JP5719543B2 - 調節可能な容積及び隅部を有する熱間等方圧加圧容器のための改良機器及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱間等方圧加圧を用いてビレットを成形するための改良容器及び方法に関し、さらに具体的には、所望の形状及び寸法のビレットが得られるように容器の隅部形状及び容積を調節することのできる特徴を有する方法及び容器に関する。

例えばマイクロ鋳造又はアトマイズなど、所定の粒度に形成された金属粉体から金属ビレットその他の物体を製造する冶金技術が開発されている。通常、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ及びＦｅで高度に合金化されたこれらの粉体は、１００％理論密度に近い稠密塊に圧密化される。得られるビレットは、均質な組成と稠密ミクロ組織を有し、向上した靭性、強度、耐破壊性及び熱膨張係数を有する部品を製造することができ。かかる向上した特性は、例えば、高温及び／又は高応力条件が存在するタービンの回転部品の製造に特に有益である。

こうした金属粉体の稠密塊への圧密化は、通例、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）と呼ばれるプロセスで高圧及び高温下で実施される。一般に、粉体を容器（「缶」とも呼ばれる）に入れ、密封してその内容物を真空下に置く。容器を高温に付し、化学反応を避けるためにアルゴンのような不活性ガスを用いて外側を加圧する。金属粉体の処理には、例えば４８０℃〜１３１５℃の高温及び５１ＭＰａ〜３１０ＭＰａ又はそれ以上の圧力が用いられる。粉体を封入した容器を加圧すると、所定の流体媒体（例えば不活性ガス）であらゆる方面及び方向から粉体に圧力が加わる。

ＨＩＰ処理に必要な設備は一般に非常に高価であり、特殊な構造が必要とされる。極端な温度及び圧力のため、ＨＩＰプロセス中に粉体の体積が減少すると、容器は実質的に変形又は押し潰され、容器は圧粉体から生成したビレットの表面に結合した状態になる。得られるビレットの所望の形状に応じて、ＨＩＰプロセス後に、容器の表面の全部又は一部を機械加工によって切り取らなければならないことがある。さらに、所望の形状及びＨＩＰプロセスで生じた変形の種類に応じて、ビレットの一部を切り取らなければならないこともある。ビレットの製造に使用される粉体は通常非常に高価であるので、ビレットの一部を除去するのは望ましくない。

図１及び図２に、ＨＩＰプロセスに従来の容器を使用したときに直面する問題を例示する。図１は、ＨＩＰプロセスの極端な温度及び圧力に付される前の容器１０１の一部の概略図である。容器１０１は、加圧成形すべき粉体混合物１０５を収容し、ＨＩＰプロセスの際に加圧用の流体（アルゴンなど）の進入を防ぐためシールをもたらす。加圧前は、上面１００と底面１３５の間の壁１１０は基本的に真っ直ぐで変形していない。ＨＩＰプロセス前は、上面１００及び底面１３５も変形していない。

図２は、ＨＩＰプロセスに付した後の容器１０１の同じ部分を示す。ＨＩＰプロセスの条件で、粉体が金属ビレット１０６へと変換されている。しかし、粉体から中実金属への密度の変化によって、体積にも劇的な変化が生じている。体積が減少すると、粉体１０５からビレット１０６への変化にともなって容器１０１も変形する。図２では、壁１１０が弓形に変形しているものを示すが、上面１００及び底面１３５も変形を起こすことがある。その結果、ビレット１０６も同様の形状（砂時計形とも呼ばれる）を有する。

残念なことに、ビレット１０６の所望の形状（又はビレット１０６から最終的に製造すべき部品の形状）によっては、得られるビレット１０６の形状では、その表面から貴重な材料を除去しなければならないことがあるので、図２に示す変形は望ましくないことがある。例えば、ビレット１０６の壁１１０に沿って円筒形の外面が必要とされる場合、所望の外面を得るために、線１３０に沿って容器１０１及びビレット１０６をカットつまり機械加工しなければならないことがある。容器１０１の全部又は一部が失われることに加えて、容器１０１の隅部１０７は、ビレット１０６の各縁部の形状制御をもたらさない。外壁１１０の弓形の変形だけでなく、容器１０１の上面及び底面付近の部分１１５でかなりの量のビレット１０６が失われる。元の粉体が高価なので、この損失は望ましくない。さらに、粉体ほど重大ではないが、容器１０１の一部も機械加工プロセスのため失われる。用途によっては、最終的ワークピースに含めておくため、得られるビレットに容器１０１の材料が保持されているのが望ましいことがある。かかる場合、ビレットを賦形するために容器を除去するのは避けるべきである。

さらに、容器１０１の寸法は、様々な粉体充填量に調節可能ではない。具体的には、容器１０１が製造されると、容器１０１の内部に充填できる粉体の量が決まってしまい、ひいてはビレットの寸法も決まってしまう。繰返しになるが、ビレット１０６を所望の寸法に縮小するためビレットから材料を除去するのは望ましくない。様々な粉体充填量に必要な様々な予想体積に対処するためだけに、複数の容器を製造することも望ましくない。

米国特許第６７１８８０９号明細書

そこで、容器の隅部の形状制御をもたらすとともに、ＨＩＰ処理に関して粉体損失を低減又は解消することができる改良機器及び方法があれば有用である。ＨＩＰ処理のため容積を調節できる容器を提供することのできる改良機器及び方法があれば有用である。

本発明は、熱間等方圧加圧を用いてビレットを成形するための改良容器及び方法に関し、特に、所望の形状及び寸法のビレットが得られるように容器の隅部形状及び容積を調節することのできる特徴を有する方法及び容器に関する。本発明の目的及び効果については、以下の詳細な説明にその一部を記載するが、本明細書の記載から自明である事項もあろうし、本発明の実施を通して知ることもできよう。

ある例示的な実施形態では、本発明は、粉体をビレットへと加圧成形するための容器を提供する。本容器は、容器に沿って延びる軸方向を画成する外壁を含む。外壁は容器の内部を画成する。リムとつながるクラウンを含む容器上面が設けられる。リムはクラウンの周縁に延在する。容器上面は、外壁に嵌挿されてリムが容器内部に延在するように配置される。容器上面のリムは外壁に沿って摺動するように構成されており、内部の容積を選択的に調節することができる。リムは軸方向から角度αで面取り部（chamfer）を画成する。面取り部の厚さはクラウンに向かう方向に増大する。容器は、外壁で受けられる容器底面も含む。

別の例示的な実施形態では、本発明は、粉体をビレットへと加圧成形するための容器を提供する。本容器は、容器に沿って延びる軸方向を画成する外壁を含む。外壁は容器の内部を画成する。容器上面及び容器底面が設けられる。容器上面及び容器底面は各々、リムとつながるクラウンを含む。容器底面及び容器上面のリムはクラウンの周縁に延在する。容器上面及び容器底面は各々外壁に嵌挿されて、容器上面及び容器底面のリムが容器の内部へと延在するように配置される。容器上面及び容器底面のリムは、外壁に沿って摺動するように構成されており、内部の容積を選択的に調節することができる。容器上面及び容器底面のリムは各々、軸方向から角度αで面取り部を画成し、各々の面取り部の厚さはクラウンに向かう方向に増大する。

本発明のさらに別の例示的な態様では、熱間等方圧加圧の際の材料の使用を改善するための方法が提供される。本方法は、加圧成形すべき粉体を収容する容器を用意する段階を含む。容器は、容器に沿って延びる軸方向を画成する外壁を含む。外壁は容器の内部を画成する。リムとつながるクラウンを含む容器上面が設けられる。リムはクラウンの周縁に延在する。容器上面は、外壁に嵌挿されてリムが容器内部に延在するように配置される。容器上面のリムは、外壁に沿って摺動するように構成されており、内部の容積を選択的に調節することができる。リムは、軸方向から角度αで面取り部を画成する。面取り部の厚さは、クラウンに向かう方向に増大する。容器底面は、外壁で受けられる。本方法は、熱間等方圧加圧用の材料の所定の体積を収容できるように、外壁に対する容器上面の位置を選択する段階も含む。粉体の熱間等方圧加圧後、得られるビレットが容器上面に沿って所定の形状をもつように角度αについてゼロ以外の値を決定する。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。

ＨＩＰプロセスを行う前の容器の一側面に沿った概略断面図である。 ＨＩＰプロセスの圧力及び温度に付された後の図１の容器の一側面に沿った概略断面図である。 本発明の例示的な実施形態の断面図である。二点破線は容器上面及び底面の摺動による容器の容積の調節を示す。 本発明の例示的な実施形態の断面図である。径方向線は容器上面及び底面の内表面の特徴を示す。

本明細書で説明する有益な改良をもたらすため、本発明は、熱間等方圧加圧を用いてビレットを成形するための改良容器及び方法を提供し、特に、所望の形状及び寸法のビレットが得られるように容器の隅部形状及び容積を調節することのできる特徴を有する改良容器及び方法を提供する。本発明を説明するため、本発明の実施形態について詳細に説明し、その１以上の例を図面に示す。それらの例は本発明を説明するためのものにすぎず、本発明を限定するものではない。実際、本発明の技術的範囲及び技術的思想から逸脱せずに、本発明で様々な修正及び変更をなすことができるのは当業者には明らかであろう。例えば、ある実施形態の一部として例示又は記載された特徴を別の実施形態で用いてさらに別の実施形態とすることができる。したがって、本発明は、このような修正及び変更も、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的範囲及びその均等の範囲に属する。

本発明に係る容器２０１の例示的な実施形態の断面図を図３に示す。容器２０１は、容器２０１の長さに沿って延びる軸方向Ａを画成する外壁２１０を含む。軸方向Ａは、以下で説明するように、角度αを定義するため任意に選ばれる。さらに、容器２０１は円筒形の形状として図示されている。しかし、本明細書の教示内容に基づいて、その他様々な形状の容器にも本発明を適用できることは当業者には明らかであろう。

容器２０１は、容器上面２００及び容器底面２３５を含む。容器上面２００は、その周縁付近でリム２４５とつながるクラウン２４０を含む。クラウン２４０及びリム２４５は好ましくは一体部品として容器上面２００をなすように一体に製造されるが、他の構成を用いてもよい。

容器上面２００は、外壁２１０内に嵌合又は相補的に収まる寸法及び形状に構成される。例えば、容器上面２００は外壁２１０の円筒形の形状に一致する円形の形状であるが、上面２００は外壁２１０よりもわずかに小さい直径を有する。したがって、上面２００のリム２４５は外壁２１０に嵌入し、容器２０１の内部２７０に延在する。外壁２１０とリム２４５の公差によって、リム２４５は軸方向Ａに沿って摺動することができる。したがって、容器上面２００の位置を容易に調節することができて、容器２０１の内部２７０に保持される粉体の体積を選択的に決定することができる。

容器底面２３５は、容器上面２００とほぼ同様の方法で構成される。特に、容器底面２３５は、クラウン２５０の周囲にリム２５５を含む。リム２３５も容器２０１の内部２７０に収まって、軸方向Ａに摺動するように構成される。したがって、容器底面２３５も、容器２０１の内部の容積の調節に用いることができる。

したがって、容器上面２００及び底面２３５は、容器２０１の内部２７０に充填される粉体の量の調節を可能にする。ある例示的な使用の態様では、得られるビレットの望ましい形状及び体積に応じて、容器底面２３５を軸方向Ａに位置決めする。最終位置を溶接部２０９で永久的に固定する。次いで、粉体を所望の体積で容器２０１に充填する。次いで、容器上面２００を外壁２１０に挿入し、容器２０１に充填された粉体の体積に基づいて所望の位置へと摺動させる。次いで、容器上面２００の最終位置を溶接部２１１を用いて永久的に固定する。

図３の例示的な実施形態は、調節可能な容器上面２００及び調節可能な容器底面２３５を有する容器２０１を示す。或いは、内部２７０の容積を調節できるように上面２００又は底面２３５の一方が軸方向に移動できるように、容器２０１を構成してもよい。容器２０１に対する上述の様々な形状の使用に加えて、容器２０１について様々な寸法及び比率を使用することもできる。

リム２４５及び２５５の各々は軸方向Ａから角度αの面取り部を画成する。具体的には、リム２４５及び２５５の各々の断面の厚さはそれぞれクラウン２４０及び２５０に向かう方向に増大する。厚さの増加率は角度αで定まるが、この角度は一般に約１度〜約１０度である。角度αは、ＨＩＰプロセスによる容器２０１の予測される変形及びビレットの所望の形状に基づいて選択される。例えば、約１度〜約１０度の角度αは、従来の容器を用いたときに生じる図１及び図２に示すような望ましくない縁部効果を解消することができる。

ある種のビレットでは、容器上面２００及び容器底面２３５付近での追加の形状制御が望まれることがある。例えば、容器２０１は、ＨＩＰプロセス後にビレットに不都合な縁部を招来しかねない隅部２０７及び２６５を含む。ここで図４を参照すると、容器３０１は、容器２０１と同様の特徴を含んでおり、同一又は類似の特徴を同様の符号で示す。しかし、容器上面３００の内表面３０８に沿って、リム３４５とクラウン３４０をつなぐ表面３０８の部分に曲率半径Ｒが加えられている。同様の曲率半径Ｒが容器底面３３５にも用いられている。この曲率半径によって、得られるビレットに対して、容器３０１の隅部（例えば、図４に示す隅部３０７及び３６５）に沿った部分での追加の形状制御が可能となる。好ましくは、容器３０１は最初から所望の曲率半径Ｒで構成される。ただし、容器上面又は容器底面に十分な厚さがあるときは、最初の作製後に、例えば容器の隅部を機械加工することによって曲率半径Ｒを追加してもよい。

以上、本発明の特定の例示的な実施形態に関して詳細に説明してきたが、本明細書の開示内容に基づいて、これらの実施形態に当業者が様々な修正、変更及び均等物での置換を容易になし得ることは明らかであろう。したがって、本明細書の開示範囲は限定的なものではなく例示にすぎず、当業者に自明な修正、変更及び／又は追加を除外するものではない。

１００ 上面
１０１ 容器
１０５ 粉体混合物
１０６ ビレット
１０７ 隅部
１１０ 壁
１１５ 部分
１３０ 線
１３５ 底面
２００ （容器）上面
２０１ 容器
２０７ 隅部
２０９ 溶接部
２１０ 外壁
２１１ 溶接部
２３５ （容器）底面
２４０ クラウン
２４５ リム
２５０ クラウン
２５５ リム
２６５ 隅部
２７０ 内部
３００ （容器）上面
３０１ 容器
３０８ 内表面
３０９ 溶接部
３１１ 溶接部
３３５ 底面
３４５ リム
３５０ クラウン
Ａ 軸方向
Ｒ 曲率半径

Claims (10)

1. 粉体をビレットへと加圧成形するための容器（２０１，３０１）であって、
   当該容器（２０１，３０１）に沿って延びる軸方向（Ａ）を画成する外壁（２１０，３１０）であって、当該容器（２０１，３０１）の内部（２７０，３７０）を画成する外壁（２１０，３１０）と、
   リム（２４５，３４５）とつながるクラウン（２４０，３４０）を含む容器上面（２００，３００）であって、該リム（２４５，３４５）がクラウン（２４０，３４０）の周縁に延在し、容器上面（２００，３００）が外壁（２１０，３１０）に嵌挿されてリム（２４５，３４５）が容器（２０１，３０１）の内部（２７０，３７０）に延在するように配置され、容器上面（２００，３００）のリム（２４５，３４５）が、外壁（２１０，３１０）に沿って摺動して内部（２７０，３７０）の容積を選択的に調節できるように構成されており、リム（２４５，３４５）が軸方向（Ａ）から角度αで面取り部を画成し、面取り部の厚さがクラウン（２４０，３４０）に向かう方向に増大する、容器上面（２００，３００）と、
   外壁（２１０，３１０）で受けられる容器底面（２３５，３３５）と
   を備え、
   前記角度αは、前記加圧成形プロセスによる前記容器（２０１，３０１）の予測される変形及び前記ビレットの所望の形状に基づいて選択される容器（２０１，３０１）。
2. 前記容器上面（３００）が内表面（３０８）を画成し、内表面（３０８）が、容器上面（３００）のリム（３４５，３５５）とクラウン（３４０，３５０）をつなぐ内表面（３０８の部分に曲率半径（Ｒ）で規定される輪郭を有する、請求項１記載の容器（３０１）。
3. 前記容器上面（２００，３００）と外壁（２１０，３１０）を接合して、当該容器（２０１，３０１）の内部（２７０，３７０）の容積を固定する溶接部（２１１，３１１）をさらに含む、請求項１又は請求項２記載の容器（２０１，３０１）。
4. 前記外壁（２１０，３１０）が実質的に円筒形の形状である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の容器（２０１，３０１）。
5. 前記角度αが１度〜１０度である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の容器（２０１，３０１）。
6. 熱間等方圧加圧の際の材料の使用を改善するための方法であって、
   加圧成形すべき粉体を収容する容器（２０１，３０１）を用意する段階であって、
   容器（２０１，３０１）に沿って延びる軸方向（Ａ）を画成する外壁（２１０，３１０）であって、容器（２０１，３０１）の内部（２７０，３７０）を画成する外壁（２１０，３１０）と、
   リム（２４５，３４５）とつながるクラウン（２４０，３４０）を含む容器上面（２００，３００）であって、該リム（２４５，３４５）がクラウン（２４０，３４０）の周縁に延在し、容器上面（２００，３００）が外壁（２１０，３１０）に嵌挿されてリム（２４５，３４５）が容器（２０１，３０１）の内部（２７０，３７０）に延在するように配置され、容器上面（２００，３００）のリム（２４５，３４５）が、外壁（２１０，３１０）に沿って摺動して内部（２７０，３７０）の容積を選択的に調節できるように構成されており、リム（２４５，３４５）が軸方向（Ａ）から角度αで面取り部を画成し、面取り部の厚さがクラウン（２４０，３４０）に向かう方向に増大する、容器上面（２００，３００）と、
   外壁（２１０，３１０）で受けられる容器底面（２３５，３３５）と
   とを備える該容器（２０１，３０１）を用意する段階と、
   熱間等方圧加圧用の材料の所定の体積を収容できるように、外壁（２１０，３１０）に対する容器上面（２００，３００）の位置を選択する段階と、
   粉体の熱間等方圧加圧後に、得られるビレットが容器上面（２００，３００）に沿って所定の形状をもつように、前記加圧成形プロセスによる前記容器（２０１，３０１）の予測される変形に基づいて決定された角度αについてゼロ以外の値を決定する段階と
   を含む方法。
7. 前記容器（２０１，３０１）を熱間等方圧加圧に付す段階と、
   得られるビレットが容器上面（２００，３００）に沿って所定の形状になるように、容器（２０１，３０１）の外壁（２１０，３１０）及び容器上面（２００，３００）を変形させる段階とを含む、請求項６記載の方法。
8. 得られるビレットが、その少なくとも一部に沿って実質的に円筒形の形状を有する、請求項７記載の方法。
9. 前記角度αが１度〜１０度である、請求項６乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
10. 前記容器上面（３００）が内表面（３０８）を画成し、容器（３０１）のリム（３４５，３５５）とクラウン（３４０，３５０）をつなぐ部分の内表面（３０８）に曲率半径（Ｒ）を設ける段階をさらに含む、請求項６乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。
    

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