JP2001303108A - 密封シールを有する金属体の製造方法 - Google Patents

密封シールを有する金属体の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 密封シールを有する金属体を金属粉末成型技
術によって製造する方法を開示する。 【解決手段】 本発明にかかる方法によれば、第１及び
第２の構成部品３１，４１は金属粉末成型材料から従来
どおり射出成型される。第１の超音波部品は、例えば、
三角形断面を有するリブ（Ａ）のような超音波エネルギ
ディレクタ面を有するように成型される。開示された方
法によれば、第１と第２の構成部品が超音波溶接されて
素地アセンブリを形成し、この素地アセンブリを従来の
金属粉末射出成型技術によって結合解除し、焼結して金
属体を形成する。このように形成された金属体は、超音
波溶接に沿って密封シールされる。本発明の方法は、流
体ノズルや圧力容器など密封シールが要求される金属体
の製造に使用してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属粉末成型の分
野にあり、特に、金属粉末成型技術によって金属体を製
造する方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】金属粉末成型技術によって金属体を作る
方法が知られている。このような技術によれば、特に射
出成型においては、金属粉末と樹脂製のバインダとの混
合物から素地が成型される。そして、素地が化学的又は
熱的に結合解除され、その後、金属粉末の融点に近い温
度で焼結される。素地を焼結すると、金属粉末の粒子は
溶解して金属体を形成する。例えば、「Carbonyl Iron
Powder Premix Composition」という題名の米国特許第
５４０１２９２号（Japka）や、「Method for Preparin
g Powder Metallurgical Sintered Product」という題
名の米国特許第４９７１７５５号（Kawano等、他.）な
ど、多数の金属粉末成型材料や技術が知られている。
【０００３】金属粉末成型技術を用いて中空の金属体を
成型する場合には、金属体の二つの半分の素地又は構成
部品を別々に成型し、結合解除と焼結をする前に、これ
ら２つの部品が圧力下でお互いに接触するように配置す
るのが普通である。既知の金属粉末成型技術における一
つの問題点は、金属体において二つの成型部品間の密封
シールを達成することが困難であり、しばしば不可能で
あることである。そのため、圧力容器や流量ノズルのよ
うに密封シールされた中空金属体を製造することは、現
在、商業的に実用的ではない。本発明は、金属粉末成型
技術のこの欠点に取り組むものである。
【０００４】
【発明の概要】本発明は、いまだ素地の状態である間に
部品を互いに超音波溶接すれば、金属粉末成型体の二つ
の構成部品間に密封シールが得られるという驚くべき発
見に基づくものである。発明は、特定の操作の理論に限
定されるものではなく、超音波溶接によって金属粉末と
バインダ材料とが部品の中でより密接に混ざり、これを
焼結すると、超音波溶接ステップがない場合より、二つ
の部品の間で金属の一様で密接な結びつきが形成される
と考えられる。この結びつきは、超音波溶接の部分にお
ける金属体の密封シールをもたらすと考えられる。
【０００５】本発明によれば、金属体を製造する方法が
提供される。この方法は、それぞれ成型された金属粉末
材料によって構成された素地の状態の第１の部品（超音
波エネルギディレクタ面を有する）と第２の部品を準備
するステップ、超音波エネルギディレクタ面に沿った超
音波溶接で第１の部品に対して第２の部品を超音波溶接
し、素地アセンブリを形成するステップと、素地アセン
ブリを結合解除するステップと、結合解除された素地ア
センブリを焼結して金属体を形成するステップと、を含
んでいる。このようにして形成された金属体は、超音波
溶接に沿って密封される。好ましくは、各構成部品は相
互係合結合面を有し、構成部品間の超音波溶接をするた
めの素地結合領域をさらに規定する。溶接領域の接合に
密接に関連する金属体の中の接合部を供給するため、好
ましくは、素地結合領域は超音波溶接領域より広い。本
発明は、上記方法によって製造された金属体も含む。
【０００６】本発明の上記及びその他の特徴について、
以下の図面と共に説明する。
【０００７】
【好適実施形態の説明】本発明は、金属粉末成型原料を
用いて金属部品の製造を意図するものである。この技術
においては、前述の米国特許第５４０１２９２号、第４
９７１７５５号に例示されるような多数の材料が知られ
ている。ここで、これらを参照として本明細書に含むも
のとする。好ましい金属粉末成型材料は、ドイツのBASF
AG, Ludwigshaffenによって販売されているCATAMOLD
（登録商標）316Lである。他のCATAMOLD（登録商標）原
料も、本発明に関して有効である。CATAMOLD（登録商
標）製品は、ステンレス鋼に代表される細かい金属粉末
の実質的に均一な混合物が、ポリアセタールバインダー
に結合されたものである。既知の金属粉末成型技術によ
れば、そのような金属粉末成型材料を、典型的には射出
成型によって成型し、素地を形成する。好適な射出成型
の条件は、BASF発行のCATAMOLD（登録商標）Feedstock
For Powder Injection Molding: Processing-Propertie
s-Application, BASF Aktienqesellshaft, 1997,9,19に
開示されており、ここで、これを参照として本明細書に
含むものとする。
【０００８】より詳しくは、本発明に係る方法によって
製造された金属体の一つであるエアフローノズルの例が
示された図面を参照する。図１〜図３を参照すると、ノ
ズル２０は供給ライン２４（図１の点線部参照）と接続
するためのネジ部２２を有する上流端２１を含む。上流
端２１は、ノズルの胴体部２３によって規定される内部
の空気室２５（図３参照）と連通する空気吸入路となっ
ている。空気室２５は、ノズル２０の下流端２８に配置
された複数の空気排気路２６（図２、３参照）と連通し
ている。それぞれの空気排気路２６は、一対の流量バッ
フル２７（図２参照）によって制限されている。さら
に、ノズル２０は、内部の空気室２５を通って延びる円
筒型の取り付け穴を含む。
【０００９】ノズル２０は、未だ素地の状態にある間に
互いに接続された複数の構成部品によって形成されてい
る。図示の実施形態においては、ノズル２０は２つの構
成部品、すなわち、第１と第２の構成部品３１，４１に
よって形成されている。図４〜図６に描写されているよ
うに、素地の状態にある第１の部品３１は、完成された
ノズルにおいて空気室２５を規定するための凹部３８
と、貫通穴３０を規定するための穴３９とが形成された
胴体部３７から構成される。さらに、構成部品３１は、
環状の穴の組合せ領域３９や正面の組合せ領域３４と同
様に、第２の構成部品（図７〜図９に素地の状態が示さ
れる）の周辺領域と補完的に組み合わせるように設計さ
れた周辺部や組合せ領域３２によって規定される。
【００１０】図７〜図９に見られるように、素地の状態
にある第２の構成部品４１は、空気室２５の反対側を規
定する凹部４５と、上部構成部品の穴３９と結合し連通
するように設計された穴４３とが形成された本体部４２
を含む。さらに、第２の構成部品４１には、ノズルを形
成する際に、第１の構成部品の周辺領域と補完的に組み
合わせるように設計された周辺部又は組合せ領域４６，
４７，４８が形成されている。
【００１１】構成部品は、ノズルの使用時に完成された
ノズルの部品間の継ぎ目から空気が逃げない密封シール
で組み合わされ、組み立てられなければならないことが
分かるであろう。この密封シールは、金属部品のサービ
スにおいて直面しうる圧力で、接合された部品の継ぎ目
から空気やその他の流体が逃げることを防止するべきも
のである。例えば、流量ノズル２０では、密封シール
は、少なくとも約１５psigの圧力に耐えられなければな
らない。しかしながら、そのような成型部品を備えた製
品においては、そのような操作圧力に十分に耐えうる強
度で信頼性のある密封シールを得ることは可能ではなか
った。
【００１２】本発明によれば、素地の構成部品を一緒に
集め、組合せ面に沿って超音波溶接をして単一の素地ア
センブリを形成する。それを結合解除し、焼結し、それ
ぞれの超音波接合点において密封シール結合を有する金
属体を形成する。例示された実施形態では、構成部品３
１，４１は組合せ面領域のそれぞれに沿って超音波溶接
される。組合せ面領域には、凹部を囲んで規定する組合
せ面領域３２，４６、穴部を囲んで規定する組合せ領域
３３，４７、正面の組合せ領域３４，４８が含まれる。
溶接を生成するためには、ブランソン溶接機など適した
超音波溶接器具を使用することができる。溶接機は、超
音波溶接を生成するために適したいかなる溶接条件の下
で操作してもよい。
【００１３】本発明に合わせて、少なくとも１つの構成
部品の組合せ面領域は、超音波溶接中の部品間の超音波
溶接の形成を増強するため、反対側の構成部品の組合せ
領域と協同するエネルギディレクタが形成される。例示
された実施形態においては、第１の構成部品３１は、複
数の超音波エネルギディレクタ面を含んでいる。これ
は、例示された実施形態では、周辺リブ３２、穴３９を
囲む環状のリブ３３、一連の正面リブ３４を構成してい
る。超音波溶接の技術の当業者は、そのようなリブが他
の適切な形状をとることを認めるが、特に図５及び図６
に見られるように、それぞれのリブは好ましくは実質的
に三角形の断面を有する。第２の構成部品の外側に突出
した平面４６，４７及び４８は、それぞれが、第１の構
成部品３１のエネルギディレクタ面と接触する役目を果
たしている。
【００１４】図１０は、超音波溶接の直前に一緒に配置
された構成部品３１，４１を示す図である。図に見られ
るように、エネルギディレクタ面（リブ３２）は、接触
面４６と係合接触するように配置されている。部品を互
いに超音波溶接すると、図１１に示された素地アセンブ
リ５０が形成される。素地アセンブリの他の部分は、図
１２，図１３に示されている。一般的に素地の超音波溶
接部分は溶接領域を規定し、それは、超音波溶接によっ
て塞がれる部品４１の（構成部品３１との）接触面とし
て規定される。
【００１５】本発明の更なる態様を実行し、完成された
製品の構成部品間の結合強度を高めるために、構成部品
の組合せ領域は、他の構成部品の接触面に接触するよう
にエネルギディレクタ面がおかれた場合に、好ましくは
平行でかつ空隔が開けられているような相互に係合して
いる結合面をさらに有する。相互の部品の超音波溶接
は、エネルギディレクタ面の材料が溶けることによって
変形を起こさせる。これにより、素地の結合面、又は相
互に接触する表面、又は重なり合いによって規定される
第２の構成部品に第１の構成部品が一旦溶接されると、
図１０中において表面５１，５２で例示された結合面
は、接触され、あるいは互いに近接される。この素地結
合面は、望ましくは超音波溶接によって規定される溶接
領域より広い。これにより、素地アセンブリが結合解除
され焼結されると、素地の結合領域における構成部品の
結合は、超音波溶接によって生成される結合より強い。
図１３は、他の超音波接合５３と、隣接する結合領域５
６，５７を示す図である。
【００１６】図１４、図１５は、本発明の他の実施形態
を示す図である。図１５に見られるように、構成部品３
１´は、結合構成部品４１´の係合壁部６１とぶつかる
サイズの壁部によって規定される衝突部６０を含む。二
つの構成部品３１´，４１´は溶接ステップ中に、一緒
に超音波溶接され、衝突部６０の衝突材料が溶けて変形
し、図１４に示されるような素地アセンブリ５０´が形
成される。
【００１７】本発明のいずれの実施形態においても、一
旦素地が形成されると、従来の金属粉末成型技術、ある
いは適切な他の方法に従ってディバインドされ焼結され
る。例えば、素地アセンブリがCATAMOLD（登録商標）材
料によって形成されたときは、素地アセンブリの結合解
除は、触媒のみによる結合解除、又は触媒と熱による結
合解除を含むことができる。素地アセンブリを結合解除
した後に、結合解除された素地は、従来のあるいは適切
な温度によって焼結され、金属体が形成される。一般的
に、素地アセンブリは焼結中に収縮し、そうでなくとも
変形するので、最終的には、製造された素地アセンブリ
より小さい、あるいは変形した金属体が得られる。
【００１８】このように形成された金属体は、焼結する
ことによって超音波溶接の接合部に沿って密封シールさ
れる。本発明の図示された実施形態に関しては、空気の
通路を許容するために要求される空気吸入口、空気排出
口を除いて、ノズル２０の空気室２５は実質的に密封シ
ールされる。
【００１９】このように、本発明は、圧力容器や流量ノ
ズルや付属品のような密封シールされた中空金属体を製
造する方法を提供する。本発明は、流量ノズルや圧力容
器など、特に中空の空洞を有する金属体の製造に適用さ
れることが理解されるが、他の金属体の製造に適用する
ことができることも理解されよう。
【００２０】上記したように図を用いて特定の実施形態
について詳細に説明したが、本発明はさまざまな変形
や、別の構成とすることが可能である。上記実施形態
は、開示された特定の形態に限定することを意図するも
のではないということを理解しなくてはならない。それ
とは反対に、その意図は、すべての修正、別の構成、本
発明の目的や範疇と同等のものを含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る方法によって製造された流量ノズ
ルの上面図である。
【図２】図１に示す流量ノズルの拡大正面図である。
【図３】図１に示す流量ノズルの３−３断面の拡大図で
ある。
【図４】図１に示す流量ノズルを製造するために用いら
れる第１の素地構成部品の上面図である。
【図５】図４の５−５断面図である。
【図６】図４の６−６断面の拡大図である。
【図７】図１に示す流量ノズルを製造するために用いら
れる第２の素地構成部品の下面図である。
【図８】図７の８−８断面図である。
【図９】図７の９−９断面の拡大図である。
【図１０】図４〜６に示す第１の素地構成部品と図７〜
９に示す第２の素地構成部品とからなる、図３に示す金
属体のＡ領域に相当する部分の超音波溶接の直前の段階
における断面図である。
【図１１】図１０に示す構成部品を超音波溶接した素地
アセンブリの断面図である。
【図１２】第１と第２の構成部品を超音波溶接して形成
された素地アセンブリからなる図３に示す金属体の１２
−１２断面に相当する図である。
【図１３】素地アセンブリからなる図３に示す金属体の
Ｂ領域に相当する断面図である。
【図１４】二つの素地構成品を超音波溶接して形成され
る素地アセンブリの別の実施形態の断面図である。
【図１５】図１４に示す素地アセンブリを製造するため
の素地構成部品の断面図である。
【符号の説明】
２０…エアフローノズル、２１…上流端、２２…ネジ
部、２３…胴体部、２４…供給ライン、２５…空気室、
２６…空気排気路、２７…流量バッフル、２８…下流
端、３０…貫通穴、３１…第１の構成部品、３２…周辺
リブ３２、３３…輪帯状のリブ、３４…正面リブ、３７
…胴体部、３８…凹部、３９…穴、４１…第２の構成部
品、４２…胴体部、４５…凹部、４６，４７，４８…組
合せ領域、５０…素地アセンブリ、５１，５２…表面、
５３…超音波接合部、５６，５７…接着領域、６０…衝
突部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ティモシー エイチ． ヘネシー アメリカ合衆国， イリノイ州， プレイ ンフィールド， ブレイクリー ドライヴ 24940

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 成型された金属粉末材料によって構成さ
    れると共に、超音波エネルギディレクタ面を有する第１
    の素地構成部品を準備するステップと、 成型された金属粉末材料によって構成される第２の素地
    構成部品を準備するステップと、 前記第２の構成部品の接触面に前記第１の構成部品のエ
    ネルギディレクタ面を接触させて前記第１と第２の構成
    部品を一緒に配置するステップと、 前記第２の構成部品の接触面に位置決めされる超音波溶
    接を形成するように前記第１の構成部品を前記第２の構
    成部品に超音波溶接して素地アセンブリを形成するステ
    ップと、 前記素地アセンブリを結合解除するステップと、 前記素地アセンブリを焼結して前記超音波溶接で密封シ
    ールされた金属体を形成するステップと、 を備える金属体の製造方法。
  2. 【請求項２】 前記エネルギディレクタ面は、略三角形
    の断面を有するリブによって構成される請求項１に記載
    の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記エネルギディレクタ面は、前記第２
    の構成部品の係合壁部にぶつかるサイズの壁部によって
    規定された衝突部によって構成される請求項１に記載の
    製造方法。
  4. 【請求項４】 前記第１と第２の部品は、前記第１の構
    成部品に前記第２の構成部品を超音波溶接する際に素地
    結合領域を規定する相互係合結合面を有する請求項１に
    記載の製造方法。
  5. 【請求項５】 前記溶接は溶接領域を規定し、前記素地
    結合領域は前記溶接領域より広い請求項４に記載の製造
    方法。
  6. 【請求項６】 前記結合解除は、熱的結合解除である請
    求項１に記載の製造方法。
  7. 【請求項７】 請求項１の方法によって製造された金属
    体。
  8. 【請求項８】 金属粉末成型材料から、超音波エネルギ
    ディレクタ面を有する第１の素地構成部品を成型するス
    テップと、 金属粉末成型材料から、第２の素地構成部品を成型する
    ステップと、 前記第２の構成部品の接触面に前記第１の構成部品のエ
    ネルギディレクタ面を接触させて前記第１と第２の構成
    部品を一緒に配置するステップと、 前記第２の構成部品の接触面に位置決めされた超音波溶
    接を形成するように第１の構成部品を第２の構成部品に
    超音波溶接して素地アセンブリを形成するステップと、 前記素地アセンブリを結合解除するステップと、 前記素地アセンブリを焼結して前記超音波溶接で密封シ
    ールされた金属体を形成するステップと、 を備える金属体の製造方法。
  9. 【請求項９】 前記エネルギディレクタ面は、略三角形
    の断面を有するリブによって構成される請求項８に記載
    の製造方法。
  10. 【請求項１０】 前記エネルギディレクタ面は、前記第
    ２の構成部品の係合壁部にぶつかるサイズの壁部によっ
    て規定された衝突部によって構成される請求項８に記載
    の製造方法。
  11. 【請求項１１】 前記第１と第２の部品は、前記第１の
    構成部品に前記第２の構成部品を超音波溶接する際に素
    地結合領域を規定する相互係合結合面を有する請求項８
    に記載の製造方法。
  12. 【請求項１２】 前記溶接は溶接領域を規定し、前記素
    地結合領域は前記溶接領域より広い請求項１１に記載の
    製造方法。
  13. 【請求項１３】 前記結合解除は、熱的解除である請求
    項８に記載の製造方法。
  14. 【請求項１４】 請求項８の方法によって製造された金
    属体。
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