JP2001303108A5

JP2001303108A5 -

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Publication number: JP2001303108A5
Application number: JP2001031312A
Authority: JP
Filing date: 2001-02-07
Publication date: 2011-11-24

Description

【書類名】明細書
【発明の名称】密封シールを有する金属体の製造方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】成型された金属粉末材料およびバインダによって構成される第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およびバインダ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１の素地構成部品と前記第２の素地構成部品を一緒に配置するステップと、
前記第１の素地構成部品を前記第２の素地構成部品に超音波溶接してそれらの表面間に超音波接合部を形成し、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脱バインダするステップと、
前記素地アセンブリを焼結するステップと、
を備える、密封シールされた中空の金属体の製造方法であり、
前記成型された金属粉末材料およびバインダによって構成される第２の素地構成部品が、接触面を有する周辺領域を備え、
前記成型された金属粉末材料およびバインダによって構成される第１の素地構成部品が、前記第２の素地構成部品の前記接触面と接触関係の位置に配置される超音波エネルギ配向面を有する相補的な周辺領域を備え、
前記超音波エネルギ配向面および前記接触面がそれぞれ、前記第１の素地構成部品のリブおよび前記第２の素地構成部品の平面であり、
前記第１の素地構成部品の前記超音波エネルギ配向面を、前記第２の素地構成部品の前記接触面と接触する位置に配置し、
前記超音波溶接するステップを、前記各周辺領域に沿って前記超音波接合部が形成されるように、前記超音波エネルギ配向面が前記接触面と接触関係にある状態でおこない、
前記脱バインダするステップおよび前記焼結するステップを、前記超音波接合部によって形成された、前記超音波エネルギ配向面と前記接触面との間の接合に沿う密封シール接合を有する金属部品を形成する、金属体の製造方法。
【請求項２】成型された金属粉末材料およびバインダによって構成される第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およびバインダ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１の素地構成部品と前記第２の素地構成部品を一緒に配置するステップと、
前記第１の素地構成部品を前記第２の素地構成部品に超音波溶接してそれらの表面間に超音波接合部を形成し、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脱バインダするステップと、
前記素地アセンブリを焼結するステップと、
を備える、密封シールされた中空の金属体の製造方法であり、
前記成型された金属粉末材料およびバインダによって構成される第２の素地構成部品が、接触面を有する周辺領域を備え、
前記成型された金属粉末材料およびバインダによって構成される第１の素地構成部品が、前記第２の素地構成部品の前記接触面と接触関係の位置に配置される超音波エネルギ配向面を有する相補的な周辺領域を備え、
前記超音波エネルギ配向面および前記接触面がそれぞれ、第１の素地構成部品の衝突部および第２の素地構成部品の壁部であり、
前記第１の素地構成部品の前記超音波エネルギ配向面を、前記第２の素地構成部品の前記接触面と接触する位置に配置し、
前記超音波溶接するステップを、前記各周辺領域に沿って前記超音波接合部が形成されるように、前記超音波エネルギ配向面が前記接触面と接触関係にある状態でおこない、
前記脱バインダするステップおよび前記焼結するステップを実行して、前記超音波接合部によって形成された、前記超音波エネルギ配向面と前記接触面との間の接合に沿う密封シール接合を有する金属部品を形成する、金属体の製造方法。
【請求項３】前記リブが略三角形の断面を有する請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】前記衝突部が前記第２の素地構成部品の壁部に衝突係合するサイズの壁部によって規定された請求項２に記載の製造方法。
【請求項５】前記第１の素地構成部品と前記第２の素地構成部品は、前記第１の素地構成部品に前記第２の素地構成部品を超音波溶接する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または２に記載の製造方法。
【請求項６】前記素地結合領域は超音波溶接される領域より広い請求項５に記載の製造方法。
【請求項７】前記脱バインダは、熱的な脱バインダである請求項１または２に記載の製造方法。
【請求項８】前記金属粉末材料およびバインダを成型することによって、前記第１の素地構成部品を準備するステップと、
前記金属粉末材料およびバインダを成型することによって、前記第２の素地構成部品を準備するステップと
を含む、請求項１または２に記載の製造方法。
【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脱バインダされ、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 Preparing 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、脱バインダと焼結をする前に、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（超音波エネルギ配向面を有する）と第２の部品を準備するステップ、超音波エネルギ配向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、素地アセンブリを脱バインダするステップと、脱バインダ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４９７１７５５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BASFAG, 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-Properties-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。それを脱バインダし、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３１，４１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配向面を含んでいる。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のエネルギ配向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、エネルギ配向面（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配向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、エネルギ配向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、素地アセンブリが脱バインダされ焼結されると、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５６，５７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３１´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、素地アセンブリの脱バインダは、触媒のみによる脱バインダ、又は触媒と熱による脱バインダを含むことができる。素地アセンブリを脱バインダした後に、脱バインダされた素地は、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。