Kvapalinotesné sintrované kovové dielce a spôsob ich výroby

Číslo patentu: U 5151

Dátum: 06.04.2009

Autor: Rieger Dieter

Je ešte 2 strany.

Pozerať všetko strany alebo stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

Technické riešenie sa týka kvapalinotesných sintrovaných kovových dielcov vyznačujúcich sa vysokou odolnosťou voči zaťaženiu v podstate vyrobených zo zmesí neželezných kovových práškov.Zmesou neželezných kovov sa rozumie tiež zmes obsahujúca nepatrne množstvo železa - do 8 váhových, malé množstvá železa, ktoré sa môžu vyskytovať ako legovacie prísady sú prípustné.Ako sintrovaný dielec s vysokou odolnosťou sú v spojitosti s týmto vynálezom rnienené sintrované súčiastky s vyššou tvrdosťou ako (bez tlaku) v podstate V pevnom stave sintrované diely bez prídavných pomocných lisovacích prostriedkov, rnajúce rovnaké chemické zloženie.Pod pojmom kvapalinotesný dielec je v súvislosti s touto prihláškou mienené teleso s nepriepustným povrchom, ktorý neumožňuje žiadne prenikanie kvapaliny, ako sú tekutiny alebo plyny - pri zvýšenom tlaku(0,1 až 100 bar), tiež ich môžeme nazvať hermetickými.Predovšetkým sú V texte použité a vysvetlené procesy a odbomé výrazy z oblasti sintrovania (spekacích procesov), ktoré sú odbomíkom známe.Pod sintrovaním rozumieme vo všeobecnosti spracovanie východiskových materiálov nachádzajúcich sa vo forme práškov, ktoré V kombinácii fyzikálnych vlastnosti, metalurgickým - taviacim procesom- nie je možné hospodáme vyrobiť. Po stlačení sú výlisky V sintrovacej peci riadeným a kontrolovaným procesom tepelne spracované. Toto spracovanie práškového výlisku sa deje pri teplote, ktorá sa nachádza V intervale od polovice teploty - bodu tavenia do teploty tavenia. Sintrovanie je obzvlášť závislé na teplote. Od teploty a tlaku závisí zmrašťovanie a pórovitosť.Štandardne sa prevádza sintrovanie v sintrovacej peci v ochrannej atmosfére pri tlaku, rovnajúcom sa tlaku okolia.Produkty sintrovania sa vyznačujú vysokým využitím suroviny- vysokým stupňom geometrickej reprodukovateľnosti pri masovej produkcii- možnosťou kombinovať rôzne legované časti, aj také, ktoré nevytvárajú žiadne homogénne taveniny.Sú rôzne varianty sintrovaniaSintrovanie s kvapalnou fázou (liquid phase sintering) Castice z materiálu s vysokou teplotou tavenia sú počas sintrovania spolu spájané fázou vznikajúcou z iného materiálu spolu spájané, čo spôsobuje silné zmrašťovanie.Predpokladá sa zabránenie vzniku kvapalnej fázy, V protiklade k sintrovaniu v kvapalnej fáze, lebo to vedie k menšiemu zdržaniu pri výrobe konečných montážnych dielov. V podstate dochádza len k difúzii na hraniciach zŕn. Len pri sintrovaní v pevnej fáze dochádza k rekryštalizácii (vytváraniu nových zŕn). Pri rekryštalizačnej teplote dochádza V peci k tvorbe novej textúry. Je známe, že toto je závislé na teplote a tlaku,ako bolo opísané vyššie.Medzi sintrovaním V kvapalnej a pevnej fáze je plynulý prechod.Sintrovanie pod tlakom (pressure assisted sintering) Počas sintrovania pod zvýšeným tlakom sa ľahšie vytvárajú kontakty medzi susednýrni zmami, medzilzostatickć lisovania za tepla Pri izostatickom lisovani za tepla, (HIP Hot Isostatic Pressing) sú výlisky jednotlivo diskontinuálne sintrované V tlakovej komore, čo je pre sériovú výrobu únosné len vo výnimočných prípadoch.Kontinuálne izostatické lisovanie VEP -A- 14121113 je opisané kontinuálne izostatické lisovanie. Pri ňom sa na vytlačený čap počas sintrovania V pevnej fáze pôsobí tlakom.Štandardné sintrovanie sa prevádza bez tlaku V peci pod ochranným plynom, najmä u materiálov, ktoré pri zvýšených teplotách ľahko reagujú s plynom, ktorý je nahradený plynom ochranným. Napriklad to bude plyn bez kyslíka, aby sa zamedzilo tvoreniu kysličníkov, alebo to bude suchý plyn, aby sa zabránilo tvorbehydroxidov. Pri štandardnom sintrovaní bude k sintrovaniu použitý prášok, granulát, krupica alebo podobný materiál spolu s pomocnými prostriedkami pre lisovanie, spravidla bude lisovanie unaxiálne do konečnej formy, a takto vyrobený výlisok potom V sintrovacej peci sintrovaný pri teplotách 1/2 až 4/5 taviacej teploty,prípadne teploty tuhnutia kovového prášku, poprípade pod ochrannou atmosférou.Formy spracovania nasledujúce po vylisovaníPod kalibráciou sa rozumie v súvislosti so sintrovanými díelmi trojdimenzionáhie dolisovanie dielca, s jeho malým zhustením, pri ktorom sa vyrovnajú deformácie vzníknuté pri sintrovaní. Pri tom sa len nepatme zmení geometria. Dospeje sa ku korektúre skrivení vzniknutých pri síntrovaní. Za tým nenasleduje žiadna základná úprava tvaru, ale veľmi jednoduché dolisovanie. Po nepatrnej zmene tvaru vo veľkostí niekoľkých percent, už nenasleduje žiadne nové tvámenie.Voľný ťah je to dvojdimenzionálne tvámenie a vyznačuje sa hladením povrchu sintrovaných dielcov.Fazetovanie- zrážanie hrán Pod týmto rozumieme v súvislosti so sintrovanými dielcami odstránenie ostrých hrán na výrobku, pričom nedochádza k zmene jeho rozmerov.Príprava práškov na sintrovanie Lisovanie za studena Prášok, s alebo bez pomocného prostriedku na lisovanie, bude spevnený bez prívodu tepla.Lisovanie za tepla Prášok bude bez sintrovania lisovaný za tepla, pričom sú žiadané vyššie termické vlastnosti použitého pomocného lisovacieho prostriedku, ako pri lisovaní za studena.Môže ním byť prostriedok na oddeľovanie, alebo na mazanie, alebo tiež prostriedok na zlepšenie priľnavostí, ktoré spôsobia zvýšenie pevnosti výlisku a tiež zníženie lisovacej sily, potrebnej na zhutnenie práškov.Pod týmto pojmom rozumieme jak oddeľovacie prostriedky, ktoré pomáhajú pri vyhadzovaní výliskov z lisovacích foriem, tak aj mazacie prostriedky, ktorými sa zlepšujú klzné vlasmosti jednotlivých čiastočiek prášku medzi sebou navzájom, ako sú napríklad vosky, grañt, alebo silikónový olej. Uprednostňované sú pomocné prostriedky, ktoré počas sa sintrovanía odlúčia, alebo sa chemicky premenia, napríklad vyhoria.Na zhutnenie základného dielca pri sintrovaní v peci často naväzuje rozpúšťacie žíhaníe, ktoré pomocou rekryštalizácie zlepšuje štruktúry vytvorené sintrovaním. Potom nasleduje obvyklé spracovanie sintrovaných dielcov, akými sú brúsenie, sústruženie, nanášanie povlakov na sintrované diely.Obecne môžu podľa známych procesov vyrobené sintrované diely zo zmesí kovových práškov, najmä v prípade nehomogénne sa taviacich práškových zmesí spekané, v dôsledku rôznych difúznych rýchlostí vykazovať porózity, alebo zmiešané oblasti. Tieto poškodzujú štruktúru sintrovaných dielcov a ich mechanickotechnologické vlastnosti natoľko, že vzniká netesná, porózna povrchová vrstva, alebo je vadný celý dielec. Vlastnosti takto vyrobeného dielca zo sintrovaných práškov, sú následne vplyvom týchto poškodených oblastí, ktorých výskyt sa nedá predvídať, zhoršenć. Sú tiež veľké rozdiely medzi jednotlivými vyrobenými sintrovanýmj dielcami, čo sa prejavuje zvýšenou náklonnosťou k lomom materiálu pozdĺž nehomogénnych oblastí, aj vo zvýšenej drsnosti povrchu a v znížení tvrdosti povrchu. To je najmä vtedy, keď sú sintrované dielce nasadzované v prevádzke so zvýšeným zaťažením napríklad ako ozubené kolá, kolesá čerpadiel atď. Nevýhody doterajšieho spôsobu výroby vedú v dôsledku vysokého podielu zmätkov k zvýšeniu nákladov.Oproti tomu je úlohou vynálezu výroba sintrovaných dielov majúcich vysokú povrchovú tvrdosť, znášajú vysoké mechanické zaťaženie a sú kvapalinotesné.Nedostatky opísané v časti doterajší stav techniky sú vyriešené pomocou kvapalinotesného sintrovanéhodielca, ktorý znáša vysoké zaťaženie, a je v podstate vyrobený° zo zmesi neželezných kovových práškov,- z vloženého výlisku vyrobeného v podstate bez pomocných lisovacích prostriedkov- beztlakovým sintrovaním tohto výlisku v ochrannom plyne pri teplote až do 70 taviacej teploty kovu,- poprípade podrobenému rozpúšťaciemu žíhaníu,Ďalšie výhodne riešenia vyplývajú zo závislých nárokov. Prednostrie majú podľa vynálezu vyrobené sintrovnané kovové dielce hustotu od 95 do 97 teoretickej hustoty zmesi kovových práškov.Ako východisková zmes na sintrovanie je použitý práškový materiál z kovov, čiastočky zliatín, tvrdokovy, čiastočky slúžiace na zlepšenie odolnosti proti opotrebovaniu, vlákna a pomocné lisovacie prostriedky.V zmysle tejto prihlášky sa pod výliskom bez pomocného lisovacieho prostriedku rozumie úplne bez pomocného lisovacieho prostriedku vyrobený výlisok, alebo taký výlisok, ktorý obsahuje menej ako 5 hmotnostných pomocného lisovacieho prostriedku, a tiež taký výlisok, ktorý na základe známych poznatkov o odstránení pomocných lisovacích prostriedkov obsahuje menej ako 1 hmotn., prednostne do 0,5 hmotn.,výhodne do 0,01 hmotn. pomocného lisovacieho prostriedku.Prednostne budú v zmysle vynálezu sintrované kovové dielce vyrobené prevažne zo skupiny ľahkých kovov, najmä Al, Mg, Be, Ti. Ďalšie zložky môžu byť iné kovy alebo prvky ako Cu, Si, Zn, O, C, Fe atď.Výhodne bude odlučovanie pomocného lisovacieho prostriedku urobené pri sintrovaní V sintrovacej peci za prítomnosti inertného plynu akým sú vzácne plyny, H 2, N 2, C 02, alebo ich zmesi, aby sa počas sintrovania zabránilo tvorbe oxidov, alebo hydroxidov.Preto, že podľa vynálezu obsahuje výlisok len nepatrné množstvo, alebo je úplne bez zbytkov vosku beztlakovo sintrovaný, môžu byť vyrobené (pri zabráneni vzniku kvapalnej fázy počas sintrovania), prekvapujúco dobré kvapalinotesné dielce. Neočakávalo sa, že takto klasicky beztlakovo štandardne sintrované výlisky,v podstate bez pomocného lisovacieho prostriedku, pri tak nízkej teplote sintrovania v pevnej fáze (čo vedie k úsporám nákladov za energie) budú poskytovať vysokotesné produkty s veľmi stabilným tvarom.Ukazuje sa, že tento proces sintrovania poskytuje sintrované dielce s pretrvávajúcou tvrdosťou, vysoko zaťažiteľné, ktoré v dôsledku vysokej hustoty a relatívne guľovitému tvaru zma oproti sintrovaným dielom,ktoré sú kontinuálne izostaticky vytlačované na pretlačovacom lise, podľa spôsobu opísanému v EP - A l - l 4 l 2 l 13 sú vyrobene ako kvapalinotesné, tvrdšie, majúce menšiu duktilitu, čo je požadované pre veľmi zaťažované konštrukčné diely.Výhodne bude podľa vynálezu ako východiskový materiál pre odlučovanie pomocného lisovacieho prostriedku použitý práškový výlisok, vyrobený známym spôsobom zhutňovanía prášku.Podľa iného prevedenia môže tento, pomocou matrice vytvorený kontinuálne sintrovaný výrobok, riadeným ochladzovanim, napríklad ochladzovanie postrekom vody zakalením dosiahnut jemnú kryštalickú štruktúru. Potom môže nasledovať definované tepelné spracovanie, napríklad pri hliníkom legovaných zliatinách rozpúšťacie žíhanie. Ochladený dielec môže byť mechanicky opracovaný. Ako následné opracovanie môže sa urobiť zlepšenie povrchu, alebo sa môže previesť kalibrácia. Sintrovaný dielec sa môže podrobiť tepelnému spracovaniu, aby sa zlepšila jeho štruktúra.Tiež týmto technickým riešením vyrobene konštrukčné diely z nehomogénne sa taviacich kovových zmesi vykazujú veľkú tvrdost a obmedzenú duktilitu pri obmedzenej ťažnosti, v porovnaní s tými, ktoré boli kontinuálne izostaticky lisované, podobne je možno dosiahnuť aj hustotu.Pre použitie sintrovaných dielov ako konštrukčných súčasti sa dajú veľmi vhodne ovplyvňovať ich mechanické a technologické hodnoty, ako sú elasticita, pevnosť v ťahu a predĺženie.Napríklad konštrukčný diel vyrobený beztlakovým sintrovaním z hliníkovej zliatiny s 13 hmotn. kremika má ťažnosť do lomu 10 z ťažnosti konštrukčněho dielu, vyrobeného z rovnakej zliatiny, ktorá bola kontinuálne izostaticky sintrovaná.Preto, že je zabránené vytvárame tavnej fázy, môžu byť tiež spracované nerriiešateľné zložky, akými sú tvrde fázy. Tieto sú tiež homogénne rozdelené.Ako práškový materiál v podstate môže byť použitá zmes kovových práškov, prípadne ich zliatín a ďalšie materiály ako tvrdé častice, vlákna, oteruvzdomé látky ako karbid bóru, nitrid bóru a nekovovć materiály.Môžu sa tak vyrábať kompozity kov - základná hmota (Metal Matrix Composite), pričom druhá zložka môže byť vláknitá, alebo tiež môže byt v tvare častíc.Ako vlákna sa môžu použiť krátke, alebo dlhé vlákna, poprípade malé podiely častíc medzi 5 - 30 objemových. Krátke vlákna (whisker) majú dĺžku, ktorá je podstatne menšia ako je 100 násobok ich priemeru,dlhe vlákna, nekonečné vlákna alebo kontinuálne vlákna sú také, ktorých dlžka je väčšia ako 100 násobok ich priemeru. Vlákna slúžia k zlepšeniu pevnosti sintrovaných dielov.Časticami zosilnené materiály (particel reinforced materials) majú určite prídavky SiC, karbidu bóru ,A 1203 atď.Na základe procesu zaručujúceho vysokú homogenitn môžu sa tiež spracovávať iné, typicky sintrované zliatiny, akými sú zliatiny Ti, najmä zliatiny Ti/Nb, Ti/Al a TiAlNb, tiež Co-Ti-B, Mg s SiC, karbid bóru,alebo zliatiny AlPb, s vysokou schopnosťou akumulovat teplo, ktoré taviacim hutnickym spôsobom nie je možné vyrobiť. Spracované môžu byť tiež častice berýlia a horčíka, atď. typické zloženie sú napríklad hliník s Si, Mg, Cu, Zn a popripade Fe s obsahom 10 - 40 hmotn. Si, O - 3 hmotn. Mg, O - 5 hmotn. Cu, Zn,a Fe 0 - 7 hmotn. a tiež iné zliatiny z ľahkých kovov, s horčíkom, vápnikorri, berýliom atď.U hliníkových sintrovaných dielcov sa ponúkajú medzi inými hliníkové spekané materiályTechnické riešenie sa týka najmä sintrovaných dielcov z ľahkých kovov, ktoré sú ťažkoobrobiteľné. Takto sa dajú vyrobiť aj diely z nadeutektických zliatin.Zapekaním vlákien, akými sú keramické, uhlíkové vlákna, alebo vlákna z tvrdých látok, sa získa vyššia pevnosť- vzrastie pevnosť v ťahu, zvýši sa medza prieťažnosti, zvýši sa modul pružností, zvýši sa tepelná odolnost a odolnosť proti tečeniu, redukujú sa koeficienty tepelných rozťažnosti. Ako látky zvyšujúce odolnosť proti opotrebeniu alebo tvrdé látky sú typické častice SiC, AlN, BN, TiBz, karbid bóru, SiOz, WC,vlákna ako uhlíkové vlákna, kovové vlákna, keramické alebo sklenené vlákna.Vhodné kovové fázy môžu byť zvolené spomedzi hliníka, titanu, medi, berýlia, horčíka, vápnika, niklu,litia, chrómu, molybdénu, Wolframu, bronzov, níóbu, olova, zinku a kobaltu.Je možné sintrovat pri teplotách blížiacich sa až k 70 bodu tavnej teploty hlavnej zložky východiskovej zmesi kovových práškov, V ochrannom plyne, ktorým môže byť jeden zo skupiny vzácnych plynov, dusík, kysličnik uhličitý.Ďalšie ciele, znaky a výhody vyplývajú z nasledujúceho popisu a nárokov, spolu so sprievodnými výkresmi. Pre plné pochopenie podstaty technického riešenia sú pripojené výkresy na ktorých je zobrazenéPrehľad obrázkov na výkresochPre plné pochopenie podstaty technického riešenia sú pripojené výkresy na ktorých je zobrazené obr. l mikroskopická snímka výbrusu zliatiny AlSiCuMg, vyrobenej obvyklým spôsobom sintrovania,obr. 2 mikroskopická snímka výbrusu zliatiny vyrobenej podľa vynálezu zo zliatiny AlSiCuMg, majúcej zloženie ako na obr. l,obr. 3 predstavuje schematicky znázomené výrobky vyrobené sintrovaním, s hustejšou povrchovou vrstvou a redším vnútrom,obr. 4 schematické znázomenie spôsobu výroby sintrovaných výrobkov podľa technického riešenia.Následne bude popisaný výhodný príklad prevedenia vynálezu tvarovaných dielov vyrobených zo zliatiny AISiCuMg - tento ale nie je v žiadnom prípade týmto obmedzený - podľa tohto spôsobu sa môžu vytvárať dielce a spracovávať tiež iné sintrovania schopné kovové prášky ako sú Ti, Ta, Mg, Be, Cs, Cu.Príklad 1 Výroba sintrovaných dielov z AISiCuMgZákladný výlisok vyrobený zo zmesi hliníkového prášku AlSiCuMg, bez pomocného lisovacieho prostriedku, majúci tvar kotúča s priemerom od 10 cm a luúbku 10 mm, bude sintrovaný 30 minút pri teplote 590 °C, v atmosfére argónu a následne sa prevedie rozpúšťacie žihanie 30 minút pri teplote 400 °C.Tieto beztlakovo sintrované diely sa následne tepelne spracujú 6 hod. pri teplote 250 °C, sintrované dielce sa po tepelnom spracovaní kalibrujú v kalibračnom lise silou 150 KN, za účelom dosiahnutia konečného tvaru s veľmi úzkou rozmerovou toleranciou. Tieto dielce môžu byť, bez ďalšieho spracovania, použité ako hotové (finálne) diely. Tento produkt, zobrazený na obr. 2, má tvrdý povrch a hustotu od 2,67 g/cm 3 (96 teoretickej hustoty).Ako porovnávací produkt boli vyrobené kotúčovité AISiCuMg sintrované diely, rovnakých mier ako v príklade l, sintrovaných obvyklým spôsobom zo zmesi prášku ako zrovnàvací produkt bol vylisovaný základný výlisok s 3 hmotnostnými vosku, tento kotúč bol potom v zariadení na odstraňovanie vosku 20 min. pri teplote 400 °C, následne v sintrovacej peci 30 min. pri 590 °C pod argónom sintrovaný, a ešte raz žihaný pri teplote 400 °C počas 35 min. Na obr. l sú zreteľne vidieť pórovité oblasti povrchu.Príklad 3 Výroba sintrovaného kotúča s tvrdým povrchom a ľahkoobrobiteľným vnútorným materiálom.

MPK / Značky

MPK: B22F 3/10

Značky: kovové, sintrované, spôsob, kvapalinotesné, dielce, výroby

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/10-u5151-kvapalinotesne-sintrovane-kovove-dielce-a-sposob-ich-vyroby.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Kvapalinotesné sintrované kovové dielce a spôsob ich výroby</a>

Podobne patenty