NO862952L - Tilvirkning og komprimering av legerte metallpulveremner. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører produksjon av emner fra le-geringsmetallpulver. Nærmere bestemt vedrører den en tilvirk-nings fremgangsmåte ved ekstrudering av slike emner som har densiteter som nærmer seg 100% av teoretiske densiteter, men som anvender reduksjonsgrader betraktelig mindre enn de som er brukt tidligere, og tillater således tilvirking av ekstru-deringer av forholdsvis store tverrsnitt.

Det er kjent å produsere metallemner fra fint oppdelt metallpulver ved å fylle opp en ekstrusjonsbeholder med metallpulver, avtette beholderen og i noen tilfeller luftevakuere den, og oppvarme den til en passende temperatur under smeltepunktet for pulveret og å ekstrudere beholderen og pulveret gjennom en dyse. For å oppnå en densitet i det ekstruderte produkt på omkring 100% av teoretisk densitet, kreves svært høye trykk,

og disse trykk oppnås fra tilgjengelige ekstrusjonspresser ved å anvende en reduksjonsgrad så høy 'som !2 : 1. Produktene oppnådd på denne måte er således av beqrenset tverrsnitt.

I den foreliggende prosess som blir beskrevet i det etterfølg-ende innføres metallpartikler av den ønskede sammensetning med en partikkelstørrelse av -80 mesh (masketall inn i en ekstrusjonsbeholder, fortrinnsvis et stykke av karbonstålrør. Det foretrekkes å anvende metallpulver forstøvet ved inert gass og avkjølt fra sin smeltetemperatur til omkring 425°C på

mindre enn 1/10 av et sekund. Pulveret innføres i suksessive nivåsjikt av omkring 5 cm tykkelse, og et formgivende stempel med høy hastighetsenergi påføres hvert lag etter at det er avsatt, og komprimerer således pulveret til en slagdensitet på omkring 80% av den teoretiske. En indre plate blir så

løst plassert på det komprimerte pulver i ekstruderingsbeholderen. Denne plate er også av karbonstål, av for eksempel 7,5

cm tykkelse, og er ikke festet til beholderkappen. På toppen av denne indre plate er det plassert en dekselplate av samme metall og tykkelse som den indre plate, og dekselplaten sveises til beholderkappen. Beholderen preparert på denne måte oppvarmes

i en ovn til en temperatur under smeltepunktet for legeringen. For verktøystål er denne temperatur fra omkring 760°C til omkring 1040°C. For høytemperaturige legeringer, slik som blir brukt i flymotorer, forløper dette området opp til omkring 1150°C. Denne behandling hever densiteten på pulveret i beholderen til omkring 90 - 93% av den teoretiske. Den oppvarmede beholder anbringes hurtig i en ekstruderingspresse og ekstruderingen gjøres ved en reduksjonsgrad på omkring 3 : 1 og ved en kraft på omkring 3000 tonn. Den indre plate som ikke er festet til ekstrusjonsbeholderen, beveger seg ikke ved den samme hastighet som beholderen, og blir faktisk delvis ekstrudert mot pulveret, for slik å heve densiteten av det ekstruderte emne til i hovedsak 100% av teoretisk densitet.

Den foreliggende prosess kan også tilpasses til å produsere en ekstrudering som har en diameter så stor som ekstruderingsbeholderen ved å fylle beholderen og prosessbehandle den på den måten som er fremsatt ovenfor og ekstrudere den i en avstand tilstrekkelig kun til å oppta det indre og ytre deksel i deres ekstruderte tilstand. Beholderen blir så fjernet uten at det gjenværende går gjennom dysen og etterlater således et emne som har tverrsnittet av beholderen og desiteten av en ekstrudert seksjon.

Den foreliggende oppfinnelse vil bli beskrevet i det etterfølg-ende i forbindelse med de vedlagte tegninger, hvor: Figur 1 er et tverrsnitt av en ekstruderingsbeholder fylt med

metallpulver i lag;

figur 2 er et tverrsnitt av en ekstruderingsbeholder med et formstempel med høy hastighetsenergi i en posisjon

til å komprimere metallpulveret;

figur 3 er et tverrsnitt av en ekstruderingsbeholder oppfylt med komprimert metallpulver og som har sin indre

dekselplate på plass,

figur 4 er et tverrsnitt av ekstruderingsbeholderen i figur 3

med dens ytre dekselplate på plass og sveiset til

beholderkappen;

figur 5 er et tverrsnitt av ekstruderingsbeholderen ifølge figur 4 delvis ekstrudert gjennom en ekstruderings-dyse;

figur 6 er et tverrsnitt av den fullstendig ekstruderte beholder i figur 5;

figur 7 er et tverrsnitt av et helt ekstrudert emne ifølge

figur 6 etter kapping;

figur 8 er lik med figur 3, men viser et indre deksel utformet

forskjellig fra det i figur 3;

figur 9 er lik med figur 4 med unntak av formen av det indre

deksel; og

figur 10 er lik med figur 6, men viser tverrsnittet av den

helt ekstruderte beholder i figur 4.

Den foreliggende prosess er vel tilpasset produksjon av emner og former av verktøystål eller andre høylegerte stål.Utgangs-materiale er metallpulver av ønsket sammensetning, som enklest oppnås ved å blande sammen metallpulveret av de ønskede ele-menter i de ønskede forhold. Her anvendes det metallpulvere av -80 mesh, det vil si at alt pulveret passerer gjennom en sikteduk med mål 80. Det foretrekkes å anvende metallpulveret forstøvet ved inertgass og avkjølt fra flytetemperaturen til omkring 425°C svært hurtig, og på mindre enn 1/10 av et sekund. En prosess som kan tilpasses til å produsere slikt pulver er beskrevet i US-patent nr. 4.272.463. Pulveret føres inn i eller fylles i en ekstruderingsbeholder 11 som kan være et stykke av karbonstålrør 8 med en nedre ende 9 av karbonstål sveiset på denne. Inn i denne beholder fylles metallpulveret 10, i lagdelinger på omkring 5 cm tykkelse. Beholderen 11 oppfylles så med metallpulver 10 i multiple på hverandre lagte lag 12, som vist i figur 1. Hvert lag 12 etterat det er på-fylt, komprimeres ved et formstempel 16 med høy hastighetsenergi som er vist i fig.2, for slik å komprimere pulveret til en slagdensitet på omkring 80% av den teoretiske. Det anslås at energinivået avgift til metallpulveret under komprimeringen er omkring 20685 MPa. Denne prosedyre repeteres inntil beholderen er oppfylt til omkring 10 cm fra toppen. Deretter innsettes en karbonstålplate 17 inne i beholderen 11 og bringes nær til pulveret 10 i beholderen 11, men sveises ikke eller på annen måte festes til beholderen 11. Platen 17 er omkring 7,5 cm tykk og danner et indre deksel for pulveret. En lignende skive, platen 18, anbringes så på toppen av platen 17, og sveises til beholderen 11 rundt toppkanten av den sistnevnte, som det vises i fig.4. Platen 18 innsettes omkring 2,5 cm inn i beholderen 11, og danner et ytre deksel av denne.

Beholderen 11 tilberedt på denne måte anbringes så i en varme-behandlende ovn og oppvarmes til en temperatur vesentlig under smeltepunktet for legeringen for omkring 6 timer. For verktøy-stål er oppvarmingstemperaturen fra 760°C - omkring 1040°C. For andre legeringer, slik som høytemperaturige legeringer an-vendt i flymotorer, kan temperaturområdet forløpe seg til omkring 11050°C. Oppvarmingen øker densiteten av metallpulveret 10 til omkring 90 - 93% av teoretisk densitet.

Beholderen 11 blir så hurtig overført fra varmebehandlingsovnen til ekstruderingspressen, på omkring 1 minutt, og ekstruderes ved en reduksjonsgrad på omkring 3 : 1 ved et trykk på omkring 3000 tonn. I figur 5 er ekstruderingsbeholderen 11 vist idet den passerer gjennom ekstruderingsdysen 21. Det ytre deksel 18 ekstruderes inn i nesepartiet 22 av ekstruderingen og den indre plate 17 ekstruderes inn i partiet 23. Siden platen 17 ikke er festet til veggen av beholderen 11, trekkes denne vegg over platen 17 som en tynnere vegg 24. Det er vår antag-else at platen 17 ekstruderes inn i partiet 23 av større tverrsnittsareal enn veggpartiet 24, hvilke derfor er mer vesentlig belastet enn partiet 23, og forlenges i forhold til dette. Partiet 23 har i virkeligheten blitt ekstrudert bak-over, som ytterligere komprimerer pulveret 10 i beholderen 11 til en densitet av omkring 100% av det teoretiske.

4

Figur 6 viser det produserte emne når beholderen 11 er blitt fullstendig ekstrudert.

På grunn av den påplussede komprimering av pulveret 10 ved forlengelsen av veggpartiet 24 som oppstår mens platen 17 passerer gjennom ekstruderingsdysen, er det mulig å oppnå et emne med full diameter av ekstruderingsbeholderen med desitet 100% av den teoretiske ved å stoppe ekstruderingsprosessen når platen 17 har passert gjennom dysen, og fjerne den delvis ekstruderte beholder 11 uten å ekstrudere den gjenværende del.

Eksempel nr. 1

En M-2 verktøystållegering som inneholder de følgende nominelle bestanddeler; karbon = 0,85%; mangan = 0,30%; silikon = 0,30%; krom = 4,00%; vanadium = 2,00%; wolfram = 6,00%; molybden = 5,00% og resten = jern, ble først omdannet til pulver ved inertgassforstøving ved å anvende den hurtige størkningsmetode.

Den resulterende metallpulverlegering ble siktet gjennom en nr.80 mesh, US-standard sikt. Dette graderte legeringsmetall-pulver ble så plassert i en V-formet torpedoblander av rustfritt stål og blandet i 30 min.

Metallegeringspulveret ble så plassert i 1010 karbonstålrør med en nedre plate sveiset på bunnen. Karbonstålrøret målte 307 mm i diameter og 973 mm i lengde. Pulveret ble plassert i beholderen i lag på 51 mm høyde, etter hvilke formstempelet med høy hastighetsenergi ble bragt i stilling, og bevirket til å til-dele støt flere ganger. Denne prosedyre ble opprettholdt inntil en total høyde på 870 mm var oppnådd.

Den oppfylte beholder ble veid og innehold omkring 340 kg av M-2 metallegeringspulver.

Den flytende eller fritt bevegelige skive ble plassert i karbon-stålbeholderen. Den andre stålskive ble så plassert på toppen av den fritt bevegelige skive, og sveiset omkretsmessig til karbonstålrøret.

Den preparerte ekstruderingskappe ble plassert i en varmebe-handlingsovn og oppvarmet til en temperatur på 926°C, og gitt anledning til temperaturutjevning for en periode på 6 timer ved 926°C.

Den oppvarmede ekstruderingskappe ble automatisk overført fra varmebehandlingsovnen til ekstruderingspressen på 40 sek. Ekstruderingsbeholderen ble ekstrudert gjennom en dyse med diameter på 182,118 mm. Den resulterende ekstrudering var omkring 2133,6 mm lang og 182,118 mm i diameter.

Det ekstruderte produkt ble så plassert i et vermikulittsjikt, og gitt anledning til å avkjøle sakte til romtemperatur.

Etter avkjøling ble ekstruderingshodet og halen avskåret.

Det resulterende emne ble deretter valset ved 982°C fra dia-meteren på 182,118 mm og ned til omkring 152,4 mm.

Det valsede emne utviste utmerket plastisk deformasjon og for-lengelse, uten noen sprekkdannelse eller endesprengning, og faktisk med ingen dekarbonisering, da metallet var beskyttet ved det ekstruderte karbonstålrør, hvilke var omkring 3,175 mm tykt.

Etter valseoperasjonen, ble pulvermetallemnene så varmvalset til en sluttstørrelse på omkring 101,6 mm R.C.S, (rundhjørnet firkant).

Det var ingen dekarbonisering, på grunn av skjermen av karbonstål som etter valsing målte omkring 0,794 mm i tykkelse.

Det resulterende produkt var 100% av teoretisk densitet, og konsistensmessig fremviste en kornstørrelse finere enn nr.30, bestemt etter avskjæringsmetoden. Karbidfordelingen var svært fin, og vanskelig å differensiere mellom kornstørrelse og karbidstørrelse.

Til slutt ble det resulterende produkt utsatt for reflektoskop-analyser og funnet å være godt og fritt for defekter.

Eksempel nr. 2

Ved bruk av prosedyren beskrevet i eksempel nr.l, ble et T-15 metallegeringspulver, med den følgende nominelle kjemiske ana-lyse: karbon = 1,55%; mangan = 0,30%; silikon = 0,30%; krom = 4,50%; vanadium = 5,00%; wolfram = 13,00%; molybden = 0,50%

og kobolt = 5,00%; det gjenværende = jern ekstrudert til en diameter på 182,118 mm og deretter valset til omkring 76,2 mm i diameter, med lignende resultater med hensyn til densitet, kornstørrelse og godhet.

Eksempel nr. 3

Ved å bruke prosedyren beskrevet i eksempel nr.l og nr.2,

ble et typisk M-2 verktøystål metallegeringspulver utsatt for en partiell ekstrudering hvorved bare den mekanisme anordning plassert i front av ekstruderingskappen ble ekstrudert til en forutbestemt lengde tilstrekkelig til å tillate den fritt bevegelige skive å beveges til et punkt tilstrekkelig til å

utøve et trykk mot pulveret for å resultere i tilnærmet 100% densitet som beskrevet i fig.5.

Det resulterende produkt fra den partielle ekstrudering ble deretter forvalset ned til en emnediameter på omkring 152,4 mm ved omkring 2133,6 mm lengde og deretter varmvalset til et R.C.S.-emne på 101,6 mm, med lignende resultater oppnådd fra det fullstendig ekstruderte, valsede produkt.

Som det er nevnt, foretrekkes det å anvende karbonstålrør for den foreliggende ekstruderingsbeholder. Veggtykkelser på 307 mm karbonstålrør er noe større enn 6,35 mm, men mindre enn 12,7 mm.

Så lenge som ekstruderingsbeholderen er tilvirket av metall

som har en mindre motstand mot deformering enn emnemetallet,

er veggtykkelsen for denne beholder ikke kritisk.

I den foranstående beskrivelse er det indre deksel 17 formet av plater som har parallelle ytre overflater. Etter ekstrudering er den ekstruderte plate 17, som nå bærer referansenummeret 23, delvis ekstrudert tilbake som beskrevet, og det er funnet at grensen mellom partiene 23 og det komprimerte pulveremnet 10

er, faktisk konkavt mot partiet 10, som er vist med stiplede linjer i figurene 6 og 7. For å oppnå et kommersielt aksepter-bart pulveremne 10 må de ekstruderte partier 22 og 23 i fig.6 kappes av, som vist i figur 7. Volumet 25 av det komprimerte pulveremne avgrenset av den stiplede linje i fig.7 må inklu-deres i avkappet, med en resulterende minskning i avkastning.

Dette tap i avkastning overvinnes ved å konturforme det indre deksel 17 som vist i fig.8 og 9. Dens nedre flate 26 er tilvirket konveks. Når den oppvarmede beholder i fig.9 ekstruderes ut-flates den konvekse flate 26 av det indre deksel 17, som er vist i fig.10, slik at grensen 27 mellom legemet 10 og det ekstruderte deksel 23 er i hovedsak plane. På grunn av denne plane overgangen gir kapping av emnet ved denne grense ingen vesentlige tap i avkastning. Vi finner faktisk at grensen mellom det indre deksel 17 og pulveremnet 10 ved den plane flate 27

er forholdsvis svak og at det ikke er nødvendig å kappe med et kappeskjær eller lignende innretning. Nesen av emnet kan van-ligvis løsgjøres ved å slå det med en slegge som bevirker at den bryter av ved grensen 27.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte for produksjon av tette emner av metallpulver, karakterisert ved at den innbefatter påfylling av pulver i en beholder formet av et metall som har en lavere motstand mot deformasjon enn emnemetallet, å komprimere pulveret i beholderen til en slagdensitet på omkring 80% av den teoretiske, og tildekke pulveret i beholderen med en indre plate ikke festet til beholderen, å dekke den indre plate med en dekselplate og feste den til beholderen, hvor begge plater er tilvirket av metall som har en lavere deformasjonsmotstand enn emnemetallet og som har tykkelser flere ganger den av beholderveggen, å oppvarme den fylte beholder til en temperatur under smeltepunktet for beholderen og metallpulveret, og varme-ekstrudering av den oppfylte beholder med dekselplaten først hvorved den indre plate blir delvis ekstrudert mot pulveret for slik å heve densiteten av det ekstruderte emne til i hovedsak 100% av det teoretiske.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at beholderen og dekselplatene er dannet av karbonstål og pulveret er av en legering hardere enn karbonstål.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at beholderveggen ikke er mer enn 12,7 mm i tykkelse og det indre og ytre deksel er omkring 76,2 mm tykt.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at metallpulveret ble forstøvet ved en inertgass og av-kjølt fra sin flytetemperatur til omkring 425°C på ikke mer enn 1/10 av et sekund.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det innbefatter trinnet av å oppvarme den oppfylte beholder til en temperatur under smeltetemperaturen for beholderen og metallpulveret for omkring 4-6 timer, og derved øke densiteten av pulvéret før ekstrudering til 96% - 97% av den teoretiske densitet.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at ekstruderingen av den oppfylte beholder stoppes etter at dekselplaten og den indre plate er ekstrudert, hvorved densiteten av den uekstruderte andel heves til i hovedsak 100% av det teoretiske.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at pulveret påfylles i beholderen i et antall av i hovedsak nivellerte lag.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at pulveret i hvert lag komprimeres i beholderen med et formestempel med høy hastighetsenergi.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den oppfylte beholder varmeekstruderes ved en reduksjonsgrad på omkring 3 : 1 og et trykk på omkring 345 MPa.

10. Emne av ekstrudert metallpulver, karakterisert ved at den er produsert etter fremgangsmåten ifølge krav 1.

11. Emne av uekstrudert metallpulver, karakterisert ved at det er produsert etter fremgangsmåten ifølge krav 6.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at flaten av den indre flate tilstøtende det komprimerte pulver er konveks før oppvarming av den oppfylte beholder, men er i hovedsak plan etter varmeekstruderingen av den oppfylte beholder.

13. Emne av ekstrudert metallpulver, karakterisert ved at det er produsert ved fremgangsmåten ifølge krav 12.