定中装置是凹部，即，孔。举例来说，阴型定中装置呈具有圆锥形或截锥形的形状的凹部或孔的形式。
在图1到图5所示的实施例中，呈截锥形形状凹部的形式的阴型定中装置11设置在第一端表面3a中。优选的是，将阴型定中装置设置在芯的下端表面中，这是因为芯既而可被稳定地放置在竖直位置中。呈突起截锥形的形式的阳型定中装置12设置在芯的第二上端表面4a中。
显然，阳型定中装置或阴型定中装置可设置在芯的第一端表面或第二端表面中。举例来说，阳型定中装置可设置在芯的第一端中，且阴型定中装置设置在第二端表面中，或反之亦然。还能够将阳型定中装置设置在芯的第一端与第二端两者中。或者，将阴型定中装置设置在芯的第一端与第二端两者中。
阴型定中装置(例如，凹部或孔)、孔可通过钻孔或铣削来实现。阳型定中装置(例如，圆锥形或截锥形)可通过预制的钢圆锥且随后将圆锥附接到芯的顶端表面或底端表面来实现。圆锥形可通过圆柱杆的车削来预制。预制的圆锥形可通过焊接来附接。还可以通过对芯自身进行加工来形成阳型定中装置。
在本实施例中，部件是呈辊的形式的圆柱形物体，且因此适用于将定中装置设置在圆柱形芯的端部表面中。然而，显然，取决于芯的形状和最终部件的类型，定中装置可设置在芯的其它表面上。
在下一步骤中，设置封壳10。封壳10(也称为模具或模子)界定最终部件的至少一部分的整体外部轮廓，且通常由已形成为所期望的形状且焊接在一起的钢板制成。在本实施例中，封壳是圆柱形的，且包括底部10a和周向侧壁10b。然而，封壳可具有适用于所涉及的部件的任何形式，例如，长方形。封壳10可例如由低碳钢(例如，SSAB DC04)制成。
在进一步的一步骤中，布置芯5和封壳10，使得封壳围绕芯5的至少一部分并且使得空间6形成在封壳与芯之间，参见图1。“布置”在此上下文中意味封壳和芯的形状或形式及其相对位置被采取为使得空间6形成在封壳与芯之间。空间6的用途是为随后填充到封壳中的金属包层材料提供模子。空间6的物理尺寸(例如，其高度、宽度和延伸)因此确定HIP之后固体形体上的包层的物理尺寸的限制。
在本实施例中，芯5被放置成其第一端表面3a处于封壳10的底部10b的中心中。芯5和封壳10被定位成使得芯和封壳是共轴的。因而，芯5和封壳10被布置成使得具有均匀径向延伸的空间6形成在封壳的壁与芯5的表面5a(即，芯5的圆柱表面)之间。圆柱表面5a与封壳壁10b的内表面之间的距离因而在径向方向上限制空间6。在轴向方向上，空间6朝下受封壳的底壁10a限制，且朝上受封壳壁10b的轴向延伸(即，封壳的长度)限制。
在第二步骤中，参见图2，以金属包层材料8填充空间6，使得芯5至少部分地被覆盖在金属包层材料中。在图3中，将芯5的整个圆柱表面5a嵌入在金属材料8中，且端部表面3a、4a保持未被覆盖，即，无包层材料。为了不用金属材料覆盖定中装置12，封壳10仅被填充到第二端表面4a。
优选地，金属包层材料8是金属粉末。使用粉末的优点在于：空间6因而可容易被完全填充，即使在芯具有复杂形式时也是如此。
金属包层材料8具有与芯5不同的化学组成。本实施例涉及用于钢的冷轧的辊，且因此包层材料是粉末冶金高速钢，以便提供最终辊上的包层的耐磨性与韧性的适当组合。
然而，在其它部件(例如，阀轴)的状况下，可使用需要其它特性的包层材料。举例来说，如果包层材料应该是耐腐蚀的，那么可使用基于镍的合金，例如，NiCr49Nb1、NiCr22Al6或NiCr22MoNbTi。在填充之后，可通过摇动来使金属包层材料8压实，以确保空间6中所有空隙(未示出)被填充。
此后，将具有开口(未示出)的盖10c焊接在封壳的上端上方。在填充之后，封壳可含有被截留在包层材料中的空气。如果未被移除，那么截留的空气可对HIP材料的机械特性和结合具有负面影响。通过在封壳中抽真空而将空气从封壳10抽空。真空通过盖中的开口而抽出，以移除封壳中的空气。随后，盖中的开口被焊接而关闭，使得封壳被密封。图3示出被填充且密封的封壳。
此后，使封壳经受热等静压(HIP)。因而，将具有芯和包层材料的封壳放置在HIP炉中，且使其经受预定温度和预定压力持续预定时间段，使得金属包层材料和芯相互结合成致密固体形体。图3示出HIP炉中的被填充且密封的封壳10。通常，炉中的压力处于700bar到1100bar的范围中，优选处于900bar到1100bar的范围中，且最优选处于约1000bar。温度被选择成低于具有最低熔点的材料的熔点，或处于可形成液相的最低温度。温度越接近熔点，形成熔融相(其中可形成易碎条痕)的风险越高。然而，在低温下，扩散过程减慢，且经HIP的材料将含有残余孔隙，且材料之间的金属键变弱。因此，温度处于900℃到1200℃的范围中，优选处于1100℃到1200℃的范围中，且最优选处于约1150℃。HIP过程的持续时间取决于部件的大小，然而，对于高效的生产力来说，较短时间是优选的。因此，一旦已达到所述压力和温度，那么HIP步骤的持续时间处于1到4小时的范围中。在已完成HIP过程之后，可优选使该固体形体经受任何适当热处理，例如，退火。在HIP之后，例如通过酸洗而从固体形体移除封壳。封壳还可保留在固体形体上，且在固体形体的加工期间被移除。图4示出HIP之后的固体形体。
在本发明的方法的最终步骤中，使固体形体经受加工操作，其中通过移除材料而将包层材料8加工成预定厚度的包层。在本发明的本实施例中，通过在车床中车削而执行加工操作，但其它加工操作(例如，铣削或电火花加工)也是可能的。在加工期间，如果封壳10存在，就移除封壳10，且将包层加工到预定厚度。
图5示意性地示出呈车床的形式的金属加工设备30，该车床例如可以是Okuma Space Turn LB3000EX型。车床包括机头31，其中端面驱动器32连接到机头31。端面驱动器32通过车床的驱动单元(未示出)来旋转，且接合固体形体20，以使其在铣削期间旋转。为了接合固体形体，端面驱动器32设有硬化的驱动销33，其中硬化的驱动销33咬合到固体形体20的端部表面3a中，使得端面驱动器的旋转移动被传递到固体形体20。呈截锥形的形式的阳型顶尖34位于端面驱动器的中心中。车床的阳型顶尖34用于接合固体形体的阴型定中装置11。因此，金属加工设备中的顶尖被设计成使得其可接合固体形体中的定中装置，且反之亦然。
车床的尾架35包括阴型顶尖36，其中阴型顶尖36由具有呈截锥形的形式的内部形状的锥形套筒37组成。套筒37用于接纳在固体形体20的顶壁9中的阳型定中装置12。顶尖进一步包括轴(未示出)，其中顶尖通过该轴而附接到车床的尾架。在此状况下，顶尖是可旋转地布置在尾架中的活顶尖。然而，顶尖也可以是所谓的死顶尖。金属切削刀具38(即，车床刀具或车床钢)被设置用以从固体形体移除金属。
在操作过程中，端面驱动器的阳型顶尖34被插入到固体形体的第一端表面3a中的阴型定中装置11中，且车床的尾架的阴型顶尖37接纳固体形体20的第二端表面4a中的阳型定中装置12。端面驱动器将固体形体压向车床的尾架中的阴型顶尖，且同时驱动销33被迫使进入固体形体的端部表面3a中。当车床的阳型顶尖和阴型顶尖与固体形体的阳型定中装置和阴型定中装置接合时，固体形体在车床中定中。
必要时，固体形体20中的定中装置11、12可在使固体形体在车床中定中之前暴露。举例来说，通过用手持式刀具研磨而移除封壳的一部分来进行。
在使固体形体定中之后，执行车削，直到实现所期望的厚度的包层为止。这得以实现是因为车床的控制系统以固体形体的中心与车床刀具之间的预定距离来编程。在车削期间，封壳(如果存在)由车床切削刀具38移除，使得包层材料暴露。暴露的包层材料的一部分接着还在径向上由车床刀具移除，直到达到预定距离且获得预定厚度的包层为止。
图6示出呈辊的形式的最终部件50，其中最终部件50包括芯5，而加工的包层60被施加到芯5上。
图7到图12示出本发明的一些替代例。
图7示出用于制造包层部件的替代方法，其中在包层部件中，封壳部分地封闭芯。在此状况下，封壳10通过焊接而附接到芯的第一端3和第二端4，使得封壳10封闭芯的圆柱表面5a和包层材料8。预制的形体的端表面3a和4a，且特别地，定中装置11、12没有被封壳封闭，即，定中装置11、12暴露到周围大气。这在定中装置是阴型定中装置时适用，因为定中装置11、12如果封闭在气密封壳中可在HIP过程期间变形。
图8示出替代，其中覆盖件40已施加在定中装置11、12上方。覆盖件具有第一平坦表面40a和相对的第二表面40b，其中第二表面40b设有突起或凹部40c。覆盖件中的突起或凹部用于配合到阳型或阴型定中装置11、12中或接纳阳型或阴型定中装置11、12。其一个优势在于，覆盖件防止阴型定中装置在HIP过程期间变形。另一优势在于，覆盖件防止阳型定中装置在HIP过程期间刺穿封壳。覆盖件优选由低碳钢制成，且为了防止覆盖件在HIP期间结合到预制的芯，一层氮化硼可被施加在覆盖件与预制的本体之间。图8进一步示出定中装置的替代形式，即，锥形。
优选地，阳型定中装置呈截锥形的形式，其倾斜角最大60°，优选是40°到60°。阴型定中装置是具有截锥形的形状的凹部，即，孔，其倾斜角最大60°，优选是40°到60°。
当使用覆盖件时，优选的是，凹部或突起40c还呈截锥形的形式，其倾斜角是40°到60°。实验已示出HIP之后呈具有40°到60°的倾斜角的截锥形的形式的阳型定中装置容易与具有相同形状的凹部的覆盖件分开。此情形的原因据信是因为在HIP期间凹部几乎不发生变形。
图9示出替代，其中芯的芯表面5a和上端4由金属包层材料8覆盖，使得仅芯的一个表面3a无包层材料。在此状况下，上壁9可布置在填充的封壳中的包层材料的顶部上。上壁9由工具钢制成，且被设计成使得上壁9在封壳的上部中覆盖包层材料。上壁9包括用于与车床中的对应顶尖接合的定中装置12。
重要的是，定中装置未被包层材料覆盖。特别地，当使用呈粉末的形式的金属包层材料时，可因此有利的是，将密封元件布置在封壳中，以防止包层材料进入封壳与芯中的定中装置之间。图10示出本发明的方法的实施例，其中呈周向边缘的形式的密封元件14已布置在芯5的端部3周围。边缘14可例如是封壳壁中的短管段或褶。
图11示出替代，其中芯5仅部分地被覆盖或嵌入在金属包层材料中。在此状况下，芯部分5具有平行六面体形状，且定位在封壳中，使得仅芯部分5的侧表面中的三个侧表面及其上表面4a被金属包层材料覆盖。然而，其它几何形式的芯也可仅部分地嵌入在包层材料中。
图12示出通过铣削从图10的设置产生的经HIP的固体形体20的加工。然而，也可使用其它金属加工设备，例如，电火花加工。固体形体20放置在包括至少一个顶尖64的工作台60上。固体形体被放置成使得工作台上的顶尖64接合固体形体20的底表面3a中的定中装置11。铣削机的控制单元以铣削工具68与工作台中的顶尖64之间的预定距离来编程。控制单元将铣削工具68朝向包层材料8且沿着包层材料8移动，直到达到铣削工具与顶尖之间的预定距离为止。固体形体应优选包括两个定中装置，以便确保固体形体在铣削期间以零度移动自由度处于锁定位置中。第二定中装置可因此在固体形体的底表面上设置在第一定中装置附近(图12未示出)。工作台既而应包括彼此邻近的两个对应顶尖(图12未示出)。
虽然已详细描述特定实施例，但这仅出于说明的目的，而不旨在是限制性的。特别地，预期可在所附权利要求书的范围内进行各种替代、更改和修改。

Claims (14)

1.一种用于制造具有芯(5)和金属包层(60)的金属部件(50)的方法，包括以下步骤：
-布置封壳(10)和芯(5)，使得所述封壳(10)至少部分地围绕所述芯(5)并且使得空间(6)形成在所述芯(5)的至少一部分与所述封壳(10)的一部分之间；
-以金属包层材料(8)填充所述空间(6)，使得所述金属包层材料(8)覆盖所述芯(5)的至少一部分；
-将空气从所述封壳(10)抽空并且密封所述封壳(10)；
-在预定温度、预定压力下，使所述封壳(10)经受热等静压(HIP)持续预定时间，使得所述金属包层材料(8)结合到所述芯(5)并且形成固体形体(20)；
-使所述固体形体(20)经受金属加工操作，其中所述金属包层材料(8)在金属加工设备(30)中被加工成预定厚度的金属包层(60)；
其特征在于
-在所述热等静压的步骤之前，所述芯(5)设有至少一个定中装置(11、12)，用于使在所述热等静压的步骤中所获得的所述固体形体(20)在所述金属加工设备(30)中定中。
2.根据权利要求1中任一项所述的方法，其中所述定中装置(11、12)是阴型定中装置(11)或阳型定中装置(12)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述阳型定中装置(12)是截锥形或圆锥形。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述阴型定中装置(11)是具有截锥形的形状或圆锥形的形状的凹部。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述至少一个定中装置(11、12)被设置在所述芯(5)的第一表面(3a)上，从而所述芯(5)在所述封壳(10)中被支撑在所述第一表面(3a)上。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述芯(5)包括第二表面(4a)，所述第二表面(4a)包括第二定中装置(11、12)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一定中装置和所述第二定中装置(11、12)被设置在所述芯(5)的相对的表面(3a、4a)上，并且沿着垂直轴线(13)对准，所述垂直轴线(13)延伸穿过所述芯(5)的中心并且穿过两个定中装置(11、12)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述至少一个定中装置(11、12)被布置在所述芯(5)的无包层材料(8)的表面(3a、4a)上。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中密封装置(14)被布置在所述封壳(10)中，以防止包层材料(8)进入所述封壳(10)与所述芯(5)的设有定中装置(11、12)的表面(3a、4a)之间。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的方法，包括以下步骤：在所述热等静压的步骤之前，将覆盖件(40)布置在所述至少一个定中装置(11、12)上方，其中所述覆盖件(40)包括用于被完全接纳在阴型定中装置(11)中的突起(40c)，或者其中所述覆盖件(40)包括用于完全接纳阳型定中装置(12)的凹部(40d)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述至少一个定中装置(11、12)被设置在所述芯(5)的第一表面(3a)上，其中所述封壳(10)被附接到所述芯(5)，并且被布置成使得所述封壳(5)在填充和密封所述封壳(10)的步骤之后包围所述包层材料(8)并且使得至少第一定中装置(11、12)被暴露。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中所述固体形体(20)通过所述固体形体(20)中的所述至少一个定中装置(11、12)与所述金属加工设备(30、60)中的至少一个对应的顶尖(34、36、64)之间的接合而被定中在所述金属加工设备(30)中。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中用于将所述芯(5)上的所述金属包层(8)加工成具有预定厚度的金属包层(60)的所述加工操作是车削、铣削或电火花加工中的任一种。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中所述金属加工设备(30)是车床、铣刀或电火花加工设备。
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