PL205839B1 - Sposób wytwarzania metalowych, kształtowych elementów o wysokiej porowatości - Google Patents

Abstract

Sposób wytarzania metalowych, kształtowych elementów o wysokiej porowatości, znamienny tym, że jako materiał wyjściowy stosuje się mieszankę proszku metalowego z wypełniaczem, a następnie z tej mieszanki prasuje się surowy półfabrykat, który następnie poddaje się konwencjonalnej obróbce mechanicznej, po czym z surowego półfabrykatu, w powietrzu lub w podciśnieniu lub w atmosferze gazu obojętnego usuwa się wypełniacz, przy czym jako wypełniacz stosuje się mocznik, biuret, melaminę, żywicę melaminową węglan amonowy lub dwuwęglan amonowy. Korzystnym wypełniaczem jest dwuwęglan amonowy lub mocznik. Obróbkę mechaniczną surowego półfabrykatu, pozwalającą na uzyskanie skomplikowanych kształtów elementu przeprowadza się przed spiekaniem, co pozwala na zmniejszone zużycie narzędzia i nie niszczy porów. Surowy półfabrykat jest odporny na nacisk, ponieważ podczas obróbki zawiera jeszcze wypełniacz tworzący pory.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania porowatych elementów kształtowych, zwłaszcza o wysokiej porowatości.

Wytwarzanie metalowych elementów za pomocą prasowania proszków metali jest znane. W celu uzyskania pożądanej porowatości do proszku metali wprowadza się materiały wypełniające, pozwalające na uzyskanie stabilnej, pożądanej porowatości. Po wytworzeniu, za pomocą prasowania, półfabrykatu z mieszaniny proszku i wypełniacza, ten ostatni jest usuwany, tak, że tworzy się struktura metalowa, mająca puste przestrzenie. Półfabrykat zachowuje zatem porowatą strukturę. Podczas usuwania wypełniacza należy zwracać uwagę, aby została zachowana struktura metalowa. Za pomocą spiekania powstaje kształtowy element o wysokiej porowatości, przy czym podczas spiekania powierzchnie stykowe cząstek proszku wzajemnie dyfundują.

Jako wypełniacze do tworzenia porowatych, metalowych elementów, stosuje się stosunkowo wysokotopliwe związki organiczne, które są usuwane z półfabrykatu za pomocą odparowania, pirolizy (krakowania) lub rozpuszczania z zastosowaniem odpowiednich rozpuszczalników. Istotnym problemem jest długi czas niezbędny do usunięcia wypełniaczy oraz produktów krakingu, które reagują z proszkami metali, takimi jak Ti, Al, Fe, Cr, Ni i pozastawiają znaczną ilość zanieczyszczeń. Wadą jest również, przy stosowaniu termoplastów, które są usuwane z półfabrykatu za pomocą ogrzewania niezbędnego do uzyskania stabilizacji półfabrykatu, rozszerzanie się punktu zeszklenia, szkodzące tej stabilizacji.

Jako wypełniacze stosuje się także wysokotopliwe związki nieorganiczne takie jak sole litowca lub niskotopliwe metale, takie jak Mg, Pb, Sn. Tego rodzaju wypełniacze usuwa się z półfabrykatu w próżni lub w otoczeniu gazu obojętnego w temperaturze od 600°C do 1000°C, przy wysokich nakładach energii i czasu. Nie unika się również pozostawania w półfabrykacie znacznej ilości zanieczyszczeń, zwłaszcza w przypadku elementów kształtowych z reaktywnych proszków metali, takich jak Ti, Al, Fe, Cr, Ni.

Z niemieckiego opisu patentowego nr DE 196 38 927 jest znany sposób wytwarzania metalowych, kształtowych elementów o wysokiej porowatości, polegający na prasowaniu z mieszanki proszku metalu i wypełniaczy półfabrykatu. Można stosować przy tym prasowanie jednoosiowe lub izostatyczne. Możliwe jest oddzielanie termiczne wypełniaczy i spiekanie półfabrykatu. Mieszanka proszku i wypełniaczy jest stabilizowana za pomocą lepiszcza, co w zasadzie umoż liwia wytwarzanie elementów o stosunkowo skomplikowanych kształtach, za pomocą prasowania wieloosiowego. Wykonanie jednak odpowiedniego tłocznika jest czasochłonne i drogie. W przypadku niewielkich serii, korzystne jest wytworzenie najpierw elementu o uniwersalnym kształcie (przykładowo walca lub płyty) i poddanie go obróbce mechanicznej w celu uzyskania pożądanego kształtu.

Według dotychczasowego stanu techniki, końcowe nadawanie kształtu elementom kształtowym o wysokiej porowatości następuje poprzez mechaniczną obróbkę, przykładowo poprzez toczenie, wiercenie, frezowanie lub szlifowanie, aglomeratu. Niekorzystne jest poddawanie przeróbce już spieczonego półproduktu. Plastyczne odkształcenia prowadzą z reguły do zatykania porów. Powoduje to zmniejszenie powierzchni otwartych porów i zmniejszenie funkcjonalnych własności kształtowych elementów. Wyrób, ze względu na swą wysoką porowatość musi być bardzo uważnie mocowany i obrabiany, ponieważ nie jest odporny na ściskanie. Ponadto nierównomierna powierzchnia porowatego elementu kształtowego, powoduje znaczne zużycie narzędzia.

Celem wynalazku jest opracowanie prostego sposobu wytwarzania metalowych, kształtowych elementów o wysokiej porowatości i o skomplikowanych kształtach pozbawionych wad znanych sposobów, przykładowo zakłócających porowatość powierzchni elementu.

Według wynalazku sposób wytwarzania metalowych, kształtowych elementów o wysokiej porowatości polegający na tym, że jako materiał wyjściowy stosuje się proszek metalu zmieszany z wypełniaczem. Jako proszek metalowy stosuje się proszek tytanu i jego stopów, żelaza i jego stopów, niklu i jego stopów, miedzi, brą zu, molibdenu, niobu, tantalu lub wolframu.

Jako wypełniacz stosuje się karbaminian CH4N2O(H2N-CO-NH2), biuret C2H5N3O2, melaminę C3H6N6, żywicę melaminową węglan amonowy (NH4)CO3H2 lub dwuwęglan amonowy NH4HCO3, których pozostałości są uwalniane z półfabrykatu już w temperaturze wynoszącej do 300°C.

Szczególnie korzystne jest, gdy temperatura ta wynosi około 65°C. Ziarnistość, to jest wielkość cząstek wypełniacza oraz ich kształt określają porowatość kształtowego elementu. Typowa średnica cząstek wypełniacza wynosi od 50 μm do 2 mm. Dzięki odpowiedniemu doborowi wypełniacza jak również jego ilości w stosunku do ilości proszku metalu, można uzyskać w ostatecznie uformowanym elemencie wysoką homogeniczną i otwartą porowatość. Osiągalna jest bez trudności porowatość

PL 205 839 B1 wynosząca do 90%. Z przedstawionej mieszanki prasowany jest surowy półfabrykat o prostych kształtach geometrycznych. Przykładowo półfabrykat ma postać walca lub płyty. Prasowanie odbywa się sposobem wieloosiowym lub izostatycznym na zimno. Prasowanie wieloosiowe prowadzi do uzyskania surowego półfabrykatu o ustalonych wymiarach i konturach zewnętrznych. Powłoka z proszku metalu jest plastycznie odkształcalna i może być usunięta przed spiekaniem za pomocą obróbki mechanicznej, jeżeli półfabrykat jest poddawany dalszej obróbce. Tarcie ścianek ogranicza stosunek średnicy od 2 do 1. Powyżej tej wartości występuje duże zróżnicowanie grubości sprasowanej kształtki. Prasowanie izostatyczne na zimno przeprowadza się w formach kauczukowych. Jako czynnik przenoszący nacisk stosuje się emulsję olejową, która razem z proszkiem wypełnia formę. Ponieważ wyeliminowane jest tarcie o ścianki możliwe jest uzyskanie stosunku średnicy wzdłuż długości większego niż 2 do 1, przy czym zachowana jest jednakowa grubość. Wadą jest mała dokładność wymiarów konturów zewnętrznych, mająca jednak niewielki wpływ na dalszą obróbkę surowego półfabrykatu. Półfabrykat poddaje się obróbce mechanicznej, podczas której nadaje się ostateczny kształt elementu, przy czym uwzględnia się skurcz występujący podczas procesu spiekania. Obróbka półfabrykatu w stanie surowym, zawierającym wypełniacz, ma tę zaletę, że półfabrykat łatwo poddaje się obróbce i nie traci porowatości. Narzędzie wykazuje niewielkie zużycie. Możliwe jest również wykonywanie skomplikowanych kształtów. Zawartość wypełniacza powoduje odporność na nacisk i umożliwia pewne chwytanie elementu w celu dalszej obróbki mechanicznej.

Po uzyskaniu ostatecznego kształtu wypełniacz jest usuwany termicznie w powietrzu lub w próż ni lub w atmosferze gazu oboję tnego. Atmosfera, w której odbywa się usuwanie wypeł niacza zależy od jego materiału. Przykładowo wypełniacz będący dwuwęglanem amonowym jest usuwany w atmosferze powietrza w temperaturze wynoszącej powyżej 65°C. Na koniec element jest poddawany spiekaniu.

Obróbka mechaniczna elementu przed spiekaniem pozwala na uzyskanie w prosty sposób skomplikowanych kształtów geometrycznych bez zakłócania porowatości oraz przy niskim stopniu zużycia narzędzia.

Przedstawiony sposób umożliwia nie tylko wytwarzanie kształtowych elementów o jednorodnej porowatości, lecz również kształtowych elementów o różnej porowatości.

Stosując gruby proszek wyjściowy uzyskuje się słaby związek między jego cząstkami tworzącymi spiekaną sieć, ponieważ mostki spiekane są niepełne. W tym przypadku już przy niewielkich obciążeniach występują odpryski na powierzchni. W celu zmniejszenia tego niepożądanego zjawiska elementy o wysokiej porowatości z grubego proszku poddaje się dogładzaniu lub polerowaniu. Podczas tego procesu, słabo związane cząstki są usuwane z powierzchni.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia surowy półfabrykat wytworzony w procesie prasowania wieloosiowego i prasowania izostatycznego na zimno, fig. 2 - różne kształty geometryczne elementów ze stali nierdzewnej 1.4404 (316L), wytworzone sposobem według wynalazku, a fig. 3 - przedstawia makropory wytworzone przez wypełniacz i mikropory wewnątrz spieku.

Sposób wytwarzania metalowych, kształtowych elementów o wysokiej porowatości, według wynalazku przebiega następująco:

1. wytwarza się surowy półprodukt według sposobu przedstawionego w niemieckim opisie patentowym nr DE 196 38 027. Proszek metalu, zwłaszcza proszek stali nierdzewnej 1.4404 (316L) lub tytanu, miesza się z wypełniaczem, zwłaszcza z dwuwęglanem amonowym i mieszankę tę prasuje się jednoosiowo lub izostatycznie na zimno. Narzędzie przeróbcze pozwala na uzyskanie nadających się do dalszej przeróbki półfabrykatów mających kształt walca lub płyty. Na fig. 1 przedstawiono możliwe do uzyskania kształty.

2. następnie surowy, nie zaglomerowany półfabrykat poddaje się obróbce mechanicznej (cięcie, wiercenie, toczenie, frezowanie, szlifowanie). Wypełniacz zwiększa wytrzymałość surowego półfabrykatu i jego podatność do obróbki. Zaletą jest także niewielka siła skrawania potrzebna do obróbki i wynikają ce stąd małe zużycie narzędzia. Ponadto nie zatyka się porów.

3. usuwa się wypełniacz i spieka się na płaskiej podkładce z ceramiki lub alternatywnie z nasypem kulek ceramicznych. Parametry usuwania wypełniacza są takie jak podano w niemieckim opisie patentowym nr DE 196 38 927. Uzupełniająco w stosunku do sposobu przedstawionego w tym opisie, następuje wydalanie węglanu amonowego i dwuwęglanu amonowego w powietrzu. Spiekanie w nasypie kulek charakteryzuje się tym, że ich powierzchnie przylegania do elementu są małe, tak że niemożliwe jest przyleganie ceramicznych kulek do elementu. Ponadto wyrównany jest skurcz spiekania

PL 205 839 B1 przez niezorientowane kulki, tak że podczas całego procesu spiekania występuje równomierna warstwa spiekana. Unika się dzięki temu wykrzywienia elementu podczas spiekania.

P r z y k ł a d

Na fig. 2 przedstawiono różne kształty geometryczne wytworzone sposobem według wynalazku ze stali nierdzewnej 1.4404 (316L). Materiałem wyjściowym jest proszek o ziarnistości < 50 μm. Proszek stalowy zmieszano z dwuwęglanem amonowym o ziarnistości od 355 μm do 500 μm w stosunku proszku do dwuwęglanu amonowego wynoszącym od 45% do 55% objętościowo. Odpowiadający temu stosunek wagowy proszku stalowego do wypełniacza wynosi od 80,5% do 19,5%. Z mieszanki tej za pomocą prasowania jednoosiowego, pod ciśnieniem wynoszącym 425 MPa wykonano walce o średnicy 30 mm i wysokości 22 mm. Walce te stanowią surówkę poddawaną obróbce za pomocą wiercenia i toczenia. Obok wiercenia i toczenia możliwe jest również wykonywanie odcinków prostopadłych oraz zaokrąglonych. Usuwanie wypełniacza następowało w powietrzu o temperaturze 150°C. Chociaż rozkład wypełniacza następuje już w temperaturze 65°C, wyższą temperaturę wybrano ze względu na przeprowadzenie uwodnionych produktów w fazę gazową. Spiekanie przeprowadzono w temperaturze 1129°C w czasie 2 godz. w atmosferze argonu. Kształty geometryczne wykazały skurcz wynoszący 4%. Końcowa porowatość elementu wynosiła 60% i składała się z makroporów określonych przez materiał wypełniacza i mikroporów występujących wewnątrz struktury spiekanej (fig. 3). Mikroporowatość jest rezultatem nie całkowitego spiekania się cząstek proszku metalowego. W celu zmniejszenia mikroporowatości stosuje się drobniejszy proszek lub spiekanie w wysokiej temperaturze.

Claims (7)

1. Sposób wytarzania metalowych, kształtowych elementów o wysokiej porowatości, znamienny tym, że jako materiał wyjściowy stosuje się mieszankę proszku metalowego z wypełniaczem, a następnie z tej mieszanki prasuje się surowy półfabrykat, który następnie poddaje się konwencjonalnej obróbce mechanicznej, po czym z surowego półfabrykatu, w powietrzu lub w podciśnieniu lub w atmosferze gazu obojętnego usuwa się wypełniacz.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako wypełniacz stosuje się mocznik, biuret, melaminę, żywicę melaminową węglan amonowy lub dwuwęglan amonowy.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wypełniacz usuwa się w temperaturze wynoszącej poniżej 300°C, zwłaszcza poniżej 105°C, a szczególnie poniżej 70°C.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako materiał wyjściowy stosuje się proszek stali nierdzewnej 1.4404 (316L) lub tytanu.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że końcową postać elementu kształtowego nadaje się przez obróbkę surowego półfabrykatu za pomocą cięcia, wiercenia, toczenia, frezowania lub szlifowania.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że aglomeracja następuje w nasypie kulek ceramicznych.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że element kształtowy, po aglomeracji poddaje się wygładzaniu lub docieraniu.