SE460461B - Foerfarande foer varm isostatisk pressning av en metallisk eller keramisk kropp i en baedd av tryckoeverfoerande partiklar - Google Patents

Description

460 461--- = 2' tryckkärl. Tryckkärlet har inre värmeelement för att höja temperaturen hos pulvermaterialet till en lämplig konsoli- deringstemperatur. Inre temperaturer på 1000°C till 21OOOC är typiskt använda beroende på materialet som skall behand- las. Sammanfallande med ökningen i den inre temperaturen hos HIP-kärlet, ökas det inre trycket långsamt och upprätt~ hálles vid från 1050 bar (15000 psi) till omkring 2100 bar (30000 psi) änyo beroende på materialet som skall behandlas. Under de kombinerade effekterna av temperaturen och det isostatiska trycket, ökas pulvrets densitet till den teoretiska bulkdensíteten hos materialet.

Ett HIP-kärl kan mottaga fler än en burk under en given cy- kel och således finns möjligheten att öka densiteten hos flera pulvermetallartiklar per cykel. Dessutom är, genom användningen av isostatískt tryck, den ökade densiteten mer eller mindre likformig rakt igenonlden HU%ade anjkeln.Gemmu användning av en lämplig burkdesign är det möjligt att forma motsläppningar för tvärgàende hàl eller slitsar i den komprimerade artikeln. Tidscykeln för laddningen'är emellertid långsam, ofta krävande 8 timmar eller längre för en enda cykel. Vid fullbordandet av en cykel måste dessutom burkarna som omger pulvermetallartikeln borttagas antingen maskinellt eller kemiskt.

Det andra allmänna förfarandet för komprimering av pulveri- serad metall är en teknik betecknad såsom pulversmidning (“PF").Pulversmidningsprocessen innefattar stegen: (a) att kallkomprimera löst metallpulver vid rumstemperatur i en sluten form vid ett tryck i omrâdet av 0;L3,5bar (10-50 psí) till en lämplig qeometri (ofta bétecknad såsom en “för- form“) för efterföljande smídning. På detta stadium är .Eörformen spröd och kan innefatta 20-30% porösitet och dess hållfasthet härleder sig från den mekaniska sam- manlåsningen av de pulveriserade partiklarna. i? -f = 3 460 461 (b) Att sintra förformen (dvs utsätta förformen för för- höjd temperatur vid atmosfärstrycket) under en skyddad atmosfär. Sintringen orsakar ett solitt tillstànd "svetsning" hos de mekaniskt sammanlàsta pulveriserade partiklarna. (c) Att àterupphetta förformen till en lämplig smidnings- temperatur (beroende pà legeringen). Alternativ kan detta àteruppvärmningssteg inkorporeras i sintrings- steget. (d) Att smida förformen i en sluten form till den slutliga formen. Formen är typiskt upprätthàllen vid en tempera- tur av omkring 149% (äocPF) :ni 31s°c <6oo°F).

Smidningssteget eliminerar de inre porösiteterna från för- formningen och ger den slutliga formen till PF-delen.

Fördelarna hos pulversmidningen innefattar: Drifthastighet (upp till 1000 bitar i timmen), möjlighet till att producera en slutflum, mekaniska egenskaper väsentligen lika som kon- ventionellt smidda produkter och ökad materialanvändning.

Det finns emellertid ett antal nackdelar inbegripande olik- formighet vad beträffar densiteten beroende på kylningen av förformen då den är i kontakt med den relativt kalla formen, och oförmàgan att forma motsläppningar som kan gö- ras i HIP. vad beträffar de tidigare här ovan nämnda patenten synes de visa en kombination av isotermiska och isostatiska för- hållanden hos HIP och HIP's möjlighet till att forma mot- släppningar, med den höga hastigheten, låga kostnaden hos den kontinuerliga produktionen som normalt förknippas med pulversmide. I det amerikanska patentet 3 356 496 beskrivs användningen av en gjuten yttre kerambehállare såsom den primära värmebarriären. Dessutom orsakar denna gjutna ytt- re kerambehàllaren då den deformeras en nästan likformig distribution av tryck på det pulveriserade materialet. 460 4614 = f* I den amerikanska patentskriften 3 689 259 är användningen av granulerat eldfast material beskrivet. Denna amerikanska patentskrift 3 689 259 är üàkt att vara en förbättring av- det tidigare patentet 3 356 496 med avseende på en snabbare uppvärmning av kxnen och en snabbare uppvärmning av den för- ~ pressade delen. Även om de båda amerikanska patenten representerar framsteg inom området, kvarstår signifikanta problem med avseende på användning av en kerambädd i vilken en förform placeras före konsolíderingen. Närmare bestämt har det befunnits att användningen av krossade och slipade keramer eller karbider resulterar i en signifikant olikformig tryckfördelning frán toppen av laddningen (ytan som är vänd mot det rörliga press- organet) till bottnen av laddningen (ytan som är vänd mot den fixerade pressbädden). Denna olíkformighet av tryck- fördelningen demonstreras enkelt när en förpressad helt cirkulär cylinder av pulveriserat material konsolideras.

Efter konsolíderingen i en bädd av krossat och slipat eller smält kerammaterial till nästan 100% bulkdensitet, bestäm- des det att den förpressade cylinderns yta närmast den rör- liga presshejaren var mindre i diameter än ytan närmast den fixerade bädden. Sektionering av den konsoliderade cylin- dern utmed en diameter och examinering av den sektíonerade ytan, indikerade att den hade en trapetsform. De ovannämn- da fenomenet observerades i alla konsoliderade artiklar då en krossad och slipad eller smält granulerad keramgrund- massa användes såsom konsolideringsmediumß Lösningen på problemen i samband med sådan formförändring och brist på dimensionell formstabilitet har visat sig oåt- komlig speciellt då lösningen också mäste vara användbar vid massproduktion. Föreliggande uppfinning åstadkommer en lösning som är anpassad till massproduktion.

SAMMANFATTN ING AV UPPFI NNINGEN Föreligganade uppfinning är inriktad på ett förfarande för konsolidering av nietall- eller keramkroppar innefattande stegen: M9? *f * 5 460 461 (a) Att forma en tillverkningsartikel från pulveriserat metall- eller kerammaterial. Ett sådant formningssteg är företrädesvis gjort genom komprimering på ett sätt som är väl känt inom området; (b) Att sintra tillverkningsartikeln för att öka hàllfast- heten; (c) I nästa steg är en varm bädd av väsentligen sfärodiala kerampartiklar till vilken grafit eller ett liknande smörj- medel har tillsätts anordnad, in i vilken bädd tillverk- ningsartikeln är inbäddad. Denna bädd, företrädesvis av ett eldfast material såsom aluminiumoxid (Al2O3) och, valfritt, ett smörjmedel, utföres av initiellt uppvärmda aluminium- oxidpartiklar (och smörjmedelföreningen om sådan är närva- rande) i en fluidiserad bädd eller av andra ekvivalenta me- del. Dessutom kan, beroende på att det ofta förekommer ti- der då den sintrade tillverkningsartikeln är kyld, artikeln därefter återuppvärmas och placeras i den varma bädden. Yt- terligare sfärodiala kerampartiklar (och den valfria smörj- medelsföreningen) tillsätts sedan för att täcka artikeln.

Alterneránde lager av varma partiklar och varma tillverk- ningsartiklar är också inom uppfinningens ram; och (d) Att komprimera tillverkníngsartikeln i den varma bäd- den under ett högt tryck för att därigenom konsolidera ar- tikeln till en önskad fast konfiguration.

Genom användning av föreliggande uppfinnings metodik, kan väsentligen förbättrade konstruktioner av tillverkningsar- tiklar ástadkommas med minimal formförändring. De nya sär- dragen som vi anser vara det karaktäristiska hos denna upp- finning, både till dess organisation och funktionsförfa- rande, tillsammans med ytterligare syften och fördelar kom- mer att bättre förstås från den följande beskrivningen be- traktad i samband med de medföljande ritningarna i vilka ett för närvarande föredraget utförande av uppfinningen är illustrerat med hjälp av exempel. Det bör emellertid 460 461* * 6 klart förstås att ritningarna endast har illustrations- och beskrivningssyften och ej är avsedda såsom en definition av uppfinningens begränsning.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig 1 är ett flödesdiagram visande förfarandestegen hos före- liggande uppfinning.

Fig 2 är en skuren planvy visande konsolideringssteget hos föreliggande uppfinning.

Fig 3 är en planvy vísande en konsoliderad tillverkningsar- tikel som har blivit konsoliderad i en bädd av aluminium- oxidpartiklar av ej sfärodial form.

Fig 4 är en planvy visande en konsoliderad tillverkningsar- tikel som har blivit konsoliderad i en bädd av sfärodiala aluminiumoxidpartiklar.

Fig 5 är en planvy visande en konsoliderad tillverkningsar- tikel som har blivit konsoliderad i en bädd av sfärodiala aluminiumoxidpartíklar belagda med grafit.

KORT DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN I fig lyär ett flödesdiagram visat som illustrerar förfa- randestegen hos föreliggande uppfinning. Såsom framgår av nummer 10 är initiellt en tillverkningsartikel av metall eller förform gjord, till exempel i form av en nyckel. Även _om det föredragna utförande har för avsikt att använda en metallförform gjord av pulveriserade stålpartiklar, så kan också andra metall- och kerammaterial såsom alumíniumoxid, kiseldioxid och andra liknande material också användas inom uppfinningens ram. En förform är typiskt omkring 85% av den teoretiska densiteten. Efter att pulvret har formats till en förformad form sintras den därefter för att öka håll- fastigheten. I det föredragna utförandet kräver sintringen av metallförformen (stål) temperaturer i omrâdet kring 1093 :iii 126o°c <2ooo-23oo°F> under en tia av anning 2-30 minuter i en äqddmrm atmosfär. 1 det föredragna utförandet är en _11' h. ef = 7 1 460 461 sådan skyddande, ej oxiderande inert atmosfär kvävebaserad.

Efter sintringen som illustreras vid 12, kan de sintrade förformarna lagras för senare bearbetning. Skulle så vara fallet, såsom illustreras vid 14, uppvärms därefter förfor- men till approximativt 1o66°c <19so°F)-i en skyddande atmosfär.

Konsolideringsprocessen, illustrerad vid 16, tar vid efter det att den varma belagda förformen har placerats i en bädd av kerampartiklar såsom kommer att beskrivas i närmare detalj här nedan. För att framställa den önskade höga pro- duktionskvantiteten, kan alternerande lager av varma keram- partiklar och varma belagda förformar användas. För att yt- terligare öka produktionshastigheten kan konsolideringen utföras efter síntringen så länge som förformen ej tillåts kallna. Konsolideringen utföres genom att utsätta den in- bäddade belagda förformen för höga temperaturer och tryck.

För metallföremàl (stål) används temperaturer i området ev omkring 1o93°c (2ooo°F) den enexieiie av adding esoo ser (dorsr) komprimering vid tryck av 1580-9450 bar (10-60 ton) beroende på material är också inom föreliggande uppfinnings ram. Den belagda förformen har nu komprimerats och kan separeras, såsom visas vid 18, där kerampartiklarna lätt separerar från förformen och kan återanvändas. Vid behov kan varje par- tikel som fastnar vid förformen borttagas och den slut- liga produkten kan vidare maskinbearbetas.

Såsom behandlats här ovan var ett problem i samband med .användningen av en vanlig kerambädd det att den slutliga produkten led av formförändringar. Mikroskopisk examina- tion av sådana krossade och slipade eller smälta granule- rade kerammaterial indikerar en hög oregelbunden form, med många individuella partiklar med antingen ett rektangulärt eller triangulärt tvärsektionsutseende. Genom användningen av de väsentligen sfäriska kerampartiklarna enligt uppfin- ningen, i synnerhet i kombination med ett smörjmedel, àstadkommes emellertid en väsentligen mindre formföränd- ring. .460 461- = ß Närmare bestämt fastslogs att genom att använda en bädd av sfärodiala kerampartiklar, företrädesvis aluminiumoxid, utan ett smörjmedel, kvarstod vissa mindre formförändringar. Även om användningen av en sådan bädd producerade artiklar av överlägsen dimensionell stabilitet jämfört med den tidi- gare tekniken, kvarstàr behovet att förbättra en sådan di- mensionell stabilitet. Föreliggande uppfinning inriktar sig på detta problem genom att inkorporera ett specifikt smörj- medel till en mängd av omkring 1 till 2 vikt-% av de sfäro- diala kerampartiklarna in i bädden av den sfärodiala keramen.

I det föredragna utförandet blandas kol i form av grafit med en partikelstorlek mindre än ägum (325 mesh) med och klibbar fast vid kerampartiklarna mycket likt en beläggning. Tillsatsen av grafit verkar såsom ett smörjmedel mellan kerampartiklar- na och ökar konsolideríngen. Andra liknande termiskt stabila, väsentligen ej reaktiva smörjmedel, såsom molybdendisulfid, glimmer, och liknande innefattas också inom uppfinningens Iam.

I det föredragna utförandet blandas smörjmedlet med alumi- niumoxidpartiklar före formningen av den varma bädden.

Blandningen kan åstadkommas i en V-blandare eller dubbelkon, eller andra konventionella system för att säkerställa en in- tim blandning av smörjmedlet och kerampartiklarna.

Valet av kerammaterial för bädden är ocksàxdktigt av ett annat skäl i konsolideringsprocessen. Om en partikel valts som visar en tendens för sintring vid konsolídcringstem- peraturen, kommer det pálagda trycket att absorberas i både komprimeringen av den förpressade pulvermetallen och kompri- meringen av mediet. Till exempel kommer användningen av ki- seldioxid vid en konsolideringstemperatur av approximativt 1093QC (ZOOOOF) att kräva ett.högre tryck för att uppnå kcnnprilne- ringen än jämfört med användningen av aluminiumoxid vid samma temperatur. Användningen av zirkoniumoxid, kiseldi- oxid eller mullit vid en temperatur över'927qC(1700OF)remflterar i ett högre komprimeringstryck beroende på att keramerna själva börjar sintra-vid en temperatur över927oC U700oFy .lä ål/ ha, -f = 9 460 461 För att avklara sintringen och de resulterande högre trycken som krävs vid vissa kerammaterial, föredrages sfärodial alu- miniumoxid såsom konsolideringsmedium upp till temperaturer av 1zo4°c <22oo°1=). Dessutom innehar den efäreaieia eiuminiwnexiaen god flödeskaraktäristik, värmetransport och en minimal mängd självbindning under konsolideringen. En ytterligare fördel med den sfärodiala formen är den mycket reducerade självbindningen av partiklarna efter konsolideringen. De sfärodiala partiklarna hos föreliggande uppfinning har en storlek i området av företrädesvis ššll till *IfQ-Ióum (100 tilllllfiø mesh) I fig 2 är konsolideringssteget mer komplett illustrerat. I det föredragna utförandet har förformen 20 komplett in- bäddats i en bädd av väsentligen sfärodiala aluminiumoxid- partiklar 22 vilka har belagts med ett grafitsmörjmedel, och vilka i sin tur har placerats i en konsolideringsform 24. Pressbädden 26 bildar en botten, medan hydraulpress- hejaren 28 definierar en topp och används för att pressa ned på partiklarna 22 och förformen 20. Den belagda förformen 20 av metallpulver sammanpressas snabbt under högt enaxligt tryck genom påverkan av ett tryckorgan 28 i formen 24. Formen 24 har ej någon definierad form (såsom formen av en nyckel), och där är försumbart sidligt flöde ur förformen 20. Som en konsekvens uppträder konsolideringen nästan uteslutandei tryckorganets 28 rörelseriktning.

Såsom behandlats här ovan producerar användningen av icke sfärodiala partiklar en ej likformig tryckdistribution så att efter konsolideringen skulle en planvy av cylindern 30a sek- tionerad utmed en diameter ha formen av en trapets såsom illustreras i fig 3 och skulle närma sig 100% av full densitet. I fig 4 kan man se att samma förpressade helt cirkulära cylinder 30,när den är konsoliderad i en form av icke belagda sfärodiala aluminiumoxidpartiklar,har en lika- dan diameter vid toppcn och bottnen med en något större dia- meter vid medelhöjdcn. Varför den större diameterna uppträ~ der vid medelhöjdcn är ej känt; skillnaden i diameter var |s~1a~ 460 4611-.,- = 10 emellertid så signifikant reducerad att det utgör en dis- tinkt förbättring i förhàllande till tidigare teknik. För att kompensera för denna mindre formförändring, kan mindre ändringar hos förformen göras före konsolideringen eller så kan artikeln maskinbearbetas. Dessutom reducerar också användningen av sfärodiala partiklar kraftigt självbind- ningen hos partiklarna till förformen under konsolideringen. v Således tjänar de sfärodiala kerampartiklarna 22 till tre primärfunktioner: (1) att överföra konsolideringstrycket till förformen 20; (2) att tjäna såsom en semifluidform för att kvarhålla formen av förformen under konsolideringen; och (3) att fördröja värmeförlusten i förformen under över- föringen och konsolideringen. För att ytterligare kompen- sera för denna formförändring i artikeln i samband med an- vändningen av sfärodial aluminiumoxid, och för att undvika de flesta om ej alla maskinbearbetningar och/eller omform- ningar av förformen såsom nämnts här ovan, kan ett smörj- medel användas. I fig 5 illustreras en ytterligare rät cy- linder 30b. I detta utförande har grafit belagts på den sfärodiala aluminiumoxiden. Såsom framgår kvarhàlles cy- lindern 30b i sin originalform, dvs diametern förblir vä- sentligen likformig från topp till botten. Således elimi- enras väsentligt, genom användning av ett smörjmedel, be- hovet av ytterligare maskinbearbetning och/eller omform- ningen av förformen.

Ehuru föreliggande uppfinning är beskriven bör det förstås för fackmännen inom området att andra utföranden helt klart ligger inom föreliggande uppfinnings omfång. Till exempel så kan förformen vara en nyckel eller annat liknande före- mål. Dessutom kan andra väsentligen sfärodiala partiklar såsom kiseldioxid, zírkoniumdioxid och liknande keram- oxider användas för bädden. Denna uppfinning är därför ej avsedd'att begränsas till de speciella utförandena som är beskrivna här ovan. 'år

Claims (6)

-a = H 460 461 Patentkrav'_

1. Förfarande för konsolidering av en metallisk eller keramisk kropp, k ä n n e t e c k n a t av stegen: (a) att forma en tillverkningsartikel (30b) från pulveri- serat metall- eller kerammaterial, (b) att síntra tillverkningsartikeln (30b) för att öka hàllfastheten, (c) att anordna en bädd av uppvärmda, väsentligen sfäroi- dala kerampartíklar (22), som har belagts med ett ter- miskt stabilt, väsentligen ej reaktívt smörjmedel, (d) att uppvärma sagda tillverkningsartikel till en förut- bestämd temperatur, och (e) att komprimera sagda tillverkningsartikel (30b) i sagda uppvärmda bädd av de väsentligen sfäroidala belagda kerampartiklarna (22) under högt tryck för att därigenom konsolidera tíllverkningsartikeln till en tät, önskad form.

2. Förfarande för konsolidering av en metallisk eller keramisk kropp enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att tíllverkníngsartikeln (30b) är bildad av kompri- merad pulveriserad metall.

3. Förfarande för konsolidering av en metallisk eller keramísk kropp enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att de sfäroídala kerampartiklarna (22) är av aluminiumoxid.

4. Förfarande för konsolidering av en metallisk eller keramisk kropp enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k- n a t därav, att de väsentligen sfäroidala kerampar- rs tíklarna (22) har en partíkelstorlek mindre änjšä Um L (140 mesh). 460 461.., , /2

5. Förfarande för konsolidering av en metallísk eller " 5 keramisR_kropp enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att stegen (b) och (d) utföres i en skyddande ßh atmosfär.'

6. Förfarande enligt något av kraven 1-S, k ä n n e - t e c k n a t därav, att smörjmedlet är grafit.