SE453053B - Sett att konsolidera pulver av metalliskt och icke-metalliskt material - Google Patents

Description

453 .053 10 15 20 25 30 35 2 kombinationer därav framställa en tät artikel genom att först framställes en behållare av ett material, som ge- nom en kombination av temperatur och tid smälter vid ifrågavarande temperatur, medan denna kombination av temperatur och tid icke menligt inverkar på de för den kompakterade artikeln önskade egenskaperna. Hålrummet i behållaren fylles med pulver och behållaren utsättes för värme och tryck för kompaktering av pulvret till en tät artikel, och därefter avlägsnas behållaren från artikeln genom att behâllarematerialet smältes. Det genom smältning av behållaren erhållna materialet kan återvinnas och användas för framställning av en ny be- hållare.

Förfaringssättet enligt uppfinningen är med bästa resultat tillämpligt på s k "flytande formar" eller “tjockväggiga" behållare av den typ, som beskrives i amerikanska patentskriften 4 142 888. Såsom angives i denna patentskrift är en tjockväggig behållare eller "flytande form" en behållare med väggar, som fullstän- digt omgiver hålrummet i behållaren och är så tjock, att behållarens yttersida icke nära följer hålrummets kontur eller form, samt består av ett material, som är i huvudsak fullständigt tätt och okompressibelt och är i stånd att plastiskt flyta vid förhöjda temperatu- rer för att medge utövning av ett hydrostatiskt tryck på pulvret i hålrummet genom utövning av värme och tryck för densifiering (kompaktering) av pulvret. I denna patentskrift utläres emellertid att behållaren efter konsolideringen av pulverartikeln avlägsnas ge- nom maskinbearbetning, betning eller dylika metoder.

Enligt den amerikanska patentskriften 3 907 949 skall pulvret kompakteras genom isostatiskt tryck i en be- hållare av uretanplast, som innehåller en kärna av metall med låg smältpunkt, vilken kärna efter pressning avlägsnas genom smältning. Därefter sintras den pressa- de pulverkroppen vid en hög temperatur. Förfaringssättet enligt föreliggande uppfinning är i förhållande till 10 15 20 25 30 35 453 053 3 dessa kända metoder nytt genom att pulverkroppen herme- tiskt inneslutes i behållaren, och utsättes för_värme och tryck för konsolidering och sintring eller densifie- ring och bibehålles i behållaren medan behållaren smäl- tes bort från pulverkroppen vid en temperatur, som är lägre än en temperatur som skulle kunna på ett icke önsk- värt eller försämrande sätt inverka på eller utarma den konsoliderade eller kompakterade pulverartikelns mikro- struktur och fysikaliska egenskaper.

Uppfinningen och dess fördelar beskrives närmare i det följande under hänvisning till bifogade ritning, på vilken fig l - 5 schematiskt åskådliggör fem olika steg vid utövning av ett föredraget förfaringssätt en- ligt uppfinningen. Fig l visar gjutningen för framställ- ning av delar, som skall bilda en behållare, fig 2 visar en av de framställda delarna sammansatt behållare, som evakueras, fylles med pulver och avtätas, fig 3 visar det steg, vid vilket behållaren och dess innehåll ut- sättes för värme och tryck, t ex i en autoklav, fig 4 visar hur behållaren avlägsnas genom nedsmältning och fig 5 visar den av pulver framställda formkroppen, sedan den befriats från behållaren.

Såsom redan nämnts inledningsvis är uppfinningen inriktad på varmkonsolidering av olika typer av metall- och icke-metalliska pulver och kombinationer därav för framställning av artiklar med tät struktur, varvid uppfinningen i ett föredraget utförande är inriktad på konsolidering av metallpulver för framställning av komplexa formkroppar genom användning av tjockväggiga behållare av ovan angivet slag, såsom behållare enligt den amerikanska patentskriften 4 142 888. Definitionen på en tjockväggig behållare är att den skall ha så stor väggtjocklek, att yttersidan icke noggrant följer konturen eller formen av hâlrummet, och att material- massan är tillräckligt stor för att materialet vid ut- övning av värme och.tryck på detsamma skall kunna verka som en vätska och utöva hydrostatiskt tryck på pulvret 10 15 20 25 30 35 453 053 4 i behållaren hålrum. Genom att använda en tjockväggig behållare av detta slag är det möjligt att framställa kroppar, som nära överensstämmer med önskad slutform och vars dimensioner ligger inom snäva toleransgränser med minsta möjliga distortion. Enligt uppfinningen framställda artiklar har en form, som ligger nära önskad slutform, och kan anses vara precisionstillver- kade artiklar, som kräver minsta möjliga finbearbetning eller enkla bearbetningsoperationer för framställning av den slutliga formen.

Pâ ritningen visas stegen vid förfaringssättet enligt uppfinningen för varmkonsolidering av pulver av metalliska och icke-metalliska ämnen och kombina- tioner därav för framställning av en kropp eller arti- kel, som har tät struktur och vars form ligger nära önskad slutform, t ex den artikel, som visas vid 10 i fig 5 på ritningen. Den av pulver framställda form- kroppen 10 har en tät struktur och innefattar en skiv- formig del 12 med ringformiga flänsar l4, 16, som sträcker sig ut från motsatta sidor av den skivformiga delen 12. Den speciella formen av kroppen 10 visas emellertid endast som exempel, och givetvis kan andra former framställas_genom förfaringssättet enligt upp- finningen.

Vid 18 i fig 2 visas en tjockväggig behållare med ett hålrum 20 för mottagning av pulver, som skall konsolideras för sammanpressning av pulvret och form- ning av den täta, kompakta kroppen 10. Behållaren 18 framställes företrädesvis av minst tvâ mot varandra passande delar 22, 24, vilka, såsom visas i fig 2, har exakt samma form och efter sammansättning vid två mot varandra passande ytor 26 avgränsar hâlrummet 20.

Behâllarens båda delar 22, 24 formas i en form, som består av två formdelar 28, 30 och avgränsar ett hålrum 32. Behållarens delar 22, 24 formas i formhål- rummet 32 (se fig l) av ett material, som kan bringas att smälta genom en kombination av temperatur och tid, l0 15 20 25 30 35 453 053 5 varvid denna kombination av temperatur och tid icke skall på ett icke önskvärt eller försämrande sätt in- verka på egenskaperna av pulverkroppen l0, dvs dess egenskaper efter konsolideringen för framställningen av den täta pulverkroppen 10 i fig 5. Formdelarna 28,2 30 består exempelvis av gjutjärn och behållaren gjutes av exempelvis en sådan metall som koppar. Vardera delen 22, 24, som skall bilda behållaren, kan exempelvis form- gjutas vid lågt tryck genom att smält koppar införes under tryck i hålrummet 32 och tillåtes stelna. Be- hållarens 18 båda mot varandra passande delar 22, 24, vilka anbringas pâ varandra på det sätt, som framgår av fig 2, för fullständig omslutning av hålrummet 20, har så stor tjocklek, att behållarens 18 yttersidor icke noggrant följer hålrummets 20 kontur. Godset, som bildar behâllarens 18 väggar, har i huvudsak full den- sitet samt är okompressibelt och i stånd att plastiskt flyta vid förhöjda temperaturer och/eller tryck. Vida- re skall godset smälta vid en sådan kombination av tem- peratur och tid som icke i försämrande grad inverkar på den önskade mikrostruktur och de fysikaliska egenskaper som är nödvändiga för att den kompakterade pulverkrop- pen 10 skall uppfylla i förväg bestämda kvalitetskrav.

Såsom redan nämnts kan olika föremål med hög täthet framställas av pulver av olika kombinationer av material och i olika storlekar och former för olika krav och an- vändningsändamål. Enligt uppfinningen avlägsnas behålla- ren från den framställda formkroppen genom att smältas, varvid smältningen icke skall medföra att egenskaperna hos den framställda formkroppen försämras, så att form- kroppen icke uppfyller de krav, som i förväg är upp- ställda med hänsyn till användningsändamålet.

Kombinationen av temperatur och tid för smältning av behållaren är viktig. Behållaren kan nämligen utsät- tas för en smälttemperatur under en temperatur, som skulle kunna inverka försämrande på egenskaperna hos den kompakterade pulverkroppen 10, under en låg tidsperiod, 10 15 _20 25 30 35 45; oss 6 med andra ord en kombination av relativt låg temperatur och relativt lång tid. Å andra sidan kan behållaren ut- sättas för en smälttemperatur över den temperatur, som skulle kunna inverka försämrande på den framställda ar- tikelns egenskaper, men under en så kort tidsperiod att tillfört värme åtgår för smältningen och den framställ- da artikeln icke själv nâr en temperaturnivå, som för- sämrar dess egenskaper, dvs en kombination av relativt hög temperatur och relativt kort tid. Denna kombination är sålunda viktig På grund av att temperatur och tid i kombination med varandra måste vara sådan, att behålla- ren därigenom smältes utan att den under kompaktering av pulvret framställda artikeln når en temperatur, som på ett icke önskvärt eller försämrande sätt inverkar pâ dess egenskaper. Med andra ord kompakteras (varm- konsolideras) pulvret genom värme och tryck för er- nående av önskade fysikaliska egenskaper, såsom mikro- struktur och fysikaliska egenskaper, och bortsmältes behållaren så, att den temperatur, som artikeln uppnår, ligger under begynnande smälttemperatur för artikeln.

Den begynnande smälttemperaturen kan givetvis variera från artikel till artikel beroende på artikelns samman- sättning. Artikeln kan exempelvis bestå av en legering av olika_metaller,'varvid legeringens struktur kan ha korngränser, som börjar smälta vid en lägre temperatur än smälttemperaturen för kornen. I ett sådant fall är begynnande smälttemperatur den lägsta temperatur, vid vilken korngränserna börjar smälta. Begynnande smält- temperatur är med andra ord en temperatur, vid vilken någon komponent, del eller fas av den kompakterade artikeln börjar smälta, och givetvis kan begynnande smälttemperatur för en viss kompakterad artikel bero på beståndsdelarna av det pulver, av vilket artikeln är framställd.

Behållaredelarna 22, 24 kan förbindas med varandra genom svetsning eller kan innefatta flänsar (ej visade), som sammanpressas, t ex kallsvetsas, för smältförbind- 10 15 20 25 30 35 453 053 ning av de båda delarna.

De båda behâllaredelarna 20, 24 skall hopfogas, exempelvis genom smältning, så att en hermetisk tätning mellan delarna erhålles och så att vakuum i hålrummet 20 kan åstadkommas genom evakuering. Normalt bör be- hållaren 18 förses med hål, t ex genom borrning, i be- hâllarens endera delar för förbindning med yttre eller invändigt anordnade rör (ej visade) för anslutning till hålrummet 20. Behållaren 18 kan fyllas med pulver via ett yttre rör, vilket därefter hermetiskt tillslutes genom krympning, svetsning eller på annat sätt, så att behållaren fullständigt avtätas runt hela hâlrummet 20.

När hålrummet 20 i behållaren 18 är fyllt med pul- ver 36 och behållaren 18 är fullständigt avtätad, ut- föres konsolideringen av pulvret 36 för kompaktering av pulvret till önskad täthet. Konsolideringen utföres genom att behållaren 18 utsättes för värme och tryck, varvid värme och tryck kan utövas samtidigt i en auto- klev eller kan åstadkommas exempelvis genom föruppvärm- ning och med användande av en press på det sätt, som beskrives i ovannämnda amerikanska patentskrift 4 142 888. I fig 3 visas schematiskt hur varmkonsoli- dering utföres i en autoklav, som innefattar ett tryck- kärl 38 med i kärlet anordnade uppvärmningsslingor 40.

I autoklaven utövas ett isostatiskt tryck på behålla- ren 18 medelst ett tryckmedium, som vanligtvis utgöres av en inertgas, såsom argongas. Behållaren utsättes för värme och tryck över hela sin omkrets, varvid tempera- turen hålles under smälttemperaturen för behållaremate- rialet och varvid tillräckligt tryck användes för att åstadkomma plastisk flytning av materialet i behålla- rens 18 väggar, så att pulvret utsättes för ett till- räckligt hydrostatiskt tryck för ernående av önskad densitet. Behållaren 18 skall sålunda bestå av material, som bibringas ett tillstånd av plastisk flytning genom den temperatur och tryck, som erfordras för att bibringa 453 05.3 10 15 20 25 30 35 8 f! pulvret erforderlig täthet. Genom plastisk flytning skall sålunda volymen av behâllarens 18 hälrum 20 kunna U., \. minskas i erforderlig grad och skall på behållaren ut- övat värme och tryck vid det i fig 3 visade förfarande- steget bringa behållarematerialet att verka som en vätska för att utsätta pulvret 36 i hålrummet 20 för ett hydrostatiskt tryck. Eftersom pulvret 36 i hålrum- met 20 i begynnelseskedet icke har full densitet, skall behållarens hålrum för sammanpressning av pulvret till formen av en tät, sintrad artikel 10 reduceras i erfor- derlig grad. När behållaren 18 utsättes för värme och tryck för sammanpressning av pulvret till formen av en artikel av önskad täthet, skall temperaturen ligga under smältpunkten för behållaren.

Behållaren uttages därefter från autoklaven och placeras i en ugn 42 (fig 4) på exempelvis en rost 44 och utsättes i ugnen för en tillräcklig temperatur för smältning, varvid det smälta materialet uppsamlas vid 46. Såsom redan nämnts användes för smältningen en kom- bination av temperatur och tid och väljes denna kombi- nation så, att den temperatur, till vilken artikeln l0 uppvärmes, ligger under den temperatur, som skulle kunna inverka menligt på de för artikeln 10 önskade egenskaperna, såsom dess mikrostruktur och fysikaliska egenskaper.

Behållaren 18 bortsmältes i tillräcklig grad för friläggning av artikeln 10, men om små rester av be- hâllarens material eventuellt återstår på artikeln 10, kan dessa rester lätt avlägsnas genom enkla operationer, såsom betning eller lakning. ' Den genom smältningen av behållaren erhållna me- tallen 46 kan användas för framställning av en ny be- f;- hållare genom gjutning enligt förfarandesteget i fig l.

Behållarematerialet kan följaktligen återanvändas.

Olika sätt kan användas för smältning av behålla- w ren, varvid med framgång har använts metoden att smälta behâllarematerialet i ett av behållarematerial beståen- 10 15 20 25 30 35 453 053 9 de smält bad, vilket underlättar snabb bortsmältning av materialet. _ Enligt ovanstående beskrivning framställes behålla- ren genom gjutning av delarna 22 och 24, som skall bil- da behållaren. En behållare med önskat formhålrum kan exempelvis framställas i sin helhet genom gjutning och efterföljande maskinbearbetning eller kan framställas genom varm- eller kallsmidning eller helt och hållet genom maskinbearbetning av delarna enligt välkänd maskinbearbetningsteknik.

Uppfinningen har vid ett framgångsrikt försök ut- övats med användande av en behållare bestående av kop- par och kopparlegeringar, som smälter vid en tempera- tur av ca l085°C. Pulvret bestod av en höggradig metall- legering och behållaren 18 utsattes för ett tryck av ca 1000 kp/cmz i autoklaven och för en temperatur av ca l025°C under 30 min. Behållaren uppvärmdes därvid till en temperatur av ca ll20°C, varvid kopparmateria- let smältes och den kompakterade pulverartikeln fri- lades. Det bör observeras att den tid, som behållaren utsättes för en viss smälttemperatur, givetvis är be- roende av behållarens storlek eller massa. En större massa kräver större grad av värmeenergi för att bringas att smälta fullständigt från yttersidan till insidan och som konsekvens därav kräver en mindre massa mindre tid vid en given temperatur för smältning.

Det bör observeras att den i ovanstående beskriv- ning använda terminologin är avsedd att förklara upp- finningen och icke att begränsa uppfinningens omfatt- ning. ' Olika modifikationer och variationer av det be- skrivna förfaringssättet är sålunda möjliga inom den i efterföljande patentkrav definierade ramen för upp- finningen.

Claims (1)

1. 0 15 20 i4sz oss 10 PATENTKRAV Sätt att konsolidera pulver av metalliskt och icke-metalliskt material för bildande av en kompakt artikel (10), vilket sätt omfattar åtgärderna att ett med pulver (36) fyllt hålrum (20) omges med en behållare (18), som är i huvudsak fullständigt tät och okompressibel och av ett material som är i stånd att flyta plastiskt vid konsolideringstemperaturen för överföring av hydrostatiskt fluidumtryck till materialet för erhållande av fullständig densifiering av pulvret medelst behållaren, att behållaren upp- hettas till en kompakteringstemperatur, som ligger under dess smälttemperatur men som är tillräckligt hög för att tillåta dels behàllarens okompressibla plastiska flytning, dels fullständig densifiering av pulvret, och att behållaren sättes under tryck vid kompakteringstemperaturen för att bringa behålla- rens flytning att utsätta pulvret för ett tryck, som är tillräckligt för fullständig densifiering av pulv- ret, k ä n n e t e c k n a t därav, att behållaren och den däri inrymda, fullständigt densifierade arti- keln därefter upphettas till behållarens smälttempera- tur, som överstiger kompakteringstemperaturen, för borttagning av behållaren från den fullständigt den- sifierade artikeln. 11/1 175 få,