SE430481B - Sett att sammanfoga delar av solitt material genom varm isostatisk pressning - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 â201982'9 av skovlar i ringar, turbinhjul genom insvetsning av skovlar i skivor, sam- mansättning av ventilhus av flera grunddelar, infästning av element av fiber- kompositmaterial med varandra eller med ett rent metallmaterial eller slit- ringar av steiiite i venfiilsäten etc.

Enligt uppfinningen utformas delarna så att ytor som skall sammanfogas helt eller delvis är i kontakt med varandra. Urtag i ringar eller skivor för led- skovlar eller rotorskovlar ges lämpligen en sådan storlek att presspassning erhålles. Vid insättning kyles skovlarna då till så låg temperatur att spel finnes vid monteringen och presspassning med önskat anliggningstryck mot om- givande ytor erhålles efter uppvärmning till samma temperatur som ringarna eller skivan. Skovlarna kan kylas med flytande kväve. Över skarvstället mellan delarna anbringas en slamma eller pasta som består av ett avdrivbart lösnings- eller plasticeringsmedel och ett finkornigt metallpulver som kan ha samma sammansättning som legeringen i en av de delar som skall sammanfogas. Har delarna olika sammansättning är det också möjligt att använda en pulverbland- ning som består av två pulver med samma sammansättning som legeringarna i de detaljer som skall sammanfogas. Skarvstället täckes av ett poröst glasskikt som vid viss temperatur bildar ett gasogenomträngligt skikt, varefter den sammansatta kroppen utsättes för ett allsidigt gastryck vid en temperatur som är så hög att diffusionsbindning uppnås i gränsskiktet mellan delarna.

Delarna kan helt omges av glaspulverskiktet. Det.porösa glasskikten kan också påföras uppslammat i en vätska, t ex vatten eller alkohol, eller blandat med ett plasticeringsmedel. Närmast metallpulverskiktet kan anbringas ett skikt av ett glas med hög smältpunkt och utanpå detta ett skikt av ett glas med lägre smältpunkt. Vid uppvärmningen bildar det yttre först ett tätt gasogenom- trängligt skikt. När glaset blir lättflytande och vill rinna av kroppen bil- dar glaspulvret med den högre smältpunkten ett gasogenomträngligt skikt som hindrar att tryckgas intränger i fogen. Metallpulverskiktet närmast skarv- stället hindrar att glas tränger in mellan ytorna som skall sammanfogas och därigenom omöjliggöra avsedd sammanbindning. Anbringande av glasskikt och isostatisk pressning av pulverkroppar beskrives i de svenska patenten 7600919-0 (publ nr 396 371) och 7813018-Ä (publ nr U1Ä 921).

Föroreningar kan försämra eller omöjliggöra bindning. Det är därför viktigt att fogytorna är rena. Om delarna är rätt utformade och preparerade blir fogen lika stark som materialet i delarna. Den vid traditionell svetsning uppkommande försämringen av materialet i och kring fogen, som korntillväxt, 15 20 25 30 35 8201982-9 segringar och porbildning, undvikes vid HIP-svetsning. Olika, på annat sätt icke svetsbara metaller kan sammanfogas. Fogytorna rengöres före sammansätt- ningen. För vissa metaller är det tillräckligt att ytorna avfettas. För andra metaller krävs noggrann rengöring, t ex syratvättning eller reduktion i vät- gasatmosfär vid förhöjd temperatur, för att ytbeläggningar, t ex oxider, effektivt skall kunna avlägsnas. Reduktion med vätgas kan också utföras på sammansatta fogpreparerade komponenter i tryckugnar vid en temperatur under glaspulvrets smälttemperatur.

Består metallskiktet närmast fogen av ett pulver med mindre kornstorlek än 45 /um blir glasinträngningen i detta skikt av storleksordningen en eller ett par tiondels millimeter. Denna inträngning försämrar i regel icke det samman- satta maskinelementets hållfasthet nämnvärt. För att underlätta borttagande av glasskiktet kan ett pulverskikt av ett svårsmält material, såsom olivin, ett magnesiumaluminiumsilikat med en smältpunkt på 1700 °C-1800 °C, kvarts eller andra material, läggas ovanpå metallpulverskiktet. Olivin är ett synner- ligen lämpligt material eftersom det har samma utvidgningskoefficient som stål och andra aktuella material, exempelvis superlegeringar för vilka sättet kan tillämpas. Den likartade utvidgningen vid värmning innebär att inga sprickor bildas i skiktet vid uppvärmningen. Något av pulverskikten kan inne- hålla ett gettermaterial som under uppvärmningen absorberar föroreningar som kan vara skadliga och hållfasthetsnedsättande. Ett annat sätt att underlätta borttagandet av glasskiktet efter pressningen är att belägga metallpulver- skiktet och övriga ytor med ett skikt bornitrid som förhindrar att glaset häftar vid metallytorna.

Eftersom fordringarna på renhet hos ytorna som skall sammanbindas är stora för att god bindning skall erhållas fordras att använt uppslamningsmedel, lösningsmedel eller plasticeringsmedel helt skall kunna avdrivas. De får inte kvarlämna några beläggningar på ytorna. Alkoholer kan användas.

Parametrarna tryck, temperaturer och tider är materialberoende. Det prepa- rerade maskinelementet avgasas först vid rumstemperatur i vakuum mellan 1-0,01mbar cirka 0,5 timmar. Avgasningen kan utföras i tryckugnen. Om des- oxidering kräves kan ugnen fyllas med vätgas till atmosfärstryck efter av- gasningen och temperaturen höjas till en för desoxideringen lämplig nivå.

Trycket stiger till en av temperaturen beroende nivå och bibehålles under en till två timmar. För kopparlegeringar kan cirka 300 OC vara en lämplig 10 15 20 25 30 8201982-9 temperatur, för järnbaserade legeringar cirka 800 OC. Temperaturen höjes till en nivå vid vilken ett tätt glasskikt bildas, varefter tryckgas, exem- pelvis kväve, argon eller helium, tillföres och temperaturen höjes till den för diffusionsbindning erforderliga nivån. Tryck och temperatur hålles under en till flera timmar för fullgod bindning. Efter avslutad cykel får ugnen svalna till lämplig dechargeringstemperatur, chargen uttages och det färdiga maskinelementet rengöres, exempelvis genom blästring.

Om desoxidering med vätgas ej fordras avgasas den preparerade kroppen lämpli- _gen vid H00 °C eller ännu högre temperatur under högt vakuum. Lämpligt tryck kan vara -«10_2 torr.

En mycket väsentlig fördel med sammanfogningssättet enligt uppfinningen är att det kan utföras vid en temperatur väsentligt under materialets smält- punkt. Detta innebär att sammanfogning kan ske vid en temperatur där korn- tillväxten är liten och andra ogynnsamma förändringar går långsamt. Samman- fogningen kan ske helt utan tillförsel av tillsatsmaterial och utan till- träde av gaser eller andra ämnen som kan påverka materialet.

Uppfinningen beskrives närmare under hänvisning till bifogade figurer. Fig 1 visar ett utförande där den preparerade detaljen omges av ett glaspulver i en degel. Fig 2 visar ett utförande där endast skarvstället täckes med ett antal pulverskikt före behandlingen i tryckugnen.

I figurerna betecknar 1 ett maskinelement som är sammansatt av två delar 2 och 3. Delen 2 skjuter ner i en urtagning i delen 3.

I utförandet enligt fig 1 täckes skarvstället 4 av ett första pulverskikt 5 som består av metallpulver med likartad sammansättning som materialet i delarna 1 och/eller 2. Ovanpå detta har placerats ett skikt 6 av pulver av olivin. Detaljen 1 är placerad i en degel 7 med ett glaspulver 8, vars övre nivå ligger över skikten 5 och 6 som täcker skarvstället Ä. Under avgasning och desoxidering i vätgasatmosfär kan glaspulvret släppa igenom gas. Genom temperaturhöjning före pressning bildar glaspulvret ett gasogenomträngligt skikt som hindrar inträngning av tryckgas i skarven vid den efterföljande pressningen.

Claims (6)

10 20 8201982-9 I utförandet enligt fig 2 täckes pulverskikten 5 och 6,.innehållande ett metallpulver respektive olivinpulver, av ett första glaspulverskikt 10 av glas med en hög smältpunkt och av ett andra glaspulverskikt 11 av ett glas med en lägre smältpunkt. Vid uppvärmning efter avgasning smälter först glaspulverskiktet 11 och bildar ett gasogenomträngligt skikt. När tempera- turen ytterligare ökas och glaset i skiktet 11 blir lättflytande och rinner bort har pulvret i skiktet 10 smält och bildat ett gasogenomträngligt skikt som hindrar gasinträngning under pressningen. Exempel Två delar 2 och 3 av ett Cr-Mo-V-stål, innehållande 0,15 % C, 0,4 % Mn, 11,8 % Cr, 0,6 % Mo, 0,3 % V och resten Fe, har sammanfogats på sätt som visas i fig 1. Delen 2 svarvades konisk och i delen 3 svarvades en konisk öppning. Delarna avfettades före hopmonteringen. Skarvstället 4 täcktes av ett metallpulverskikt 5 av ett pulver med en kornstorlek < H4 /um. Skikttjockleken var 2 mm. Det av delarna 2 och 3 bildade maskinelementet placerades i en degel 7 som fylldes med ett glaspulver med låg smältpunkt med följande sammansättning i viktprocent: 80,3 % S102, 12,2 % BZO3, 2,8 % Al203, 4,0 % Na2O, 0,4 % K20 och 0,3 % Ca0. Avgasning utfördes vid N00 °C och 10-2 torr under 1 timme. Degeln med innehåll placerades i en tryck- ugn. Ugnen evakuerades två gånger till 1 torr och genomspolades mellan och efter dessa evakueringar med ren Nzlgas med ett tryck av 1 bar. Temperaturen höjdes till 1150 OC, varvid glaspulvret smälte och bildade ett gasogenomträng- ligt skikt. Trycket höjdes till 120 MPa med argongas. Trycket hölls vid 120 MPa och temperaturen vid 1150 OC under två timmar. En perfekt skarv erhölls. PATENTKRAV

1. Sätt att sammanfoga delar (2, 3) av solitt material till ett sammansatt maskinelement (1) genom varm isostatisk pressning (HIP), k ä n n e t e c k - n a t därav, att delarna (2, 3) utformas så att vid sammansättning ytor, som skall sammanfogas, helt eller delvis är i kontakt med varandra, att över skarv- stället (4) anbringas ett första pulverskikt (5) av ett pulver med i huvudsak samma sammansättning som materialet i en av delarna eller en pulverblandning där de ingående pulvren har i huvudsak samma sammansättning som materialen i de ingående delarna (2, 3), och att över det första pulverskiktet (5) anbringas 8201982'-9 ett andra pulverskikt (8, 10) av ett glaspulver, varefter den sammansatta detaljen på känt sätt uppvärmes så att glaspulvret bildar ett gasogenomträng- ligt skikt, varefter delarna (2, 3) utsättes för ett allsidigt gastryck vid så hög temperatur att diffusionsbindning erhålles i kontaktytorna mellan de- larna (2, 3).

2. Sätt enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att solida " metalldelar (2, 3) sammanfogas.

3. Sätt enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att över det första pulverskiktet (5) anbringas två glaspulverskikt (10, 11) och att glasmaterialet i det yttre glaspulverskiktet (11) har lägre smältpunkt I än glasmaterialet i det underliggande glaspulverskiktet (10). _

4. U. Sätt enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att mellan det första pulverskiktet (5) och det andra pulverskiktet (10) anbringas ett tredje pulverskikt (6) av ett material, exempelvis olivin, med en smält- punkt som ligger över pressningstemperaturen.

5. Sätt enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att pulverskikten (5, 6, 10, 11) påföres i form av en slamma eller _pasta med ett avdrivbart lösnings- eller plasticeringsmedel.

6. Sätt enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att de sammansatta delarna (2, 3) med anbringat metallpulverskikt (5) över skarv- stället (H) placeras i en degel (7) och att glaspulver (8), som bildar det andra skiktet, fylles i degeln så att skarvstället täckes.