SE503886C2 - Sätt att framställa verktyg genom förtätning av metallpulver vid förhöjd temperatur med hjälp av formstyrande kroppar belagda med ett spärr- och släppskikt - Google Patents

Description

505 886 Bearbetning av stora materialvolymer är kostsamt och särskilt då vid inre bearbetning av komplext formade ytor av svårbearbetbara material. Många forrnverktyg hör till denna kategori. Att kunna förforrna inre kaviteter i 1 sådana verktyg är därför värdefullt av kostnadsskäl.

Det ßreslagna patentet avser att tillvarata pulverteknikens fördelar avseende goda materialegenskaper och flexibel formning och därigenom effektivisera tillverkningen av verktyg. En viktig del i förfarandet är att placera belagda formstyrande kroppar (kämor) i pulvret, vilka därigenom genererar formade ytor och inre kaviteter i det densifierade pulvret. Förfarandet framgår av den kännetecknade delen av patentkravet 1.

Enligt uppfinningen fylls ett fririnnande metallpulver i en behållare som innehåller en eller flera formstyrande kroppar (kämor). Det fririnnande pulvret omsluter vid fyllningen kämoma. Genom vibrering av och knackning på behållaren får man en effektiv och repoducerbar fyllning och packning av pulvret i behållaren och omkring kämoma. För att få en god geometrisk kontroll av formen på verktyget efter densifieringen måste pulvrets packnings- och densiñeringsegenskaper vara sådana att kvoten mellan specifika volymen för packat pulver respektive densifierat pulver är förutbestämbar inom 2 %.

Från denna kvot kan sedan den linjära lcrympningen av pulvret vid densifre- ~ ringen beräknas med hjälp av uttrycket AL=1-K'”3+p., där p är en liten korrektíonsterrn som är beroende av kämomas och behållarens geometri och materialegennslcaper. 503 886 Fririnnande metallpulver har efter vibrering en specifik volym av ca 1.40 och efter densiñering till nära full täthet, ca 1.02. (Enligt definition är specifika volymen på heltätt material 1). Kvoten K = 1.37 ger en linjär lrrympning på 10 %. En ändring av kvoten med 2 % ger en ändring av den linjära lcrympningen på ca 0.6 %, vilket ungefär motsvarar den noggrannhet med vilken man praktiskt och ekonomiskt kan tillverka behållaren för pulvret och därmed också den faktiska formnoggrannheten för verktyget. Densifieringen av metallpulvret sker med fördel genom het isostatisk pressning, vilket ger heltätt material.

För att möjliggöra en enkel separering av forrnstyrande kroppar och densifierat material samt förhindra reaktioner eller oönskad diffusion av lättrörliga element såsom C och N mellan kärn- och pulvermaterial så måste kämoma beläggas av ett kombinerat spärr- och släppskikt, baserat på finkomiga kemiskt stabila partiklar. Särskilt användbart är finkomiga partikelblandningar av högsmältande och svårreducerbara oxider som A120” SiO,, MgO, ZrOZ eller föreningar av dessa samt hexagonal BN. Inblandning av BN och SiOz ger därtill låg bindningsstyrka till den omgivande densifierade metallen samt låg egenstyrka i skiktet, vilket tillåter skärande bearbetning.

För att få en god vidhäftning av skikten till kärnmaterialen före densifiering samt en god ytñnhet och skiktstyrka appliceras skiktpulvren uppslammade i en vätska innehållande kollodial SiOz som är ett termiskt stabilt bindemedel.

Skikten appliceras lämpligen i flera lager på kärnorna, genom sprutning, 503 886 doppning eller påstrylating av en tunnflytande slamma och med torkning och putsning av skikten mellan beläggningarna.

Skiktpulverblandningar som huvudsakligen innehåller SiOz samt minst 20 vol % BN är relativt lätta att bearbeta och har i regel låg vidhäftning till de flesta metaller efter densifieringen.

De i pulvret ilagda formstyrande kropparna kan framställas på flera olika sätt och av olika material. Valet av kärnmaterial styrs dels av kravet på den önskade geometrin på färdig produkt, dels av vilket metallpulver som används i produkten. Lämpliga firnmaterial får ej smälta eller dissosiera eller reagera så att det pâlagda partikulära skiktet eller metallpulvret skadas i sin funktion vid densifieringen av metallpulvret. Ett viktigt kärnmaterial är grafit med densitet 1.8 g/cm”. Viktiga fririnnande metallpulver är gasatomise- rade stålpulver för verktygstillämpningar.

För generering av tunna utbredda kaviteter eller delningsytor är duktil plåt av samma materialtyp som metallpulvret att föredra. Lämpliga material för större kaviteter är av grafit eller hexagonal bornitrid som är lätta att bearbeta till önskad kämgeometri. Sådana material är dessutom lätta att avlägsna efter densifieringen genom t ex sandblästring. Dessutom orsakar sådana käm- material ej problem vid en eventuell efterbearbetning av de framställda ämnet eller verktyget pga sin mjukhet. 503 886 Kärnmaterial kan göras av heltäta material som plåt eller formade täta metalldelar eller av porösa material som grafit, kallpressat metallpulver eller sammanbundet kerampulver. Kämmaterialets egen deformering och densiñering mäste noga beaktas vid utformningen av kärngeometrin och kapselgeometrin. Genom att välja kämmaterial med samma specifilca volym som det fririnnande metallpulvret, får man en relativt enhetlig krympning, vilket underlättar dimensioneringen av behållare och kärnor.

För vissa applikationer där man i första hand vill generera delningsytor är det lämpligt att välja kämmaterial som ger god bindning till omgivande pulverma- terial vid densifieringen, där det ej är belagt med ett partikulärt skikt (släpp- skikt). Sådant kämmaterial kan därför ingå i verktygsmaterialet efter densifie- ringen, varvid ett delningsplan utan kavitet bildas.

För att underlätta separering av kämmaterial från det densifierade pulverrnate- rialen kan det vara fördelaktigt att välja kämmaterial med en något annan termisk utvidgning än vad det densifierade materialet har. För inre liggande kämor väljs material med högre termisk utvidgning och för utanpåliggande kärnor väljs kämmaterial med lägre termisk utvidgning. Vid avsvalningen efter densifieringen kommer således, genom skillnad i termisk krympning, spalter att bildas i gränsskiktet mellan kärna och material, vilket underlättar den efterföljande delningen av verktyget och urtagning av kämmaterialen. 505 886 Uppfinningen beskrivs närmare under hänvisning till tre bifogade figurer.

Figurema 1-3 visar snitt genom behållare fyllda med metallpulver och olika slags formstyrande kroppar belagda med ett tunt spärr- och slâppskikt. De I formstyrande kropparna genererar formade ytor och kaviteter i pulvermateria- let efter densifieringen.

Fig l visar ett snitt genom en tunn cylindirsk stålbehållare 3 med tillhörande lock 6. Behållaren är fylld med sfärsikt stålpulver 1 och två kämor 2a och 2b.

Käma 2a har en cirkulär symmetrisk form och är tillverkad av relativt tät grafit. Kâma 2b är ringformad och tunn och är tillverkad av förformad plåt med en sammansättning liknande stålpulvret. Kârnorna 2a och 2b vilar på tunna plátstöd Sa och Sb, fastsattai plåtbehållaren. Hela grafitkäman 2a samt ena sidan av stålringen 2b är belagd med ett tunt ñnkomigt keramiskt pulverskikt 4a och 4b. Skiktet är ca 100 pm tjockt och består, efter kalcine- ring, huvudsakligen av SiOZ, BN och A503.

Tillverkningen av, i detta fall ett formsprutningsverktyg, sker genom att grañtkäman 2a bearbetas till önskad form med hänsyn tagen till eventuell formförändring vid stålpulvrets densifiering. Grañtkäman 2a beläggs sedan i omgångar med en pulverslamma bestående av en blandning av kollodial SiO, och ñnkornigt BN och AlzOypulver tills ett pulverskikt med en tjocklek av 100 pm byggs upp. Grañtlcäman och skikten torkas i luft vid ca 400°C. En stälring 2b, tillverkad av samma matefialtyp som pulvret, beläggs på ena sidan med ett pulverslcikt på samma sätt som beskrivits för grafitkärnan, medan andra sidan är helt ren. 503 886 En gastät behållare 3 med tillhörande lock 6 tillverkas till önskade mått, med hänsyn tagen till formförändringen vid stålpulvrets densiñering. Utgående från formeln AL = l-K'”3+u och ett K-värde på 1.4, och p.==0.0l krymper behållaren ca 10 % vid pulverdensiñeringen. På insidan av behållaren fastsvetsas tre tunna plåtstöd 5a för grañtlcäman samt tre stöd Sb för stålringen. Kärnorna 2a och 2b placeras på stöden i behållaren. Mellan kapselväggen 3 och stålringen 2b finns en ca 3 mm bred spalt som tillåter passage av stålpulver vid fyllning. Behållaren fylls med stålpulver samt vibreras och lutas så att samtliga delar i behållaren fylls och så att en enhetlig fyllnadsgrad erhålls för pulvret. Locket 6 sätts på plats samt svetsas gastätt till behållarkanten 7. Genom evakuefingspipen 8 bortevakueras luft och fukt från pulver och kärnor. Evakuering sker vid en temperatur av ca 500°C, varefter evakueringspipen förslutes gastätt. Behållaren som nu är helt gastät densifieras därefter genom het isostatisk pressning (HIP) vid en temperatur av 1l50°C med ett yttre gastryck av ca 100 MPa och under en hålltid av ca 1 timme.

Verktyget delas i två delar genom att materialet utanför ringen 2b svarvas bort, varefter grafitkärnan 2a avlägsnas genom krossning och sandblästring.

Kärnan 2b, som är av stål, är fast förbunden med det densifierade pulvret på ena sidan och utgör endast ett delningsplan i verktyget genom skiket 4b.

Verktyget finbearbetas därefter till slutliga mått på vanligt sätt.

Tillverkningen av verktyg enligt beskrivningen i fig 2 är likartad med den i ñg l. Den avgörande skilllnaden är att behållaren även innehåller rörslingor 9 samt att kärnan 10 är av rostfritt stål och helt belagd av ett spärr- och släpp- skikt 11. Det bör observeras att insidan av rörslingoma är topologiskt att 503 886 betrakta som kapselns utsida, varför rörslingorna kan ses som en del av en mycket komplext formad behållare. Efter densiñering av metallpulvret genom HIP, delning samt borttagning av stålkârna 10 erhålls två formhalvor med ett i utslâckt tunt forrnrum med inbyggda kylkanaler. Efterbearbetningen av verktyget omfattar i huvudsak yttre bearbetning av formhalvoma.

Tillverkningen enligt fig 3 utgår från en kâma 12 som tillverkats av sammanpressat spretigt metallpulver eller tätt sammansintrat sfäriskt metallpulver. Det avgörande kravet är att den formade kärnan har samma eller nära samma specifika volym som metallpulvret 1, som omger den. Ena sidan av kärnan är belagd med ett keramiskt pulverskikt 13 på sätt som tidigare omnâmnts. Metallpulvret 1 fylls i en keramisk behållare 14 till lämplig delningsnivå, varefter kärnan läggs på plats och resterande metallpulver fylls i. Metallpulvret packas runt kärnan genom försiktig vibrering av behållaren.

Densifieringen av kärnan och det omgivande pulver, som är av samma typ och har samma specifika volym, sker genom konventionell sintring i reducerande gas eller i vakuum och vid en temperatur lämplig för ifrågavaran- de pulver. Efter sintringen tas ämnet ut och delas utefter skiktet 13 till två âmneshalvor. Dessa kan sedan vidarebehandlas till färdiga verktyg. Om behov ñnns för uppgradering av âmnesegenskapema, främst utmattningshållfastheten, kan verktygsämnena ytterligare förtätas genom smidning eller kapsellös het “ isostatisk pressning till heltâtt material.

Claims (10)

1. 503 886

2. PATENTKRAV

3. Sätt att framställa verktyg eller verktygsårnnen genom densifiering av metallpulver vid förhöjd temperatur i behållare innehållande en eller flera väl positionerade formstyrande kroppar k ä n n e t e c k n a t av att ett fririn- nande metallpulver fylls i en behållare och att metallpulvrets packnings- och densifieringsegenskaper är sådana att kvoten mellan specifika volymen fóre och efter densiñeringen av metallpulvret år fórutbestämbar inom 2 %, att de formstyrande kroppamas ytor, helt eller på vissa bestämda områden, år belagda med ett högst 0,5 mm tjockt skikt bestående av högst 5 pm stora svårreducerbara keramiska partiklar, att slciktet innehåller minst 5 vol% kolloidal kiseldioxid samt minst 20 vol% bornitrid partiklar, att de applicerade skikten år bestândiga gentemot såväl de formstyrande lcroppama som metallpulvret vid den efterföljande densiñeringen, att de applicerade skikten efter metallpulvrets densifiering har låg bindningsstyrka till metallen samt att slcikten efter densiñeringen tillåter skärande bearbetning av det densifierade metallpulvret.

4. Sätt enligt patentkxav l k å n n e t e e k n a t av att densiñeringen av metallpulvret sker genom het isostatisk pressning i en gastät behållare. 503 886 10

5. Sätt enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att de panikulära partiklarna för skiktets uppbyggnad appliceras på de formstymnde i kropparna uppslammade i en flyktig vätska och att vätskan innehåller minst 5 vol % kollodial kiseldioxid som bindemedel.

6. Sätt enligt något av föregående lcmv k ä n n e t e c k n a t av att det partikußra skiktet efter torkning i huvudsak är uppbyggt av en blandning av minst en av ämnena aluminiumoxid, magnesiumoxid, mulit, ldseldioxid, zirkoniumoxid samt minst 20 vol % bomitrid.

7. Sätt enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att vissa av de formstyrande kropparna efter metallpulvrets densifiering kan avlägsnas genom sandblästring.

8. Sätt enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att den forrnstyrande kroppen har en annan termisk utvidgning än det densifierade metallpulvret.

9. Sätt enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att de fonnsty- rande kropparna i huvudsak är tillverkade av grafit.

10. 505 886 11 Sätt enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att en eller flera av de formstyrande kroppama är tillverkade av sådant material att de delar som ej är belagda av något skikt får en god bindning till det densiñerade metallpulvermaterialen. Sätt enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att en eller flera av de formstyrande kropparna är tillverkade av sammanbundet pulver med en specifik volym nära det som det fririnnande pulvret har. Sätt enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att det framställda verktyget används som formverktyg efter det att de formstyrande kropparna avlägsnats och viss efterbearbetning skett.