SE520974C2 - Sätt vid friformning av metallpulver och metallpulverblandning - Google Patents

Description

520 974 2 tredimensionell CAD-modell delas in i tunna skikt, varefter skikten byggs upp ett efter ett, så att detaljen successivt växer fram. Som redan antytts finns en rad olika metoder. En av dessa är SLS-metoden (Selektiv Laser Sintring) som bäst lämpar sig för tillverkning av metalliska komponenter och verktyg om snäva toleranser och bra ytor eftersträvas.

Föreliggande uppfinning vari första hand tänkt för och den har hittills främst utprovats i samband med den nedan mer i detalj beskrivna SLS-metoden men då dess principer är mera allmängiltiga kan varianter av densarmna utnyttjas vid samtliga närbesläktade friforrrifrarnställningsmetoder som bygger på en skiktvis sammansintring eller sammansmälming av ett utgångsmaterial i fonn av ett metallpulver.

SLS-metoden baseras sålunda på en skiktvis uppbyggnad av en komponent eller verktyg med hjälp av en laser som selektivt sintrar (smälter) ihop pulver i metalliska, keramiska eller polymera material. Beträffande metalliska pulver utnyttjas antingen polymerbelagt pulver eller metallpulverblandningar. Som slutresultat erhålles om rätt pulver och rätta maskinparametrar använts en komponent (verktyg) med snäva toleranser och fin yta. De metallpulversorter som idag är tillgängliga för metoden är antingen bronspulver- eller stålpulverbaserade. En idag av en SLS-maskintillverkare marknadsförd pulverblandning innehållande sålunda nickelpulver + bronspulver + kopparfosfidpulver. Ingen metod eller pulver ger emellertid med SLS-metoden ett helt tätt material (5 ~30% porositet). Samma sak gäller för övrigt även för alla andra idag kända fiifonnframställningsmetoder. Krävs tätt material kan detta endast åstadkommas genom infiltrering med en lägsmältande metall eller plast. Hårdhet och hållfasthet för den färdiga produkten blir emellertid låg jämfört med vad som kan åstadkommas vid konventionell tillverkning av komponenter och verktyg via göt + smide eller genom varmisostatpressning av pulver. Detta gör att tekniken hittills endast kurmat utnyttjas för att ta fiam prototyper eller komponenter och verktyg för korttidsanvändning. Om ett bättre pulver fanns tillgängligt som gav tätt material och en hårdhet (hållfasthet) i nivå med konventionellt tillverkat material utan att toleranser och ytfinhet försämrades skulle marknaden för denna teknik dramatiskt öka. Exempelvis skulle det då bli möjligt att tillverka serieverktyg för plastformning med mer komplicerad form och med kylkanaler i optimala lägen. Det sistnämnda skulle bla. skapa förutsättningar för ökad produktionstakt. 520 974 ¥7¥¥:äê-ff” 3 Idéer om materialförbättringar Hur skall man då komponera ett lämpligt metallpulver (metallpulverblandning) för att av denna med SLS-metoden eller någon av de övriga i dag kända friformfiamställningsmetoderna kunna tillverka produktionsverktyg för plastformning enligt ovan med hög hårdhet (hållfasthet), snäva toleranser och god ytfinhet. Att utnyttja verktygsstålpulver (t.ex. SS 2242 eller 2550) för att åstadkomma detta ligger nära tillhands.

Försök med sådana pulver har dock hittills ej varit framgångsrika. Vid lasersintring ger sådant pulver martensitiska skikt med hög hårdhet och höga inre spänningar. Detta ger upphov till defonnationsändringar och ofia också sprickbildningar. Den höga hårdheten gör det också svårt (omöjligt) att jämna till skikten med en skrapa före påläggning av nästa pulverskikt.

Slutresultatet blir ett verktyg med dåliga toleranser och dåliga (knottriga) ytor vilket kräver omfattande och tidsödande efierbearbetning. Dessutom är risken för sprickbildning stor.

Grundprincipen för uppfmningen I enlighet med föreliggande uppfinning föreslås nu ett utnyttjandet av ett pulver av en utskiljningshärdande legering i stället för de annars som redan antytts teoretiskt sett mera näraliggande verktygsstålpulvren med deras hårda och spröda martensit vid lasersintringen.

Ett utskiljningshärdande pulver skulle istället ge ett mjukt material direkt efter lasersintringen och därmed en slutprodukt med låga inre spänningar och god ytfinhet. Den önskade hårdheten skulle sedan i istället kunna åstadkommas genom åldring (utskiljningshärdning) av verktyget efter lasersintringen.

Det firms ett flertal olika legeringssystem med järn som bas som är utskiljningshärdande vilka samtliga faller inom ramen för föreliggande uppfinning .

Den intressantaste legeringstypen för föreliggande tillämpningsområde är dock maråldringsstålen, som genom åldring kan uppnå en hållfasthet och hårdhet i nivå med verktygsstålen.

Maråldringsstålen kännetecknas analysmässigt av C < 0,05 vikts-%, Ni 16-20 vikts-%, Mo 3- 6 viktsál/r, Ti O,2-l,0 vikts-'ï/r; samt Al 0,05-OJ *zlktslå/f, samt ñr ståltypen sedvanliga (=låga) halter av Si, Mn, Cr m.fl. element. 520 974 ivïæfsierxrzi 4 Det maråldririgsstål som testats inom ramen för föreliggande uppfinning och som har givit överraskande goda resultat har beteckningen l8NiMar250. Andra maråldringsstål bedöms dock kunna ge lika goda resultat.

Andra i samband med föreliggande uppfinning speciellt intressanta utskiljningshärdande stål är de rostfria utskiljningshärdande stålen som omfattar ett relativt stort antal stål med Cr >12 vikts-%, Ni > 2 vikts-% samt någon eller några av de utskiljningshärdande elementen Cu, Mo, Ti eller Al. Ett i samband med föreliggande uppfinning speciellt intressant stål är det välkända 17-4 PH. Utskiljningshärdningen baseras i detta stål på Cu, vilket är processtekniskt enklare att utnyttja än Ti eller Al.

Föreliggande uppfinning erbjuder även en lösning på ett armat tidigare observerat problem nämligen att med tidigare kända metallpulvennaterial enligt frifornifrarnställningstelcrliken framställda produkter ofta fått en icke tillfredställande grov ytstruktur. Vi har nämligen fimnit att det går att få fram gods med en väsentligt finare slutgiltig ytstrilktilr och ett tätare gods om man som utgångsmaterial utnyttjar inte ett enhetligt pulverrnaterial utan fastmer en pulverblandning innefattande minst två olika metallpulver med två olika smältpunkter och av vilka minst ett är utskiljningshärdande och där det icke utskiljningshärdande pulvret företrädesvis är det som har den lägsta smältpunkten.

Ovan skisserade grundprinciper för uppfinningen gäller för såväl vid utnyttj andet av koppar som stålbaserade metallpulverblandningar . Båda dessa metaller kan ju legeras så att de blir utskiljningshärdande.

Ytterligare en i sammanhanget väsentlig grundprincip är de aktuella pulverpartiklarnas storlek och i enlighet med föreliggande uppfinning skall de ingående pulverkomens företrädesvis inte ha en partikelstorlek som överstiger SOpm.

Vidare gäller enligt uppfinningen att den utskiljningshärdande pulverkomponenten företrädesvis skall ingå i en mängd som motsvarar minst 50 volym-% av hela pulvennängden.

Ovan har angivits att den utskiljningshärdande pulverkomponenten enligt uppfinningen med fördel kan utgöras av ett maråldringsstål och den generella analysen för ett maråldringsstål fimis även angiven i texten. Enligt en vidareutveckling av uppfinningen gäller att den andra företrädesvis mera lågsmältande pulverkomponenten, som företrädesvis skall ingå 520 974 5 tillsammans med maråldringsstålet med fördel kan utgöras av en B- och/eller Si-haltig järn-, nickel- eller koboltbaslegering. Analysen på en lämplig dylik legering skulle t ex kunna vara C< 0,08 vikts-%, Si 1-3 vikts-%, B O,5-2 vikts-%, Fe 0-10 vikts-%, Cu O-25 vikts-% och resten Ni.

När det sedan gäller den del av uppfinningen som innebär ett utnyttjande av på koppar baserade utskiljningshärdande legeringar så har vi funnit att ett flertal är möjliga att utnyttja.

Speciellt lämpliga är legeringar som innehåller Ni 10-20 vikts-%, Sn 4-12 vikt-% samt rest Cu och normala föroreningshalter.

Förutom den utslciljningshärdande legeringen kan vidare i enlighet med denna variant på uppfinningen ingå pulver av en kopparbaslegering med lägre smältpunkt innehållande varierande halter av Sn , P , Zn och /eller Mn.

En som vi fiinnit särskilt väl fiingerande kopparbaserad variant på pulvermaterialet enligt uppfinningen bestod av 50-90 vikts-% av en utskiljningshärdande kopparlegering innefattande Ni 10-20 vikts-%, Sn 4-12 vikts-% samt rest Cu jämte gängse föroreningar medan den icke utskiljningshärdande komponenten med den lägre smältpunkten innefattade P 2-10 vikts-%, Sn 5-15 vikts-% samt rest Cu och normala föroreningshalter.

Vidare kan nämnas att vi funnit att ytterligare förbättringar av pulverblandningen enligt uppfinningen kan uppnås om blandningen dessutom tillförs 5-15 vikts-% bronspulver som bl a visat sig ge ett tätare färdigt gods.

I den för uppfinningen utmärkande pulverblandningen kommer det utskiljningshärdande pulvermaterialet inte normalt att smälta då pulvret utnyttjas inom ramen för den ovan refererade SLS- metoden eller annan friforirlfianiställningsmetod. Därför kommer det att lnävas att den andra mera lättsmälta pulverkomponenten väter de utskiljningshärdande pulverkornen så att en fullgod sammansintring mellan de ingående komponenterna erhålles.

För att underlätta sintringen kan olika sintringstillsatser komma till användning. En i saninlanliaiiget bra tillsats utgörs f" borsyra som fälls ut på de utslciljningshärdande pulverkornens yta innan denna pulverkomponent blandas med övriga pulverkomponenter. 520 974 6 Olika i och för sig kända förfaranden för att få ett tätare gods t ex i fonn av infiltrering och sätt att öka den färdiga produktens ythårdhet genom nitrering eller andra ytbehandlingsmetoder såsom PVD-behandling eller shot peening kan givetvis även utnyttjas på enligt uppfinningen frarnställda produkter.

Beträffande genomförda tester av uppfinningen För att testa ovan presenterade grundprinciper för uppfinningen genomfördes en första försöksserie baserade på enbart pulver i utskiljningshärdande legeríngar. Såväl pulver i utskiljningshärdande kopparlegeringar som pulver i utskiljningshärdande stål testades. Inget försök gav önskat resultat. Speciellt ytorna blev mycket knottriga.

Nästa steg var att testa två- och flerkomponentsystem, dvs pulverblandningar bestående av dels pulver av en utskiljningshärdande legering dels pulver av en eller flera andra legeringar.

Dessa försök indikerade att om man valde en pulverblandning bestående av pulver av en utskiljningshärdande legering (stål) i kombination med pulver av en eller flera legeringar med annan smältpunkt (i första hand lägre smältpunkt) än den utskiljningshärdande legeringens och denna (dessa) legering(ar) dessutom gav en smälta som uppvisade god vätbarhet gentemot pulvret i den utskiljningshärdbara legeringen fanns förutsättningar att åstadkomma önskat resultat. Utvecklingsarbetet har inriktats på detta och har lett firam till ett antal stål- och kopparbaserade pulverblandningar som gett en god kombination av hårdhet, ytfinhet och toleranser hos det SLS-tillverkade verktyget. En av dessa pulverblandningar har givit speciellt bra resultat. Denna kommer nedan att i detalj beskrivas.

Ytterligare beskrivning av uppfinningen Flera utskiljningshärdade kopparlegeringar(Cu-Be, Cu-Cr,Cu-Ti,CuNiSn ochCuSiNi) har SLS-testats med varierande resultat. Bästa resultaten hittills har uppnåtts med den utskiljningshärdande kopparlegeringen Cu-l5Ni-8Sn vilken b1.a. kännetecknas av stor utskiljningshärdbarhet (jämförbar med berylliurnkoppar), mycket god dimensionsstabilitet (bättre än hos berylliumkoppar) samt liten känslighet för atmosfären i SLS-kammaren. Pulver av denna legering i olika storleksklasser och i halter av 50-90% har kombinerats med olika sorters lodpulver med lägre smältpunkt än Cu-15Ni-8Sn-legeringens och med god vätfönnåga 520 974 7 gentemot Cu-l5Ni-8Sn-legeringen. Flera lodlegeringar har visat sig fungera bra och speciellt de P- och Mn-haltiga lodmaterialen. B1.a. har ett lodbrons med 7 %P, 6%Sn och resten Cu visat sig fiingera överraskande bra. Med en pulverblandning bestående av 10-30% Cu7P6Sn- pulver och resten Cu-l5Ni-8Sn-pulver (båda pulvertyperna med en pulverstorlek av max 50 um) har kroppar av olika geometrisk utformning kunnat lasersintras till mycket snäva toleranser och god ytfinhet. Porositetshalten har genom val av olika processparametrar kunnat styras ned till ca 10 %. Åldring under 2 timmar vid 400°C har givit en hårdhet av nära 300 Vickers (hårdhet före åldring knappt 200 Vickers). Komplicerade verktyg har också tillverkats från denna pulverblandning med bra resultat vad gäller toleranser, ytfinhet och hårdhet.

För att ytterligare Förbättra struktur och egenskaper hos det färdiga verktyget har pulverblandriingen kompletterats med ytterligare pulver av andra lågsmältande metaller. En mindre tillsats av ñnkomigt bronspulver har visat sig vara positivt för att reducera porositetshalten. Även nâgra utskiljningshärdade stål har SLS-testats med varierande resultat. Med kvävgasatmosfár och visst kvarvarande syre i SLS-kammaren har dock ej Ti-haltiga och hög Cr-haltiga stål givit speciellt bra resultat. Efter övergång till helt inert atmosfär (t.ex. 100% argon) i SLS-kammaren har en markant resultattörbättring uppnåtts. Sålunda har l8%Ni- rnaråldringsstål i kombination med den lågsmältande 0,03%C-2%Si-l,1 %B-20%Cu-O,5%F e- 76%Ni-legeringen givit bra resultat. Även det rostfiia l7-4PH-stålet har i kombination med denna lågsmältande legering givit bra resultat.

Claims (12)

1. 52Û 974?1f:"¿5 8 i ~ i' Case 3899 PCT Patentkrav 1. Sätt att genom ett frifomrframställningsförfarande direktframställa sammanhängande produkter av i huvudsak slutgiltig form med god hållfasthet och slitstyrka genom CAD-styrd skiktvis metallurgisk bindning varmed avses en sammansintring eller sammansmältning av de i en metallpulverblandning ingående partiklarna inbördes och med föregående pulverskikt kännetecknat därav att som utgångsmaterial utnyttjas en blandning innefattande minst ett pulver av en första utskiljningshärdande metallegering och minst ett pulver av en andra metallegering med en annan smältpunkt än den första legeringen och varvid den framställda produkten ges sin slutgiltiga hårdhet och slitstyrka genom en efterföljande utskiljningshärdning även benämnd åldring.

2. Metallpulverblandning för att i enlighet med sättet enligt krav l friforrnframställa kroppar direkt till deras i huvudsak slutgiltig form genom CAD-styrd skiktvis uppbyggnad av pulvret till den önskade kroppen och en i samband dänned genomförd metallurgisk bindning varmed avses en sammansintring eller sammansmältning mellan de i pulverblandningen ingående pulverkomen och med närmast föregående pulverskikt , kännetecknad därav att däri ingår minst ett pulver av en första typ av en utskiljningshärdande metallegering och minst ett pulver av en andra typ av metallegering med en annan smältpunkt än den första legeringen.

3. Metallpulverblandning enligt krav 2 kännetecknad därav att förutom den utskiljningshärdande första typen av pulver ingår däri en andra typ av pulver med en lägre smältpunkt än den första pulvertypens smältpunkt.

4. Metallpulverblandning enligt endera av kraven 2 eller 3 kännetecknad därav att den första typen av utskiljningshärdande legering ingår till en mängd motsvarande minst 50 volym %. _

5. Metallpulverblandning enligt krav 2 till 4 kännetecknad därav att däri ingående pulvertyper har en partikelstorlek som inte överstiger 50pm och att blandningen innefattar en första typ av pulver av en utskiljningshärdande legering och minst en andra typ av pulver med en annan smältpunkt än den första legeringen. 9

6. Metallpulverblandning enligt krav 2 kännetecknad därav att den utskiljningshärdande legeringen utgörs av en utgörs av en utskiljningshärdande stållegering.

7. Metallpulverblandning enligt endera av kraven 2 till 6 kännetecknad därav att den utskiljningshärdande legeringen utgörs av ett maråldringsstål av 18Ni-typ innefattande C<0,05vikts-%, Ni 16-20vikts-%,Mo 3-6vikts-%, Co 6-10vikts-%, Ti 0;2-1,0vikts-%, Al 0,05-0,2vikts-%samt för ståltypen sedvanliga dvs låga Si, Mn, Cr m fl halter av föroreningar.

8. Metallpulverblandning enligt endera av kraven 2 till 7 kännetecknad därav att den lågsmältande icke utskiljningshärdande pulverkomponenten utgörs av en B- och/eller Si- haltig jäm-, nickel eller kobolthaltig legeríng med lägre smältpunkt än det utskiljningshärdade stålet .

9. Metallpulverblandning enligt endera av kraven 2-5 kännetecknad därav att den utskiljningshärdande pulverkomponenten utgörs av en utskiljningshärdande kopparbaslegering.

10. Metallpulverblandning enligt krav 9 kännetecknad därav att den utskiljningshärdande legeringen utgörs av en kopparbaslegering innefattande 10-20 vikts-% Ni, 4-12 vikts-% Sn samt rest Cu och normala föroreningshalter

11. Metallpulverblandning enligt krav 9-10 kännetecknad därav att den förutom pulvret av den utskiljningshärdande kopparlegeringen även innehåller en kopparlegering med lägre smältpunkt, dvs.en Sn-,P-, Zn- eller Mn-legeradkopparbaslegerig.

12. Metallpulverblandning enligt krav 10 kännetecknad därav att den till 50-90 vikts-% utgörs av den utskiljningshärdande kopparlegeringen vilken i sin tur innefattar 10-20 vikts-% Ni, 4-12 vikts-% Sn samt rest Cu och normala föroreningshalter medan kopparlegeringen med den lägre smältpunkten innefattar 2-10 vikts-% P, 5-15 vikts-% Sn samt rest Cu och normala föroreningshalter. 131 Metallpulverblandning enligt krav 2-12 kännetecknar! därav att den dessutom innehåller en tillsats av bronspulver. 520 974§¿§¿¿gi¿~ 10 14. Metallpulverblandning enligt endera av kraven 2~13 kännetecknat därav att en sintringsunderlättande tillsats i form av t ex borsyra före användningen fällts ut på kornen av det utskiljningshärdande dvs vid sarnrnansintringen av pulverkomen.