SE458753B - Saett foer sintring av en presskropp i en plasmagasatmosfaer - Google Patents

Description

35 458 753 2 vald från gruppen bestående av H ar därav, 50 torr, 2,N2, CO, He, Ar och blandning- varvid plasmagasatmosfären är under ett tryck av 0,1- och plasmagasen alstras genom användning av åtminstone en av högfrekvensenergikällor och mikrovàgsenergikällor.

Bifogade ritningar illustrarar principen för och fördelarna med föreliggande uppfinning mera detaljerat.

Fig. 1 är en schematisk vy av en utföringsform av ett sint- ringssystem enligt föreliggande uppfinning, fig. 2 och fig. 3 är schematiska vyer av andra utföringsfor- mer av sintringssystem enligt föreliggande uppfinning, fig. 4 är en kurva, som visar hårdhetsfördelnin gen i djuprikt- ningen vid N 2-plasmasintring i enlighet med föreliggande upp- finning och fig. 5 är en kurva, som visar hårdhetsfördelningen i djuprikt- ning vid N iggande uppfin- 2-atmosfär och sintring i vakuum. 2-plasmasintring i enlighet med förel ning, sintring i N Vid föreliggande uppfinning har man strävat efter att övervin- na nackdelarna hos tidigare teknik och det har följaktligen visat sig att pulvriserade legeringar, som t.ex. hårdmetaller, kermeter, keramiska material och sintrade järnhaltiga kroppar strande av en t energikäl- bestående 2, CO, He och Ar under sintrings- effektivt kan framställas genom sintring under al gasplasmaatmosfär med användning av en högfrekven la och/eller mikrovâg-energikälla och en atmosfär av en eller flera av H2, N processen.

Generellt klassificeras plasma som en värme plasma under jäm- viktstillstând , i vilken elektroner och joner har väsentli- gen samma energi, och en làgtemperaturplasma under icke-jâm- viktstillstånd, varvid elektronerna uppvisar en större energi än joner och gasmolekyler. 10 15 20 25 30 35 458 753 Föreliggande uppfinning avser ett sätt för sintring med utnyttjande av den sistnämnda lågtemperaturplasman. Vid fallet av lâgtemperaturplasma ökas temperaturen för joner och gasmolekyler från flera hundra grader till ettusen Y grader och temperaturen för elektroner flera tiotusentals grader. Denna högenergielektron utsättes för oelastisk ff» kollision med gasmolekylen så att den dissocieras till en reaktiv atom kallad "radikal", vilket sålunda befrämjar den gasformiga reaktionen.

Då en reducerande gas, som t.ex. H2 eller CO, omvandlas till plasma är det ibland möjligt att reducera material, vilka anses vara nästan omöjliga att reducera ur termody- namisk synpunkt baserat på kemisk jämvikt. CO-plasma är effektiv icke endast ifråga om reducerande inverkan såsom beskrivits ovan, utan möjliggör även exakt reglering av kol- halten i en sintrad kropp.

Vid plasmasintring med användning av H2 (vilket i fort- sättningen benämnes "H2-plasmasintring“), erhålles följan- de fördelar och effekter jämfört med sintringsmetoder i vakuum eller i gasatmosfär enligt tidigare teknik: Det första ändamålet med H2-plasmasintringen är att redu- cera en sintrad legering. H2-plasmasintringen är mera re- sursinbesparande och mera ekonomisk än sintring i H2-atmos- fär under reducerat tryck i enlighet med tidigare teknik, eftersom en lägre koncentration (mindre gasflöde) kan ut- nyttjas. Sintring i H2-atmosfär under reducerat tryck en- ligt tidigare teknik genomföres vanligen i en H2-atmosfär av flera tiotal till flera hundratal torr för att öka den reducerande effekten, men vid denna metod är icke endast fullständigt avlägsnande av syre i legeringen omöjligt, utan även tillfredsställande avgasning av onödiga gaser, som t.ex. H20 föreliggande i legeringen, är omöjligt på grund av dess tryck, vilket sålunda inverkar störande på sintringen. Vid fallet av H2-plasmasintringen kan å andra 10 15 20 25 30 35 458 753 sidan reduktion fullständigt genomföras i en H 2-atmosfär- plasma av några torr och avgasning av de onödi ga gaserna kan på ett tillfredsställande sätt genomföras beroende på det använda högvakuumtillståndet. Sålunda kan med H2-plas- masintringen en legering erhållas med en extremt lág syre- halt och få håligheter.

Effekten av N2-plasmasintring illustreras nedan. Vid fal- let av sintring av N2-haltiga legeringar är denitreringen av legeringen anmärkningsvärd vid vakuumsintring enligt ti- digare teknik för bildning av separerade skikt av WC och Co på ytskiktet och därigenom uppstår ett problem genom att ythårdheten sänkes. Vid fallet av sintring i NZ-atmosfär är det nödvändigt att införa en högkoncentrerad N2-gas för att förhindra denitreringen och avgasningen av det inre av legeringen genomföres icke på ett tillfredsställande sätt, vilket resulterar i uppkomst av håligheter. I motsats till dessa sintringsmetoder har NZ-plasmasintringen den egen- skapen, att trots en liten kvantitet av N2-flöde är ett effektivt förhindrande av denitrering och effektiv N - 2 kontroll möjlig genom N2-radikaler aktiverade genom plasma och vidare kan onödiga gaser, som alstras i det inre av le- geringen, lätt avlägsnas beroende på det höga vakuumtill- ståndet, vilket sålunda förhindrar bildning av håligheter.

Effekten av CO-plasmasintring illustreras nedan. C0-plas- masintringen kännetecknas av en reducerande effekt och reg- lering av kolhalten i legeringar. Liksom vid fallet av den ovan beskrivna H2- eller N2-plasmasintringen, är denna C0- plasmasintring effektiv med en lägre koncentration och i stånd till effektiv avgasning på ett mera tillfredsstäl- lande sätt, jämfört med CO-atmosfärsintring enligt tidigare teknik. Vid plasmasintring med H2, N2, CO, He och Ar, var för sig utsättes ytan av en sintrad kropp för plasmaets- ning med den aktiverade gasen och följaktligen renas ytan på legeringen så att dess egenskaper förbättras. \ 10 15 20 25 30 35 .än U] Of) *Å C31 CN Då sintringen utföres i en atmosfär, i vilken plasma É alstras under ett blandat tillstånd av H2, N2, CO, He och I Ar, erhålles kombinerade effekter av förhindrandet av de- nitrering, reduktion och reglering av kolhalten hos de sintrade kropparna. Detta är den egenskap, som icke kan erhållas med sintring i vakuum eller gasatmosfär enligt tidigare teknik. - ¿ Vid föreliggande uppfinning genomföres sintringen gene- rellt vid en temperatur av l000 - l500° C under ett plasma- gastryck av 0,1 - S0 torr.

En anordning och sintringsugn, som användes vid plasma- sintringen enligt föreliggande uppfinning, beskrives nedan med hänvisning till bifogade ritningar.

Fig. l visar en utföringsform av en anordning och sint- ringsugn, som användes vid sintring enligt föreliggande uppfinning. I en rostfri ugn l är anordnade grafitvärmare 2, isolator 3, t.ex. kolull, och reaktionsrör 4 av grafit, vari arbetsstycken 5 är inmatade, och ugnen evakueras och ~ hålles under vakuum genom rotationspump 7 via ventil 6. Re- aktionsrör 4 är förbundet med kvartsledning 8. Å andra si- dan införes H2-,N2-, CO-, Ar- och He-gaser i den andra än- den av ledning 8 från gasbomber 23 - 27 via flödesmätare 18 - 22 och ventiler 13 - l7 och omvandlas till plasmagas 9 genom en mikrovâg från mikrovåggenerator 12 och avstäm- ningsenhet ll via vâgledare 10.

Fig. 2 och fig. 3 visar andra utföringsformer av en anord- ning och sintringsugn som användes för sintringen enligt föreliggande uppfinning. I fig. 2 bildas plasmagas 9 genom användning av högfrekvensgenerator 28, anpassningsenhet 29 och kopparspole 30, och i fig. 3 bildas en gas med högre plasmadensitet genom användning av mikrovåggenerator 12 och högfrekvensgenerator 28 i kombination. l0 15 20 25 30 35 458 755 6 w Följande exempel avses illustrera föreliggande uppfinning mera detaljerat utan att denna begränsas.

Exempel l Detta exempel visar en pulvriserad sintrad kropp av ker- mettyp. Ett kommersiellt tillgängligt TiC-pulver med en medelkornstorlek av l }nn blandades med ett TiN-pulver, WC- pulver och Mo2C-pulver med väsentligen samma kornstorlek, och ett Co-pulver och Ni-pulver med en kornstorlek av 100 mesh eller mindre i enlighet med angivelserna i tabell l, blandades med aceton i en behållare fodrad med rostfritt stål och utsattes därefter för malning i kulkvarn genom en vâtprocess under 96 timmar. Till detta blandade pulver sat- tes 3 vikt~% kamfer, varpå blandningen pressades under ett tryck av 2 ton/cmz.

Därefter upphettades det erhållna provet från rumstempera- tur till 12000 C i systemet enligt fig. l under alstrande av H2-plasma av 0,5 torr med en frekvens av 2450 MHz och mikrovågalstringseffekt av l kW och därefter genomfördes sintring vid 14000 C under 1 timme under ett vakuum av -2 10 torr. Den genom H2-plasmasintringen erhållna lege- ringen i enlighet med föreliggande uppfinning uppvisade en syrehalt av 0,05 % och mindre håligheter i strukturen. Be- dömning av håligheterna genomfördes genom iakttagelse av den skurna och polerade ytan av den sintrade legeringen med användning av ett optiskt mikroskop med förstoringen 200 gånger. Å andra sidan genomfördes sintring i H2-atmosfär under re- ducerat tryck i enlighet med tidigare teknik genom upp- hettning av provet i en H2-atmosfär av 50 torr upp till 12000 C och sintring genomfördes därefter vid 14000 C un- der l timme i ett vakuum av 10-2 torr. Den i H2-atmosfär under reducerat tryck i enlighet med tidigare teknik sint- l0 15 20 25 30 35 rade legeringen uppvisade en syrehalt av 0,6 % och uppvi- sade mera håligheter och mera dispersion av fritt kol i jämförelse med H2-plasmasintringen.

Tabell 1 (vikt-%) TiC TiN WC Mo2C Ni Co 48 12 15 l0 10 5 Exemgel 2 Råmaterial blandades i enlighet med samma recept som visa- des i tabell l i exempel 1 och behandlades pâ ett analogt sätt som i exempel l. Därefter upphettades provet från rumstemperatur till 10000 C i ett vakuum av 10-2 torr med användning av systemet enligt fig. 2, upphettades ytterli- gare till l400° C under alstrande av NZ-plasma av 0,3 torr med en frekvens av 13,56 MHz och en högfrekvensalstrande effekt av 500 W, och upprätthölls under l timme under sam- ma plasmabetingelser. Å andra sidan genomfördes ett jämförelseexperiment med användning av sintring i N2-atmosfär enligt tidigare tek- nik. Temperaturökningssteget var helt detsamma, men sint- ringen genomfördes i en N2-atmosfär av 50 torr genom upp- hettning från looo° c till 14oo° c, varpå temperaturen upprätthöiis vid 14oo° c.

Tabell 2 visar halterna av N2 och 02, som föreligger i de sintrade legeringarna, och bedömningen av håligheter. Be- dömningen av håligheter sker i enlighet med standardmeto- den för bedömning av graden av håligheter i hårdmetaller, som beskrives i "Cemented Carbides and Tools" sidan 55 av Funmatsu Yakin Gijutsu Kyokai. 10 l5 20 25 30 35 458 753 g Tabell 2 N2-halt 02-halt bedömning av håligheter N2-plasmasintring 2,61 vikt-% 0,5 vikt-% Al-typ N2-atmosfär- sintring 2,60 vikt-% 0,6 vikt-% A2-, A3-, Bl- ÜYP Som framgår av tabell 2 föreligger föga skillnad i N2-hal- ten mellan de båda metoderna. Detta innebär att trots N2- atmosfären med en lägre koncentration fortskrider den re- ducerande effekten markant genom radikaler aktiverade genom plasma. A andra sidan föreligger en klar skillnad vid bedömning av håligheter. Vid fallet av N2-plasma- sintringen är bildningen av håligheter den minsta (A- tYP) vid ett sådant tillstånd att porer av 10 In eller mindre är dispergerade, medan vid fallet av N2-atmosfär- sintring porer av 10 /nu eller större återfinnas i en ut- sträckning av B -ty . Orsaken till skillnaden i bildning l P av håligheter beror på att NZ-plasmasintringen genomföres under ett lägre tryck än sintringen i N2-atmosfär, såsom beskrives ovan, varigenom avgasningen fortskrider på ett tillfredsställande och homogent sätt.

Ythårdheten för den sintrade legeringen vid N2-plasma- sintringen är väsentligen densamma som för dess inre, så- som visas i fig. 4.

Exemgel 3 Råmaterial blandades i enlighet med samma recept, som vi- sas i tabell l i exempel l, och behandlas på ett analogt sätt som i exempel l. Med användning av systemet i fig. 3 upphettades provet från rumstemperatur till l200° C under alstrande av H2-plasma av 3 torr med en frekvens av 2450 10 15 20 25 30 35 458 753 MHz'och en mikrovâgalstrande effekt av 1 kW, och upphet- tades därefter till 14000 C under alstrande av N2-plasma av 0,3 torr med en frekvens av 13,56 MHz och högfrekvens- alstrande effekt av 500 W, och upprätthölls ytterligare un- der 1 timme under samma NZ-plasmabetingelser. Å andra sidan genomfördes ett jämförelseexperiment genom ökning av temperaturen från rumstemperatur till l2000 C i H2-atmosfär av 50 torr, och därefter ökades temperaturen upp till l400° C i N2-atmosfär av 50 torr, varpå provet yt- terligare upprätthölls under l timme i samma NZ-atmosfär.

Tabell 3 visar jämförelse mellan legeringsegenskaperna för dessa två prover.

Tabell 3 N2-halt 02-halt Év Hj-,N2-plasmasintring 2,60 vikt-% 0,04 vikt-% 1625 H2-, N2-atmosfär- _ sintring 2,40 vikt-% 0,6 vikt-% _1508 Vid H2-, N2-plasmasintring i enlighet med föreliggande upp- finning erhölls en normal N2-halt, mycket lägre 02-halt och större ythârdhet i jämförelse med sintring i H2-, N2- atmosfär i enlighet med tidigare teknik.

Effekten av H2- N2-plasmasintringen, som erhålles i exem- pel 3, framgår i form av summan av H2-plasmaeffekten en- ligt exempel l och NZ-plasmaeffekten enligt exempel 2.

Detta innebär att man har visat att den reducerande effek- ten och nitreringseffekten effektivt utföres i H2-plasma- atmosfär respektive NZ-plasmaatmosfär. Dessutom åstadkom- mes en tillfredsställande avgasning eftersom både H2 och Nz perna förbättras i markant grad genom avgasningseffekten uppvisar lägre tryck. Sålunda anses legeringsegenska- cr' 10 15 20 25 30 35 458 753 10 förutom den ovan beskrivna reducerande effekten och för- hindrandet av denitrering.

Exempel 4 Råmaterial blandades i enlighet med samma recept som visas i tabell l i exempel l och behandlades på analogt sätt som i exempel l. Med användning av anordningen enligt fig. 3 upphettades det erhållna provet från rumstemperatur till 12000 C under alstrande av plasma av en blandad gas av H2 och CO (2:l) i ett vakuum av 0,6 torr genom anbringan- de samtidigt av en mikrovågalstrande effekt av l kW med en frekvens av 2450 MHz och en högfrekvensalstrande effekt av 500 W med en frekvens av l3,6 MHz, och upphettades därefter till 14000 C under alstrande av plasma av en blandad gas av H2, CO och N2 (H2 : CO : N2 = 2 : l : l) i ett vakuum av 0,8 torr under samma mikrovåg- och högfrekvensalstrande betingelser, och upprätthölls ytterligare under l timme un- der samma betingelser. Å andra sidan genomfördes ett jämförelseexperiment med an- vändning av samma gasflöde, blandningskomposition och va- kuumgrad som i ovanstående plasmasintring förutom att nå- gon plasma icke alstrades.

Legeringsegenskaperna för båda proverna, som erhålles, an- ges i tabell 4 (vikt-%): Tabell 4 C-halt/- standard- Ezië: 92313 êsïifiäa E! H2-, N2-, CO-plas- masintring 2,60 % 0,03 % 8,70 %/0,02 l632 H2-, N2-, CO-atmos- färsintring 2,40 % 0,4 % 8,65 %/0,12 l5ll 10 15 20 25 30 35 458 fri/ss ll Det'väsentliga vid plasmasintringmetoden i detta exempel är att gaserna inmatas i blandat tillstånd och kolhalten regleras genom CO~gas. Såsom visas i tabell 4 är standard- deviationen för kolhalten liten, d.v.s. 0,02 vid plasma- sintring med blandade gaser i enlighet med föreliggande uppfinning. Detta innebär att vid denna sintringsmetod föreligger föga spridning bland proverna.

Halterna av N2 och 02, och värdet för Hv är liknande de ovan angivna.

Exempel 5 Detta exempel visar en pulvriserad sintrad legering av hårdmetalltyp genom plasmasintring.

Tabell 5 (vikt-%) WC TiC TiN TaC CO 60 12 5 13 10 blandades med ett TiC-pulver, TiN-pulver och TaC-pulver med en medel- Ett WC-pulver med en medelkornstorlek av 2 kornstorlek av 1 )nn, samt ett Co-pulver med en kornstorlek av l00 mesh eller mindre i enlighet med receptet i tabell 5, blandades med aceton under 5 timmar i en friktionskvarn, varpå 3 vikt-% kamfer tillsattes, och den erhållna bland- ningen pressades under ett tryck av 2 ton/cmz. Därefter upphettades det erhållna provet från rumstemperatur till 10000 C i ett vakuum av 10-2 torr i systemet enligt fig. l, upphettades därefter till 14000 C under alstrande N2-p1as- ma av 0,2 torr genom en mikrovågalstrande effekt av 2 kW och upprätthölls ytterligare under l timme. Å andra sidan genomfördes jämförelsetest genom vakuumsint- ring eller genom N2-atmosfärsintring. NZ-atmosfärsintring~ y; 10 15 20 25 30 35 458 755 12 en genomfördes genom upphettning av provet från 10000 C till 14000 C i ett vakuum av 100 torr, och upprätthölls under l timme under samma betingelser.

Tabell 6 visar legeringsegenskaperna för dessa tre prover (vikt-%): Tabell 6 N2-halt 02-halt C-halt/ bedömning av hålig- deviation heter standard NZ plasma- sintring 0,63 % 0,30 % 6,5 %/0,06 Al N2-atmosfär- sintring 0,62 % 0,25 % 6,4 %/0,10 A3 vakuum- sintring 0,60 % 0,31 % 6,3 %/0,15 BZ Såsom visas i fig. 5 föreligger en klar skillnad i värdet för Hv i djupriktning, även om det icke synes vara en avse- värd skillnad i N2-halt bland de tre proverna eftersom N halten är beräknad baserad på hela legeringen. Vid falle av vakuumsintring fortsatte en extrem denitrering från ytan och bildade separata skikt av WC och Co med en låg hårdhet, och även håligheter återfanns. Vid fallet av N2- atmosfärsintring föreligger liten denitrering och ythârdhe- ten är väsentligen densamma som hârdheten inuti, såsom framgår av tabell 6 och fig. 5, men bildningen av hålighe- ter är markant. 2 t Vid fallet av N2-plasmasintring är likaså ythårdheten vä- sentligen densamma som för det inre, såsom visas i fig. 5, och någon bildning av separata skikt av WC och Co samt hå- ligheter återfinnes knappast. I fig. 5 visar "Åk" N2-plas- masintringen och sintringen i N2-atmosfär, och "[]" visar 10 15 20 25 453 753 13 fallet för vakuumsintringen.

Exempel 6 Råmaterial blandades i enlighet med samma recept, som vi- sas i tabell 5 i exempel 5, och behandlades på ett ana- logt sätt som i exempel 5. Med användning av systemet i fig. 3 sintrades provet under sintringsbetingelser, som vi- sas i tabell 7, genom anbringande av en mikrovâgalstrande effekt av l kW och en högfrekvensalstrande effekt av 500 W: Tabell 7 temperatur rumstemperatur 1000 14000 C upprätt- 10000 C hälles under 1 tim. grad av vakuum l torr l,5 torr komposition för gasblandning H2:CO = 2:1 H2:CO:N2 = 2:l:l Ett jämförelsetest utfördes genom utsättande av provet för blandad gas-atmosfärsintring under betingelserna enligt tabell 7, vilket var fritt från plasma.

Tabell 8 visar legeringsegenskaperna för de erhållna sint- rade proverna (vikt-%): 10 15 20 25 30 35 458 753 14 Tabell 8 N2-halt 02-halt C-halt/ Hv bedömn. standard av hå- deviation ligheter blandad gas- plasma- sintring 0,63 % 0,01 % 6,5%/0,02 1750 Al blandad gas- atmosfär- sintring 0,55 % 0,12 % 6,4%/0,28 1680 A 3 Som framgår av tabell 8 har plasmasintringsmetoden mera ut- märkta egenskaper ifrâga om N2-halt, O 2-halt, fördelning av C-halt och Hv.

Exempel 7 Detta exempel visar en pulvriserad sintrad legering av ke- ramisk typ genom plasmasintring. Z Ett Al2O3-pulver med kornstorleken 0,5 Pm blandades med paraffin i en proportion av l0 vikt-%, maldes i kulkvarn under 100 timmar och pressades därefter under ett tryck av 2,5 ton/cmz. Med användning av systemet enligt fig. 2 upp- hettades provet till 14000 C under alstrande av Ar-plasma av 1 torr genom anbringande av en högfrekvensplasmaeffekt av 300 W, vilka betingelser upprätthölls under 2 timmar. vid tidigare teknik genomfördes sintring av keramiska mate- rial genom vakuumsintringsmetoden. I detta fall uppstår emellertid ett problem genom att ytan på en sintrad kropp förkolas genom en kolvärmare eller kolull i en vakuumsint- ringsugn, vilket medför att ytan på den vita sintrade kroppen mörknar. 10 15 20 25 30 35 458 753 15 Vid Ar-plasmasintringen enligt detta exempel sker icke nå- gon sâdan förkolning, eftersom aluminiumytan etsas med de aktiverade Ar-atomerna så att förkolade områden avlägsnas.

Exemgel 8 Detta exempel visar en pulvriserad sintrad legering av ferrotyp genom plasmasintring.

Pulver med en kornstorlek av 100 mesh eller mindre, såsom visas i tabell 9, blandades under l timme med hjälp av en blandare och utsattes därefter för CO-plasmasintring och CO-atmosfärsintríng som ett jämförelseexperiment, såsom visas i tabell 10: Tabell 9 (vikt-%) gg Mn Cr Mo _ __ ._ E 0, resten 0,6 l 0,3 6 Plasmasintringen genomfördes genom anbringande av en mik- rovâgalstrande effekt av 2 kW med användning av systemet enligt fig. l.

Tabell 10 temperaturökning atmosfär CO-plasmasintring rumstemp. l250° C CO . 10 torr CO-atmosfär- sintring " " CO : 100 torr Vid tidigare teknik är det svårt att förhindra förkolning vid vakuumsintring av ett kolhaltigt järnhaltigt pulver, ef- tersom C användes för reduktion av järnoxider, som ingår i pulvret. Sålunda genomföres sintring i COfatmosfär. Vid CO~plasmasintringen under ett tryck av 10 torr, såsom vi- 458 755 16 sas-i tabell 10, föreligger utmärkt reglering av kolhalt och den reducerande effekten är åtminstone jämförbar med vad som erhålles vid sintring i CO-atmosfär under ett tryck av 100 torr. Dessutom renas vid fallet av plasma- sintringen ytan på den sintrade legeringen på grund av etsnipgseffekten.

Claims (1)

1. 0 4sš 755 17 ,Patentkrav Sätt för sintring av en pressad kropp av ett pulver, k ä n - n e t e c k n a t av att en del av eller hela sintringspro- cessen genomföres i en 1âgtenperaturplasnagasatnosfär. varvid pulvret är valt från gruppen bestående av pulver för fran- stâllning av sintrade kroppar av pulver av hârdnetaller, kermeter, keramiska material och ferrolegeringar, och att plasmagasatnosfären består av åtminstone en gas vald från gruppen bestående av H2, H2, CO. He, Ar och blandningar därav, varvid plasmagasatmosfären är under ett tryck av 0,1 - S0 torr. och plasmagasen alstras genom användning av åt- minstone en av högfrekvensenergikällor och nikrovàgenergikäl- lot.