FI94334B - Lasinvalmistuksessa käytettävä työkalu - Google Patents

Description

94334

Lasinvalmistuksessa käytettävä työkalu - Ett verktyg vid framställning av glas 5

Keksinnön kohteena on lasinvalmistuksessa käytettävä työkalu, kuten esim. lasimuotti, -painin tai vastaava, jossa ainakin osalla työkalun pinnoista on termisen ruiskutuksen, kuten esim. plasma-, detonaatioruiskutuksen tai hypersoni-sen liekkiruiskutuksen, tai sputteroinnin tai muun sopivan pinnoittamismenetel-10 män avulla aikaansaatu pintakerros tai jossa työkalun osa tai koko työkalu on valmistettu jollakin sopivalla menetelmällä samasta materiaalista kuin pintakerroskin, ja työkalun pintakerros pääasiassa koostuu ainakin yhdestä metallien välisestä yhdisteestä, jonka lujuusarvot kasvavat lämpötilan funktiona huoneenlämpötilasta ainakin 450 °C:n lämpötilaan asti.

15

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 voi sisältää useampia 20 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, jolloin lasiin tulee aaltomaisuutta ja mikrohal-keamia. Ongelmaa voidaan periaatteessa vähentää nostamalla sulan lasimassan 25 lämpötilaa, jolloin sen viskositeetti pienenee ja juoksevuus paranee. Muotin lämpötilan nostoon liittyy kuitenkin se ongelma, että korkeissa lämpötiloissa sula lasimassa alkaa tarttua muotin pintaan. Nykyisin muotin lämpötila lasinval-mistuksen aikana on noin 500 °C, mikä mahdollistaa valaurautaisten muottien käytön. Kitkan vähentämiseksi ja tuotteen laadun parantamiseksi käytetään 30 nykyisin muotin maalausta grafiittipohjaisella maalilla ja muotin voitelua grafiittirasvalla. Maalauksen kestoikä on noin 2-8 tuntia ja voitelu on suoritetta- 2 94334 va noin 15 minuutin välein. Voitelun käyttöön liittyy runsaasti savu-ja käryhait-toja. Pyrittäessä suureen tuotantonopeuteen on myös lämmön siirtymisellä sulasta lasimassasta muottiin ja edelleen jäähdytysväliaineeseen tärkeä merkitys. Tavoiteltavat suuret tuotantonopeudet edellyttävät, että lämmön siirtymiseen 5 liittyvä "ylimenovastus" sulan massan ja muotin välisellä rajapinnalla saadaan mahdollisimman pieneksi.

Lämmönsiirtoketjussa lasista jäähdytysilmaan "ahtain portti" on lämmön siirtyminen muotista ilmaan. Suhteellisesti suurempi vastus on lämmön johtumi-10 sella lasin sisällä, mutta muovausprosessissa lasin tuleekin pysyä muovausvis-kositeetissa loppupuhallukseen asti. Lasin jäähdytyksen kannalta muottimateri-aalin vaihtaminen ei ole kovin tehokas toimenpide. Lämpövastus lasin ja muotin rajapinnassa on suurempi kuin itse muotissa. Se johtuu pinnankar-heudesta ja lasin ja muotin väliin jäävästä ilmasta. Ajallisesti lämmönsiirto 15 lasista muottiin vaihtelee hyvin voimakkaasti. Kontaktin alussa lämmönsiirto on hyvin tehokasta, mutta hidastuu nopeasti kun lämpötilaero pienenee ja kun lämmönjohtaminen lasin sisällä rajoittaa lämpövirtaa. Muotin ulkopinnan lämpötila ei sen sijaan normaalisti vaihtele ajan funktiona. Tavallisilla pakkaus-lasituotteilla seinämän paksuus on pakkauksen koosta riippumatta n. 2-3 mm 20 ja pakkauksen painon suhde ulkopinta-alaan on myös samaa kertaluokkaa.

Muotin ulkopinnalla lämmönsiirto tapahtuu pääosin konvektion välityksellä, eli mahdollisuudet lisätä jäähdytystä liittyvät jäähdytysilman virtausnopeuden nostoon tai lämmönsiirtopinta-alan kasvattamiseen rivoituksen avulla. Vieläkin 25 tehokkaampi jäähdytys saadaan, jos ilman sijasta käytetään vesijäähdytystä tai vesisumujäähdytystä. Tällöin tulee kuitenkin eteen ongelmia, jotka liittyvät muottien ja koneiden ruostumiseen. Valitsemalla sopivat materiaalit muotteihin tai pinnoittamalla olemassa olevia pintoja sopivilla pinnoitteilla voidaan näistäkin ongelmista selvitä, mutta kyseiset ratkaisut vaativat huomattavia investointe-30 ja.

3 94334

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 vastaavasti nousee. Tämä voidaan välttää jos muottimateriaali 5 vaihdetaan paremmin lämpöäjohtavaksi. Tällöin kuitenkin törmätään jälleen kustannustekijöihin.

Muotin ja lasin väliin jää ilmahuokosia, kuten jo aiemmin on todettu. Kuinka paljon ilmahuokosia jää muotin ja lasin väliin riippuu pinnan karheudesta, 10 kontaktilämpötilasta, muottimateriaalista ja lasin ominaisuuksista. Kontaktipisteissä lämpö siirtyy johtumalla ja huokosissa säteilemällä ja johtumalla ilmaa pitkin. Kaikki lämmönsiirtomuodot ovat suoraan verrannollisia lämmönsiirto-pinta-alaan, joten lämmönsiirtopinta-alan muutos vaikuttaa lämmön siirtymiseen. Jos loppumuotissa otettaisiin käyttöön lämmönsiirron kannalta tehokkain 15 pinnankarheus, n. 20 μχα, eli varsin karheaksi työstetty pinta, aiheuttaisi se tuotteen pintaan runsaasti mikrohalkeamia. Kannattaakin pyrkiä loppumuotissa mahdollisimman tasaiseen pintaan, jolloin saavutetaan hyvä lämmönsiirtymisti-heys ja minimoidaan mikrohalkeamia. Kontaktilämpötilan nosto parantaa myös lämmönsiirtoa (lasi pehmeämpänä täyttää paremmin pinnan epätasaisuudet) ja 20 samalla myös mikrohalkeamat vähenevät pinnassa. Korkeammassa lämpötilassa lasi pyrkii tarttumaan muotin pintaan. Tarttumislämpötilaan vaikuttavat muotti-materiaali, lasin viskositeetti, muottipinnan karheus ja lasia muottia vasten puristava paine.

25 Eri muottimateriaalien taipumus tarttumiseen riippuu ko. materiaalin pintajännityksestä. Metallien pintajännitykset ovat luokkaa n. 1,7 - 1,0 X 10'2N/cm. Pinnan karheus vaikuttaa tarttumiseen lämmönsiirtymisen kautta eli sopivan karheaa pintaa vasten lasi jäähtyy pinnaltaan epätasaisesti ja nämä kylmät pisteet estävät lasin tarttumisen muottiin. Samalla ne kuitenkin aiheuttavat lasin 30 pintaan mikrohalkeamia, kuten aiemmin jo mainittiin.

4 94334

Keksinnön tarkoituksena on edellä mainittujen haittatekijöiden vaikutusten vähentäminen ja osittain jopa eliminoiminen ja valmius vaikuttaa nykyistä tehokkaammin myös itse valmistettavan kappaleen jäähtymistapahtumaan, sekä sen lujuusominaisuuksiin parantamalla ko. kappaleen pinnanlaatua ja siten sen 5 lujuusominaisuuksia.

Keksinnön tarkoitus saavutetaan työkalulla, jonka pintakerros pääasiassa koostuu ainakin yhdestä metallien välisestä yhdisteestä, jolle on tunnusomaista se, että työkalun pinnalle syntyvä oksidikerros ei olennaisesti kasva primäärisen 10 muodostumisensa jälkeen.

Koneistuksella tarkoitetaan tämän keksinnön yhteydessä kaikkia niitä tarpeellisia toimenpiteitä, joita käytetään lasimuotin lopullisen pinnanlaadun saavuttamiseksi. Esim. kaikki erilaiset kiillotusmenetelmät kuuluvat siten tässä yhteydessä 15 käytetyn termin koneistus piiriin.

Kun edellä mainittuja ongelmia lähdettiin kartoittamaan ja samalla etsimään niihin ratkaisuja, päädyttiin yhtenä luonnollisena vaihtoehtona siihen, että työkalumateriaalit pinnoitetaan jollakin sopivalla pinnoitteella tai tietyissä 20 erikoiskohteissa valmistetaan joko osittain tai kokonaan pinnoitemateriaalista.

Kun tietyissä kriittisissä kohdissa 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.

25

Arvioitaessa eri pinnoitteita tulivat mieleen ennen muuta erilaiset keraamiset pinnoitteet sekä kaupallisestikin laajasti käytetyt superseospinnoitteet. Keraamisten pinnoitteiden heikkoutena on esim. huokoisuus ja huono lämmönjoh-tavuus. Myös huono lämpöshokin kestävyys vaivaa yleisesti näitä pinnoitteita. 30 Työkaluilta vaadittavan helpon tai hyvän koneistettavuuden ja erityisesti muotin I: 5 94334 pinnan kiillotettavuuden puuttuminen on myös näiden pinnoitteiden vaijopuole-na.

Erilaisilla nikkeli- tai kobolttipohjaisilla superseoksilla tehdyillä pinnoitteilla on 5 saatu hyviä tai ehkä oikeammin sanottuna odotettavissa olevia tuloksia. Lopputuotteiden ominaisuuksissa ei siten saatu sellaisia tuloksia, jotka olisivat herättäneet toiveita jostakin aiempaa selvästi paremmasta työkalusta lasin valmistuksen yhteydessä. Pelkkä pinnoittaminen sinänsä ei siten tarjonnut mahdollisuutta ratkaista esillä olevia ongelmia.

10

Pinnoitekokeissa kokeiltiin myös sinänsä tunnettuja, mutta konstruktiomateriaaleina kuitenkin melko uusia materiaaleja, nimittäin erilaisia metallien välisiä yhdisteitä, jotka taijosivatkin odottamattomia etuja. Metallien välisten yhdisteiden käyttö konstruktiomateriaaleina ei ole aiemmin ollut mielekästä niitä 15 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.

20 Kokeiden yhteydessä havaittiin yllättäen, että tietyillä metallien välisillä yhdisteillä lasin tarttumislämpötila olikin varsin korkea. Joillekin metallien välisille yhdisteille on tyypillistä niiden lujuusarvojen kasvaminen tiettyyn rajaan asti siirryttäessä huoneenlämpötilasta korkeampiin lämpötilohin. Esim. kovuus voi kasvaa jopa kaksinkertaiseksi siirryttäessä huoneenlämpötilasta 500 °C:n 25 lämpötilaan. Tietyillä metallien välisillä yhdisteillä, kun niitä on sopivasti seostettu, voivat lujuusarvot kasvaa aina n.800 °C:n lämpötiloihin saakka.

Huoneenlämpötilassa nämä modifioidut yhdisteet ovat suhteellisen pehmeitä ja siten helposti koneistettavissa ja kiillotettavissa, mitkä seikat ovat oleellisen 30 tärkeitä valittaessa lasinvalmistuksessa käytettävää muottimateriaalia. Koska kyseessä ovat metallien väliset yhdisteet, on selvää, että näille materiaaleille on 6 94334 tyypillistä myös hyvä lämmönjohtavuus. Kun muotin perusaine, tavallisimmin valurauta, pinnoitetaan metallien välisellä yhdisteellä ja saatu pinta kiillotetaan huolellisesti, voidaan merkittävästi vähentää mikrohalkeamien syntyä lasituotteessa. Tietyissä kriittisissä kohdissa on kuitenkin syytä varautua siihen, että osa 5 työkalusta, kuten esim. muotin osa tai koko muotti valmistetaan samasta materiaalista kuin itse pinnoitekin, mutta bulk-tavarana. Tällöin voidaan työkalun hankalissa osissa välttyä jo edellä mainitusta kuoriutumisvaarasta tai tarttumisongelmista. Sopivan pintamateriaalin johdosta, siis olipa tämä pintakerros sitten aikaansaatu pinnoittamalla tai olipa se osa bulk-tavaran pintaa, 10 voidaan lasituotteiden seinämänpaksuuksia pienentää ja siten saada aikaan kevyempiä tuotteita, joilla kuitenkin on yhtä hyvä lujuus kuin aiemmilla paksumman seinämän vahvuuden omaavilla tuotteilla. Kun hyvään koneistettavuu-teen liittyy myös em. lujuusarvojen ja siten myös kovuusarvojen, siis kulutuksen kestävyyden, nouseminen siirryttäessä huoneenlämpötilasta työkalun käyttöläm-15 potilaan, joka on esim. 500-650 °C, on selvää että tällainen materiaali sopii erinomaisen hyvin lasinvalmistuksen yhteydessä käytettävien työkalujen pintamateriaaliksi.

Sopivia metallien välisiä yhdisteitä ovat sellaiset, joiden lujuus kasvaa huoneen-20 lämpötilasta ainakin 450 °C:n lämpötilaan saakka. Näiden yhdisteiden ominaisuuksia voidaan parantaa sopivalla seostuksella, jolloin niiden sitkeysarvot ’ huoneenlämpötilassa paranevat merkittävästi ja/tai lujuusarvojen nouseminen voidaan saada jatkumaan aina n. 800 °C:n lämpötilaan asti. Tällaisia seosaineita on esim. boori (parantaa huoneenlämpötilan sitkeysominaisuuksia) ja hafnium 25 (jatkaa lujuusarvojen paranemista korkeampiin lämpötiloihin). Myös rautaa, titaania, mangaania, zirkonia, ceriumia ja niobia käytetään seosaineina parannettaessa näiden metallien välisten yhdisteiden ominaisuuksia.

Normaalisti lasin valmistuksen yhteydessä käytettävän työkalun, kuten esim. 30 muotin pinnan pinnanlaatu on paras uutena eli aiemmin määrittelemämme termin koneistus jälkeen. Sulan lasimassan tarttuminen muotin pintaan on taas 7 94334 puolestaan vähäisintä, kun muotin pinta oksidoituu sopivasti. Silti erilaisia voiteluaineita on tunnettujen muotin pinta-ja/tai pinnoitemateriaalienyhteydessä käytettävä säännöllisesti ajon aikana ehkäisemään sulan lasimassan kiinni tarttumista muotin pintaan. Tämä muotin pinnan oksidikerroksen optimipaksuus 5 tavanomaisilla pinnoitteilla saavutetaan n. 1 vuorokauden ajon kuluttua. Tämän jälkeen oksidikerros ajon aikana sekä paksunee että samalla haurastuu ja pyrkii irtoilemaan muotin pinnasta. Tämä oksidikerroksen kasvu johtuu sekä hapen diffuusiosta oksidikerroksen läpi kohti metallipintaa että metallin diffuusiosta samaisen oksidikerroksen läpi kohti vapaata pintaa.

10 Käytön aikana muotin pinnan oksidikerros pyrkii siten hilseilemään ja sitä tarttuu lasin pinnalle huonontaen lasin pinnnanlaatua ja siten sen lujuusominaisuuksia. Tämä irtoileva hilse muodostuu paitsi irtoavasta oksidikerroksesta niin myös em. voiteluaineista, joita ajon aikana käytetään. Muottia joudutaan siten 15 puhdistamaan ajoittain esim. hiekkapuhalluksen avulla, jotta muotin pintaan epätasaisesti kiinnitarttunut voiteluaine 4- oksidikerros saadaan poistettua. Tällaisen hiekkapuhalluksen jälkeen on muotti luonnollisesti kiillotettava ennen kuin se asetetaan uudelleen käyttöön. Tällöin ollaan taas uudelleen lähtötilanteessa ja sama sykli toistuu kunnes muotti joudutaan lopullisesti vaihtamaan.

20

Suoritettaessa käytännön kokeita käyttämällä lasipullon muotin pintamateriaali-na metallien välisiä yhdisteitä, jotka olivat erilaisia aluminideja, tehtiin hämmästyttävä havainto, joka koski erityisesti nikkelialuminideja, jotka sisälsivät mangaania.

25

Kun tällainen muotti asennettiin käyttöön ja sen avulla ryhdyttiin valmistamaan : lasipulloja havaittiin täysin yllättäen, että lasimuotin painimen pinnanlaatu alkoikin parantua noin puolen tunnin ajon jälkeen. Kun ajo keskeytettiin ja kyseistä muottia lähemmin tarkasteltiin, havaittiin, että sen pinta oli ajon aikana 30 kiihottunut huomattavasti paremmaksi kuin mitä se oli ollut neitseellisessä tilassaan eli juuri muotin valmistuksen jäljiltä. Tämä havainto merkitsi siten sitä, 8 94334 että myös lasipullojen pinnanlaatu ja siten myös niiden lujuusarvot, erityisesti iskulujuusarvot paranivat ajon aikana, eivätkä huonontuneet, kuten voisi olettaa. Muotin pintakerroksen muodostava oksidikerros oli myös erittäin tiivis ja ohut, joten se ei ollut kasvanut olennaisesti primäärisen syntymisensä jälkeen. 5 Tämä itsekillottunut ja oksidoitunut pintakerros sisälsi olennaisesti alumiinin ja mangaanin sekaoksideja.

Nämä Ni3(Al+Mn)+B tyyppisen koostumuksen omaavat nikkelialuminidit ovat osoittautuneet tämän erikoisen kiillottumisominaisuutensa ja sen tuomien 10 etujen vuoksi ylivoimaisesti paremmiksi pinta- ja/tai pinnoitemateriaaleiksi kuin muut tunnetut pinnoiteaineseokset. Kaikille näille tunnetuille pinnoiteaineseok-sille on tunnusomaista, että niiden pinnanlaatu huononee ajon aikana heti alusta alkaen jatkuen siihen saakka, kun ne joudutaan vaihtamaan. Myös jatkuva voiteluaineen tarve ja oksidikerroksen hilseily ja näiden ilmiöiden 15 epäedulliset seuraamukset ovat tunnettuihin pinta- ja/tai pinnoitemateriaaleihin liittyviä negatiivisia piirteitä.

Keksinnön mukaisten pintamateriaalien avulla lasin tarttumislämpötilaa voitiin korottaa optimaaliselle valuraudalle tyypillisestä arvosta 500-540 °C aina 20 arvoihin 550-630 °C saakka ja samalla saavutettiin erittäin hyvät lasimuotin ja sitä kautta tuotteen, tässä tapauksessa lasipullon pinnanlaatuominaisuudet, : 1 jotka vielä paranivat ajon alkuvaiheiden aikana. Keksinnön mukaista ratkaisua käyttämällä vältytään myös haitalliselta muotin pinnan hilseilyltä ajon aikana, mikä on tavallista tunnettujen pinta- ja/tai pinnoitemateriaalien käytön yh-25 teydessä. Keksinnön ansiosta myös voiteluaineiden tarvetta ajon aikana muotin pinnalla on voitu oleellisesti vähentää verrattuna tunnettujen pinta- ja/tai * 1 . pinnoitemateriaalien vaatimaan voitelutarpeeseen tietyssä samassa käyttölämpö tilassa.

30 Tarkkaa syytä tähän työkalun pinnan ominaisuuksien paranemiseen (ohut tiivis oksidikerros ja itsekiillottuvuus) ei ole vielä varmuudella pystytty toteamaan, i; 9 94334 mutta se aiheutuu todennäköisesti siitä vuorovaikutuksesta, mikä syntyy keksinnön mukaisen pinta- ja/tai pinnoitemateriaalin omista sekä kemiallisista että fysikaalisista ominaisuuksista yhdistettynä lasimuotin korkeahkoon käyttö-lämpötilaan ja sulan lasimassan sekä kemiallisiin että mekaanisiin ominai-5 suuksiin.

Pinnoitteet voidaan valmistaa useilla eri menetelmillä, kuten plasma-, detonaa-tioruiskutuksen tai hypersonisen liekkiruiskutuksen, tai sputteroinnin tai muun sopivan pinnoittamismenetelmän avulla. Myös bulk-tavaran valmistuksessa 10 voidaan käyttää erilaisia tunnetuja menetelmiä.

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

15 1 · • i

Claims (5)

94334

1. Lasinvalmistuksessa käytettävä työkalu, kuten esim. lasimuotti, - painin tai vastaava, jossa ainakin osalla työkalun pinnoista on termisen ruis-5 kutuksen, kuten esim. plasma-, detonaatioruiskutuksen tai hypersonisen liekki-ruiskutuksen, tai sputteroinnin tai muun sopivan pinnoittamismenetelmänavulla aikaansaatu pintakerros tai jossa työkalun osa tai koko työkalu on valmistettu jollakin sopivalla menetelmällä samasta materiaalista kuin pintakerroskin, ja työkalun pintakerros pääasiassa koostuu ainakin yhdestä metallien välisestä 10 yhdisteestä, jonka lujuusarvot kasvavat lämpötilan funktiona huoneenlämpötilasta ainakin 450 °C:n lämpötilaan asti, tunnettu siitä, että kyseiselle metallien väliselle yhdisteelle on ominaista, että työkalun pinnalle syntyvä oksidikerros ei olennaisesti kasva primäärisen muodostumisensa jälkeen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen työkalu, tunnettu siitä, että kyseiselle metallien väliselle yhdisteelle on lisäksi ominaista, että työkalun pintakerroksen pinnanlaatu lasimuotin käyttölämpötiloissa sulan lasimassan vaikutuksesta olennaisesti paranee siihen neitseellisen pinnan pinnanlaatuun verrattuna, joka on saavutettu ko. pinnan koneistuksen jälkeen ts. se itsekiillot-20 tuu.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen työkalu, tunnettu siitä, että työkalun pintakerros koostuu pääasiassa nikkelialuminidista, joka sisältää mangaania. 25

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen työkalu, tunnettu siitä, että työkalun itsekiillottunut ja oksidoitunut pintakerros sisältää olennaisesti alumiinin ja mangaanin sekaoksideja, jolloin työkalun pinnalle syntyvä oksidi-kerros on erittäin tiivis ja vastustuskykyinen työkalun pinnan ns. hilseily-ilmiötä 30 vastaan käytön aikana. Il 94334

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen työkalu, tunnettu siitä, että työkalun pintakerros koostuu pääasiallisesti nikkelialuminidista, joka on tyyppiä Ni3(Al + Mn)+B. 5 94334