NO165059B - Fremgangsmaate til fremstilling av en metallgjenstand. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til fremstilling av en metallgjenstand.

Spesielt angår oppfinnelsen fremgangsmåte til belegning, oppbygning og støpning av metallpartikler som er fremstilt ved hjelp av Coanda effekten på et underlag eller en samle-anordning/holder.

Sammensatte materialer bygges ofte opp med et belegg av metallisk materiale for et bestemt formål påført et underlag av et grunnmetall slik at dette og belegget blir et stykke som har ønskede overflateegenskaper. Harde belegg for anvendelse der det er stor slitasje er en typisk anvendelse som krever påføring av spesielle flater ved andre midler enn ved plettering. De teknikker som idag står til rådighet er imidlertid meget langsomme og kostbare.

Metallbelegningsprosesser, bortsett fra plettering, innbefatter varrrtesprøyting, kjemisk pådampning, belegning i vakuum, sprøyting, ione plettering og ione implantering. Disse er beskrevet i bind 5 av 9. utgave av "Metals Handbook", som er utgitt av the American Society for Metalt.

Fremstilling av superlegeringer med overlegne egenskaper

og finhet i mikrostrukturen, utføres ved forskjellige former for smelting, pulvermetallurgi og oppbygningsteknikk som innbefatter induksjonssmelting i vakuum, ny smelting med lysbue i vakuum, pulver metallurgi, varm isostatisk pressing, ekstrudering, smiing og bearbeiding etter VADER prosessen.

Disse prosesser er stort sett kostbare og innebærer kompli-serte operasjoner da de høye krav som stilles til disse superlegeringer krever overordentlig høy renhet og så godt som fullstendig eliminering av inneslutninger. Mange av de mest ekstreme anvendelser betraktes som uoppnåelige med eksisterende pulvermetallurgi teknikker. Utviklinger i den senere tid, f.eks VADER prosessen, eliminerer pulverfrem-stillingstrinnet ved oppbygning av halvtflytende små dråper (over solidus temperaturen, men under likvidus temperaturen), som frembringes av to elektroder som forbrukes. Denne opera-sjon betraktes som en sannsynlig forbedring i produksjonen av super legeringer som kreves for anvendelse på områder "der kravene er høye.. Denne prosess er i seg selv energi-besparende og det ble mulig å fremstille finkornede super legerings materialer som er så godt som fullstendig fri for inneslutninger. Prosessen er imidlertid langsom og omkost-ningene kan komme til å utelukke anvendelse av denne prosess på alle områder,•bortsett fra de mest spesialiserte.

Det er derfor et behov for en belegningsprosess og en anordning som vil kunne fremstille belegg med - spesielle egenskaper der prosessen er hurtigere og billigere enn de som er kjent idag. Videre er det behov for en prosess til fremstilling av de spesielle superlegeringer som skal være fri for urenheter og svekninger som oppstår ved tidligere kjente prosesser. Det er også behov for en fremgangsmåte som vil være mindre kostbar og hurtigere'enn tidligere kjente fremgangsmåter og som behov for en anordning til fremgangsmåtens utførelse. I henhold til oppfinnelsen har man funnet at metallbelegg kan frembringes, påføres og integreres med metallunderlag for å danne sammensatte produkter ved anvendelse av Coanda effekten til frembringelse av beleggene.

I henhold til oppfinnelsen er man kommet frem til en fremgangsmåte til fremstilling av en metallgjenstand som er kjennetegnet ved at man leder et første fluidum langs en Coanda flate og leder et andre fluidum inntil Coanda flaten, slik at strømmen av det første fluidum innvirker på det annet fluidum slik at dette flyter i en retning som skjærer det første fluidum, mens et smeltet metall føres inntil Coanda flaten mellom det første og det andre fluidum, mens begge fluider og det smeltede metall ledes til et skjæringspunkt der de første og■andre fluider skjærer hverandre og blander seg for å bryte opp den smeltede strøm i små metalldråper som avsettes på et underlag til dannelse av en metallgjenstand .

Belegget dannes ved foreliggende oppfinnelse ved avsetning

av en høyhastighetsdursj av smeltet metall eller blandinger av metallet på et underlag slik at det dannes en oppbygning av belagt materiale som i seg selv er homogen og blir bundet i ett stykke med underlaget. Meget høye belegningshastigheter er mulige på grunn av anvendelsen av en Coanda effekt gene-rator som dursjavsetnings anordning. Prosessen kan virke sammen med en egnet smelteprosess til frembringelse av metallpartikler som skal bygges opp på et underlag og danne en integrert struktur som har de ønskede overflateegenskaper. Ved fremgangsmåten benyttes det en anordning som er istand til å danne smeltede små metalldråper av forskjellige stør-relser og som muliggjør innføring av forskjellige gassformede atmosfærer som gir bestemte egenskaper til de frembragte små dråper. Denne atmosfære kan også benyttes som en bærer for andre modifiserende elementer i partikkelform eller flytende form. I tillegg kan man med foreliggende oppfinnelse fremstille metallstøpestykker med finkornet struktur meget hurtigere enn det tidligere var mulig. Foreliggende oppfinnelse kombinerer bruken av Coanda effekten til fremstilling av metallpartikler som kan støpes i massive former.

Bruk av Coanda effekten til fremstilling og gjenvinning av adskilte metallpartikler ved bråkjøling,er beskrevet i US patent nr. 4.374.789, men er ikke noe sted beskrevet eller foreslått anvendt for de formål som her er omhandlet.

Coanda effekten kan beskrives som den tilbøylighet gass eller væske som kommer ut av en dyse har til å bevege seg nær inntil omrisset av en vegg, selv om veggen buer bort fra strålens akse. Ved å gjøre dette oppstår det et nega-tivt trykk (på samme måte som ved en flyvinge) som fører at tilstøtende fluider i omgivelsene blir revet med.

Dette medrivningsfenomen resulterer i voldsomme virveldannelser i grenselaget. Hvis et tredje fluidum innføres i medrivningssonen, blir den endel av systemet og blir voldsomt påvirket av medrivningskraften. Hvis dette innførte fluidum er en smeltet metallstrøm, blir strømmen delt opp i en dursj av de virvlende gasser og den blir utmatet fra folieflaten.

Foreliggende oppfinnelse går også ut på en anordning som

er istand til å utøve fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen og den er kjennetegnet ved midler til frembringelse av en Coanda effekt, midler som danner en kilde til smeltet metall som skal medrives i Coanda effekten og midler for mottagning av de derved fremstilte små metalldråper som derved danner en metallgjenstand.

Anordningen er enkel og lett og bruke.

Hovedelementene i Coanda effekt anordningen som her benyttes kan omfatte et kammer som et fluidum (gass) kan føres inn i under trykk. En spalte med passende størrelse til at fluidet unnviker med den ønskede hastighet og en folioflate i tilslutning til spalten er anordnet for at primærfluidet skal kunne hefte seg til og skape det medrivningsfenomen som er omhandlet ovenfor.

Mange forskjellige ytelser av prosessen kan oppnås ved å

ta hensyn til de mange variable faktorer som man har til rådighet i anordningen og i fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen.

Partiklene som dannes med Coanda effekt anordningen, kan ha en fase, enten smeltet eller fast eller de kan ha to faser, noe som resulterer i en grøtlignende delvis størknet partik-kel. Disse partikler avsettes på underlag eller i former for dannelse av støpte gjenstander. Når det er ønskelig, f.eks. når faste partikler skal fremstilles, kan de formes

videre ved sammenpakning.

En hovedfordel med coandaanordningen er dens hastighet og den letthet, hvormed anordningen kan endre størrelse eller dimensjoner. Produksjonshastigheten for disse partikler er meget høy og den resulterende virkning er langt bedre enn tidligere kjente fremgangsmåter til omsmeltning med lysbue i vakuum, pulvermetallurgi og VADER prosessen, både når det gjelder hastighet og produksjonsøkonomi. Dette resultat eliminerer dessuten mange av de påfølgende be-handlinger av støpte gjenstander, bortsett fra når det fremstilles faste partikler. Partiklene som fremstilles for støpning, kan lages med forskjellig utstyr, avhengig av utformningen av det støpte produkt.

lidere kan partiklene som fremstilles ha forskjellige kvali-teter og egenskaper som de får under produksjonen på grunn av anordningens egenart og dette vil kunne gi uttallige produkter.

Et annet trekk ved oppfinnelsen er fremstilling av en

plate eller et bånd av støpt materiale fra en lineær Coanda anordning tilknyttet en flate som beveger seg på tvers av denne. Anordningen kan benyttes ved belegningsprosesser for materialer som kan innbefatte legeringer med harde flater.

Andre anordninger kan benyttes til å belegge langstrakte rør ved sprøyting av røret som mates frem såvel som roteres under belegningsprosessen. Også her kan en lineær Coanda anordning anvendes eller det kan anvendes sirkulære typer eller andre forskjellige utformninger. For noen anvendelser kan røret forvarmes slik at de avsatte metallpartikler vil binde seg til dette. Slike anvendelser kan også benyttes for tromler med harde overflater. Korrosjonsbestandig belegg for rør og andre komponenter kan også påføres ved denne prosess og med den tilhørende anordning for anvendelse f.eks. i den kjemiske industri.

Et ytterligere viktig trekk ved oppfinnelsen er å frembringe, påføre og integrere et belegg av ønskede metallpartikler

i et underlag av metall for å danne et sammensatt materiale ved overgangen mellom disse-. Med slike strukturer kan belegget dannes ved avsetning av en smeltet metalldusj på

et underlag, noe som fører til oppbygning av et belagt materiale som i seg selv er homogent og enhetlig bundet til underlaget. Med slike anordninger og fremgangsmåter er meget høye belegningshast-igheter mulige.

En annen utførelsesform har en sats av Coanda frembringelses-anordninger i kombinasjon for det ønskede belegg og/eller

avsetning på samlerflaten. Anordninger i forskjellige former kan bygge opp en barre ved sprøyting i forkjellige retninger.

Oppfinnelsen er kjennetegnet.ved de i kravene gjengitte trekk og vil i det følgende bli forklart nærmere under henvisning

til tegningene der:

Figur 1 i perspektiv viser en utførelsesform for en Coanda effekt anordning anvendt ved foreliggende oppfinnelse,

figur 2 viser et snitt tatt etter linjen 2-2 på figur 1,

figurene 3A og 3B er skjematiske diagrammer for oppbygningen av anordningen som anvendes ved foreliggende oppfinnelse, der figur 3A viser en holder eller samler som kan trekkes tilbake og figur 3B viser en holder eller samler som kan bevege seg lineært og

figurene 4, 5 og 6 viser forskjellige samler/holder utformninger som kan anvendes med foreliggende oppfinnelse.

På tegningene viser figur 1 en Coanda anordning 10 som består av et kammer 12 lukket med et hus 22 der en side av dette er en buet flate 30 som danner en Coanda flate. Krumningen kan være avpasset for å tilfredsstille kravene til den individuelle anvendelse. Kuset har en åpning 40 hvorigjennom det primære fluidum innføres under det nød-vendige trykk for oppnåelse av den rette strømningshastig-het gjennom spalten 50 for å oppnå vedheftning til mellom primærfluidet og den krumme flate.

Et omgivelsesfluidum eller et andre fluidum som kan være innesluttet i et ytre kammer 60, vil bli revet med av primærfluidet, noe som fører til kraftige virveldannelser i grenselaget.

Et tredje fluidum M som innføres i medrivningssonen P som

er vist på figur 2 blir endel av systemet og blir sterkt påvirket av medrivningskreftene. Når dette innførte tredje fluidum er en strøm av smeltet metall, vil dette bli brutt opp til en dujsj . som mates ut fra folieflaten 30. En slik metallstrøm M kan innføres i medrivningssonen P gjennom hull, spalter eller andre åpninger 70 som muliggjør strøm-ning fra et traktkar 80 som holder forrådet av metall.

Traktkaret 80 kan være formet slik at det passer til denne anvendelse (utført for avsetning) og kan bygges slik at det mater ut smeltet materiale i en rett linje, en sirkel eller et annet mønster som anvendelsen krever. Jo finere strømmen av metall er, desto finere og mer ensartet vil den resulterende dursj av små dråper bli. Av den grunn kan det smeltede metall f.eks. mates ut gjennom hull av forskjellige diametere og gjennom spalter.

På samme måte som traktkaret 80, kan Coanda anordningen 10 bygges på mange forskjellige måter. Den kan være rettlinjet, sirkulær, kvadratisk, uregelmessig, skrueformet eller den kan ha en hvilken som helst annen utformning som passer til anvendelsen.

Den krumme flate 30 på anordningen 10 kan være endel av kammeret 12 eller kan være adskilt fra kammeret om nødvendig for å skape ytterligere muligheter når det gjelder å forandre dusjens ■ retning. Ved justering av foliens stilling, kan retningen av dusjen : endres slik at man får avsetning i andre retninger enn rett ned.

Størrelsen på spalten 50 kan justeres for å få til den ønskede virkning på medrivningen eller hastighet og, volumet for det utstrømmende primærfluidum under visse betingelser. Plasseringen av spalten 50 i forhold til den krumme flate 30 ..er en annen variabel faktor som kan utnyttes for å få

til de nødvendige egenskaper når dert gjieMer f luidumhastighet og medrivning som kreves for en gitt anvendelse. Era fag-mann på området vil vite hvorledes de forskjellige' faktorer skal justeres for å tiLfeed.ssvti.l_le bestemte behov.

Primærfluidet' som vanligvis er en gass, kan innføres i kammeret 12 ved forskjellige trykk som skaper den strøm av primærfluidum som er nødvendig for bestemte anvendelser. Temperaturen på primærfluidet kan justeres etter behov for

å avbremse eller akselerere kjølevirkningen på prosessen.

Likeledes; kan temperaturen på metalltilførselen justeres for å- forlenge eller forkorte dlera tid! som. kreves for kjøling av parÆMlene eller de små; dxåpear:..

Som* fremholdt' ovenfoc,, e- xv anordninger av Coanda typenv i henhold till oppfinnelsen ikke bare istand til å gi potensi-elt høye avsetningshastigheter som langt overstiger de man finner ved vanlige" termiske sprøytemetoder, men man har også den enestående mulighet til å tilsette komponenter og kjemiske forbindelser som enten er av en keramisk eller metallisk type. Disse tilsetninger er helt uavhengig av termodynamiske - begrensninger.

De inerte eller kjemisk aktive partikler kan tilsettes legeringen i det øyeblikk den størkner. I noen tilfeller kan det f.eks. være ønskelig å innføre små mengder av kjemisk aktiv gass til de små dråper idet de størkner.

Dette trekk kan være særlig fordelaktig ved fremstilling

av nye krypefaste aluminiumlegeringer som inneholder termisk stabile dispergerte oksydpartikler. Videre kan store volumdeler av karbinerj borider eller silicider innbefattes i "high speed" stål for ytterligere slitestyrke og forbedrede særegenskaper. Det er mulig å tilsette disse oksyder, karbider, borider eller silicider både til jernholdige og ikke-jernholdige metaller som f.eks. aluminium, titan, zirkon ium„ j<nrn og nikkel-

baserte legerinaer.

Fleksibiliteten vedi Coanda awsetningsprosessen byr på.

mange, muligheter til sammensetning; av legeringer og oppbygning av materialer., F . eks ~ kan som nevnt tidligere, inerte eller kjemisk aktive partikler innesluttes i eller tilsettes til gasstrømmen som kommer fra spalten for deretter å bli innbefattet i de flytende små dråper uten for stor utskillelse eller sammenklumpning. Store voilmmdeler av harde karbider, borider eller silicider kan tilsettes høylegerte stål for å øke slitestyrke og

slipemotstand for belagte plater for grubedrift eller utstyr til jordforflytning.

Hastighetene ved dette system muliggjør den nødvendige høye slaghastighet for dråpene som brytes opp i overordentlig fine små dråper. Kombinasjoner med andre teknologier så som plasma bue, kan anvendes for å utdype prosessen.

Anordningen og fremgangsmåten både til støping og beleg-ningssystemene i henhold til oppfinnelsen, kan, som vist på figurene 3A og 3B, omfatte fem grunnkomponenter, nemlig: Et kammer 200, en ovn 300, en traktbeholder 400, en Coanda anordning 500 og en samler 600. Et kammer 200 er nødvendig for begge utførelsesformer. Den virkelige fysiske oppbygning av de respektive kammere 200 er forskjellige på grunn av forskjellen i bevegelse av samleren 600. Naturligvis vil den foretrukne utførelsesform for kammeret 200 avhenge av den bestemte anvendelse og bruk av den beskrevne fremgangsmåte oe kan variere fra et kammer med bare ett formål som er konstruert og bygget for en spesiell type støpning eller oppbygning av en barre, til et kammer for flere formål som kan anvendes for en rekke forskjellige anvendelsesområder. Visse grunnkrav er imidlertid nødvendige for et hvilket som helst av kamrene. Kamrene 200 skal inneholde og skal kunne utføre den samlede fremgangsmåte og det må være muligheter for nøyaktig og presis kontroll med atmosfærer og dimensjoner og form må være slik at man får plass til de forskjellige gjenstander som skal støpes og/eller be-legges .

Ovnen 300 vil avhenge av det metall som benyttes og den

type gasser som anvendes, samt de temperaturer som kreves, den atmosfæriske kontroll som må utføres og lignende. Et antall kjente smelteteknikker for metall kan benyttes og ovner som utfører det man allerede kjenner til på metallurgi-området, kan på en tilfredsstillende måte tilpasses for anvendelse som ovn i foreliggende oppfinnelse.

Figur 4 viser en samler/holder anordning der et langstrakt rør 601 blir sprøytebelagt ved hjelp av en passende Coanda anordning. Røret kan dreies ved hjelp av ikke viste midler og beveges på tvers av Coanda anordningen som antydet med pilene på tegningen. Figur 5 viser den annen type samler/holder som har en plan flate eller et plant underlag 610 som beveger seg lineært og i den retning som pilen viser ved hjelp av midler som er utelatt. Et belegg eller et støpt lag 611 blir avsatt på dette ved hjelp av en egnet Coanda anordning. Figur 6 viser i skjematisk form en frem-og tilbake gående holder/samler 620 for avsetning av støpelignende barrer eller blokker ved hjelp av en Coanda anordning. I denne utførelse er Coanda anordningen sirkulær. Gjenstander kan støpes i spesielle former ved at man har en tilhørende formdel hvori de utsprøytede partikler kan avsettes.

Som man vil se av de ovenfor beskrevne utførelsesformer,

er de mulige kombinasjoner og variasjoner når det gjelder holdere og kollektorer ganske omfattende og de ovenfor beskrevne utførelsesformer skal ikke betraktes som begrensende, men bare som illustrerende eksempler på hva man kan benytte ved foreliggende oppfinnelse. De primære og sekundære fluider er vanligvis gasser. Som forklart ovenfor kan forskjellige blandinger av gasser benyttes for å oppnå visse ønskede effekter og naturligvis kan ytterligere væsker, gasser og til og med faste stoffer tilsettes til gassene for å forandre sammensetningen av disse.

Oppfinnelsen som her er beskrevet er blitt anvendt til fremstilling av partikler av forskjellige metaller så som bly, tinn, støpejern og rustfritt stål (300 serien). Den er blitt benyttet til å belegge støpejern på et underlag av rustfritt stål slik at man får en helt integrert skille-flate. Tinnpulveret er blitt fremstilt i dimensjoner så

små som noen få mikron og velegnet for komprimering, noe som også gjelder stålpulver av rustfritt stål.

Enkelte eksempler som viser anvendelse av foreliggende oppfinnelse, er gjengitt nedenfor. Disse eksempler er bare som illustrasjoner å regne og skal ikke oppfattes som noen begrensning av oppfinnelsen.

EKSEMPEL I

PRODUKSJON AV TINNPULVER

EKSEMPEL II

STØPEJERN PÅ RUSTFRITT STÅL

Som en oppsummering av denne beskrivelse, kan man si at foreliggende oppfinnelse består i en ny fremgangsmåte til avsetning av små dråper av metall som frembringes ved Coanda effekten på et underlag til fremstilling av en metallgjenstand. Modifikasjoner er mulig innenfor oppfinnelsens ramme.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av en metallgjenstand,karakterisert ved føring av et første fluidum langs en Coandaflate og føring av et andre fluidum langs Coandaflaten slik at det første fluidum innvirker på det annet fluidum ved at det flyter i en retning som skjærer det første fluidum, føring av et smeltet metall nær ved Coandaflaten mellom de første og andre fluider, føring av de første og andre fluider og det smeltede metall til et skjæringspunkt der de første og andre fluider skjærer hverandre og blandes for å bryte opp den smeltede strøm i små metalldråper og avsetning av de små metalldråper på et underlag til frembringelse av en metallgjenstand.
2. 2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at de små metalldråper avsettes på underlaget for å danne en belagt gjenstand.
3. 3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at de små metalldråper avsettes på en samler som danner et underlag til frembringelse av en støpt form.
4. 4. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 -3, karakterisert ved at de små dråper når de avsettes på underlaget er i flytende form, delvis størknet, eller er i fast form.
5. 5. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 -4, karakterisert ved at det som det første og det andre fluidum anvendes inerte eller kjemisk reagerende fluider som kan inneholde partikkelformede stoffer. 6.

   Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 -5, karakterisert ved at det som det smeltede metall anvendes et enkelt metall, en legering eller en blanding av metaller som kan inneholde faste partikler.