JP2001522722A - ガス等静圧加工法 - Google Patents

ガス等静圧加工法

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Abstract

(57)【要約】 ニアネットシェイプ加工物を高密度化するガス等静圧鍛造プロセスを開示する。加工物（22）は以前の加工工程（14）等鍛造プロセスに先立って加熱される。加工物は圧力容器（12）内に装入される。圧力容器を急激に加圧（16）し、急激な加圧により容器内の気体を高密度にして高い歪速度を達成し、加工物内の空隙の最終的閉鎖を助長しながら、歪速度の増加が加工物に関する変形応力条件を低くして、塑性変形を容易に行う。気体の粘度を増加し、気体の加工物内部への吸収を低減又は防止しながら、材料の気泡破壊又は空隙除去を行いながら塑性変形を起こさせる。その後、圧力容器を減圧し、加工物を取出す。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連する案件の相互参照】
本願は、ホッジ（Hodge）その他によりガス等静圧加工法に1995年12月11日出 願された米国特許出願第 08/570,393号の継続出願として、ホッジ（Hodge）その
他によりガス等静圧加工法に1997年8月27日出願された米国特許出願第 08/924,5
40号の部分継続出願（ＣＩＰ）である。本願は現在放棄された1995年4月6日付け
で提出された米国特許出願第USSN 08/417,936号にも関連する。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は材料の高圧加工の分野、また即ち材料を高密度化してニアネットシェ
イプ製品（最終製品に近い形状を有する製品）を成形するために高温と組合せた
等静圧の使用に関する。即ち、本発明は従前の製造プロセスとインライン（直列
操作型）ガス等静圧鍛造技術を使用した加工物の加工方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】
従前の熱間等静圧圧縮（ホットアイソスタティック圧縮成形）（HIP）は粉末 、セラミックス、複合及び金属粉末成分の圧縮及び/又は高密度化に利用されて きた。従前のHIPプロセスは一般的に特定の加工物を圧縮及び/又は高密度化する
ために高温と等静圧を組合せる。HIPプロセスは、少なくとも（1）加工物を長時
間にわたって高い温度と圧力に維持しなければならない、（2）加工物が長時間 にわたってHIPプレスを占有するため、処理量を低減し加工コストを増大させる 、（3）最終的な空隙閉鎖は応力に起因する塑性変形よりむしろクリープ及び/又
は拡散による場合が殆どである等の難点を含む。更に、HIPプロセスは、その他 の圧縮プロセスと同様に、製造された加工物に対して実施される。よって、従前
の技術を使用すると加工物を高密度化するのに別個の2つのプロセスを要する。
【０００４】 代表的な高密度化技術と装置は下記の米国特許に開示されている：米国特許番号 発明者（単・複） 交付日 2,878,140 H.N.バール 1959年3月17日 3,184,224 D.P.シェリー 1965年5月18日 3,279,917 A.H.バラード他 1966年10月18日 3,284,195 J.M.グージン他 1966年11月8日 3,363,037 R.P.リービー,Jr.他 1968年1月9日 3,419,935 W.A.フェイラー他 1969年1月7日 3,562,371 E.A.ブッシュ 1971年2月9日 3,571,850 H.A.ポホト 1971年3月23日 3,577,635 C.バーグマン 1971年5月4日 3,748,196 GA.ケムニー 1973年7月24日 4,245,818 F.W.エルハウス他 1981年1月20日 4,359,336 A.G.ボールズ 1982年11月16日 4,388,054 H.G.ラーソン 1983年6月14日 4,431,605 R.C.ルーイス 1984年2月14日 4,435,360 J.P.トロッティエ他 1984年3月6日 4,480,882 L.モーラテリ 1984年11月6日 4,564,501 D.ゴールドスタイン 1986年1月14日 4,582,681 A.アサリ他 1986年4月15日 4,591,482 A.C.ナイス 1986年5月27日 4,601,877 T. フジイ他 1986年7月22日 4,612,162 R.D.モーガン他 1986年9月16日 4,615,745 ゴランソン他 1986年10月7日 4,616,499 R.M.グレイ 1986年10月14日 4,684,405 J.コラスカ他 1987年8月4日 4,704,252 G.D.ファフマン 1987年11月3日 4,710,345 Y.ドイその他 1987年12月1日 4,744,943 E.E.ティム 1988年5月17日 4,756,680 T.イシイ 1988年7月12日 4,810,289 N.S.ホガー他 1989年3月7日 4,836,978 R. ワタナベ他 1989年6月6日 4,856,311 R.M.コナウェイ 1989年8月15日 4,921,666 T. イシイ 1990年5月1日 4,931,238 H. ニシオその他 1990年6月5日 4,942,750 R.M.コナウェイ 1990年7月24日 4,981,528 L.G.フリッツメイヤー他 1991年1月1日 5,032,353 W.スマースリー他 1991年7月16日 5,041,261 S.T.ビュルジャン他 1991年8月20日 5,069,618 J.L.ニーバーディング 1991年12月3日 5,080,841 H. ニシオ 1992年1月14日 5,110,542 R.M.コナウェイ 1992年5月5日 5,118,289 C.バーグマン他 1992年6月2日 5,174,952 P.ジョンゲンブルガー他 1992年12月29日 5,445,787 I.フリードマン他 1995年8月29日
【０００５】 初期の方法は、加工物に対する圧力の等静加圧を確保するため圧力伝達媒体の
使用に焦点を合わせた。初期に開発された装置は非常に複雑であった。最近、従
前のHIPプロセスの問題点を解決する試みでは多くの方法と装置が開発された。 加工時間を有意的に短縮する「迅速HIP法（Quick-HIPプロセス）」又は「高速HI
P法（Fast-HIPプロセス）」が開発された。「迅速HIP法」又は「高速HIP法」は 高圧を生成するため気体の熱膨張を介して実施される。しかしながら、前記方法
は温度と圧力を単動制御できない。 前記米国特許のうち、イシイに交付された米国特許第4,921,666号は加工物が 最初に圧力容器外で加熱されるHIPプロセスを開示している。加工物が一旦圧力 容器内に移動されると、温度と圧力の両方が増加される。これを達成するため、
加工物と加熱室の両方が圧力容器内に導入される。イシイは予熱と冷却時間の短
縮手段を開示しているが、加工物を加圧するのに要する時間は伝統的なHIPプロ セスと変わらない。当該技術で周知のように、HIPプロセスは、低い歪速度プロ セスを表わすクリープと拡散を通じて加工物を高密度化する。 米国特許第 5,110,542号は、圧力容器内で圧力を上げるために加熱要素を使用
し、加工物の温度を上げるためには別の加熱要素を使用する材料の高速高密度化
装置を開示する。加工物が一旦加熱されてから冷却される速さは、その装置が実
際に許容する制約により制限される。また、装置の使用可能容量は２チャンバと
内部の炉の使用により制限される。更に、加工物の装入と取出時間が循環時間よ
り長い。
【０００６】
【発明の概要】
従って、ネットシェイプ製品又はニアネットシェイプ製品を生産できる加工物
の高密度化方法を提供するのが本発明の一つの目的である。 圧密化のメカニズムが歪速度の高い塑性変形である前記方法を提供することも
本発明の他の目的である。 また、比較的短時間で加工物の高密度化を可能にする前記方法を提供すること
も本発明の別の目的である。 更に、非制限的に粉末材料と鋳造物を含む多種多様な加工物材料で使用できる
前記方法を提供することも本発明のもう一つの目的である。 本発明のもう一つの目的は、圧力容器内のチャンバの実質的部分に加工物を配
置するように構成された圧力容器内で加工物を高密度化する前記方法を提供する
ことである。
【０００７】 上述の諸目的は本発明の方法により達成される。 本発明に基づき、ニアネットシェイプの最終製品を生産するための加工物の高
密度化方法は、加工物を加工するために加工物と圧力容器を供給する工程と、加
工物を鍛造できる温度まで圧力容器外で加工物を加熱する工程と、加工物がその
温度にある間に圧力容器まで加工物を移動する工程と、それ以上の加熱なしにか
つ塑性変形により加工物内の空隙を閉鎖するのに充分な速度で工物に圧力を加え
る工程とを含む。加圧工程は圧力容器内で加圧された状態のアルゴン、窒素又は
それらの混合物等の気体媒体を導入する工程を含む。この気体媒体は急激にエネ
ルギを伝えて加工物を成形するガス・ハンマとして働く。
【０００８】 本発明の方法による他の実施の形態では、加熱工程の前に加工物表面に被覆を
形成する。本発明の方法による別の実施の形態では、加熱工程の前に加工物の表
面を機械的に前処理するか又はフラッシュ・マイクロ波加熱技術を使用して部分 的に密閉する。 本発明によるガス等静圧加工法は、ガス等静圧鍛造を行うのに粉末材料と鋳造
物を使用することができる。 本発明による別の実施の形態では、加熱工程に使用する加熱器具から断熱板を
介して加工物を圧力容器に移動して、移動工程中の熱損失を最小限に抑制できる
。 本発明によるガス等静圧加工法の他の詳細及び付随する他の利点と目的は、各
要素を示す添付図面の参照数字と共に下記の通り説明する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明によるガス等静圧加工法はニアネットシェイプ製品を形成するために材
料を圧密化する目的を有する。空気式等静圧鍛造（PIF）として知られる方法は 、圧密化又は高密度化メカニズムとして加工物を構成する材料の高い歪速度での
塑性変形を利用する。本明細書中の用語「高い歪速度」は約1秒〜約120秒までの
時間範囲中に、最も好ましくは約1秒〜約20秒までの時間範囲中に生成される約1
0%〜約20%までの歪速度範囲を意味する。このプロセスは、加工物を実質的に均 質に圧密化するために加えられる実質的に等しい大きさの三軸圧縮力を生成する
気体媒体を利用する。空気又は気体の圧力により加圧速度及び材料変形速度の優
れた制御が可能となる。また、気体媒体の使用により加工物に対する信頼性のあ
る非機械的接触で最終的造形を行うことができる。更に、アルゴン等の気体の圧
縮媒体は2000℃を超える温度で安定状態に保持される。本発明の基礎原理は、気
体吸収に伴う差動駆動力の損失を発生しない方法で材料表面を急速に気泡破壊す
ることである。
【００１０】 標準的なHIPプロセスに比較して、本発明のガス等静圧鍛造工程10は加工物22 を加工する際に高速の工程入力及び工程出力となる。プロセス10は、サイクル時
間を短縮するため加工物が加熱された先工程14、14’からの熱を利用する。 PIFプロセスの概略を図示す流れ図を第1図に示す。図示のように、鍛造される
加工物22は被覆圧縮紛、被覆なしの圧縮紛及び鋳造品を含んでもよい。PIFプロ セスでは、鍛造される加工物22は鍛造作業が行われる圧力容器12外で加熱される
。粉末冶金製品の熱源は予備焼結品、結合分離(de-binder)機又は高温被覆炉14 でもよい。鋳造品の熱源は欠陥の修復中に使用する鋳造炉（図示せず）等でもよ
い。圧力容器12は気体で圧力容器を加圧するポンプ式圧縮機（図示せず）付きの
加圧器を備えている。圧力容器12内の圧力は可変で制御できる。 少なくとも約4200 kg/cm2（60,000 psi）の圧力に耐えるように圧力容器12を 構築するのが好ましい。約8〜30秒以内に少なくとも約4200 kg/cm2 (60,000 psi
)まで圧力を生成できるポンプ・システムが本発明のプロセスでは特に利用価値が
ある。しかしながら、本明細書に記載する以外の材料がより高い又は低い圧力で
より効率的に働くことが予想できれば、本発明は前記仕様に限定されない。
【００１１】 望ましい実施の形態では、圧力容器12は加工物22とそれに付属の何らかの単数
又は複数の取付具が容積の約80〜90％を占有するチャンバ20を有する。一つの結
果として、温度と圧力の条件が低減される。最小の周辺ガスが加工物22により加
熱されるため、最も影響があるのは温度条件である。このように、加工物22はそ
の温度をよりよく保温でき、またより効率的なプロセスが得られる。本発明によ
る加工物のガス等静圧加工法では、加工物を構成する材料の流動応力条件が鍛造
気体媒体により生成される応力レベルより低くなる温度まで、加工物22は圧力容
器12外の加熱手段により加熱される。加工物が外部の加熱手段で加熱される温度
は、加工物を加熱したままで圧力容器12まで移動することができ、また圧密化を
達成するまで流動応力を気体媒体の駆動応力より低く維持するに充分な残留温度
をまだ保持する温度でなければならない。加熱中、加工物を完全に加熱し、熱的
に安定化しかつ熱的平衡に達するまで充分な時間、所望の温度に加工物全体を保
持する。所望の温度は明らかにそれぞれ異なる材料により変わる。典型的な温度
はアルミニウムで525℃、銅で900℃、また鉄で1225℃である。
【００１２】 前述のように、加熱された加工物は圧力容器チャンバ20に移動される。第2図 に示すように断熱板を介してチャンバ20に加熱した加工物22を移動することが望
ましい状況もある。 加熱された加工物は、圧力容器チャンバ20内で約700 kg/cm2 (10,000 psi)と 約4200 kg/cm2 (60,000 psi)の範囲内の目標圧力を有するガス圧力の影響下に置
かれる。圧力容器チャンバ20内に配置される間、加工物22には如何なる加熱も行
われず、これにより本発明のプロセスは熱間等静圧プロセスと区別される。 前述のように、加工物22を圧密化又は高密度化するメカニズムは、塑性変形を
引起す材料内で高い歪速度を生成することである。4200 Kg/cm2 (60,000 psi)と
高い圧力レベルまで加工物を急激に加圧することにより高い歪速度が与えられる
。本発明の好適な実施例では、窒素、アルゴン及びそれらの混合物等の気体媒体
を介して加工物22に圧力が加えられる。気体媒体の急激な加圧により、加工物に
よる気体の吸収が制限され、加工物を高密度化できることが判明した。このため
、加工物の単数又は複数の表面に作用して、加工物を構成する材料を圧密化する
正味の圧力が存在する。
【００１３】 本発明のプロセスの実施では約21（300）〜約280 kg/cm2/秒 (4000 psi/ sec
）の範囲の圧力上昇率が有効であることが判明した。他方、通常のHIPプロセス は0.35（5）〜0.56 kg/cm2/秒（8 psi/sec）の平均圧力上昇率を使用する。また
気体の流れの開始時点から約15秒以内に材料の目標圧力に達することが望ましい
。特に有効な圧力上昇率の範囲は約21 kg/cm2/秒（300 psi/sec）〜約105kg/cm2 /秒（1500 psi/sec）であることが分った。最も好ましい圧力上昇率は約21kg/cm 2 /秒（300 psi/sec）〜約84 kg/cm2/秒（1200 psi/sec）の範囲である。 本発明の一実施の形態では、気体ポンプ・システムの初期化による初期圧力パ ルスと所定圧力レベルまでの急速な加圧との組合せによって圧力上昇率を達成で
きる。急速な加圧段階中の圧力上昇カーブは均一な線分、即ち、約42 kg/cm2/秒
（600 psi/sec）〜約52.5 kg/cm2/秒（750 psi/sec）の区分的線形増加である
ことが望ましい。チャンバ20内の圧力が所望のレベルに達したとき、それを一定
時間、通常、約10秒〜約120秒間保圧する。この時間中に、加えられた圧力が材 料に歪速度を発生し、その流動応力条件を無効にする又は克服することにより材
料を塑性変形させる。 初期圧力パルス段階では、約25〜30秒以内に約1400kg/cm2（20,000 psi）の圧
力に達すること、換言すれば、圧力上昇率が約45.5 kg/cm2（650 psi/sec）〜約
56 kg/cm2（800 psi/sec）の範囲であることが望ましい。この範囲内の圧力上 昇率で、気体は高密度化しまた吸収力が低くなる。初期圧力に達した後、約1400 kg/cm2（20,000 psi）〜約4200 kg/cm2（60,000 psi）の範囲内まで容器内を 加圧することができる。
【００１４】 急速な加圧を達成するのに利用できる一つのアプローチはポンプ・プロセスを 補佐するため蓄圧器（アキュムレータ）を設けることである。チャンバ20を加圧
すると、圧力は気体貯蔵システムの圧力を補償するまで急激に上昇する。アキュ
ムレータとして接続した追加の貯蔵器を使用して、サイクルの初期に追加の圧力
パルスを供給することができる。これは1400 kg/cm2（20,000 psi）までシステ ムを加速的に加圧するのに有効である。 より低い圧力を使用できるが、本発明によるプロセスの一つの望ましい目標圧
力範囲は約3150 kg/cm2（45,000 psi）〜約 4200 kg/cm2（60,000 psi）である 。加工物22を約10〜約120秒間は目標圧力に維持した後に圧力を緩和する。この 圧力を約10〜約60秒間以内に緩和するのが望ましい。一旦圧密化した後、所望の
特定最終効果又は最終製品を求めて、圧力下で冷却するか又は圧密化の直後に圧
力チャンバ20から加工物を取出して追加の冷却装置で冷却することができる。 鍛造工程中に2段階の圧力サイクルを使用するのが好ましいが、容器12を加圧 して、圧力調整器を介して必要な鍛造圧まで均一に加圧することもできる。 全鍛造サイクルには、(1)加工物22の圧力容器12への装入、(2)圧力容器12内に
閉鎖シールの確立、(3)高速加圧を使用して容器12の加圧、(4)容器12内の圧力の
維持、(5)容器12の減圧、及び(6)高密度化された加工物22の取出しの工程が含ま
れる。全サイクルは1〜5分の範囲であり、工程(1):約10〜45秒；工程(2):約15〜
20秒、工程(3)と(4):10〜120秒；工程(5):10秒；工程(6):約20〜30秒に分割され
る。
【００１５】 前述のように、本明細書で説明するプロセスは、前加工工程からの潜熱を利用
するので、圧力容器12内の加工物22を加熱する必要がない。このため、圧力容器
の有効容量を最大化することができる。潜熱を使用する例には、溶融材料から加
工物22を成形し、加工物を熱間圧延、焼鈍又はその他の熱処理を行うシステムが
含まれる。従来では、過剰な材料を取除き、出荷に対する取扱い又は他の取扱い
の前に熱処理された加工物22をまず冷却した。しかしながら、本発明では、加熱
された加工物は加熱された状態で圧力容器内に移動される。 加工物22は等圧の鍛造圧が加えられる前は全体的に均一な温度であり、圧力加
工物の等静圧加圧と均一な塑性変形が可能となり、従って他のプロセスで要求さ
れる温度より低い50〜400℃の範囲の温度を使用できる。更に、その温度及びそ の高い等圧鍛造圧での保圧時間は、通常、約8〜約30秒である。これにより、加 工物22のミクロ組織を制御すると共に、加工物全体に均一な最適特性を与えるこ
とができる。 前述のように、容器12は、いくつかの利点を与える高速加圧を使用して加圧さ
れる。即ち、第１に、高速加圧は加工物22内の空隙の最終的閉鎖を助長する充分
に高い歪速度を達成することができる。その高い歪速度により、気体媒体が加工
物内に侵入せずまた所望の差圧を乱さないように加工物22内の空隙を閉鎖するこ
とができる。 更に、高速加圧が容器12内の気体を高密度化するのに役立つことにより、加工
物22中への気体の吸収を実質的に低減するか又は完全に防止しながら、気体の密
度が増加する。加工物22内への気体の吸収を防止することにより、加工物の内圧
と表面圧の差異が維持され、これにより、加工物22を構成する材料の「気泡破壊
」を行い、塑性変形又は空隙の除去を行うことができる。また、加熱プロセスか
ら移動した後に加工物22に全く熱を供給しないので、高速加圧により加工物22か
ら熱を強制的に除去し、よって高密度化後の加工物22を取出すため容器12を開く
前に必要な冷却時間が減少する。
【００１６】 加工物22を圧力容器内に装入するとき、加工物22内の空孔部の封入又は圧力伝
達媒体は普通必要ない。従来では、加工物の表面状態が多孔質であれば、加工物
22の空孔部の封入と圧力伝達媒体の両方が必要である。薄い皮膜又は前処理プロ
セスを使用して封入の必要性を回避することができる。金属、有機物、酸化物及
びこれらの組合せたコーティング又は被覆として適用できる様々の材料に対し多
様な被覆が開発されている。外側から中心部に向かって加工物22を加熱して、加
工物22内に被覆が広く拡散する場合、熱膨張の不整合により加熱と加圧中に被覆
が正常に作用しない場合又はより長いサイクルの場合に実施できなかった高密度
化及び欠陥の修復を高速加工と被覆処理の組合せにより行うことができる。 必要に応じて、２つの異なるタイプの被覆方法を使用できる。予熱炉で部分的
に焼結して本発明の方法による高密度化前に、別作業で回分式被覆が多くの構成
成分に施される。これらの被覆は、化学ニッケルめっき法やその他の従前のめっ
き法により0.025mm（0.001インチ）又はそれ以下の厚みで形成されたニッケルな
どの薄い金属被覆である。その他の鉄、クロム、チタン、銅、これらの金属の合
金、それらの混合物の薄い金属被覆及び金属酸化物の被覆は、物理的蒸気溶着、
化学的蒸気溶着又はプラズマ溶射により形成することができる。酸化物被覆等の
被覆は酸化ジルコニウムベースの被覆を使用して、水蒸気酸化処理、溶射又は浸
漬被覆により現場で形成することができる。この現場被覆は加工物22が焼結/予 熱炉14に供給されるときに形成できる。前記被覆は空気式等静圧鍛造用部品の前
処理中に約980℃までの温度で形成できる。別法として、加熱前に部分的又は完 全に金属箔で加工物を包装することもできる。 グリット・ブラストとショット・ブラストを含め、機械的な前処理工程を使用し
て、熱処理前に表面関連の孔径を減少することができる。また、フラッシュ・マ イクロ波加熱処理を加工物の表面に施して、熱加工前に表面の孔を閉鎖すること
ができる。 ばらばらの粉末又は低密度の生の部品を鍛造で形成するときに封入を利用でき
る。しかしながら、アルゴンや窒素等の非常に密な流体で鍛造するときは、圧力
伝達媒体も鍛造型も必要ない。交換に費用がかかりまた劣化の危険がある鍛造型
を必要としないことは特に有利である。
【００１７】 本発明の空気式等静圧鍛造プロセス10は、銅、ニッケル、クロム、鉄鋼、チタ
ンとアルミニウム合金及び金属複合材料を含め多くの材料の高密度化に利用でき
る。また、本発明のプロセス10は封入された無支持の粉末又は予備成形のいずれ
でも、粉末金属材料の高密度化の達成に使用できる。粉末金属材料は本発明のプ
ロセスを実施する前に、従前の型プレス、冷間等静圧圧縮又は金属射出成形によ
りニアネットシェイプ加工物に圧縮することができる。更に、プロセス10はアル
ミニウム、チタン、ニッケル、合金鋼及び重合体と重合体複合材料中の鋳造欠陥
の修復に利用できる。本発明では、プロセス10は上記材料による鋳造の高密度化
と欠陥修復に限定されない。 本発明の方法10は、例えば885℃（1625°F）の温度と3850 kg/cm2（55,000 ps
i）の圧力を使用して100%の密度までスピノーダル（銅、ニッケル及び錫で構成 される材料類）粉末金属を高密度化するのに効果的であることが判明した。その
圧力は50秒間で大気圧から3850 kg/cm2（55,000 psi）まで加圧された。本発明 による方法10を使用して高密度化されたスピノーダル材料は小粒径及びその他の
望ましい機械的諸特性を示す。 本発明によるプロセス10を使用した実験室での試験で、加工物22に冷間高密度
化に加えて表面のグリット・ブラストを行ったとき、合金鋼の特性は最大になっ た。前記試験では予熱炉14を必要とした。鍛造温度は、モリブデン、レニウム及
びタンタルの合金：1150〜1200℃；合金鋼：900〜1150℃；チタン合金：845〜90
0℃であった。モリブデン、レニウム及びタンタルの合金では、圧力容器内の圧 力は60秒間で大気圧から3850（55,000）〜4200 kg/cm2（60,000 psi）の範囲に 加圧された。鋼とチタンの合金では、圧力容器内の圧力は45秒間で大気圧から31
50 kg/cm2（45,000 psi）まで加圧された。
【００１８】 金属複合材料の高密度化では、本発明の鍛造プロセス10の低い加工温度と短い
サイクル時間の組合せにより金属地と強化添加物の間の反応を最小限に抑制する
か又は排除することができる。これにより高い特性を備えた複合材料を製造する
ことができる。 本発明の特殊な使用法は加工物22内の鋳造欠陥の修復にある。修復プロセスは
通常数分間で、多くの場合、熱間等静圧圧縮による欠陥修復に要求される温度よ
り低位温度で達成できる。欠陥を閉鎖するのに必要な圧力は、鍛造温度での鋳造
合金のせん断流応力特性の関数である。アルミニウム鋳造品の欠陥修復は520℃ で700 kg/cm2（10,000 psi）〜1050 kg/cm2（15,000 psi）の圧力、10〜20秒の 保圧時間で実施された。圧力容器内の圧力は15〜20秒の間に大気圧から700 kg/c
m2（10,000 psi）〜1050（15,000 psi）の範囲まで加圧した。 試験を通じて、チタン合金の鋳造欠陥は845℃の温度と700 kg/cm2（10,000 ps
i）の圧力、1〜5分の保圧時間で修復された。圧力容器内の圧力は10〜15秒の時 間内に大気圧から700 kg/cm2（10,000 psi）まで上げられた。ニッケル合金の鋳
造欠陥は2800（40,000）〜3150 kg/cm2（45,000 psi）の圧力及びHIP温度より50
℃低い温度で修復された。圧力容器内の圧力は45〜50秒間で2800（40,000）〜31
50 kg/cm2（45,000 psi）の範囲に加圧された。2100〜3150 kg/cm2（30,000〜45
,000 psi）の圧力及びHIP温度より低い100〜125℃の間で合金鋼の鋳造欠陥は修 復された。圧力容器内の圧力は30〜50秒の範囲の時間で大気圧から2100〜3150 k
g/cm2（30,000〜45,000 psi）の範囲まで加圧された。欠陥の修復時間はニッケ ルと鋼合金ともに10〜60秒であった。
【００１９】 本発明のプロセス10を使用した空気式等静圧鍛造装置のエネルギ消費は、従来
の熱間等静圧圧縮装置を使用したときに消費されるエネルギ量に比較して著しく
少ない。即ち、エネルギ費は他のプロセスで要求されるレベルの10分の1又は100
0分の1である。エネルギの節約は短いサイクル時間、低い製造温度条件、先行工
程14’からの潜熱の使用、断熱板18を通じた加工物22の移動による熱の保存及び
10秒より短い保圧時間によって達成される。 上記説明から、従来の技術を超える利点を備えた空気式、等静圧鍛造プロセス
を得られることが当業者に認知されるであろう。即ち、本発明の空気式、等静圧
鍛造プロセスは先行する加工工程からの潜熱を利用する製造工程では他の従来の
工程に直結して実施できる。更に、このプロセスは加工物の処理に短いサイクル
時間を与える。更に、本発明のプロセスは媒体と封入の使用を回避するため表面
状態の多孔質に対して表面の前処理技術を利用できる。また鍛造型の使用も必要
としない。 本発明の好適な一実施の形態を示しかつ説明したが、それは開示を制限する意
図はなく、特許請求の範囲に定義される通りの発明の精神と範囲に入る修正及び
変更を網羅する意図であることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の空気式等静圧鍛造法の流れ図
【図２】 従前の製造工程から断熱板を介して圧力容器チャンバーまでの加工物
の移動を図示する概略図
【符号の説明】
10・・空気式等静圧鍛造プロセス、 12・・圧力容器、 14・・加工工程、
14'・・先行ステップ、 16・・加圧装置、 18・・断熱板、 20・・チャンバ 、 22・・加工物
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ， ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ， ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，Ｕ Ｓ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ Ｆターム(参考） 4E087 AA01 AA04 AA08 BA23 BA24 CA08 CA09 CB01 CB16 DB12 DB13 DB15 4E090 AA07 AB03 BA01 CA06 DA01 DB02 DB10 FA10 HA05 HA06

Claims (49)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 従前の加熱装置により加工物を加熱する従前の製造法内での加工
    物を加工する加工工程と、 加熱装置から加工物を取出す除去工程と、 圧力容器チャンバ内に加工物を移動する移動工程と 均一に上昇する圧力で加工物を加圧する加圧工程と、 一定時間圧力を保持する保持工程とを含むことを特徴とする加工物のインライ
    ンガス等静圧鍛造加工法。
  2. 【請求項２】 加工工程は、加工物を鍛造できる温度まで加工物を加熱した後、
    加工物を加熱せずに加圧する工程を含む請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 圧力容器チャンバは、加工物により実質的容積が充填される形状
    を有する請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 加工物が充填される圧力容器の実質的容積は少なくとも80%であ る請求項３記載の方法。
  5. 【請求項５】 従前のプロセスと圧力容器チャンバとの間に相互接続された断熱
    板を通じて圧力容器チャンバ内に加工物を移動して、加工物の移動工程中の熱損
    失を最小限に抑制する工程を含む請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 従前の加熱装置により加工物を加熱する従前の製造方法中で加工
    物を加工する工程と、 加熱装置から加工物を移動する工程と、 加工物の移動工程中の熱損失を最小限に抑制しながら、加熱装置と圧力容器チ
    ャンバとの間に相互接続された断熱板を通じて圧力容器チャンバ内に加工物を移
    動する工程と、 均一に上昇する圧力で加工物を加圧する工程と、 一定時間圧力を保持する工程と、 圧力容器内の圧力を解放し、圧力容器から加工物を取出す工程とを含むことを
    特徴とする加工物のインライン空気式等静圧鍛造加工方法。
  7. 【請求項７】 加圧工程は、加工物が圧力容器内にある間に加工物を加熱せずに
    加圧する工程を含む請求項６記載の方法。
  8. 【請求項８】 圧力容器チャンバは、加工物により実質的容積が充填される形状
    を有する請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】 加工物が充填される圧力容器の実質的容積は少なくとも80%であ る請求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】 従前の加熱装置内での加工物を加熱する工程と、 加熱装置から加工物を取出す工程と、 圧力容器チャンバ内に加工物を移動する工程と、 一定時間の圧力を維持する工程とを含むことを特徴とする空気式等静圧鍛造加
    工方法。
  11. 【請求項１１】 加圧工程は、加工物が圧力容器チャンバ内に存在する間に加工
    物を加熱せずに加圧する工程と、クリープではなく塑性変形により加工物表面の
    空隙を閉鎖するのに充分な速度で加圧する工程とを含む請求項１０記載の方法。
  12. 【請求項１２】 圧力容器チャンバは、加工物により実質的容積が充填される形
    状を有する請求項１０記載の方法。
  13. 【請求項１３】 加工物が充填される圧力容器の実質的容積は少なくとも80%で ある請求項１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 加工物移動工程中の熱損失を最小限に抑制しながら、従前の加
    熱装置と圧力容器チャンバとの間に相互接続された断熱板を通じて圧力容器チャ
    ンバ内に加工物を移動する工程を含む請求項１０記載の方法。
  15. 【請求項１５】 加工すべき加工物と圧力容器を準備する工程と、 加工物を鍛造できる温度まで圧力容器外での加工物を加熱する工程と、 加熱された温度状態で圧力容器内に加工物を移動する工程と、 それ以上加熱せずにかつ塑性変形により加工物中の空隙を閉鎖するのに充分な
    速度で、加工物を加圧する工程とを含むことを特徴とする加工物を高密度化して
    ニアネットシェイプ製品を生産する方法。
  16. 【請求項１６】 加圧工程は、圧力容器内に導入された流体媒体を加圧し、流体
    媒体が加工物表面に接触して加工物を鍛造する工程を含む請求項１５記載の方法
    。
  17. 【請求項１７】 流体媒体導入工程は、アルゴン、窒素及びこれらの混合物から
    成る群から選択された1気体を圧力容器へ導入する請求項１６記載の方法。
  18. 【請求項１８】 約10〜約120秒の時間範囲で圧力容器内の圧力を増加しかつ維 持する請求項１５記載の方法。
  19. 【請求項１９】 加圧工程は、約700 kg/cm2（10,000 psi）〜約4200 kg/cm2（6
    0,000 psi）の範囲で加圧する請求項１５記載の方法。
  20. 【請求項２０】 過熱工程の前に加工物の表面に被覆を形成する工程を含む請求
    項１５記載の方法。
  21. 【請求項２１】 被覆形成工程は、0.0254mm（0.001インチ）に等しいか、それ 以下の厚みを有するニッケル被覆を加工物の表面に形成する請求項２０記載の方
    法。
  22. 【請求項２２】 ニッケル被覆は、化学ニッケル被覆工程又はめっき工程により
    形成する請求項２１記載の方法。
  23. 【請求項２３】 被覆形成工程は、鉄、クロム、チタン、銅及びそれらの混合物
    から成る群から選択される1被覆の形成を行う請求項２０記載の方法。
  24. 【請求項２４】 物理的蒸気溶着、化学的蒸気溶着又はプラズマ溶射プロセスを
    使用して被覆を形成する工程を含む請求項２３記載の方法。
  25. 【請求項２５】 被覆形成工程は、加工物の表面への金属酸化物の被覆を形成す
    る工程を含む請求項２０記載の方法。
  26. 【請求項２６】 加熱工程の前に加工物の表面に機械的な前処理を行い、表面の
    孔径を低減する工程を含む請求項１５記載の方法。
  27. 【請求項２７】 加熱工程の前に加工物の表面内の孔を部分的に閉鎖する工程を
    含む請求項１５記載の方法。
  28. 【請求項２８】 部分的閉鎖工程はフラッシュ・マイクロ加熱を使用する表面孔 の部分的閉鎖を行う請求項２７記載の方法。
  29. 【請求項２９】 加工物供給工程は、粉末材料の圧縮紛の供給を含み、 加熱工程は、予備焼結品、結合分離機及び高温被覆炉のうちの少なくとも一つ
    で圧縮紛を加熱する工程を含む請求項１５記載の方法。
  30. 【請求項３０】 加工物供給工程は、鋳造品の供給を含み、鋳造品の成形に使用
    する炉の熱を使用して加熱工程を行う請求項１５記載の方法。
  31. 【請求項３１】 圧力容器内の圧力を解放し、圧力容器から加工物を取出す工程
    を含む請求項１５記載の方法。
  32. 【請求項３２】 鍛造すべき加工物を供給する工程と、 加工物を構成する材料の流動応力条件を低減するに充分な温度までの加工物を
    加熱しかつ加工物をその温度に保持する工程と、 圧力容器チャンバ内に加工物を移動する工程と、 材料の流動応力条件を無効にしかつ如何なる加熱も行わずに加工物を可塑的に
    変形させるに十分な加圧速度で加工物の高速加圧する工程とを含むことを特徴と
    する鍛造されたニアネットシェイプ製品を成形する方法。
  33. 【請求項３３】 加圧工程は、約21 kg/cm2/秒（300 psi/sec）〜約2800 kg/cm2 /秒（4000 psi/sec）の加圧速度範囲で圧力容器チャンバ内に気体媒体を導入す る請求項３２記載の方法。
  34. 【請求項３４】 加圧工程は、圧力容器チャンバ内の圧力が約1400kg/cm2（20,0
    00 psi）の圧力に達するまで約45.5 kg/cm2/秒（650 psi/sec）〜約56 kg/cm2/ 秒（800 psi/sec）の速度で圧力容器チャンバへ気体媒体を初期導入する工程と 、その後約1400 kg/cm2（20,000 psi）〜約4200 kg/cm2（60,000 psi）の最終 圧力範囲まで圧力を上昇する工程とを含む請求項３２記載の方法。
  35. 【請求項３５】 最終圧力は、約10秒〜約120秒の時間範囲中保持される請求項 ３４記載の方法。
  36. 【請求項３６】 最終圧力は、約3150 kg/cm2（45,000 psi）〜約4200 kg/cm2（
    60,000 psi）の範囲である請求項３４記載の方法。
  37. 【請求項３７】 加熱工程は、材料の流動応力条件を低減するに充分な温度より
    十分高い温度まで加工物を加熱して移動工程中の何らかの温度損失に適応する工
    程を含む請求項３２記載の方法。
  38. 【請求項３８】 加圧工程は、圧力容器チャンバ内に気体媒体を導入し、実質的
    に等しい大きさの三軸圧縮力を加工物に加えて加工物を実質的に均一に圧密化す
    る請求項３２記載の方法。
  39. 【請求項３９】 加圧工程は、アルゴンが加工物により顕著に吸収されずにアル
    ゴンを高密度化する導入速度でアルゴンを圧力チャンバに導入する工程を含む請
    求項３２32記載の方法。
  40. 【請求項４０】 約10秒〜約120秒の時間範囲内で加工物を構成する材料の流動 応力条件を無効にすることにより、加圧工程中に加工物を塑性変形する工程を含
    む請求項３２記載の方法。
  41. 【請求項４１】 加熱工程の前に加工物表面を被覆する工程を含む請求項３２記
    載の方法。
  42. 【請求項４２】 加熱工程の前に加工物を密封して、加圧工程中の気体の顕著な
    吸収を排除する請求項３２記載の方法。
  43. 【請求項４３】 加熱工程の前に加工物を箔で包装する工程を含む請求項３２記
    載の方法。
  44. 【請求項４４】 加熱工程の前に加工物に焼結して加工物の表面特性を改善する
    工程を含む請求項３２記載の方法。
  45. 【請求項４５】 加工物供給工程は、従前の型プレス、冷間等静圧圧縮及び金属
    射出成形のうちの少なくとも一つにより、ニアネットシェイプ加工物に圧縮され
    た粉末金属材料を供給する請求項３２記載の方法。
  46. 【請求項４６】 加熱工程の前に粉末金属材料を焼結する工程を含む請求項４５
    記載の方法。
  47. 【請求項４７】 約10〜約60秒の時間範囲内に加えられた圧力を緩和する工程を
    含む請求項３２記載の方法。
  48. 【請求項４８】 加熱工程は、加工物全体を完全に加熱しかつ熱的平衡を達成す
    るのに充分な時間、加熱した温度で加工物を保温する請求項３２記載の方法。
  49. 【請求項４９】 加圧工程は、約15秒以内で目標圧力に到達する速度で加圧する
    請求項３２記載の方法。
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