FI120230B - Menetelmä sisäisiä onkaloita ja kanavistoja sisältävien metallisten komponenttien valmistamiseksi - Google Patents

Description

MENETELMÄ SISÄISIÄ ONKALOTTA JA KANAVISTOJA SISÄLTÄVIEN METALLISTEN KOMPONENTTIEN VALMISTAMISEKSI

Keksintö liittyy pulverimetallurgisilla valmistusmenetelmillä valmistettujen komponenttien 5 valmistamiseen. Tarkemmin keksintö liittyy sisäisillä onkaloilla ja kanavistoilla varustettujen komponenttien valmistukseen.

Tausta

Pulverimetallurgisilla valmistusmenetelmillä hyödyntäen kuumaisostaattista puristusta 10 (HIP) voidaan valmistaa tunnetusti korkealuokkaisia, lähelle loppumittaa valmistettuja komponentteja. Valmistusmenetelmä koostuu tällöin tyypillisesti seuraa vista päävaiheista: 1. Kaasuatomisoidun pulverin valmistus.

2. Ohutlevykapselin suunnittelu ja valmistus levynmuovaus-, -leikkaus- ja -hitsaustekniikoin.

15 3. Pulverin täyttäminen kapseliin.

4. Kapselin evakuointi.

5. Kapselin sulkeminen.

6. Kuumaisostaattinen puristus lämpötilan ja paineen avulla (esim. teräksille tyypillisesti T 1100-1200°C, paine 100-120 MPa ja aika 1-4 h).

20 7. Koneistus, lämpökäsittelyjä tarkastus.

Menetelmässä valmistetaan kapselimuotti ylisuurena, jotta huomioidaan kaasuatomisoidun pulverin tiivistyessä tapahtuva kapseloidun pulverin tilavuusmuutos. Tyypillisesti kaasuatomisoidun pulverin kohdalla tiiveys on 60-70% teoreettisesta tiiveydestä, ts. kapseli 25 saattaa kutistua huomattavasti pulverin tiivistyessä 100 %:n tiiveyteen. Pulverin tiivistyessä tapahtuvien mittamuutosten hallinta on keskeisessä asemassa tuotteiden mittatarkuuden saavuttamisessa ja vaikuttaa luonnollisesti keskeisesti valmistuskustannuksiin työvarojen määrän ja koneistustarpeen vuoksi.

30 Pulverimetallurgisesti voidaan kuumaisostaattisella puristuksella valmistaa myös tuotteita, joissa on sisäisiä kanavistoja ja onkalolta esim. komponenttien lämmitystä ja jäähdytystä varten. Onkalot ja kanavistot voidaan valmistaa tekemällä pulverikapseliin haluttua kanavisto- ja onkalorakennetta vastaava kapseli ja täyttämällä koko rakennetta ympäröivän 2 kapselin sekä kanaviston ja onkalon muodostavan kapselin välinen tila pulverilla. Näiden kanavistojen sijaintitarkkuus on yleensä komponenttien lämmityksen tai jäähdytyksen suhteen kriittinen ja saattaa lisäksi vaikuttaa rakenteen mekaaniseen luotettavuuteen.

5 Monissa tapauksissa ei kokonaan pulverimetallurgiaa käyttäen ole kuitenkaan mahdollista saavuttaa riittävää mittatarkkuutta, koska pulverin kutistumista ei hallita riittävä hyvin tai pulverin lähtötiheys ennen tiivistymistä ei ole riittävän homogeeninen, jotta tiivistyminen olisi hallittua. Tällöin vaihtoehtona on käyttää komponentissa kiinteää perusainetta, johon kapseloidaan pulverista se osuus, johon kanavistot ja onkalot valmistetaan. Näin 10 minimoidaan kutistuvan pulverin osuus ja lisäksi voidaan ohjata kutistumista siten, että saavutetaan parempi kutistumisen ennustettavuus. Näissäkään tapauksissa mittojen hallinta kaikkein kriittisimmissä kohteissa ei ole riittävän tarkkaa, koska esim. laajojen pintojen tiivistyessä mittamuutokset ovat liian suuria.

15 Eräs jossain määrin käytetty vaihtoehto on käyttää kiinteitä lähtömateriaaleja, joiden liitospinnat asetetaan vastakkain tarkasti. Liitospinnat sijoitetaan ympäröivässä kapselissa siten, että paine kuumaisostaattisessa puristuksessa painaa pinnat vastakkain ja saa aikaan diffuusioliitoksen. Tässä menetelmässä liitettävien kiinteiden kappaleiden pintojen tulee olla hyvin viimeisteltyjä, erittäin puhtaita ja sileitä, jotta varmistetaan liitokselle riittävän hyvä 20 laatu. Lisäksi tyypillisesti kuumaisostaattisen puristuksen lämpötilaa ja painetta tulee lisätä ja aikaa pidentää verrattuna pulverimetallurgiseen liitokseen, jotta varmistetaan liitoksen hyvä laatu. Toisaalta pienetkin liitospintojen epäpuhtaudet tai pintojen siirtyminen kuumaisostaattisen puristuksen aikana saattavat estää liitoksen syntymisen tai heikentää merkittävästi sen laatua.

25

Keksinnön kuvaus

Keksinnön mukaisessa menetelmässä valmistetaan komponentti siten, että käytetään olennaisesti kiinteitä, esim. takomalla, valamalla tai koneistamalla valmistettuja esimuotoiltuja kappaleita ja kiinteiden kappaleiden kuumaisostaattisen puristuksen 30 liitospinnoilla käytetään kapseloidussa tilassa pulverimuodossa olevaa materiaalia.

Täsmällisemmin keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnuksenomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkki osassa.

5 3

Seuraavassa keksintöä selostetaan tarkemmin viittaamalla oheisiin kuvioihin, joissa kuvioissa la-le on esitetty esimerkkejä keksinnön mukaisen menetelmän suoritusmuodoista.

Kuviossa la on esitetty eräs suoritusmuoto keksinnön mukaisen menetelmän sovelluksesta. Kuviossa kiinteiden kappaleiden 1, Γ ja 1” liitosalue on suljettu kaasutiiviillä hitseillä 3 sekä kapselilevyllä 4. Näin muodostunut alue on täytetty pulverimateriaalilla 2. Kyseisessä suoritusmuodossa liitospintojen väliset hitsit on tehty osin suoraan kiinteiden kappaleiden 10 välille. Liitosalueen kaasutiiveys on edellytys kuumaisostaattisen puristuksen käyttämiselle. Tämän jälkeen pulveri on tiivistetty paineen ja/tai lämpötilan avulla, kuten esimerkiksi kuumaisostaattisella puristuksella, kapseli levyt ja niihin liittyvät hitsit voivat jäädä kappaleeseen tai ne voidaan poistaa esimerkiksi koneistamalla ja tietyissä tapauksissa hapottamalla.

15

Kuviossa Ib esitetyssä suoritusmuodossa on kuvion la suoritusmuotoa paranneltu korvaamalla suoraan kiinteitä kappaleita toisiinsa liittävät kaasutiiviit hitsit kapselilevyillä 4’. Näin pystytään parantamaan kyseisten liitosten kaasutti veyttä.

20 Kuviossa le esitetyssä suoritusmuodossa on minimoitu liitoksessa käytettävän pulverin määrä. Kuviossa kiinteiden kappaleiden 1, Γ ja 1” liitoskohtaan muodostunut alue on täytetty pulverilla 2 sekä kiinteällä materiaalilla 5 käytettävän pulverimateriaalin määrän minimoimiseksi. Liitosalue on suljettu kaasutiiviiksi kaasutiiviiden hitsien 3 sekä kapselilevyn 4 avulla. Tämän suoritusmuodon mukaisella ratkaisulla pystytään 25 minimoimaan pulverin tiivistyessään aikaansaama tilavuuden ja mittatarkkuuden muutos.

Pulverimaisten materiaalien käytön ansiosta liito spintoj en mittatarkkuusvaatimukset eivät ole yhtä suuria kuin käytettäessä pelkästään kiinteitä materiaaleja. Lisäksi johtuen pulverin tiivistymisen ansiosta tapahtuvasta voimakkaasta plastisesta deformaatiosta, pulveri-kiinteä-30 rajapinnoilla liitospintojen oksidikalvot repeävät tehokkaasti, jolloin liitoksesta saadaan luotettavampi ja parempi kuin kiinteä-kiinteä-liitoksesta.

4

Koska pulveria käytetään hyvin rajoitetusti vain liitettävien kappaleiden liitospinnoilla, eivät pulverin kutistumisen aiheuttamat mittamuutokset ole suuria, jolloin kuumaisostaattisen puristuksen jälkeen päästään tarkempiin mittoihin kuin käytettäessä lähtöraaka-aineena kokonaan pulverilla täytettyä kapselia tai kiinteän materiaalin pinnalle kapseloitua pulveria.

5 Esimerkiksi liitospintoja ympäröivä kapseli voidaan (I) hitsata kiinteisiin materiaaleihin liitoksen molemmin puolin, (Π) koko onkalon tai kanaviston sisäosa voi olla kapseloituja (III) lisäksi kiinteiden materiaalien välille voidaan valmistaa kaasutiiviit kapselit, jotka välittävät isostaattisen kaasunpaineen liitospinnalle ja tiivistävät liitospintojen välissä olevan pulverin.

10

Keksinnön mukaisella menetelmällä saavutetaan mm. seuraavat edut: (a) keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan valmistaa mitoiltaan tarkempia komponentteja kuin kokonaan pulverista valmistetuilla materiaaleilla tai käyttäen 15 sisäisiä onkalolta sulkevana materiaalina kiinteän materiaalin pinnalle kapseloitua pulveria, (b) keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan aikaansaada luotettavampia liitoksia kuin liittämällä kuumaisostaattisella puristuksella yhteen kiinteitä materiaaleja, lisäksi kiinteiden materiaalien liitospintojen mi ttatarkkuusvaati mukset eivät ole yhtä suuret, 20 (c) komponentissa olevat liitokset ovat pääosin vapaat hitsausliitoksista; hitsausliitoksia saattaa jäädä liitospintoja ympäröiviin kaasutiivisiin hitseihin kappaleen sisälle, mutta ne muodostavat vain pienen osa kuormaa kantavasta poikkipinnasta ja lisäksi mahdolliset hitsausvirheet, jotka eivät ole pintaan aukeavia, sulkeutuvat kuumaisostaattisen puristuksen aikana 25

Claims (5)

1. Menetelmä sisäisiä kanavistoja ja onkalolta sisältävien metallisten komponenttien valmistamiseksi, jossa menetelmässä valmistetaan kiinteistä materiaaleista esiaihiot, joiden 5 liitospintojen välissä käytetään metallipulveria, tunnettu siitä, että - esiaihiot liitetään yhteen siten, että sisäiset onkalot muodostavien esimuotoiltujen aihioiden liitospinnat on suljettu kaasutiiviisti, ja - komponenttien välissä olevan pulverin tiivistyessä lämpötilan ja/tai paineen vaikutuksesta kiinteät esiaihiot tarttuvat yhteen ja muodostavat valmiin komponentin 10 onkaloineen j a kanavistoineen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pulverin tiivistyminen ja liitoksen syntyminen aikaansaadaan kuumaisostaattisella puristuksella samanaikaisesti vaikuttavan isostaattisen ja korkean lämpötilan vaikutuksesta. 15

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, kuumaisostaattinen puristus suoritetaan lämpötilassa, joka on vähintään 60% matalimman sulamispisteen omaavan materiaalin sulamispisteestä.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuumaisostaattinen puristus suoritetaan paineessa, joka on vähintään 50 MPa.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kiinteät ja pulverimuodossa olevat materiaalit voivat olla samaa tai eri materiaalia. 25