FI115830B - Menetelmä monimateriaalikomponenttien valmistamiseksi sekä monimateriaalikomponentti - Google Patents

Description

115830

MENETELMÄ MONIMATERIAALIKOMPONENTTffiN VALMISTAMISEKSI SEKÄ MONIMATERIAALIKOMPONENTTI

Keksintö liittyy useammasta eri materiaalista koostuvan monimateriaalikomponentin 5 valmistukseen. Tarkemmin keksintö liittyy monimateriaalikomponentin valmistukseen kuumaisostaattisella puristuksella ja kuumamuokkauksella.

Tausta

Kulutusta kestävien materiaalien kehityksessä on tyypillisesti vaikeaa yhdistää 10 kulutuskestävyys ja riittävä mekaaninen luotettavuus, erityisesti sitkeys.

Kulutuskestävyyden lisäämiseksi pyritään tyypillisesti nostamaan kovuutta seostamalla, lämpökäsittelyillä ja muokkaamalla. Usein kulutuskestävyyden lisäämiseksi materiaaliin pyritään tuottamaan lisäksi keraamisia seosainekarbideja, -nitridejä ja karbonitridejä tai muita erittäin kovia kulutuskestävyyttä lisääviä partikkeleita. Kovuuden nostoja kovien 15 partikkelien tuottaminen rakenteeseen alentaa materiaalin sitkeyttä ja lisää riskiä käyttökuormitusten aiheuttamiin murtumiin ja lohkeiluihin.

Jos monoliittisella, yhdellä materiaalilla saavutettava kulumiskestävyys/sitkeysyhdistelmä ei ole tyydyttävä, on tyypillisesti pyritty valmistamaan erityyppisiä pinnoitteita ja : 20 yhdistelmärakenteita, joissa vain kappaleen kuluva osa sisältää paikallisesti * · ' kulumiskestävyydeltään hyvää mutta hauraampaa materiaalia. Tällöin ei kulutuskestävän materiaalin murtuminen aiheuta vielä koko kappaleen käytöstä poistamista tai • ': vaaratilannetta laitteelle, prosessille tai käyttöhenkilöstölle. Lohkeilu kuitenkin luonnollisesti • · * ’ nopeuttaa kulumista merkittävästi verrattuna normaaliin abrasiiviseen j a eroosiokulumiseen.

25 Tyypillisiä tapoja valmistaa yhdistelmärakenteita ovat päällehitsaus, juottaminen, valaminen ja mekaaniset kiinnitykset, kuten esimerkiksi kutistusliitokset.

Tietyissä olosuhteissa on kuitenkin tarpeen rajoittaa erittäin kovien käyttökuormitusten ja • ’ - iskujen aiheuttamaan materiaalin irtilohkeilua komponentista. Tämäntyyppisiä sovellutuksia 30 ovat mm. vasaramyllyt, jauhinmyllyt, repijät ja iskumurskaimet, joissa kuormitustaajuus on ’ niin suuri, että jos kulumismuoto muuttuu lohkeiluksi, tapahtuu kulumiskestävän materiaalin : aineenpoistuminen liian nopeasti.

115830 2

Eräitä tapoja vaikuttaa edellä mainituntyyppisessä tilanteessa kulumisnopeuteen on käyttää pinnoituksessa pieniä kulutuspaloja, jotka juotetaan tai liimataan perusaineen kuluvalle alueelle. Tällainen menetelmä on kuitenkin kallis ja vaatii paljon esivalmisteluja.

Mekaaniseen liittämiseen liittyvät samat ongelmat, liitettävien kappaleiden esivalmisteluja 5 liittäminen on kallista ja nostaa merkittävästi komponenttien valmistuskustannuksia.

Keksinnön kuvaus

Keksinnön mukaisessa menetelmässä tuotetaan materiaali siten, että rakenne muodostuu mikroskooppisesti kulutuskestävästä materiaalista (A) ja sitkeästä, mekaanisesti kestävästä 10 materiaalista (B), joka rajoittaa erittäin kovissa kuormitustilanteissa kappaleen pinnasta irtoavien metallikappaleiden kokoaja estää makroskooppiset, katastrofaaliset murtumat.

Sitkeyttä parantava materiaali (B) on sijoitettu kulutuskestävään materiaaliin siten, että suhteessa käyttökuormituksiin saavutetaan maksimaalinen etu tai toisaalta kulutuskestävyyttä alentava vaikutus on pienin mahdollinen.

15

Sitkeä, mekaanisesti kestävä materiaali (B) voi olla rakenteessa kuituna, levynä tai sellaisena kennomaisena rakenteena, joka ympyröi kovasta materiaalista (A) olevia alueita.

Kuitumaiset rakenteet (B) estävät kovan materiaalin (A) lohjetessa sen irtoamisen ja sitovat ' · · ·' sen rakenteeseen kiinni mahdollisimman pitkäksi aikaa. Kennomaiset rakenteet toimivat • · · · 20 samoin j a lisäksi raj oittavat kuitumaisia rakenteita paremmin suurimman irtilohkeavan palan kokoa. Levymäisiä rakenteita käytettäessä on tarkkaan tunnettava käyttökuormitusten * t orientaatio, jotta voidaan välttää kovan materiaalin lohkeaminen pituussuunnassa sitkeiden ; , · levymateriaalien välistä tai rajapintoja pitkin.

25 Keksinnön mukaisella kulutusosamateriaalilla saavutetaan parempi kulutuskestävyyden ja sitkeyden yhdistelmä kuin mitä voidaan saavuttaa käyttämällä puhdasta yhtä • ; kulumiskestävää materiaalia. Lisäksi materiaalien (A) ja (B) valinnalla sekä kokojakaumalla voidaan tuottaa haluttu yhdistelmä kulumiskestävyyttä j a sitkeyttä eri sovellutuksiin j a • ; vaikuttaa kulutusosan lohkeilu-ja kulumiskäyttäytymiseen.

. 30 . . Täsmällisemmin keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty ' ’ patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa, sekä keksinnön mukaiselle komponentille se, ' · · · ‘ mitä on esitetty patenttivaatimuksen 6 tunnusmerkkiosassa.

3 115830

Keksinnön mukainen valmistusmenetelmä koostuu seuraavista vaiheista: I. Ohutlevystä valmistetaan muotti, johon sijoitetaan sitkeyttä lisäävästä materiaalista (B) 5 valmistettua kiinteätä materiaalia ja metallipulveri (A), joka on jotain kulumiskestävää materiaalia. Metallipulveri (A) voi olla joko yhtä esiseostettua metallipulveria tai eri metalli-ja/tai keraamipulverien sekoitetta.

II. Aihio tiivistetään paineen j a lämpötilan avulla niin tiiviiksi, että se voidaan kuumamuokata ja saavuttaa siten haluttu lopputiiveys ja reduktio sekä materiaalien 10 (A) ja (B) jakauma.

ΠΙ. Kuumamuokatulle aihiolle tehdään tarvittavat jälkikäsittelyt, kuten koneistus ja lämpökäsittelyt, materiaalien (A) ja (B) vaatimusten mukaisesti.

IV. Jälkikäsitelty kulutusta kestävä materiaali liitetään juottamalla, mekaanisesti, liimaamalla tai hitsaamalla komponentin haluttuun kohtaan.

15

Vaiheessa I muottiin asetettavien materiaalista (B) olevien aihioiden koko ja määrä valitaan siten, että muokkauksen jälkeen sen kokojakauma on käyttökohteen vaatimusten kannalta sopiva. Materiaalin valinnassa on lisäksi huomioitava se, että materiaalien (A) ja (B) ' · · · valmistuksessa käytettävät parametrit (tiivistys, kuumamuokkaus, lämpökäsittely) sopivat ; · · · 20 molemmille materiaaleille. Materiaalien (A) ja (B) rajapinnalle ei saa myöskään muodostua liian hauraita mikrorakenteita, jolloin vältetään materiaalin (B) halkeilu käyttökuormitusten aikana irti materiaalista (A), mikä alentaa materiaalin sitkeyttä. Tämä on erityisen haitallista, ; | jos käytetään levymäisiä sitkistäviä materiaaleja (B) ja kuormitusorientaatio on sellainen, ‘ ' että lohkeilu saattaa tapahtua materiaalien (A) ja (B) välistä rajapintaa pitkin. Lisäksi 25 materiaalien (A) ja (B) lämpölaajenemiskertoimet eivät saa poiketa liika toisistaan, koska silloin rakenteeseen muodostuu materiaalien (A) ja (B) välille korkeita jäännösjännityksiä, jotka saattavat lisätä lohkeiluherkkyyttä tai edesauttaa väsymismurtumien muodostumista. 1 · Sitkeyttä lisäävä materiaali (B) voidaan asettaa muottiin joko tankona, levynä tai 3 0 kennorakenteena, riippuen mikrorakenteen j akaumasta, joka halutaan saavuttaa . . kuumamuokkauksen jälkeen. Tietyissä tilanteissa, riippuen tuotteen geometriasta ja ' ' halutusta sitkeän materiaalin (B) jakaumasta, saattaa olla edullisinta lisätä sitkeä materiaali ' · · ·' (B) myös pulverimuodossa tai esitiivistettynä materiaalina. Pulverimuodossa lisäys saattaa 115830 4 olla edullisinta esimerkiksi valmistettaessa tuotteita, joissa sitkeä materiaali muodostaa levymäisiä sitkistäviä rakenteita materiaaliin. Esitiivistystä on edullista käyttää, jos halutaan välttää tiivistyksen aikana täysin tiiviin sitkeän materiaalin (B), joka ei muuta mittojaan tiivistyksessä, ja pulverimaisen ympäröivän kovan aineen (A) käyttäytymisestä johtuvia 5 eroja. Tällöin käyttämällä esitiivistettyä materiaalia (B), voidaan materiaali helposti asettaa muottiin ja toisaalta materiaalin sisältämän huokoisuuden vuoksi siinä tapahtuu tiivistymisen aikana jonkin verran kutistumista, mikä helpottaa koko aihion muodonmuutosten hallintaa.

10 Pulverimateriaali (A) voi olla joko esiseostettua pulveria tai useamman eri metalli- ja/tai keraamipulverin sekoite, jolla voidaan halutussa käyttökohteessa saavuttaa tavoitteena olevat ominaisuudet. Samoin kuin sitkeän materiaalin (B) tapauksessa, voidaan kova materiaali (A) lisätä muottiin esitiivistettynä tai jopa tiivistettynä materiaalina, jos se tuotteen geometriasta tai halutusta jakaumasta johtuen on edullisinta.

15

Keksinnön mukaisessa menetelmässä käytettävä sitkeä materiaali (B) on rautapohjaista materiaalia eli materiaalia, jonka rautapitoisuus on yli 50 painoprosenttia.

"... Materiaalin tiivistäminen kuumamuokattavuuden saavuttamiseksi voidaan suorittaa '··— 20 esimerkiksi sintraamalla tai parhaiten hyvin tunnetulla kuumaisostaattisella puristuksella.

Käytettäessä kuumaisostaattista puristusta saavutetaan täydellinen tiivistyminen ja paras kuumamuokattavuus ja tällöin kuumamuokkausmenetelmän valintaan on eniten vapauksia.

’; ’ Sintrausta käytettäessä ei saavuteta yhtä hyvää tiiveyttä, jolloin kuumamuokkaukseen on käytettävä menetelmiä, jotka sallivat huonomman kuumamuokattavuuden, kuten 25 esimerkiksi kuumapursotus. Kuumaisostaattisesti puristetulle materiaalille voidaan käyttää mm. kuumavalssausta, säteittäistaontaa tai avotaontaa. Kuumamuokkauksen reduktion . < valinnalla voidaan vaikuttaa materiaalien (A) ja (B) jakaumaan. 1 · Kuumamuokatusta materiaalista irrotetaan aihiot liitettäväksi kulutuskestävään 30 komponenttiin ja sille tehdään tarvittavat jälkikäsittelyt ennen liittämistä. Tietyissä . , tapauksissa kappaleet voidaan liittää hitsaamalla tai kuumaisostaattisella puristuksella *' 2 komponenttiin j a Uittamisen j älkeen suoritetaan esimerkiksi lämpökäsittely koko tuotteelle.

2 115830 5

Keksinnön mukaisessa menetelmässä esiaihioita kuumamuokataan vähintään kuumamuokkausasteella 2. Muokkausaste määritetään aihion alkuperäisten ja kuumamuokkauksen jälkeisten poikkipinta-alojen suhteista.

5 Vaihtoehtoisesti voidaan materiaali valmistaa myös yhdessä tiivistysvaiheessa, jos se kappaleen valmistuskustannusten ja laadun kannalta on edullisinta. Esimerkiksi käytettäessä kuumaisostaattista puristusta voidaan kapseliin rakentaa sitkeästä materiaalista (B) haluttu rakenne ja täyttää muotin lopputila kovalla materiaalilla (A), jolloin kuumaisostaattisen puristuksen jälkeen saavutetaan suoraan haluttu rakenne ja materiaalien (A) ja (B) jakauma.

10 Tämä vaihtoehto on edullisin tilanteissa, joissa kovan materiaalin (A) ja sitkeän materiaalin (B) jakauma on suhteellisen karkea, esimerkiksi käytettäessä kuitumaisia sitkeitä materiaaleja, jos kuitujen välimatka on yli 15 mm.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä voivat kulumiskestävä materiaali (A) ja sitkeä 15 materiaali (B) olla ennen esiaihion valmistuksen tiivistysvaihetta pulverimuodossa, osittain kiinteytettyjä tai täysin kiinteitä.

Eräs keksinnön mukaisessa menetelmässä käytettävä kulutuskestävä materiaali (A) on ‘... edullisesti rautapohjaista materiaalia, rautapitoisuus yli 50 painoprosenttia, tai jonkin :.: 20 rautapohjaisen materiaalin ja enintään 30 painoprosenttia metallista sideainetta sisältävän keraamin (karbidi, oksidi, nitridi, boridi) yhdistelmä, jonka materiaalin kovuus on yli HRC 35, edullisesti yli HRC 50.

• ’ Eräs keksinnön mukaisessa menetelmässä käytettävä sitkeä materiaali (B) on edullisesti 25 rautapohjaista tai nikkelipohjaista, nikkelipitoisuus yli 50 painoprosenttia, materiaalia, jonka materiaalin kovuus on alle HRC 35, edullisesti alle HRC 25.

λ. Eräs keksinnössä käytettävä kulutuskestävä materiaali (A) on edullisesti valmistettu • · pulveriraaka-aineesta, jonka pulverisekoituksen rautapohjaisen metallisen pulverin 30 kemiallinen koostumus painoprosentteina on C 0,5-3,5, Cr 0,5-15, Mo 0-5, Mn < 2, Si < 2 ja karbideja muodostavien seosaineiden V, Nb, Ti ja W osuus on yhteensä 3-20 ’:" painoprosenttia. Lisäksi pulverisekoitteessa on enintään 50 painoprosenttia 6 1 1 5830 keraamipartikkeleita, joissa on enintään 30 painoprosenttia sideainetta. Loppuosa pulverista on epäpuhtauksia tai eri seosaineiden jäännösmääriä.

Keksinnön mukaisella menetelmällä aikaansaadaan muokkausaihio 5 monimateriaalikomponentille, jossa sitkeä materiaali (B) muodostaa olennaisesti yhtenäisen muokkausaihion pituussuuntaisen rakenteen, jonka osuus poikki-pinta-alasta on 10-50 tilavuusprosenttia. Valmiissa monimateriaalikomponentissa sitkeän materiaalin yksittäisen kuidun poikkipinnan pinta-ala on edullisesti keskimäärin yli 1 mm2 ja minimimitta yksittäisen kuidun poikkipinnassa tai kennomaisen rakenteen seinämävahvuudessa 10 edullisesti yli 0,5 mm ja kovan materiaalin (A) kovuus lämpökäsiteltynä on edullisesti vähintään HRC 40. Lisäksi sitkeän materiaalin (B) tilavuusosuus monimateriaalikomponentista on edullisesti 20-40 tilavuusprosenttia.

Claims (7)

1. 7 115830
2. 1. Menetelmä monimateriaalikomponenttien valmistamiseksi siten, että materiaalissa on sitkeätä rautapohjaista (Fe > 50 painoprosenttia) materiaalia (B) halutulla jakaumalla kovan, 5 kulumista kestävän materiaalin (A) kanssa, jossa menetelmässä valmistetaan esiaihio sitkeästä materiaalista (B) ja kovasta materiaalista (A) kuumaisostaattisella puristuksella olennaisesti tiiviiksi aihioksi, tunnettu siitä, että esiaihio kuumamuokataan vähintään muokkausasteella 2 siten, että saavutetaan haluttu jakauma sitkeästä materiaalista (B) ja kovasta materiaalista (A), ja muokkausaste määritetään aihion alkuperäisten ja 10 kuumamuokkauksen jälkeisten poikkipinta-aloj en suhteista.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kulutuskestävä materiaali (A) ja sitkeä materiaali (B) ovat ennen esiaihion valmistuksen tiivistysvaihetta joko pulverimuodossa, osittain kiinteytettyjä tai täysin kiinteitä. 15
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kulutuskestävä materiaali (A) on rautapohjaista materiaalia (Fe > 50 painoprosenttia) tai jonkin rautapohjaisen materiaalin ja enintään 30 painoprosenttia metallista sideainetta sisältävän keraamin (karbidi, oksidi, nitridi, boridi) yhdistelmä, jonka materiaalin kovuus on yli HRC ... > 20 35, edullisesti yli HRC 50.
5. 4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sitkeä .,: materiaali (B) on rautapohjaista (Fe > 50 painoprosenttia) tai nikkelipohjaista (Ni > 50 . : painoprosenttia) materiaalia, jonka materiaalin kovuus on alle HRC 35, edullisesti alle HRC .·"! 25 25. * · : * ’; 5. Jonkin patenttivaatimuksista 1 -4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kulutuskestävä : ” : materiaali (A) on valmistettu pulveriraaka-aineesta, jonka pulverisekoituksen rautapohjaisen (Fe > 50 painoprosenttia) metallisen pulverin kemiallinen koostumus painoprosentteina on f i · . · “. 30 C 0,5-3,5, Cr 0,5-15, Mo 0-5. Mn < 2, Si < 2 ja karbideja muodostavien seosaineiden V, Nb, Ti ja W osuus on yhteensä 3-20 painoprosenttia, ja pulverisekoitteessa on enintään 50 !.. ’ painoprosenttia keraamipartikkeleita, joissa keraamipartikkeleissa on enintään 30 8 115830 painoprosenttia metallista sideainetta, ja loppu on epäpuhtauksia tai eri seosaineiden jäännösmääriä.
6. 6. Monimateriaalikomponentti, joka komponentti koostuu ainakin sitkeästä rautapohjaisesta 5 (Fe > 50 painoprosenttia) materiaalista (B) sekä kulumista kestävästä materiaalista (A), tunnettu siitä, että - sitkeä materiaali (B) muodostaa olennaisesti yhtenäisen muokkausaihion pituussuuntaisen rakenteen, jonka osuus poikkipinta-alasta on 10-50 tilavuusprosenttia, - sitkeän materiaalin (B) yksittäisen kuidun poikkipinnan pinta-ala on keskimäärin yli 1 10 mm ja minimimitta yksittäisen kuidun poikkipinnassa tai kennomaisen rakenteen seinämänvahvuudessa on yli 0,5 mm, ja - kovan materiaalin (A) kovuus lämpökäsiteltynä on vähintään HRC 40.
7. 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen monimateriaalikomponentti, tunnettu siitä, että sitkeän 15 materiaalin (B) tilavuusosuus komponentista on 20-40 tilavuusprosenttia. » 9 t « 1 * · » » » i 9 115630