SE435272B

SE435272B - Sett att framstella ett foremal av ett pulverformigt material genom isostatisk pressning

Info

Publication number: SE435272B
Application number: SE8300645A
Authority: SE
Inventors: J Adlerborn; H Larker; J Nilsson; B Mattsson
Original assignee: Asea Ab
Priority date: 1983-02-08
Filing date: 1983-02-08
Publication date: 1984-09-17
Also published as: US4568516A; CA1226154A; EP0118702B1; JPH042542B2; EP0118702A1; DE3463375D1; JPS59152272A; SE8300645L; SE8300645D0; ATE26827T1

Description

15 20 ,25 30 35 .8-3Û06lr5-2 ett för den ísostatiska pressningen erforderligt tryck anbringas på smältan med en gas.

I den nämnda svenska patentskriften 7813018-Ä anges ett glas innehållande boroxid lämpa sig för att åstadkomma ett hölje för en förformad kropp av kiselnitrid, då det vid användning av sådant glas visat sig möjligt att undvika en inträngning av smält glas i en förformad kropp av kiselnitrid.

Som trolig förklaring till att ett borhaltigt glas inte tränger in i kisel- nitridkroppen anges bildning av en borkväveförening, sannolikt bornitrid, i gränsytan mellan glaset och kiselnitriden, innan glaset bildar en låg- viskos smälta och att denna borkväveförening motverkar glasets inträngning i pulverkroppens porer. Halten B2O3i.glaset uppges kunna uppgå till mellan 2 viktprocent och 70 viktprocent.

Efter den isostatiska pressningen är det färdiga föremålet sedan det fått svalna inbäddat i det använda, då stelnade höljet av glas. Höljet måste normalt avlägsnas genom blästring för att föremålet inte skall skadas vid avlägsnandet. I vissa fall kan det vara möjligt att avlägsna huvuddelen av höljet genom att värma det till en temperatur där glaset blir tillräckligt lättflytande för att rinna av och endast lämna kvar en tunn hinna, som av- lägsnas genom blästring. Även betning kan komma till användning. Avlägsnandet av höljet är tidskrävande och särskilt vid föremål med komplicerad form ett synnerligen besvärligt arbetsmoment.

Enligt den föreliggande uppfinningen har det visat sig möjligt att åstadkomma ett hölje, som kan avlägsnas från det vid den isostatiska pressningen fram- ställda föremålet med avsevärt enklare medel än vad som varit möjligt med tidigare använda höljen. Enligt den föreliggande uppfinningen möjliggöres nämligen ett avlägsnande av höljet med användning av vatten eller vattenånga och i sådana fall då ett hölje kan avlägsnas partiellt genom att smälta det och låta det rinna av kan höljet avlägsnas vid väsentligt lägre temperaturer än vad som tidigare varit möjligt, något som ökar möjligheten att använda denna metod.

Den föreliggande uppfinningen avser ett sätt att framställa ett föremål av ett pulverformigt material genom isostatisk pressning av en av det pulverformiga materialet förformad kropp med ett tryokmedium, varvid den förformade kroppen, hos vilken åtminstone ytskíktet utgöres av ett keramiskt material i form av en nitrid, förses med ett boroxidhaltigt hölje och den med höljo omgivna 20 25 30 azoosus-2 " förformade kroppen underkastas en värmebehandling för att göra höljet ogenom- trängligt för tryckmediet och för att bilda bornitrid på ytan av den förfor- made kroppen genom reaktion mellan nitriden i den förformade kroppens ytskíkt och boroxiden i höljet, innan den isostatiska pressningen under sintring av pulvret genomföras, kännetecknat därav, att som material i höljet användes boroxid eller ett boroxidhaltigt glas eller vid uppvärmning glasbildande material med en boroxidhalt av minst 30 viktprocent samt att åtminstone den närmast den isostatiskt pressade kroppen belägna delen av nöliet avlägsnas med vatten eller vattenånga.

Boroxidhalten i höljet uppgår företrädesvis till minst 50 viktprocent.

Som exempel på glas eller glasbildande material kan nämnas blandningar av B203 och andra oxider, såsom alkali- och jordalkalimetalloxider, Si02, GeO2 och Al2O3. Viskositeten hos gliset resp det vid uppvärmning bildade glaseš uppgår lämpligen till högst 10 poises vid en temperatur av omkring 1000 C, då detta underlättar ett avlägsnande av höljet partiellt genom att smälta det och låta det rinna av från det färdiga föremålet.

Värmebehandlingen för att säkerställa bildning av bornitrid på den förformade kroppens yta genom reaktion mellan nitriden av keramiskt material i den för- formade kroppens ytskikt och boroxiden i höljet utföres vid lägst 900 OC, företrädesvis lägst 1100 °c.

Det pulverformiga materialet utgör företrädesvis ett keramiskt material eller ett metalliskt material. Som exempel på keramiska material för vilka den före- liggande uppfinningen är tillämpbar kan nämnas nitrider, såsom kiselnitrid, kiselaluminiumoxidnitrid, aluminiumnitrid, titannitrid, zirkoniumnitrid, metalloxider, såsom aluminiumoxid, zirkoniumoxid såväl fullt som partiellt stabiliserad, magnesiumoxid, karbider såsom kiselkarbid, titankarbid, borider såsom titanborid, zirkoniumborid samt blandningar av dylika material.

Som exempel på metalliska material kan nämnas bl a stål, järnbaserad lege- ring, t ex 3 % Cr-Mo-stål innehållande 0,33 % C, 0,30 % Si, O,N0 % Mn, 0,01 % P, 0,01 % S, 2,8 % Cr, 0,6 % MO, rest Fe eller 12 % Cr-MO-V-Nb-Stål 10 15 20 25 30 35 8300M54 innehållande 0,18 % C, 0,25 % Si, 0,60 % Mn, 0,01 % P, 0,01 % S, 11, 5 % Cr, 0,5 % Ni, 0,5 % Mo, 0,30 % V, 0,25 % Nb, rest Fe, eller en legering innehållande 1,27 % % c, 0,3 % si, o,31éMn, 6.u % w, 5,0 % Mo, 3,1 % v, H,2 % cv, rest Fe, eller av en nickelbaserad legering, t ex en legering innehållande 0,03 % C, 15 % Cr, 17 % Co, 5 % Mo, 3,5 % Ti, U,Ä % Al, 0,03 % B, rest Ni eller en lege- ring innehållande 0,06 % C, 12 % Cr, 17 % Co, 3 % Mo, 0,06 % Zr, U,7 % Ti, 5,3 % Al, 0,01ü % B, 1,0 % V, rest Ni. Procenten avser här och i den följande texten viktprocent.

Den föreliggande uppfinningen är också tillämpbar för sammansatta produkter med åtminstone någon del framställd från pulverformigt utgångsmaterial.

Om det pulverformiga material, varav den förformade kroppen framställes utgöres av ett metalliskt material eller av ett annat keramiskt material än en nitrid förses det enligt uppfinningen med ett ytskikt av en nitrid, t ex kiselnitrid, kromnitrid eller aluminiumnitrid. Detta kan åstadkommas genom att den förfor- made kroppen doppas i eller besprutas med en uppslamning av kiselnitrid eller annan nitrid i alkohol, eventuellt med bindemedel, t ex isopropanol med 100 g/l butylakrylat, följt av en torkning av den förformade kroppen.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen utföres tillverkningen av föremålet av det pulverformiga materialet så, att den förformade kroppen med omgivande hölje av boroxid eller boroxidhaltigt glas placeras i ett öppet kärl, som är formbeständigt vid den temperatur, vid vilken sintringen av det pulverformiga materialet utföres och göres höljet ogenomsläppligt för tryck- mediet, genom att höljet överföres i en smälta med en av kärlets väggar be- gränsad yta, under vilken den förformade kroppen är belägen då ett för den isostatiska pressningen erforderligt tryck anbringas på smältan med tryckmediet.

För att möjliggöra bildning av en borkväveförening på pulverkroppens yta och därmed undvika inträngning av höljet i pulverkroppen värmes den till lägst 900 °C, företrädesvis till lägst 1100 °C, innan ett för den isostatiska press- ningen erforderligt tryck anbringas på smältan. Tryckmediet är företrädesvis en gas. Enligt denna utföringsform kan smältan ges godtyckligt låg viskositet och ett högt tryck användas vid den isostatiska pressningen utan risk för att skador uppträder på den förformade kroppen, en risk som är särskilt stor om kroppen har tunna och svaga partier.

Tryck och temperatur för den isostatíska pressningen och sintringen av ett keramiskt eller metalliskt material är givetvis beroende av typen av detta material. Normalt bör dock trycket uppgå till minst 100 MPa och temperaturen till minst 1000 °c. 20 25 30 35 83006115 -2 Uppflnningen skall förklaras närmare genom beskrivning av ett utföringsexempel under hänvisning till bifogade ritning i vilken fig 1 visar en av det pulver- formiga materialet förformad kropp i form av ett turbinhjul för en gasturbin- motor sedd ovanifrån, fig 2 samma kropp i axiellt tvärsnitt och fig 3 kroppen placerad i ett formbeständigt kärl och inbäddad i en massa av partiklar av det material som skall bilda ett för tryckmediet ogenomträngligt hölje.

Kiselnitridpulver med en pulverkornstorlek understigande 5/um och innehåll- ande omkring 0,5 viktprocent fri kisel och omkring 1viktprocent yttriumoxid placeras i en kapsel av plast, t ex mjukgjord polyvinylklorid, eller av gummi, -med ungefär samma form som den förformade pulverkroppen som skall framställas, varefter kapseln tillslutes och underkastas en kompaktering vid 600 MPa under en tid av 5 minuter. Efter avslutad kompaktering avlägsnas kapseln och maskin- bearbetas den så framställda förformade pulverkroppen till önskad form. Pulver- kroppen har en täthet av omkring 60 % av den teoretiska.

Den förformade pulverkroppen 10, som visas i fig 1 och 2, består av ett tur- bínhjul med nav 11, liv 12, kant 13 och skovlar 1Ä.

Pulverkroppen placeras såsom framgår av fig 3 i ett upptill öppet kärl 15, som är formbeständigt vid den använda sintringstemperaturen, och inbäddas 1 ett pulver 16 av ren boroxid. Kärlet består i det exemplifierade fallet av grafit och är invändigt försett med ett släppskikt 17 av bornitrid. Om kärlets botten ej är gastät läggs en platta av gastät grafit, gastät bornitrid eller molybdenfolie i dess botten innan släppskiktet 17 appliceras. Höljet om- kring den förformade produkten bildas i detta fall således av partiklar av bor- oxid.

Ett eller flera kärl 15 placeras i en högtrycksugn av känt slag, som är för- sedd med ledning genom vilken gas kan ledas för avgasning av kärlet med inne- håll samt gas lämpligen argon, helium eller kvävgas kan tilledas för alstring av erforderligt tryck för den isostatiska pressningen och som är försedd med anordningar för uppvärmning av ugnen. I högtrycksugnen avgasas först den för- formade kroppen 10 med omgivande pulver 16 av boroxid under ungefär 2 timmar.

Under fortsatt evakuering höjs temperaturen till ungefär 600 OC. Temperatur- höjningen görs så långsamt att trycket ej överstiger 0,1 torr under någon del av tiden. Vid ungefär 600 OC hålles temperaturen konstant under ungefär 1 timma, varvid den slutliga avgasningen sker och boroxidpulvret bildar en smälta med låg viskositet, som helt omger pulverkroppen 10. Härefter tillföres argon, 10 15 20 25 30 35 83006115-2 helium eller kvävgas så att trycket blir 0,1 MPa samt nöjes temperaturen till 1150 OC och bibehålles vid denna temperatur under 1 timma. Efter denna be- handling har ett ytskikt av bornitrid bildats på den förformade kroppen.

Sedan tillföres vid samma temperatur argon, helium eller kvävgas till en trycknivå som ger ett tryck av 200-300 MPa vid den slutliga sintringstempe- raturen. Temperaturen höjes sedan till 1700-1800 OC, dvs till lämplig sint- ringstemperatur för kiselnitriden under en tid av 1 timma. Trycket stiger då samtidigt. Lämplig tid för sintring vid de angivna betingelserna är minst 2 timmar. Efter avslutad'cykel får ugnen svalna till lämplig dechargerings- temperatur. Kärlet 15 innehåller då en blank kaka, i vilken pulverkroppen är synlig genom den stelnade och glasklara boroxiden. Pulverkroppen är helt inbäddad i boroxiden och har således vid pressningen i sin helhet befunnit sig under smältans yta. På grund av att det för pressningen erforderliga höga trycket kunnat appliceras då smältan varit lågviskös kan felfria föremål fram- ställas med god reproducerbarhet. Kakan släpper lätt från kärlet på grund av närvaron av släppskiktet 17. Höljet av boroxid kan avlägsnas genom lakning med varmt vatten, eventuellt försatt med Na0H eller annan alkalisk förening eller genom besprutning med vattenånga. Vattenlakningen kan alternativt ut- föras i autoklav vid förhöjd temperatur. Alternativt avlägsnas höljet parti- ellt genom att kakan värmes till omkring 600 °C, så att en del av boroxiden rinner av från det färdiga föremålet och lämnar kvar en hinna av boroxid på detta. Denna hinna kan avlägsnas från föremålet med vatten eller vattenånga, såsom angivits ovan. En del av boroxiden kan alternativt avlägsnas under ned- kylningen av det färdiga föremålet medan smältan ännu har tillräckligt låg viskositet.

I ett alternativt utförande användes ett glas innehållande 90 viktprocent B2O3, 5 viktprocent S102, 4 viktprocent Mg0 och 1 viktprocent Al2O3. Då detta glas har högre smältpunkt än det i ovanstående exempel göres den slutgiltiga avgasníngen vid 900 °C. I övrigt användes samma betingelser som i ovanstående exempel.

Samma tillvägagångssätt som ovan beskrivits för tillverkning av ett turbin- hjul av kiselnitrid användes i modifierad form för tillverkning av ett tur- binhjul av kiselkarbid. I detta fall belägges den förformade kroppen med ett ytskikt 18 av kiselnitrid innan den placeras i kärlet 15. För applíceringen av ytskiktet kan användas en uppslamning av kiselnitrid med en kornstorlek understigande 5 Fm i isopropanol med 100 gll butylakrylat med en vällinglik- nande konsistens. Efter torkning har beläggningen en tjocklek av omkring 15 20 25 30 35 ~~ asoosus-2 0,2 mm. Kiselnitridskiktet förankras effektivt vid den förformade kroppen och bildar bornitrid i kontaktytan med boroxiden vid den värmebehandling som den förformade kroppen underkastas i kärlet 15 före den.isostatiska pressningen.

Den iscstatiska pressningen utföres vid en temperatur av 1900-2000 OC. I öv- rigt kan samma betingelser användas som ovan beskrivits för kiselnitrid.

Samma tillvägagångssätt som ovan beskrivits för tillverkning av ett turbin- hjul av kiselkarbid användes i modifierad form vid tillverkning av ett turbin- hjul av ett 12 %-Cr-Mo-V-NB-stål innehållande 0,18 % C, 0,25 % Si, 0,60 % Mn, 0,01 % P, 0,01 % S, 11,5 % Cr, 0,5 % Ni, 0,5 % Mo, 0,30 % V, 0,25 % Nb, rest Fe och med en kornstorlek understigande 800)mL Den förformade kroppen förses på liknande sätt som beskrivits för turbinhjulet av kiselkarbid med ett ytskikt av kromnitrid. I detta fall utföres värmebehandlingen för bildning av bornitrid vid 1000 OC i 1 timma och den isostatiska pressningen vid en temperatur av 1200 °C. I övrigt kan samma betingelser användas som ovan beskrivits för kisel- karbid.

Samma tillvägagångssätt som ovan beskrivits för tillverkning av ett turbinhjul av kiselkarbid användes i modifierad form vid tillverkning av en fräs av pulver av en järnbaserad legering med sammansättningen 1,27 % C, 0,3 % Si, 0,3 % Mn, 6,ü % W, 5,0 % Mo, 3,1 % V, Ä,2 % Cr rest Fe och med en kornstorlek understig- ande 600}mL Den förformade kroppen förses på liknande sätt som beskrivits för turbinhjulet av kiselkarbid med ett ytskikt av aluminiumnitrid. I detta fall utföres_såväl värmebehandlingen för bildning av bornitrid som den isostatiska pressningen vid 1150 OC. I övrigt kan samma betingelser användas som ovan be- skrivits för kiselkarbid.

Samma tillvägagångssätt som ovan beskrivits för tillverkning av ett turbinhjul av kiselnitrid användes i modifierad form för tillverkning av en elektrisk genomföring med keramisk isolering. En cylindrisk elektrod av en nickelbas- legering med sammansättningen 62 % Ni, 28 % Mo och 5 % Fe används som kärna vid kall isostatisk pressning av ett koncentriskt hölje av ett keramiskt pul- ver. Pulvret består av zirkoniumoxid med 4,5 % yttriumoxid och har en kornstor- lek understigande 5 Pm. Den pressade kroppen formas och elektrodens ändar fri- lägges från keramiskt material genom maskinbearbetning. Den sammansatta kroppen förses på liknande sätt som beskrivits för turbinhjulet av kiselkarbid med ett ytskikt av kíselnitrid. I detta fall utföres såväl värmebehandlingen för bild- ning av bornitrid som den isostatiska pressningen vid 1200 OC. I övrigt kan samma betingelser användas som ovan beskrivits för kiselkarbid.

Claims

ezoosus-2»; PATENTKRAV

1. Sätt att framställa ett föremål av ett pulverformigt material genom iso- statisk pressning av en av det pulverformiga materialet förformad kropp (10) med ett tryckmedium, varvid den förformade kroppen, hos vilken åtminstone yt- skiktet utgöres av ett keramiskt material i form av en nitrid, omges med ett boroxidhaltigt hölje (16) och den med hölje omgivna förformade kroppen under- kastas en värmebehandling för att göra höljet ogenomträngligt för tryckmediet och för att bilda bornitrid på ytan av den förformade-kroppen genom reaktion mellan nitriden i den förformade kroppens ytskikt och boroxiden i höljet, innan den isostatiska pressningen under sintring av pulvret genomföres, k ä n n e t e c k n a t därav, att som material i höljet användes boroxid eller ett boroxidhaltigt glas eller vid uppvärmning glasbildande material med en boroxidhalt av minst 30 viktprocent samt att åtminstone den närmast den isostatiskt pressade kroppen (10) belägna delen av höljet avlägsnas med vatten eller vattenånga,

2. Sätt enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att boroxid- halten i glaset resp i det vid uppvärmning glasbildande materialet uppgår till minst 50 viktprocent,

3. Sätt enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att värmebehandlingen för bildning av bornitrid på ytan av den förformade kroppen utföres vid iägsu 900 °c.

4. H. Sätt enligt något av patentkraven 1-3, k ä n n e t e c k n a t därav, att materialet i höljet har en viskositet av högst 10” poises vid 1000 OC.

5. Sätt enligt något av patentkraven 1-4, k ä n n e tde c k n a t därav, att den förformade kroppen (10) består av kiselnitrid eller av ett med kisel- nitrid som huvudbeståndsdel uppbyggt material.

6. Sätt enligt något av patentkraven 1-4, _k ä n n e t e c k n a t därav, att den förformade kroppen (10) består av ett keramiskt eller metalliskt mate- rial försett med ett överdrag (18) i form av en nitrid. 8300645-2

7. Sätt enligt något av patentkraven 1-6, -k ä n n e t e c k n a t därav, att den förfarmade kroppen (10) och höljet (16) när höljet göres ogenomträng- ligt för tryckmediet, är placerad i ett öppet kärl (15), som är formbeständigt vid den temperatur, vid vilken sintringen av det pulverformiga materialet ut- föres och att höljet (16) överföres i en smälta med en av kärlets väggar be- gränsad yta, under vilken den förformade kroppen är belägen när den iscstatiska pressningen utföres.