EA026007B1 - Способ изготовления металлического изделия заданной или близкой к заданной формы путем изостатического прессования или горячего одноосного прессования и прессованное металлическое изделие - Google Patents

Abstract

Описан способ изготовления металлического изделия заданной или близкой к заданной формы путем горячего изостатического прессования или горячего одноосного прессования, в котором используют содержащий нитрид бора диффузионный фильтр, расположенный между графитовым шаблоном и прессуемым с его помощью металлическим порошком, а также прессованное металлическое изделие, полученное указанным способом. Диффузионный фильтр содержит несколько слоев материала покрытия, содержащего нитрид бора, что позволяет диффундировать углероду через поверхность прессованного изделия в количестве, зависящем от толщины покрытия. Нитрид бора обычно наносят в виде водной суспензии или путем распыления. Для обеспечения сцепления между покрытием и поверхностями шаблона на поверхность графитового шаблона наносят один или несколько тонких фантомных слоев суспензии до нанесения одного или нескольких слоев суспензии нормальной прочности. Каждому слою покрытия дают высохнуть до нанесения следующего слоя, при этом шаблон может быть нагрет с целью сушки каждого слоя. Могут изготавливаться прессованные металлические изделия длиной более 2 м, при этом относительную усадку изделия и шаблона во время охлаждения адаптируют путем нанесения на шаблон покрытия из нитрида бора.

Description

(57) Описан способ изготовления металлического изделия заданной или близкой к заданной формы путем горячего изостатического прессования или горячего одноосного прессования, в котором используют содержащий нитрид бора диффузионный фильтр, расположенный между графитовым шаблоном и прессуемым с его помощью металлическим порошком, а также прессованное металлическое изделие, полученное указанным способом. Диффузионный фильтр содержит несколько слоев материала покрытия, содержащего нитрид бора, что позволяет диффундировать углероду через поверхность прессованного изделия в количестве, зависящем от толщины покрытия. Нитрид бора обычно наносят в виде водной суспензии или путем распыления. Для обеспечения сцепления между покрытием и поверхностями шаблона на поверхность графитового шаблона наносят один или несколько тонких фантомных слоев суспензии до нанесения одного или нескольких слоев суспензии нормальной прочности. Каждому слою покрытия дают высохнуть до нанесения следующего слоя, при этом шаблон может быть нагрет с целью сушки каждого слоя. Могут изготавливаться прессованные металлические изделия длиной более 2 м, при этом относительную усадку изделия и шаблона во время охлаждения адаптируют путем нанесения на шаблон покрытия из нитрида бора.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу изготовления изделий заданной или близкой к заданной формы методом порошковой металлургии, в частности путем изостатического прессования или горячего одноосного прессования.

Изобретение, в частности, но не исключительно, относится к использованию структурного диффузионного фильтра между графитовым шаблоном для получения заготовки окончательной заданной формы или близкой к заданной формы, используемой при изготовлении прессованных металлических изделий близкой к заданной формы методом порошковой металлургии.

Предпосылки создания изобретения

В одном из известных способов изготовления изделий и материалов используется упрочение металлических порошков путем горячего изостатического прессования. Может необязательно осуществляться предварительное упрочение металлических порошков с использованием холодного изостатического прессования.

В общих словах, металлический порошок помещают в оболочку, создают вакуум внутри оболочки и герметизируют ее. Затем порошок необязательно может быть частично упрочнен в холодном состоянии путем воздействия на оболочку холодным изостатическим процессом (ХИП). Затем порошок в оболочке может быть подвергнут горячему изостатическому прессованию (ГИП).

В процессе ГИП воздействуют теплом приблизительно, но не преимущественно на 80% твердых частиц материала, из которого получен порошок. В ходе этого процесса металлический порошок подвергают термомеханическому напряжению, посредством которого металлические порошки механически деформируются и переходят в сверхпластичное состояние. В результате тесного контакта частиц порошка и их перемещения возникают воздействующие на них напряжения при сдвиге и сжатии. В результате этого процесса происходит атомное взаимодействие (взаимная диффузия) частиц с последующим уничтожением всей практической предыстории и тем самым создается гомогенная цельнометаллическая форма.

Существует потребность в том, чтобы с использованием определенных компонентов можно было придавать изготавливаемому изделию точную окончательную форму и/или форму, близкую к точной окончательной форме. Это может быть сделано с использованием графитового шаблона, подвергнутого машинной обработке до точного размера.

Авторы исходили из того, что желательно частичное замедление или ограничение (фильтрация) диффузии атомов углерода из графита в обрабатываемую порошковую металлическую заготовку.

Краткое изложение сущности изобретения

Согласно одной из особенностей изобретения предложен диффузионный фильтр между графитовым шаблоном и прессуемым металлическим порошком для использования в способе горячего изостатического прессования или способе горячего одноосного прессования.

Фильтр предпочтительно помещают на графитовый шаблон, подвергнутый точной машинной обработке.

Для создания барьера/фильтра предпочтительно используют мокрое осаждение распылением водной суспензии нитрида бора. Желаемая или допустимая степень диффузии углерода зависит от общей толщины покрытия, определяемой в основном числом покрытий.

Распыление осуществляют путем ручного распыления в общих случаях или с использованием робототехники в случаях, когда требуется высокая точность и точная повторяемость.

Путем ряда испытаний с целью оптимизации распыляемого состава и обеспечения точного распыления могут быть выбраны водные суспензии нитрида бора с различными процентными концентрациями по объему.

Распыление нитрида бора предпочтительно осуществляют преимущественно перпендикулярно, чтобы обеспечить получение множества гонких слоев. Следует уделять большое внимание обеспечению регулирования толщины слоев, чтобы получить покрытие с правильным общим уровнем фильтрации.

В одном из предпочтительных способов нанесения покрытия из нитрида бора обеспечивают сцепление начальных слоев покрытия путем использования тонких фантомных покрытий, наносимых распылением. Это помогает предотвращать просачивание водной суспензии и обеспечивать сцепление покрытия с углеродным/графитовым шаблоном до нанесения повторных слоев нормальной прочности.

Эта операция имеет особое значение в случае крупных изделий высокой точности длиной до 2 м и более.

Может потребоваться нагреть изделие, чтобы обеспечить быстрое высыхание тонкого фантомного покрытия до того, как носитель на водной основе просочится и унесет покрытие из нитрида бора, в результате чего поверхность останется без покрытия.

Может потребоваться множество фантомных покрытий; в некоторых случаях при создании на углеродном/графитовом шаблоне поверхности с высокой чистотой обработки может требоваться до трех или более покрытий.

В случае изделий заданной формы важно точное регулирование толщины, чтобы обеспечить точность окончательных размеров после упрочения.

- 1 026007

Чтобы преимущественно регулировать уровень диффузии углерода, определяют точное число используемых повторных слоев, но на точность готового изделия также влияет толщина покрытия.

Размеры углеродного/графитового шаблона предпочтительно выбирают в расчете на точную толщину/число наносимых покрытий из нитрида бора. Этот процесс может включать уравновешивание уровня диффузии и требуемой окончательной точности изделия.

Поверхность уплотненного порошка вблизи фильтра из нитрида бора преимущественно модифицируется за счет управляемой диффузии углерода из углеродного/графитового шаблона во время упрочения. Активность атомов углерода является высокой при температуре упрочения, которая в случае сплавов на основе никеля равна или превышает 1000°С.

Способность модифицировать морфологию поверхности уплотненного порошка является важной во многих случаях и позволяет адаптировать поверхность к конкретному применению. Например, для повышения сопротивления износу и/или жесткости и в тоже время формирования структуры подповерхностных слоев с целью обеспечения повышенной твердости и/или коррозионной стойкости.

Химический анализ предварительно уплотненных порошков предпочтительно корректируют, чтобы учесть диффузию углероду. Это происходит как в случае сплавов на основе никеля, так и сплавов на основе железа.

Для усиления уже структурированных деталей, сформованных из порошка, может использоваться модификация поверхности. Для этого может быть предусмотрена осуществляемая на месте операция, не требующая дополнительной диффузионной обработки и, в частности в случае некоторых сплавов на основе никеля, не требующая дополнительной тепловой обработки для достижения оптимальной твердости.

Толщина покрытия также регулирует/определяет чистоту уплотненной поверхности контакта изделия. Толстые слои нитрида бора обладают высоким уровнем совместимости с порошком на поверхности контакта, за счет чего поверхность сохраняет рельеф формы частиц порошка. Более тонкие покрытия с последующими более высокими уровнями диффузии углерода обладают меньшей совместимостью и в большей степени сохраняют сходство поверхности с поверхностью углеродного/графитового шаблона. В этом случае, если обеспечить высокую чистоту поверхности шаблона, уплотненный порошок также будет обладать сходной чистотой поверхности.

Когда нитрид бора наносят в виде водной суспензии, важно осуществлять тщательную сушку графитового шаблона с нанесенным покрытием до упрочения.

Упрочнение нитрида бора происходит во время как ГИП, так и ХИП, а также использования их сочетаний, при этом на основании ряда испытаний может осуществляться прогнозирование размеров.

Результатом этого является повышение поверхностной твердости, что особо выгодно, поскольку для достижения окончательного размера не требуется дополнительная машинная обработка. В противном случае дополнительная машинная обработка упрочненной поверхности была бы затруднительна.

Использование нитрида бора на графитовых шаблонах способно обеспечивать дополнительную и очень важную функцию. Она заключается в возможности дифференциации расширения порошковой металлической заготовки и углеродного/графитового шаблона. Это имеет огромное значение во время цикла охлаждения, когда оба материала остывают после нагрева до температуры упрочения. Этой температурой может являться, например, температура свыше 1000°С, а дифференциация расширения сверхпрочного никелевого сплава и части графита может достигать 11х10^-6/°С. Эта дифференциация расширения может стать серьезной проблемой.

Тем не менее, присутствие нитрида бора способно обеспечивать/обеспечивает взаимное перемещение обоих материалов и тем самым препятствует разрушению или в лучшем случае порче результатов работы.

Этот признак в особенности важен в случае длинномерных изделий, таких как линейные двигатели и/или насосы. Этим способом изготавливают изделия длиной 2 и более метра, что было бы невозможно без использования данной технологии. В частности, применение технологии этого типа является важным, поскольку при упрочнении твердых материалов и/или композитных порошков с твердой металлической матрицей невозможно осуществлять дополнительную машинную обработку и/или формообразование.

Коэффициент теплового расширения графита может изменяться от 4х10^-6 до около 6х10^-6/°С, что является значительной разностью, но не настолько значительной, как потенциальная разность теплового расширения порошковых металлических заготовок различных типов, применимых в этом процессе, которое может изменяться от 15х10^-6 до 9х10^-6/°С. Ясно, что требуется уделять большое внимание согласованию разности коэффициентов теплового расширения графита и уплотненных порошков при охлаждении.

Примеры изобретения (А) В случае графитовых форм для изготовления изделий заданной/близкой к заданной формы из порошковых сплавов на основе никеля, содержащих, например Сг, Ре, В, δί, С, могут эффективно использоваться тонкие водные слои нитрида бора толщиной 1-2 мкм каждый. За счет этого регулируемое

- 2 026007 количество углерода может диффундировать в никелевый сплав на глубину 100-500 мкм. При этом незначительно увеличивается размер частиц осажденного СгС в пределах этого диапазона в 100 мкм и тем самым макротвердость повышается с номинальной величины 55К_С примерно до 57К_С. Это незначительное повышение твердости приводит к повышению сопротивления абразивному износу упрочненного материала и в тоже время к ограничению приобретения хрупкости. С целью регулирования и адаптации морфологии поверхности и свойств упрочненных материалов наносились покрытия, состоящие из множества слоев толщиной от 1 до 250 мкм и более.

В этом частном случае применения изобретения слой нитрида бора также действует в качестве разделительного средства, позволяющего удалять графитовый шаблон после ГИП. В данном случае важна чистота поверхности изделия заданной формы. В связи с этим дополнительно важно обеспечить равномерное и точное осаждение слоя нитрида бора.

(Б) Могут изготавливаться изделия заданной формы в виде профилированных каналов с тонкостенной оболочкой для автомобилей высокого класса. Эти детали должны изготавливаться из высококачественного сплава на основе железа, и в данном частном случае применения изобретения важно регулировать уровень диффузии углерода в окружающую стальную деталь и поддерживать его как можно более низким. Хотя в этом случае точность не настолько важна, большое значение имеет качество и вытекающие характеристики материала. В этом случае применения толщину наносимого диффузионного барьера из нитрида бора выбирают таким образом, чтобы уменьшить диффузию углерода в сталь до незначительного уровня.

(В) Выбор применимых сплавов для обработки поверхности.

Типичными материалами, применимыми для модификации поверхности за счет диффузии углерода, являются сплавы на основе никеля, содержащие δί, В, Ре, Сг и С, при этом в данном случае содержание углерода в сплаве увеличивается за счет диффузии дополнительного углерода в процессе ГИП. Может быть желательным корректировать заданное содержание углерода и/или хрома с целью оптимизации последующих свойств материала.

Была обнаружено, что выгодно обеспечить диффузию углерода в несколько материалов на основе никеля и железа, но особо применимыми в этом случае являются легированные стали, специально предназначенные для науглероживания.

Сплав на основе никеля обычно содержит, в вес.%: С 1,0; Сг 15; δί 4,0; В 3,5; Ре 4,5; остальное - Νί.

Сплав на основе железа обычно содержит, в вес.%: С 0,13; δί 0,20; Мп 0,50; Р 0,020; δ 0,020; Мо 0,18; Νί 3,40; остальное - Ре.

Кроме того, может быть создан материал с конкретным составом для оптимизации возможностей процесса применительно к определенному требованию.

Диффузия углерода в другие легированные стали с последующей тепловой обработкой может быть выгодна как для повышения жесткости, так и улучшения характеристик поверхности прессованных металлических изделий, несмотря на то, что материалы обычно не обрабатывают таким способом.

Во всех случаях может корректироваться длительность максимума температуры ГИП с целью оптимизации глубины диффузии углерода при условии, что увеличение длительности не оказывает отрицательное воздействие на общую морфологию упрочненного материала. Например, увеличение роста зерен нежелательным образом влияет на объемное содержание или размеры выпавших в осадок фаз.

Claims (13)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ изготовления металлического изделия заданной или близкой к заданной формы путем горячего изостатического прессования или горячего одноосного прессования, в котором используют графитовый шаблон с диффузионным фильтром, содержащим нитрид бора и расположенным между графитовым шаблоном и прессуемым с его помощью металлическим порошком, при этом указанный диффузионный фильтр содержит несколько слоев материала покрытия, содержащего нитрид бора, где указанные слои наносят на поверхность графитового шаблона путем нанесения суспензии на поверхность материала покрытия перед следующим за этим нанесением указанного металлического порошка.
2. 2. Способ по п.1, в котором указанной суспензией является водная суспензия.
3. 3. Способ по п.2, в котором указанную суспензию наносят путем распыления.
4. 4. Способ по п.1, в котором каждому слою покрытия дают высохнуть или высушивают перед нанесением следующего слоя.
5. 5. Способ по п.4, в котором указанный шаблон нагревают с целью сушки по меньшей мере одного из указанных слоев.
6. 6. Способ по любому из пп.1-5, в котором указанным металлическим порошком является порошковый сплав на основе никеля, а указанные слой или слои после сушки имеют толщину 1-2 мкм.
7. 7. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором изготавливают прессованное изделие длиной более 2 м.
8. 8. Способ по любому из пп.1-5, в котором указанным металлическим порошком является порошковый сплав на основе никеля следующего состава, в вес.%: С 1,0; Сг 15,0; δί 4,0; В 3,5; Ре 4,5; остальное - 3 026007

   Νί.
9. 9. Способ по любому из пп.1-5, в котором указанным металлическим порошком является порошковый сплав на основе железа следующего состава, в вес.%: С 0,13; δί 0,20; Мп 0,50; Р 0,020; δ 0,020; Мо 0,18; Νί 3,40; остальное - Ре.
10. 10. Прессованное металлическое изделие, изготавливаемое способом горячего изостатического прессования по любому из пп.1-9, поверхность которого содержит углерод, диффундировавший из указанного графитового шаблона через указанную поверхность во время прессования, при этом глубина диффузии углерода составляет от 100 до 500 мкм.
11. 11. Прессованное металлическое изделие по п.10, в котором требуемое количество углерода, диффундировавшего через указанную поверхность из указанного графитового шаблона в процессе прессования, зависит от толщины покрытия из нитрида бора, нанесенного на указанный шаблон.
12. 12. Прессованное металлическое изделие по п.11, в котором размеры указанного шаблона без покрытия выбраны в соответствии с требуемой толщиной указанного покрытия и требуемыми окончательными размерами указанного прессованного изделия.
13. 13. Прессованное металлическое изделие по п.11, которое изготавливается из металлического порошка сплава на основе никеля или металлического порошка сплава на основе железа.