SE460655B - Foerfarande foer konsolidering av foeremaal i en baedd av fririnnande partiklar - Google Patents

Description

460 655 10 15 20 25 30 35 2 Den andra vanliga metoden att kompaktera pulvermetall är en teknik som kallas pulversmide ("PS"). Pulversmide- processen består av momenten att a) kallkompaktera metallpulver vid rumstemperatur i en sluten form vid tryck inom området 137,8 N/mmz till 683,0 N/mm2 till lämplig geometrisk form (ofta kallad press- kropp) för efterföljande smide. I detta stadium är press- kroppen spröd och kan ha 20 till 30 procents porositet och dess hållfasthet beror på pulverpartiklarnas mekaniska hopkoppling _ b) sintra presskroppen (dvs att utsätta presskroppen för förhöjd temperatur vid atmosfäriskt tryck) under skydds- atmosfär. ß Sintringen åstadkommer "svetsning" i fast tillstånd av de mekaniskt hopkopplade pulverpartiklarna. c) återupphetta presskroppen till lämplig smides- temperatur (beroende pá legeringen). Alternativt kan återupp- hettningssteget innefattas i sintringssteget. i b d) smida presskroppen i en sluten form till slutlig utformning. Formen hålls vanligen vid en temperatur av omkring 1~9°c till s1s°c.

I smidessteget elimineras restporositeten från för- formningen och PS föremålet får sin slutliga utformning.

Fördelarna med pulversmide omfattar: snabb behandling (upp till 1000 enheter per timme); möjlighet att producera en slät yta; mekaniska egenskaper väsentligen desamma som hos konventionellt smidda produkter; och bättre materialutnyttjande.

Det finns emellertid många nackdelar inkluderade varierande' täthet på grund av att presskroppen kyls i kontakt med den relativt kalla formen, konicitet som behövs på sidor och väggar, och oförmågan att forma underskärningar, som man kan göra med VIP.

De ovannämnda patenten beskriver vad som tycks vara en kombination av isotermiska och isostatiska förhållanden i VIP och VIP's förmåga att forma underskärningar med hög hastighet billig kontinuerlig produktion som normalt före- ligger vid pulversmide. I patentet 3 356 H96 sägs att man an- -álwn - ' v51' 10 15 20 25 30 35 460 655 3 vänder en gjuten keramisk ytterbehållare som primär värme- spärr. När denna gjutna keramiska ytterbehållare deformeras erhålles dessutom i det närmaste likformig tryckfördelning på pulvermaterialet.

I patentet 3 689 255 används granulerat eldfast material. Denhär hänvisningen anses vara en förbättring jämfört med 3 356 496 genom snabbare upphettning av kornen och snabbare upphettning av den förpressade kroppen. Även om patenten 3 356 496 och 3 689 259 innebär tek- nisk utveckling återstår väsentliga problem avseende an- vändningen av en keramisk bädd i vilken en presskropp placeras före kompakteringen. Man har nämligen funnit att använd- .W ningen av krossade och malda keramiska material eller kar- bider ger en .påtagligt icke-likformig tryckfördelning från chargens topp (ytan mot den rörliga pressdelen) till botten av chargen (ytan mot den fasta pressbädden). Denna olikformig- het i tryckfördelningen framgår klart när man kompakterar en förpressad rakt cirkulär cylinder av pulvermaterial. Éfter kompaktering i en bädd av krossat och malt eller smält keramiskt material till i det närmaste 100 % skrymvolym konstaterades att ytan pá den förpressade cylindern närmast den rörliga presskolven hade mindre diameter än ytan närmast den fasta bädden. Sektionerade man den kompakterade cylindern längs en diameter och studerade den sektionerade ytan visade det sig att den var trapetsformad. Detta fenomen konstaterades i alla kompakterade föremål där man använt krossad och mald eller smält granulär keramisk matris sbm kompakteringsmedium.

Man har inte lyckats lösa problemen med distorsion och bristande dimensionsstabilitet, särskilt inte när lös- ningen också måste kunna tillämpas vid massproduktion. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstad- komma en förbättrad metod att kompaktera metall, metall och keramiskt material eller keramiska föremål som skall kunna massproduceras. Metoden enligt uppfinningen har till- lämpas på sådana föremål i vilken som helst form från början, som kan kompakteras, pulver, sintrade, fiber-, svamp- eller andra former, och omfattar momenten *f-kr” 460 655 10 15 20 25 30 35 U a) att åstadkomma en bädd av fririnnande partiklar inom en innesluten zon, varvid partiklarna åtminstone inkluderar fririnnande och fjädrande hoppressbara kolhaltiga partiklar, b) att placera föremålet i bädden c) att applicera tryck mot bädden så att trycköver- 'föring åstadkommas via partiklarna till föremålet, varvid föremålet kompakteras till önskad form och dess täthet ökas.

Det kommer att framgå i det följande att kolpar- tiklarna med ovanligt stor fördel kan utgöras väsentligen av hop- pressbara korn som vanligen har ytligt utskjutande moduler och kornen är särskilt lämpliga när de består av grafit och är ungeför sfäriska. Det är då gynnsammast att kompaktera vid förhöjd temperatur i föremålet dvs vid temperaturer inom området 927°C till 1093oC. Vidare kan pressningen utföras så att partiklarna sammanpressas fjädrande närmast föremålet så att då det kompakterade föremålet tas ut ur bädden är partiklarna närmast föremålets yta fririnnande på ytan varvid ren- göring av det kompakterace föremålet blir så enkel som möjligt. Man har också funnit att vid användning av kol- haltiga korn eller granuler agglomererar kornen minimalt och förbli fririnnande och kan snabbt återföras för åter- användning i nästa kompakteringscykel.

Uppfinningen kännetecknas vidare av kompaktering av föremålet i form av ett metallskikt på en bärare och att metallskiktet kan bestå av volfram på en bärare av molybden.

Genom förfarandet enligt föreliggande uppfinning erhålles väsentligt förbättrade föremål med minimal distorsion vilket möjliggöres genom användningen av fririnnande kol- haltiga partiklar.

I det följande beskrivs uppfinningen i form av exempel, som inte innebär någon begränsning av den, och med hänvis~ ning till de bifogade figurerna där: figur 1 är ett flytschema av de moment som ingår i en utföringsform av uppfinningen; figur 2 är ett tvärsnitt som visar kompakterings- momentet; e.-. 10 15 20 25 30 35 , 460 655 5 fig. 3 är en vertikalvy som visar ett kompakterat föremål som kompakterats i en bädd av aluminiumoxidkorn som inte har sfärisk form; fig. 4 är en vertikalvy som visar ett kompakterat fövemål som kompakterats i en bädd av grafitpartiklar; fig. 5 är en vertikalvy av ett föremål som skall kompakteras på en bärare; figur 6 är en detalj av ett vertikalsnitt genom föremålet i figur 5; figur 7 är en fotografisk förstoring av kornen i grafitbädden: figur 8 är en teckning av några sådana korn; och figur 9 är ett diagram.

På figur 1 anger beteckningen 10 utgångsmaterialet, en presskropp av metall, metallkeram eller keramiskt material exempelvis utformad som en skruvnyckel. Medan den föredragna utföringsformen avser en metallpresskropp av stålpulver inryms andra metaller och keramiska material så- som aluminiumoxid, kiseldioxid och dylikt inom uppfinningens ram. En presskropp har vanligen en densitet av 85 % av den teoretiska. Presskroppen sintras vanligtvis för att få ökad hållfasthet. I den föredragna utföringsformen krävs för sintring av metall (stål) presskroppen temperaturer / inom området 10930 till 126000 under en tid av omkring 2 - 30 minuter i skyddsatmosfär. Det är att föredraga att den icke-oxiderande inerta skyddsatmosfären är kvävebaserad. Efter sintring, betecknad 12, kan presskropparna lagras och upp- arbetas senare. När så sker, betecknat 14, upphettas press- kroppen till omkring 1066oC i skyddsatmosfär.

Kompakteringen, betecknad 16, utförs när den varma presskroppen placerats i en bädd av uppvärmda kol- haltiga partiklar som beskrivs mer detaljerat i det följande.

För att åstadkomma önskad hög produktion kan varierande skikt eller bäddar av kolhaltiga partiklar och varma presskroppar användas. För att öka produktionshastigheten kan kompakte- ringen också ske efter sintringen så länge presskroppen inte blivit avkyld. Kompaktering sker genom att man utsätter den \ ,\v 460 655 6 inbäddade presskroppen för hög temperatur och tryck. För föremål av metall (stål) används temperaturer inom området omkring 1093OC och enaxligt tryck av omkring 551,2 N/mmz.

Kompaktering vid tryck av 137,8 N/mm2 till 826,8 N/mm2 he- 5 roende på materialet ligger också inom uppfinningens ram.

Presskroppen är nu förtätad och kan avskiljas, betecknat 18, varvid de kolhaltiga partiklarna lätt skiljs från press- kroppen och kan återinföras, betecknat 19. Om det behövs kan eventuella partiklar som fäster vid presskroppen 10 avlägsnas och slutprodukten kan finbearbetas.' Som angetts ovan var det ett problem vid använd- ning av en keramisk bädd att den färdiga produkten var be- häftad med distorsion. Mikroskopisk undersökning av sådana krossade och malda eller smälta granulära keramiska material 15 vvisar en i hög grad oregelbunden form och många individuella korn har antingen rektangulärt eller triangulärt tvärsnitt.

Man konstaterade också att då man använde en bädd av sfäriska keramiska partiklar kvarstod distorsion i produkten. Även om användningen av en sådan bädd resulterade i föremål av. 1 20 med bättre dimensionsstabilitet än vid äldre teknik kvarstod be- 0 hovet att förbättra dimensionsstabiliteten.

Enligt föreliggande uppfinning har man funnit att ovanligt hög grad av dimensionsstabilitet uppnås när bädden«huvudsakligen (och företrädesvis praktiskt taget 25 fullständigt) består av fririnnande kolhaltiga partiklar.

De bästa resultaten uppnås då partiklarna är grafitkorn som kan sammanpressas fjädrande och har utskjutande noduler fördelade över sina väsentligen sfäriska yttre ytor samt har ytsprickor. Se exempelvis figur 8, som visar några partiklar 30 40 eller granuler som också visas fotografiskt på figur 7.

Deras föredragna storlek är mellan 50 och 240 mesh 0,3 till 03061 mm diameter. Lämpliga granuler är avsvavlad petroleum- koks. Sådana kol eller grafit/partiklar har följande ytterligare fördelar i processen: 35 1) De formeras lätt runt hörn och kanter så att pålagt tryck fördelas jämnt på och över det föremålxsom skall kom- pakteras. Partiklarna får mycket små frakturer vid kompak- teringstrycket. 10 15 20 25 30 35 460 655 j 7 la) Partiklarna är inte slipande och formen repas och nöts därför mindre. 2) De är elastiskt formbara, dvs kan sammanpressas ~fjädrande under tryck och vid förhöjda temperaturer, par- tiklarna är stabila och kan användas vid upp till 2204°C; vari man har funnit att granulerna därför lätt kan avskiljas (dvs inte fäster vid) föremålets yta när föremålet avlägsnas från bädden efter kompakteringen. _ I 3) Granulerna agglomererar inte, dvs häftar vid varandra, på grund av kompakteringen av föremålet. Partiklarna kan följaktligen lätt recirkuleras för återanvändning, be- tecknat 19fpä figur 1. . 4) Grafitpartiklarna upphettas snabbt vid växel- Strömsinduktionsupphettning, varvid moment 1H på figur 1 kan innefatta eller bestå av sådan induktionsupphettning.

Partiklarna är stabila och kan användas vid förhöjda temperaturer upp till 220HoC. Även om grafit oxideras i luft vid tempe- raturer över H27oC tar grafitpartiklarna ingen skada av kortvarig exponering som under nedkylning. 5) Att använda en bädd av grafitpartiklar möjliggör väsentlig minskning (upp till H0 %) av det pálagda kompakterings- trycket som jia kolven 28 i figur 2_varvid det erforderliga formatet på kompakteringsanordningen kan reduceras.

Med hänvisning till figur 2 beskrivs förbättrings- momentet mer detaljerat. I den föredragna utföringsformen är press kroppen 20 fullständigt inbäddad i en bädd av kolhaltiga partiklar 22 som beskrivits, och denna är i sin tur placerad i en innesluten zon 2Ha i kompakteringsformen 2H. Press- bädden 26 bildar en grundplatta medan den hydrauliska tryckkolven 28 bildar en övre del och används för att pressa ner på par- tiklarna 22som fördelar det applicerade trycket väsentligen jämnt mot presskroppen 20. Presskroppen har en temperatur mellan 538OC och 220UOC före kompaktering (och företrädesvis mellan 927OC och 220HoC). Den inbäddade presskroppen 20 av metall- pulver sammanpressas snabbt under högt enaxligt tryck genom kolvens 28 aktion i formen 2H. . 1 10 15 20 25 30 460 655 8 Som angetts ovan ger användning av keramiska par- tiklar ojämn tryckfördelning så att efter kompaktering har en planvy av en cylinder 303 sektionerad längs en diameter en tendens att vara trapetsformad som visas på figur 3. V Med hänvisning till figur H framgår att samma press- kropp av rakt cirkulär cylinderform 302 som kompakterats i grafit bädd 22 behöll sin ursprungliga form dvs diametern är väsent- ligen densamma från topp till botten. Genom att använda en bädd av grafitpartiklar elimineras behovet av vidare maskin- bearbetning och/eller omformning av presskroppen praktiskt taget helt.

Figurerna 5 och 6 visar föremålet i form av ett metallskikt 50 på en bärare 51. Skiktet har fomren av en stympad kon och kan bestå av volfram på en molybdenbärare eller underlag. Föremålet kan användas som röntgenskydd , och man har funnit att förtätning av volframskiktet, genom_ kompaktering, väsentligt ökar skyddets brukstid med mot- svarande kostnadsbesparingar. _ Figur 9 visar spännings-deformationskurvor för Q olika volymsprocenthalter av blandade grafitpartiklar och bauxitkeramiska partiklar i en bädd. Lägg märke till att vid ett bestämt pålagt tryck ökar bäddens_kompressibilitet med ökad halt grafitpartiklar och är högst i en bädd av enbart gra- fit. Blandningar av grafitpartiklar och andra kolhaltiga eller keramiska partiklar gör det möjligt att helt anpassa formningsegenskaperna för ett föremål som skall kompakteras.

På figur 7 är grafitgranulerna förstorade 100 gånger.

Observera även sprickorna i många partiklar, vilka bidrar till kompressibiliteten.

Man kan också använda en liten volymsandel keramiska partiklar blandade med de kolhaltiga partiklarna i bädden 22.

Sådana keramiska partiklar ligger vanligen inom storleks- området 50 till 240 mesh (0,3 till 0,061 mm diameter) och kan exempelvis bestå av bauxit. \

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 460 655 _ 9 PATENTKRAV

1. Förfarande för konsolidering av ett metalliskt, kera- miskt eller metalliskt-keramiskt föremål (20 eller 50, 51) av ett pulverformigt, sintrat, fiberformigt, svampformigt form föreliggande utgångsmaterial som kan eller i annan kompakteras, k ä n n e t e c k n a t av stegen att man: a) åstadkommer en bädd (22) av fririnnande partiklar inom en konsolideringsform (2&a), varvid partiklarna väsentligen består av fririnnande korn med hög kolhalt, såsom grafit eller koks,med utskjutande noduler på ytan och ytsprickor för att på så sätt göra partiklarna elastiskt föränder- liga under tryck, b) placerar föremål (20 eller 50, 51) c) utövar tryck mot bädden så att trycköverföring via par- (ZÜ eller 50, 51) varvid före- målet kompakteras till önskad form och dess täthet ökas. i bädden (22) och tiklarna sker till föremålet

2. förfarande enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k- n a t av att trycket mot bädden utövas endast i en riktning.

3. Förfarande enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k- n a t av att de kolhaltiga partiklarna är väsentligen sfär- iska och består av grafit.

4. Förfarande enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k- n a t av att momentet b) utförs vid förhöjd temperatur.

5. Förfarande enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k- n a t av att föremålet i bädden, före kompakteringen, har en temperatur mellan SBBOC och ZZÛAOC.

6. Förfarande enligt patentkravet 1, av att föremålet är placerat i bädden så att det om- k ä n n e t e c k- n a t ges av partiklarna.

7. förfarande enligt något av patentkraven 1 till 6, k ä n n e t e c k n a t av att pressningen utföres så att partiklarna närmast föremålet sammanpressas och när det kom- pakterade föremålet tages ut ur bädden rinner de närmaste partiklarna av föremålet.

8. Förfarande enligt patentkravet 7, k ä n n e t e c k- n a t av att bädden innehåller tillräckligt mycket av de fririnnande kolhaltiga partiklarna för att förblihelt agglo- merationsfri under steget c). 460 655

9. Förfarande enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k- 10 15 20 10 n a t av att bädden består väsentligen av partiklar av en- bart graFit¿ 10. n a t ^Förfarande enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k- av att föremålet 50 är på en bärare 51 som också är placerad i bädden. 11. Förfarande enligt patentkravet 10, k ä n n e t e c k- n a t av att föremålet 50 består av ett metallskikt på bäraren. 12. Förfarande enligt patentkravet 11, k ä n n e t e c k- n'a t av att metallskiktet huvudsakligen består av volfram. 13. Förfarande enligt patentkravet 12, k ä n n e t e c k- n a t av att bäraren består väsentligen av molybden och _att volframskiktet är ringformigt utformat på bäracen-

10. k ä n n e- t e c k n a t Förfarande enligt patentkravet 2 eller 9, av att ett betydande antal av partiklarna har sprickor. , 15. k ä n n e t e c k n a t Förfarande enligt något av de föregående kraven, av att bädden också innehåller kera- miska partiklar inblandade med de kolhaltiga partiklarna. 16. kraven, k ä n n e t e c k n a t Förfarande enligt något av de föregående patent- av att partikelstorleken är mellan 0,3 - 0,06 mm.