JP2003500531A - 焼結により多孔性金属コンポーネントを形成するプロセスおよび装置 - Google Patents

焼結により多孔性金属コンポーネントを形成するプロセスおよび装置

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JP2003500531A JP2000619577A JP2000619577A JP2003500531A JP 2003500531 A JP2003500531 A JP 2003500531A JP 2000619577 A JP2000619577 A JP 2000619577A JP 2000619577 A JP2000619577 A JP 2000619577A JP 2003500531 A JP2003500531 A JP 2003500531A
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バルデール、アンドレ
マルタン、ブリジット
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Abstract

(57)【要約】 本発明は溶接により多孔度が制御され、鋳型に予め定められた量の細長い金属素子を導入することからなる金属部品を形成する方法に関し、それにおいて金属素子は等方性に分布される。金属素子は部品がその最終的な形状を得るまで増加する圧力を受ける。鋳型壁はその後、その位置を保持され、電流が金属素子を通って流され、ジュール効果により接触点で局部的溶融によってこれらを共に溶接する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は溶接によるコンポーネントの製造方法に関し、特に必要な形状のコン
ポーネントを製造するためにキャパシタ放電により金属ファイバを溶接するため
のプロセスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
既存のキャパシタ放電溶接プロセスが知られている（GB 1 508 350）。これら
のプロセスではキャパシタの放電により通常得られた電流を金属材料の粒子を通
して流してそれらを共に溶接する。これらのプロセスは球形粒子の粉末に適用さ
れ（P. A. Vityaz、“Contact formation during the electric pulse sinterin
g of a titanium alloy powder”、Belorussian Republican Powder Metallurgy
Scientific Production Association、翻訳Poroshkovaya Metallurgiya 、No.7
（331 ）、20−23頁、1990年７月）またはファイバのような細長い形状の粒子に
適用される（S. T. S. Al Hassani 、“Preforming using high-voltage electr
ical discharge”、Powder Metallurgy 、No.1、45頁、1980年）。
【０００３】 これらのプロセスは時には圧力の供給と結合され（R. W. Boesel、“Spark s
intering tames exotic P/M materials”、Materials Engineering 、32頁、196
9年10月）、それによって溶接を容易にし、したがって溶接されるコンポーネン
トの多孔性をできる限り減少する。これらのコンポーネントはコンパクトであり
、Ｖｍを材料の容積とし、Ｖｃを完成したコンポーネントの容積とすると、多孔
度τはτ＝１−（Ｖｍ／Ｖｃ）として規定されるならばそれらの多孔性レベルは
０に近い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
それと対照的に、以下説明する本発明は多孔性のコンポーネントの製造を目的
とする。これらのコンポーネントは例えば触媒コンバータのファイバ構造のよう
なアクティブ材料のために支持されることができる。
【０００５】 これらのコンポーネントは非常に高レベルの多孔度を有し、広い温度範囲に
わたって優れた機械的強度に類属することが必要である。
【０００６】 所望される多孔性レベルは０．６０から開始し、典型的には０．９５の区域
である。このレベルは製造されるコンポーネントの形状および機能にしたがって
変化する。
【０００７】 最後に、これらのコンポーネントの製造も正確な寸法で良好な再現性を実現
するために制御されなければならない。
【０００８】 それ故、このタイプの応用は本発明のプロセスとこれを実行する装置が特別
な問題を発生する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の、溶接により制御された多孔性の金属コンポーネントを形成するプロ
セスは、 コンポーネントの構成を目的とする異方性の幾何学形状の予め定められた量の
金属素子を準備し、 この予め定められた量の金属素子を少なくとも１つの可動部分を有する鋳型に
導入し、 外部手段により制御される鋳型の可動部分を使用して圧力を加え、この可動部
分は恐らくこの予め定められた量の金属素子上で少なくとも１つの主方向で電極
を構成しており、前記圧力はこれらの素子間の接触点を強化し維持することを目
的としており、 圧力の印加と同時に、これらの金属素子を溶接によって共に接合するために反
対の極性の１組の２つの電極を介してこの予め定められた量の金属素子に電流を
通過させ、前記２つの電極は、電流の流れる方向が全体的に予め定められた量の
金属素子に加えられた圧力の前記主方向と同軸であるように位置され、 鋳型からコンポーネントを除去する既知の連続的なステップからなる。
【００１０】 表現“異方性の幾何学形状の素子”とは、３つのディメンションの中の少な
くとも１つのディメンションが他とは非常に異なるものを意味するものと理解さ
れる。
【００１１】 本発明のプロセスは、 予め定められた量の金属素子は金属素子の質量を計量することにより得られ、
その値Ｍは所望の多孔度τ、コンポーネントの容積Ｖｃ、使用される金属合金の
密度ρａの関数として次式により規定され、 Ｍ＝ＶＣ ρａ（１−τ） 予め定められた量の金属素子は鋳型で等方的に分布され、 加えられる圧力は、コンポーネントが必要な形状を有するまで漸進的に増加さ
れ、それによってコンポーネントに所望のレベルの多孔度を与え、 鋳型の可動部分がその位置に保持され、同時に、電流が金属素子を通って流れ
て、ジュール効果または局部的なアークの生成により接触点において局部的に溶
融することによって共に溶接することを特徴とする。
【００１２】 表現“接触点における局部的な溶融”とは金属素子の３つのディメンション
の各断面の一部分だけに関する溶融を意味するものと理解される。この溶融は、
一方で問題とする各金属素子のこの機械的強度が一時的に減少されるがこれらの
全ての素子が先のステップ中に獲得された形状を維持するのに十分であり、した
がって鋳型中で等方性の分布を維持しながら、他方でコンポーネントの機械的強
度が使用に最適であるようにされている。
【００１３】 本発明の異方性の幾何学形状の素子は他の２つの次元とは非常に異なる１つ
の次元を有する。これらはそれ故、通常細長い形状であり、便宜的には針、フレ
ークまたは不織ファイバである。
【００１４】 素子を鋳型中で等方性に自発的に分布させるプロセスの簡単な構成が非常に
望ましい。ほぼ立方体または球形形状の素子は例えば、鋳型中で等方性に自発的
に分布する。しかしながらこれらの素子は異方性ではない。本発明のプロセスで
それらを使用することは、所望のレベルの多孔度の実現を可能にする（チューブ
の場合τｍａｓ＝０．５、円形の場合τｍａｓ＝０．４８）。
【００１５】 しかしながら、異方性の幾何学形状と、それらを鋳型中で等方性に自発的に
分布させる能力との両者を有する素子が存在する。このような素子は特にホイー
ル上の鋳造技術により得られる。実際に、この技術を用いて製造された素子は他
の特性の中では、非常に異なるディメンションに平行なエッジ上で主として表面
の凹凸を有する特別な特性を有する。これらの凹凸は素子が相互に対して滑動す
ることを阻止し、したがってこれらが重力の影響下で異方性に分布されることを
阻止する。
【００１６】 したがって、これらをさらに振動させる等の操作を必要とせずにこれらを鋳
型中で等方性に分布させる。自発的に得られた多孔性のレベルは０．９９までで
あり、この値は多孔性の所望レベル値よりも大きい。コンポーネント中のファイ
バ分布の等方性特性を維持するために、多孔性の自発的レベルは所望されたレベ
ル近くに維持しなければならない。この目的で、金属素子は前もって研磨または
切断されてもよく、それによって適切な値を有する非常に異ったディメンション
にしたがってこれらの寸法を定める。
【００１７】 それ故、鋳型の可動部分によって金属素子へ圧力を適用することによって必
要な形状と、所望レベルの多孔性がコンポーネントに与えられる。与えられた圧
力は必要な値まで漸進的に増加し、それによって鋳型の可動部分は必要な形状に
対応する位置に到達する。それ故、外部手段により与えられる力と、圧縮された
素子からの弾性反作用力により与えられる力との間に平衡がある。
【００１８】 可動部分はその後、その位置に保持される。圧縮された素子により与えられ
る反作用力が突然変化しても、鋳型の可動部分は位置を変更しないことがこれに
よって理解されよう。
【００１９】 これは、電流が金属素子を通って流れるとき、局部的な溶融が鋳型の可動部
分にこれらの素子により加えられた力を突然減少させるからである。外部手段か
らの力が一定に維持され、可動部分がその位置で自由な状態であるならば、これ
は力の不平衡のためにコンポーネントの強い圧縮および変形を生じる。
【００２０】 可動部分をその位置に保持することにより、前述したように局部的な溶融を
可能にするが、接触点で完全な溶融を生じないように金属素子を通って電流を供
給することが必要であり、この溶融は金属素子の断面全体にわたる溶融として規
定される。これは供給される電流が非常に高いならば多数の素子の完全な溶融が
生じ、重力によって、コンポーネントの変形が生じるためである。
【００２１】 したがって制御される電流はキャパシタンスＣのキャパシタを使用して電気
発生器により有効に供給され、これはこのタイプの応用で経済的で簡単で良好に
適した手段を構成する。
【００２２】 本発明による装置は１組の電極を具備し、少なくともその１つは可動壁に固
定されている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明によるプロセスは、添付図面を参照にした幾つかの実行方法の詳細であ
るが限定ではない説明からさらに明白に理解されるであろう。 図１の装置は本発明によるプロセスが実行されることを可能にする。これは鋳
型10と電気回路20を具備している。
【００２４】 鋳型10は固定した壁12と可動壁14からなる。固定壁は１端部が開放されたス
ペースを形成し、予め定められた量の金属素子50、例えばファイバがこのスペー
ス内に位置される。
【００２５】 可動壁14はこのスペースを閉じ、金属ファイバ50を保持するが、所望レベル
の多孔性を得るのに必要とされる圧力Ｐをファイバへ与えることができるように
外部手段（図示せず）により閉じたスペースでそれ自体に平行に滑動できる。所
望のレベルに到達したとき、コンポーネントは必要な形状を有し、可動壁はその
状態で、停止される。使用される外部手段は例えば力および位置に関してサーボ
制御されるアクチュエイタであってもよい。
【００２６】 電気回路20はスイッチ28、キャパシタ30、１組の電極22、24を具備しており
、電極は厚さをもたないと仮定する。電流Ｉの強度を制御する補足手段と、キャ
パシタを充電する回路が存在し、その回路はキャパシタの両端間の電圧Ｖを規定
するがこれらは図には示されていない。
【００２７】 対向する可動壁14と固定壁12にはそれぞれ電極24と22が取付けられており、
これはキャパシタ30の端子の１つに接続され、その一方はスイッチ28を介して接
続されている。
【００２８】 コンポーネントはファイバで製造され、以下の方法によりホイール上でファ
イバを鋳造するプロセスによって得られる。
【００２９】 必要とされるコンポーネントは円筒形状を有し、円形のベースが直径７．５
ｃｍであり、高さが１０ｃｍで、多孔性のレベル０．９５である。使用される金
属合金は７．１ｇ／ｃｍ3 の密度を有する。
【００３０】 ファイバは約１００μｍ×５００μｍの方形内に入る三日月形の断面を有し
、約５ｃｍの長さを有する。
【００３１】 予め定められた量のファイバは質量Ｍ＝０．１５７ｋｇを有する。鋳型10は
円形の電極を支持し内部直径７．５ｃｍを有する端部壁と、内部直径が７．５ｃ
ｍで１０ｃｍを超える長さを有する円筒形シェルからなる。ファイバの総量が鋳
型10へ導入される。ファイバは鋳型中で等方的に自発的にそれ自体を分配し、多
孔性のレベルは０．９５よりも大きい。円形の電極24を支持し７．５ｃｍに非常
に近い直径を有する可動壁14はその後、円筒形シェル中へ誘導され、外部手段の
作用によって、可動壁14と対向する固定した壁12との間の距離が１０ｃｍになる
までファイバを圧縮する。可動壁14はその後この位置で保持される。コンポーネ
ントは必要とされる形状と所望レベルの多孔度を有する。その後、スイッチ28が
閉じられ、ファイバ50を通って電流が流される。１９ｋＶの電圧により予め充電
されたキャパシタは１０６μＦのキャパシタンスを有する。したがって溶接に使
用されるエネルギは２０ｋＪである。鋳型はその後、可動壁14を引出すことによ
り開かれ、コンポーネントは鋳型から取出される。
【００３２】 これらの動作は特定の温度までファイバを予め加熱することを必要とせず、
また特定のガス環境の存在も必要としない。既知の方法ではアルゴン等の不活性
ガスの存在が必要である。プロセスはそれ故簡単で、すぐに構成され、キャパシ
タの再充電に必要とされる時間はコンポーネントの除去ステップとファイバを鋳
型へ分配するステップと圧縮するステップに平行して行われる。
【００３３】 図２は電極が２つの対向する可動壁14により支持される別の実施形態を示し
ている。この装置の主要な利点は、溶接後のコンポーネント100 の処理がさらに
容易なことである。各可動壁14は固定した壁12により囲まれて境界を定められた
オープンスペースの端部を閉じ、金属ファイバ50の位置に保持するが、所望レベ
ルの多孔性を得るのに必要とされる圧力Ｐをファイバへ与えることができるよう
に外部手段（図示せず）により閉じたスペース中でそれ自体に平行に滑動できる
。各可動壁に使用される外部手段は例えば力および位置に関してサーボ制御され
るアクチュエイタであってもよい。
【００３４】 本発明によりプロセスを実行する好ましい方法は以下説明する結果を考慮す
ることによって最適にされることができる。この部分の説明では、使用されるパ
ラメータは単位面積当たりのエネルギ（ｋＪ／ｃｍ2 ）として表される。含まれ
る面積は電流の流れる方向に垂直な平面におけるコンポーネントの断面である。
所定の装置では、供給されるエネルギの一部が溶接されるコンポーネント外で消
費されても、このパラメータはキャパシタの放電で使用される電流の関数である
。
【００３５】 多孔性が約９５％である金属ファイバからなるコンポーネント100 を得るた
めに、０．１ｋＪ／ｃｍ2 の最小エネルギを消費する必要があることが示されて
いる。この値より下ではファイバを共に溶接するのが不十分である。
【００３６】 この結果は増加したエネルギのキャパシタ30から放電するためにファイバの
コンポーネント100 （平均直径２３ｍｍ）に制御を与えることにより得られた。
溶接の品質の測定および、コンポーネント100 の機械的強度の測定は張力試験に
より行われた。硬化可能な樹脂から作られた取付けられたヘッドはこれらのコン
ポーネント100 の各端部に固定され、これらが顎部で把持されることを可能にす
る。図３は単位面積当たりのエネルギ（ｋＪ／ｃｍ2 ）の関数としてｄａＮで機
械的強度の変化を示している。機械的強度は単位面積当たりのエネルギの増加と
共に増加するが、０．１ｋＪ／ｃｍ2 を超えると平らになる傾向があることが認
められる。０．５ｋＪ／ｃｍ2 を超えると、約９５％の多孔度でファイバの過剰
な溶融があり、過剰なエネルギが生じることを実験は示している。
【００３７】 さらに、キャパシタ30に蓄積されたエネルギＥは式Ｅ＝１／２ ＣＶ２によ
り与えられ、ここでＥはジュール、キャパシタのキャパシタンスＣはファラド、
キャパシタ30に供給される電圧Ｖはボルトである。それ故、所定のエネルギレベ
ルはキャパシタンスまたは電圧を変化することにより得られる。
【００３８】 ファイバコンポーネント100 （直径７５ｍｍ、長さ１００ｍｍ、断面積４４
ｃｍ2 、多孔度９５％）は２つのキャパシタンス７４μＦ（２３ｋＶ）と１０６
μＦ（１９ｋＶ）に対して一定のエネルギ２０ｋＪ（０．４５ｋＪ／ｃｍ2 ）で
溶接された。溶接の品質の測定および、それ故コンポーネントの機械的強度の測
定は前述したように張力試験によって行われた。
【００３９】 結果は以下の表Ｉで与えられ、ｄａＮで表される最大力は高いキャパシタン
ス（１０６μＦ）と低い電圧（１９ｋＶ）で得られることが認められる。３つの
試験が条件毎に行われた。 表Ｉ キャパシタンス Ｅ＝２０ｋＪ ７４μＦ １０６μＦ 電圧（ｋＶ） ２３ １９ 最大張力（ｄａＮ） ２４ ５２ ２９ ５７ ２５ ５８ １０６μＦのキャパシタンスでは、キャパシタ30に蓄積され、それ故放電時に
コンポーネント100 中で消費されるエネルギは７０ｋＪ（３６ｋＶ、１．６ｋＪ
／ｃｍ2 ）まで増加する。
【００４０】 ファイバ50の溶融の程度はエネルギの増加と共に増加して、７０ｋＪで非常
に大きくなり、幾らか最初のファイバ構造を悪化しているように見えた。得られ
たコンポーネント100 の張力試験（以下の表II）ではもはや機械的強度の増加を
示さない。
【００４１】 表II エネルギ（ｋＪ） ２０ ５０ ６０ ７０ 単位面積当たりのエネルギ ０．４５ １．１４ １．３６ １．５９ （ｋＪ／ｃｍ2 ） 電圧（ｋＶ） １９ ３１ ３４ ３６ 最大張力（ｄａＮ） ５２ ４２ ４４ ５７ ４８ ４９ ４６ ５８ ５７ ５９ これらの結果は過度に高いエネルギはそれらの接触点でファイバ50の過剰な溶
融を生じさせることを示している。過剰な溶融は接触点でファイバの断面の大部
分にわたって生じる。このような溶融は処理されたコンポーネントに十分な完全
性を与え、それによって重力下で変形しないが、コンポーネントの強度は減少す
る。
【００４２】 これらの結果を得るために実行された試験中に、電気アークはキャパシタに
蓄積されるエネルギを増加するため電圧が上昇されたとき電極間で観察された。
これらの電気アークはファイバ50を共に溶接するのに貢献しない。この溶接は実
際に単なるジュール効果のために接触溶融点で金属ファイバ50を通る電流Ｉの流
動によって、または局部的なアークの生成によって行われる。結果として、有効
なエネルギは電極22と24間のガス中の直接放電により溶接およびエネルギ損失に
有効なエネルギ間で分配される。
【００４３】 産業機械では、それ故、適度の電圧を使用して充電された高いキャパシタン
スのキャパシタを有し、それによって電極22と24間のガスの直接放電によってエ
ネルギの損失を防止することが好ましい。さらに、これは高い電圧が望ましくな
い産業環境における安全性を高める目的に合っている。
【００４４】 本発明のプロセスにより得られたコンポーネントは種々の形状にすることが
できる。例えばこれらは平行６面体であってもよい。
【００４５】 これらの変更された形状は、反対の極性の電極の幾つかの対を使用すること
を必要とし、これらの電極対はこれらが固定または可動であっても鋳型の対向す
る壁によって支持される。
【００４６】 コンポーネント100 の多孔度が低いならば（例えば８０％）、接触点はさら
に多数であり、溶接に必要とされるエネルギはさらに高く、数ｋＪ／ｃｍ2 に達
する。
【００４７】 前述の説明は１つの放電キャパシタ30だけを説明している。しかしながら、
幾つかのキャパシタ30のバンクは本発明によるプロセスを実行するために使用さ
れてもよいことが当業者に明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 プロセスを実行する本発明による１つの可動壁を有する装置の断面概略図。
【図２】 コンポーネントが必要な形状を有している２つの可動壁を有する別の装置の断
面概略図。
【図３】 このコンポーネントを形成するため消費された電気エネルギの関数として本発
明を実行することにより得られた特定のコンポーネントの機械的強度を示した特
性曲線図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 オーエヌエエールア（オフィス ナスィオ ナル デテュード エ ドゥ ルシェルシ ュ アエロスパスィアル) ＯＮＥＲＡ （Ｏｆｆｉｃｅ Ｎａｔｉｏ ｎａｌ ｄ’Ｅｔｕｄｅｓ ｅｔ ｄｅ Ｒｅｃｈｅｒｃｈｅｓ Ａｅｒｏｓｐａｔ ｉａｌｅｓ) フランス国， 92320 シャティヨン， アヴニュ ドゥ ラ ディヴィズィオン ルクレール， 29番地 (71)出願人 アルバン・エグゾースト・エス・エー フランス国、エフ−89304 ジョアニュ、 ルト・ドゥ・モンタルジ（番地なし) (71)出願人 ジェルボア・エス・エー フランス国、エフ−80580 ポン・レミー、 リュ・ブーシェ・ドゥ・ペルト １ (72)発明者 バルデール、アンドレ フランス国、エフ−94240 ライ・レ・ロ ゼ、アレ・ベルトラン・ドーバン 20 (72)発明者 マルタン、ブリジット フランス国、エフ−69230 サン・ジェ ニ・ラバル、リュ・シェマン・ドゥ・ピュ ーテ 63 Ｆターム(参考） 4K018 BB02 EA23 EA24 KA22

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 溶接により制御された多孔性の金属コンポーネントを形成す
    るために、 コンポーネントの構成を目的とする異方性の幾何学形状の予め定められた量の
    金属素子を準備し、 この予め定められた量の金属素子を少なくとも１つの可動部分を有する鋳型に
    導入し、 外部手段により制御される鋳型の可動部分を使用して圧力を加え、この可動部
    分は恐らくこの予め定められた量の金属素子上で少なくとも１つの主方向で電極
    を構成しており、前記圧力はこれらの素子間の接触点を強化し維持することを目
    的としており、 前記圧力の印加と同時に、これらの金属素子を溶接によって共に接合するため
    に反対の極性の１組の２つの電極を介してこの予め定められた量の金属素子に電
    流を通過させ、前記２つの電極は、電流の流れる方向が全体的に予め定められた
    量の金属素子に加えられた圧力の前記主方向と同軸であるように位置され、 鋳型からコンポーネントを除去する連続的なステップを有する多孔性金属コン
    ポーネントの形成方法において、 予め定められた量の金属素子は金属素子の質量を計量することにより得られ、
    その値Ｍは所望の多孔度τ、コンポーネントの容積Ｖｃ、使用される金属合金の
    密度ρａの関数として次式により規定され、 Ｍ＝ＶＣ ρａ（１−τ） 予め定められた量の金属素子は鋳型で等方的に分布され、 加えられる圧力は、コンポーネントが必要な形状を有するまで漸進的に増加さ
    れ、それによってコンポーネントに所望のレベルの多孔度を与え、 鋳型の可動部分がその位置に保持され、同時に、電流が金属素子を通って流れ
    てジュール効果または局部的なアークの生成により接触点において局部的に溶融
    することによって共に溶接されることを特徴とする多孔性金属コンポーネントの
    形成方法。
  2. 【請求項２】 異方性の幾何学形状の素子はファイバであることを特徴とす
    る請求項１記載の形成方法。
  3. 【請求項３】 ファイバはホイール上でそれらを鋳造する技術により得られ
    ることを特徴とする請求項２記載の形成方法。
  4. 【請求項４】 少なくとも１つの可動壁(14)を有する鋳型(10)を具備し、各
    可動壁は外部手段によってそれ自体に平行に移動し、それによって溶接動作中に
    壁が位置に保持される特定位置まで金属素子上に増加した圧力を与えることを特
    徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の形成方法を実行する装置。
  5. 【請求項５】 各可動壁に使用される外部手段は力および位置に関してサー
    ボ制御されたアクチュエイタであることを特徴とする請求項４記載の装置。
  6. 【請求項６】 電極は少なくとも１つの可動壁に固定されている請求項４ま
    たは５記載の装置。
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