FI91060B

FI91060B - Lasinvalmistuksessa käytettävä työkalu

Info

Publication number: FI91060B
Application number: FI922657A
Authority: FI
Inventors: Tapio Maentylae; Pauli Reuhkala; Tuomo Tiainen
Original assignee: Ahlstroem Riihimaeen Lasi Oy; Hackman Iittala Oy Ab
Priority date: 1992-06-09
Filing date: 1992-06-09
Publication date: 1994-01-31
Also published as: FI91060C; WO1993025489A1; AU4073893A; FI922657A0; FI922657A

Description

91060

Lasinvalraistuksessa käytettävä työkalu - Ett verktyg vid 5 framställning av glas

Keksinnön kohteena on lasinvalmistuksessa käytettävä työkalu, kuten esim. lasimuotti, -painin tai vastaava, 10 jossa ainakin osalla työkalun pinnoista on termisen ruiskutuksen, kuten esim. plasma-, detonaatioruiskutuksen tai hypersonisen liekkiruiskutuksen, tai sputteroinnin tai muun sopivan pinnoittamismenetelmän avulla aikaansaatu pintakerros tai jossa työkalun osa tai koko työkalu on 15 valmistettu jollakin sopivalla menetelmällä samasta materiaalista kuin pintakerroskin, ja työkalun pintakerros pääasiassa koostuu ainakin yhdestä metallien välisestä yhdisteestä.

20 Valmistettaessa sarjatyönä esim. lasisia pakkauksia, kuten pulloja, muotoillaan sula lasimassa tuotteeksi käyttäen tarkoitukseen sopivaa muottia, jossa massa muotoutuu joko tuurnan tai kaasunpaineen ja alipaineen yhteisvaikutuksesta ja jähmettyy saamaansa muotoon. Massan muotoiluprosessi 25 voi sisältää useampia työvaiheita. Ensimmäisten työvaiheiden aikana sulan lasimassan tulee liikkua muotin pinnalla, jolloin lasimassan ja muotin väliset kitkavoimat ratkaisevat tuotteen laadun. Suuret kitkavoimat merkitsevät jähmettymisen tapahtumista eriaikaisesti muotin eri osissa, 30 jolloin lasiin tulee aaltomaisuutta ja mikrohalkeamia.

Ongelmaa voidaan periaatteessa vähentää nostamalla sulan lasimassan lämpötilaa, jolloin sen viskositeetti pienenee ja juoksevuus paranee. Muotin lämpötilan nostoon liittyy kuitenkin se ongelma, että korkeissa lämpötiloissa sula 35 lasimassa alkaa tarttua muotin pintaan. Nykyisin muotin lämpötila lasinvalmistuksen aikana on noin 500 °C, mikä 2 mahdollistaa valaurautaisten muottien käytön. Kitkan vähentämiseksi ja tuotteen laadun parantamiseksi käytetään nykyisin muotin maalausta grafiittipohjäisellä maalilla ja muotin voitelua grafiittirasvalla. Maalauksen kestoikä on 5 noin 2-8 tuntia ja voitelu on suoritettava noin 15 minuutin välein. Voitelun käyttöön liittyy runsaasti savu- ja käryhaittoja. Pyrittäessä suureen tuotantonopeuteen on myös lämmön siirtymisellä sulasta lasimassasta muottiin ja edelleen jäähdytysväliaineeseen tärkeä merkitys. Tavoitel-10 tavat suuret tuotantonopeudet edellyttävät, että lämmön siirtymiseen liittyvä "ylimenovastus" sulan massan ja muotin välisellä rajapinnalla saadaan mahdollisimman pieneksi.

15 Lämmönsiirtoket jussa lasista jäähdytysilmaan "ahtain portti" on lämmön siirtyminen muotista ilmaan. Suhteellisesti suurempi vastus on lämmön johtumisella lasin sisällä, mutta muovausprosessissa lasin tuleekin pysyä muovausvis-kositeetissa loppupuhallukseen asti. Lasin jäähdytyksen 20 kannalta muottimateriaalin vaihtaminen ei ole kovin tehokas toimenpide. LämpÖvastus lasin ja muotin rajapinnassa on suurempi kuin itse muotissa. Se johtuu pinnankarheudesta ja lasin ja muotin väliin jäävästä ilmasta. Ajallisesti lämmönsiirto lasista muottiin vaihtelee hyvin voimakkaasti. 25 Kontaktin alussa lämmönsiirto on hyvin tehokasta, mutta hidastuu nopeasti kun lämpötilaero pienenee ja kun lämmön-johtaminen lasin sisällä rajoittaa lämpövirtaa. Muotin ulkopinnan lämpötila ei sen sijaan normaalisti vaihtele ajan funktiona. Tavallisilla pakkauslasituotteilla seinämän 30 paksuus on pakkauksen koosta riippumatta n. 2-3 mm ja pakkauksen painon suhde ulkopinta-alaan on myös samaa kertaluokkaa.

Muotin ulkopinnalla lämmönsiirto tapahtuu pääosin konvektion 35 välityksellä, eli mahdollisuudet lisätä jäähdytystä liittyvät jäähdytys ilman virtausnopeuden nostoon tai lämmönsiir-

II

91060 3 topinta-alan kasvattamiseen rivoituksen avulla. Vieläkin tehokkaampi jäähdytys saadaan, jos ilman sijasta käytetään vesijäähdytystä tai vesisumujäähdytystä. Tällöin tulee kuitenkin eteen ongelmia, jotka liittyvät muottien ja 5 koneiden ruostumiseen. Valitsemalla sopivat materiaalit muotteihin tai pinnoittamalla olemassa olevia pintoja sopivilla pinnoitteilla voidaan näistäkin ongelmista selvitä, mutta kyseiset ratkaisut vaativat huomattavia investointeja.

10

Kun jäähdytysteho kasvaa muotin ulkopinnalla, aiheuttaa se suuremman lämpötilaeron muotin sisä- ja ulkopinnan välille.

Jos käytetään ilmajäähdytystä, ei muotin ulkopinnan lämpötila juuri laske ja se merkitsee, että sisäpinnan lämpötila 15 vastaavasti nousee. Tämä voidaan välttää jos muottimateri-aali vaihdetaan paremmin lämpöä johtavaksi. Tällöin kuitenkin törmätään jälleen kustannustekijöihin.

Muotin ja lasin väliin jää ilmahuokosia, kuten jo aiemmin 20 on todettu. Kuinka paljon ilmahuokosia jää muotin ja lasin väliin riippuu pinnan karheudesta, kontaktilämpötilasta, muottimateriaalista ja lasin ominaisuuksista. Kontaktipisteissä lämpö siirtyy johtumalla ja huokosissa säteilemällä ja johtumalla ilmaa pitkin. Kaikki läramönsiirtomuodot ovat 25 suoraan verrannollisia lämmönsiirtopinta-alaan, joten lämmönsiirtopinta-alan muutos vaikuttaa lämmön siirtymiseen.

Jos loppumuotissa otettaisiin käyttöön lämmönsiirron kannalta tehokkain pinnankarheus, n. 20 pm, eli varsin karheaksi työstetty pinta, aiheuttaisi se tuotteen pintaan 30 runsaasti mikrohalkeamia. Kannattaakin pyrkiä loppumuotissa mahdollisimman tasaiseen pintaan, jolloin saavutetaan hyvä lämmönsiirtymistiheys ja minimoidaan mikrohalkeamia. Kontaktilämpötilan nosto parantaa myös lämmönsiirtoa (lasi pehmeämpänä täyttää paremmin pinnan epätasaisuudet) ja 35 samalla myös mikrohalkeamat vähenevät pinnassa. Korkeammassa lämpötilassa lasi pyrkii tarttumaan muotin pintaan. Tart- 4 tumislämpötilaan vaikuttavat muottimateriaali, lasin viskositeetti, muottipinnan karheus ja lasia muottia vasten puristava paine.

5 Eri muottimateriaalien taipumus tarttumiseen riippuu ko. materiaalin pintajännityksestä. Metallien pintajännitykset ovat luokkaa n. 1,7 - 1,0 X 10-^N/cm. Pinnan karheus vaikuttaa tarttumiseen lämmönsiirtymisen kautta eli sopivan karheaa pintaa vasten lasi jäähtyy pinnaltaan epätasaisesti 10 ja nämä kylmät pisteet estävät lasin tarttumisen muottiin. Samalla ne kuitenkin aiheuttavat lasin pintaan mikrohalkea-mia, kuten aiemmin jo mainittiin.

Keksinnön tarkoituksena on edellä mainittujen haittateki-15 joiden vaikutusten vähentäminen ja osittain jopa eliminoiminen ja valmius vaikuttaa nykyistä tehokkaammin myös itse valmistettavan kappaleen jäähtymistapahtumaan.

Keksinnön tarkoitus saavutetaan työkalulla, jolle on 20 tunnusomaista se, että tälle metallien väliselle yhdis teelle on ominaista lujuusarvojen kasvu lämpötilan funktiona huoneenlämpötilasta ainakin 450 °C:n lämpötilaan asti.

Kun edellä mainittuja ongelmia lähdettiin kartoittamaan ja 25 samalla etsimään niihin ratkaisuja, päädyttiin yhtenä luonnollisena vaihtoehtona siihen, että työkalumateriaalit pinnoitetaan jollakin sopivalla pinnoitteella tai tietyissä erikoiskohteissa valmistetaan joko osittain tai kokonaan pinnoitemateriaalista. Kun tietyissä kriittisissä kohdissa 30 osa työkalusta tai koko työkalu valmistetaan samasta materiaalista kuin esim. muissa helpommissa osamuoteissa käytetty pinnoite, voidaan näissä hankalissa paikoissa välttyä esim. pinnoitemateriaalin kuoriutumiselta ja tarttumisongelmilta.

35

II

91060 5

Arvioitaessa eri pinnoitteita tulivat mieleen ennen muuta erilaiset keraamiset pinnoitteet sekä kaupallisestikin laajasti käytetyt superseospinnoitteet. Keraamisten pinnoitteiden heikkoutena on esim. huokoisuus ja huono lämmönjoh-5 tavuus. Myös huono lämpöshokin kestävyys vaivaa yleisesti näitä pinnoitteita. Työkaluilta vaadittavan helpon tai hyvän koneistettavuuden ja erityisesti muotin pinnan kiillotettavuuden puuttuminen on myös näiden pinnoitteiden varjopuolena.

10

Erilaisilla nikkeli- tai kobolttipohjäisillä superseoksilla tehdyillä pinnoitteilla on saatu hyviä tai ehkä oikeammin sanottuna odotettavissa olevia tuloksia. Lopputuotteiden ominaisuuksissa ei siten saatu sellaisia tuloksia, jotka 15 olisivat herättäneet toiveita jostakin aiempaa selvästi paremmasta työkalusta lasin valmistuksen yhteydessä. Pelkkä pinnoittaminen sinänsä ei siten tarjonnut mahdollisuutta ratkaista esillä olevia ongelmia.

20 Pinnoitekokeissa kokeiltiin myös sinänsä tunnettuja, mutta konstruktiomateriaaleina kuitenkin melko uusia materiaaleja, nimittäin erilaisia metallien välisiä yhdisteitä, jotka tarjosivatkin odottamattomia etuja. Metallien välisten yhdisteiden käyttö konstruktiomateriaaleina ei ole aiemmin 25 ollut mielekästä vaivanneen haurauden takia. Vasta kun keksittiin tiettyjen seosaineiden, kuten boorin edullinen vaikutus sitkeyden lisääjänä, on metallien välisiä yhdisteitä voitu käyttää konstruktiomateriaaleina, siis sekä pinnoitteina että ns. bulk-kappaleina.

30

Kokeiden yhteydessä havaittiin yllättäen, että tietyillä metallien välisillä yhdisteillä lasin tarttumislämpötila olikin varsin korkea. Joillekin metallien välisille yhdisteille on tyypillistä niiden lujuusarvojen kasvaminen 35 tiettyyn rajaan asti siirryttäessä huoneenlämpötilasta korkeampiin lämpötilohin. Esim. kovuus voi kasvaa jopa 6 kaksinkertaiseksi siirryttäessä huoneenlämpötilasta 500 °C:n lämpötilaan. Tietyillä metallien välisillä yhdisteillä, kun niitä on sopivasti seostettu, voivat lujuusarvot kasvaa aina n.800 °C:n lämpötiloihin saakka.

5

Huoneenlämpötilassa nämä modifioidut yhdisteet ovat suhteellisen pehmeitä ja siten helposti koneistettavissa ja kiillotettavissa, mitkä seikat ovat oleellisen tärkeitä valittaessa lasinvalmistuksessa käytettävää muottimateriaa-10 lia. Koska kyseessä ovat metallien väliset yhdisteet, on selvää, että näille materiaaleille on tyypillistä myös hyvä lämmönjohtavuus. Kun muotin perusaine, tavallisimmin valurauta, pinnoitetaan metallien välisellä yhdisteellä ja saatu pinta kiillotetaan huolellisesti, voidaan merkit-15 tävästi vähentää mikrohalkeamien syntyä lasituotteessa. Tietyissä kriittisissä kohdissa on kuitenkin syytä varautua siihen, että osa työkalusta, kuten esim. muotin osa tai koko muotti valmistetaan samasta materiaalista kuin itse pinnoitekin, mutta bulk-tavarana. Tällöin voidaan työkalun 20 hankalissa osissa välttyä jo edellä mainitusta kuoriutumis-vaarasta tai tarttumisongelmista. Sopivan pintamateriaalin johdosta, siis olipa tämä pintakerros sitten aikaansaatu pinnoittamalla tai olipa se osa bulk-tavaran pintaa, voidaan lasituotteiden seinämänpaksuuksia pinentää ja siten saada 25 aikaan kevyempiä tuotteita, joilla kuitenkin on yhtä hyvä lujuus kuin aiemmilla paksumman seinämän vahvuuden omaavilla tuotteilla. Kun hyvään koneistettavuuteen liittyy myös em. lujuusarvojen ja siten myös kovuusarvojen, siis kulutuksen kestävyyden, nouseminen siirryttäessä huoneenlämpötilasta 30 työkalun käyttölämpötilaan, joka on esim. 500-650 °C, on selvää että tällainen materiaali sopii erinomaisen hyvin lasinvalmistuksen yhteydessä käytettävien työkalujen pintamateriaaliksi.

35 Sopivia metallien välisiä yhdisteitä ovat sellaiset, joiden lujuus kasvaa huoneenlämpötilasta ainakin 450 °C:n lämpö- il 7 91060 tilaan saakka. Näiden yhdisteiden ominaisuuksia voidaan parantaa sopivalla seostuksella, jolloin niiden sitkeysarvot . huoneenlämpötilassa paranevat merkittävästi ja/tai lujuusar-vojen nouseminen voidaan saada jatkumaan aina n. 800 °C:n 5 lämpötilaan asti. Tällaisia seosaineita on esim. boori (parantaa huoneenlämpötilan sitkeysominaisuuksia) ja hafnium (jatkaa lujuusarvojen paranemista korkeampiin lämpötiloihin). Myös rautaa, titaania, mangaania, zirkonia, ceriumia ja niobia käytetään seosaineina parannettaessa näiden 10 metallien välisten yhdisteiden ominaisuuksia.

Hyviä tuloksia on saatu esim. erilaisilla aluminideilla, kuten esim. titaani-, zirkoni-, rauta-, koboltti- tai nikkelialuminideilla. Varsinkin LI2 hilarakenteiset ΝΪ3Α1, 15 N13AI+B, Ni3(Al+Mn)+B ja C03T1 sekä niiden modifioidut muodot ja B2 tyyppiset metallien väliset yhdisteet, kuten NiAl ja sen modifioidut muodot ovat osoittautuneet hyviksi pinnoite- ja pintamateriaaleiksi. Näiden pintamateriaalien avulla lasin tarttumislämpötilaa voitiin korottaa optimaa-20 liselle valuraudalle tyypillisestä arvosta 500-540 °C aina arvoihin 600-630 °C saakka.

Pinnoitteet voidaan valmistaa useilla eri menetelmillä, kuten plasma-, detonaatioruiskutuksen tai hypersonisen 25 liekkiruiskutuksen, tai sputteroinnin tai muun sopivan pinnoittamismenetelmän avulla. Myös bulk-tavaran valmistuksessa voidaan käyttää erilaisia tunnetuja menetelmiä.

Keksinnön mukaista ratkaisua voidaan soveltaa oheisten 30 patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims

1. Lasinvalmistuksessa käytettävä työkalu, kuten 5 esim. lasimuotti, -painin tai vastaava, jossa ainakin osalla työkalun pinnoista on termisen ruiskutuksen, kuten esim. plasma-, detonaatioruiskutuksen tai hypersonisen liekkiruis-kutuksen, tai sputteroinnin tai muun sopivan pinnoittamis-menetelmän avulla aikaansaatu pintakerros tai jossa työkalun 10 osa tai koko työkalu on valmistettu jollakin sopivalla menetelmällä samasta materiaalista kuin pintakerroskin, ja työkalun pintakerros pääasiassa koostuu ainakin yhdestä metallien välisestä yhdisteestä, tunnettu siitä, että tälle metallien väliselle yhdisteelle on ominaista lu-15 juusarvojen kasvu lämpötilan funktiona huoneenlämpötilasta ainakin 450 °C:n lämpötilaan asti.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen työkalu, tunnettu siitä, että pintakerros koostuu pääasiassa metallien 20 välisestä yhdisteestä, jolle on ominaista kovuusarvojen kasvu lämpötilan funktiona huoneenlämpötilasta ainakin 450 °C:n lämpötilaan asti.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen työkalu, 25 tunnettu siitä, että pintakerros koostuu pääasiassa alumii- nipohjäisestä metallien välisestä yhdisteestä, kuten esim. titaani-, zirkoni-, rauta-, koboltti- tai nikkelialumini-dista.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen työkalu, tunnettu siitä, että pintakerros koostuu pääasiallisesti metallien välisestä yhdisteestä, joka on tyyppiä N13(Al+Mn)+B. II 35 91060 t

5. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen työkalu, tunnettu siitä, että pintakerros koostuu pääasiallisesti metallien välisestä yhdisteestä, joka on tyyppiä N13AI+B. 5

6. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen työkalu, tunnettu siitä, että pintakerros koostuu pääasiallisesti metallien välisestä yhdisteestä, joka on tyyppiä Co3Ti.