技術 事前製造される構成部分による金属コンポーネントの製造方法

0001

本開示は、請求項１のプリアンブルに記載の金属コンポーネントを製造するための方法に関する。

0002

熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）は、ニアネットシェイプ及び高性能材料からなるコンポーネントを製造するために好適な方法である。ＨＩＰでは、カプセルは、コンポーネントの形状を画定し、一般に鋼薄板から製造される。このカプセルが金属又は複合粉末を充填されて高温及び高等方圧に曝されることで、金属粉末が冶金的に結合し、鍛造と同様の強度を有する密度の高いコンポーネントが得られる。

0003

熱間等方圧加圧法は、異なる材料からなる領域を有するコンポーネントを製造するために適している。一般に、このようなコンポーネントは、粉末形態の異なる材料をカプセル中に加えることにより製造される。したがって、各個別の材料の所望の特性を獲得するために、異なる粉末の混合を避けることが極めて重要である。

0004

異なる粉末をカプセル内に位置させる一般的な技術は、粉末充填の間に充填テンプレートを使用し、次いでカプセルをシールする前にテンプレートを除去することである。この技術の欠点は、テンプレートを除去するときに粉末分離を制御することが非常に困難であることである。この技術は、異なる粉末領域の大きさ及び幾何学的形状に関しても極めて制限されている。

0005

異なる材料からなる領域を有するコンポーネントの製造を容易にするために、複数の試みがなされてきた。例えば、国際公開第２０１０／１１４４７４号は、ポリマー材料及び金属粉末からなる構成部分を製造した後にＨＩＰカプセル内の選択された領域に配置する方法を示している。しかしながら、成功裏に運ぶことが証明されているものの、この方法は、構成部分中のポリマー材料をＨＩＰに先立って除去する必要があるため、長時間を必要とする。この方法は更に、カプセル内に炭素に富む残留物を生じさせうる。

0006

したがって、本発明の一の態様は、先行技術の一又は複数の問題を改善又は少なくとも克服する金属コンポーネントの製造方法を獲得する。

0007

特に、本発明の一の態様は、ＨＩＰによる金属コンポーネントの効果的な生産を可能にする方法を獲得する。本発明の更なる態様は、異なる材料からなる領域を有する金属コンポーネントの製造方法を提供する。

0008

定義：
「金属材料」は、金属であるか、又は金属と非金属相若しくは粒子の複合物である材料を意味する。限定しないが、金属の例は、純金属又は複数の金属及び他の要素からなる合金、例えば鋼である。複合材料の一例は金属基材であり、これは、限定しないがＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＴｉＮといった硬質粒子又は限定しないがＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｒといった金属基中の硬質相を含む。

0009

本明細書において使用される「金属粉末材料からなるコヒーレント体」又は「コヒーレント体」は、損傷させることなく手動で、即ち手により扱うことを可能にするために十分な強度を有する構成部分を意味する。

0010

本発明によれば、上記態様の少なくとも一つが、
金属コンポーネント５０の形状の少なくとも一部を画定するカプセル５を提供する工程１００；金属材料７をカプセル５内に配置する工程２００；カプセル５をシールする工程３００；カプセル５に、所定の圧力及び所定の温度で所定の時間にわたり熱間等方圧加圧法を施す工程４００；任意選択的に、カプセル５を除去する工程５００を含み、金属材料７が、金属粉末からなる少なくとも一つの事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４を含み、金属粉末の少なくとも一部が、金属粉末が事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４にまとまるように圧密化されており、事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４の少なくとも一つの部分が、付加製造に続いて重畳された金属粉末の層を配置することにより製造されることを特徴とする、金属コンポーネントの製造方法によって獲得される。

0011

付加製造は、金属粉末からなる個別の層を、上下に連続して配置して予備成形体を形成する技術である。この技術は、複雑な幾何学的形状の構成部分の製造を可能にする。上述又は後述に規定される本発明の方法によれば、付加製造は３Ｄプリンティングでもよい。

0012

本発明によれば、事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４の複数の部分は付加製造により製造され、例えば事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４の二つ又は三つの部分が付加製造により製造される。上述又は後述に規定される本発明の更なる実施態様によれば、事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４は付加製造により製造され、即ち前記事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４のすべてが付加製造により製造される。

0013

上述又は後述に規定される方法に使用される事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４は、破損の危険なく取り扱うことができる。これにより、事前製造されるコヒーレント体を、高い精度でＨＩＰカプセル内に位置させることが可能となり、異なる材料からなる複数の構成部分、例えば二つ以上の構成部分がカプセル内に配置されるとき、異なる材料が混合する危険がない。

0014

事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４の全体が、焼結された金属粉末からなっていてよい。したがって、事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４全体が、焼結によって圧密化されていてよい。焼結は、事前製造されるコヒーレント体に十分な強度を獲得するために有効な方法である。更に、適切な焼結温度を選択することにより、最終焼結体に、ルース金属粉末の多孔性とほぼ一致する多孔性が得られる。したがって、ルース金属粉末がカプセルに充填されるときも、焼結体は収縮して、ルース金属粉末と等価な方式で変形する。このことにより、最終コンポーネントに均一で予測可能な変形が得られる。

0015

一代替例によれば、事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４の表面部分のみが圧密化される。したがって、事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４の表面部分は圧密化された金属粉末からなることになる。

0016

更に、一代替例によれば、付加製造に続いて金属粉末及び接合剤の重畳層を配置する前に、事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４の表面部分に接合剤が添加される。接合剤は、例えば焼結を実施する前の熱処理により、除去することができる。

0017

一代替例によれば、事前製造されるコヒーレント体の表面部分の金属粉末は、溶解させた後に冷却することにより圧密化される。更に、上述又は後述に規定される本発明の方法によれば、事前製造される構成部分１、２、３、４の一部、例えば表面部分は、レーザービーム又は電子ビームの照射を使用することにより圧密化される。

0018

上述又は後述に規定される方法は、バルブディスク５２及びバルブステム５３を含むバルブスピンドル５０の製造に利用することができ、この場合、
−カプセル５はバルブディスク５２の少なくとも一部を画定し；
−金属材料７は、バルブシート１、バルブディスク５２の内部を画定するコアヘッド１１を含むコア体２、クラッド層４及びコアヘッド１１上に配置される緩衝層３からなり；
ここで、バルブシート１、緩衝層３及びクラッド層４の少なくとも一つは、金属粉末からなる事前製造されたコヒーレント体である。

0019

一代替例によれば、バルブシート１、緩衝層３及びクラッド層４のうちの二つが、金属粉末から事前製造されるコヒーレント体であり、残りの金属材料はルース金属粉末でよい。これにより、異なる材料からなる三つのコンポーネントを含む比較的複雑な設計を有するバルブスピンドルが、異なる材料が混合するリスクなしに製造されうる。事前製造される構成部分は好ましくは焼結され、これが結合されていない粉末と組み合わされることで、ＨＩＰバルブスピンドルの均一で予測可能な変形を生じさせる。

0020

例えば、少なくともバルブシート１と緩衝層３は金属粉末から事前製造されるコヒーレント体であり、クラッド層４はルース金属粉末である。別の構成では、少なくともバルブシート１とクラッド層４が金属粉末から事前製造されるコヒーレント体であり、緩衝層３がルース金属粉末である。別の構成では、少なくとも緩衝層３とクラッド層４が金属粉末から事前製造されるコヒーレント体であり、バルブシートがルース金属粉末である。別の構成では、少なくともバルブシート１、緩衝層３及びクラッド層４が金属粉末からなる事前に成形されたコヒーレント体である。

0021

コア体２も、金属粉末から事前製造されるコヒーレント体とすることができる。しかしながら、コア体は、固体の金属材料の鍛造により製造されてもよい。

0022

上述又は後述に規定される本発明の方法によれば、バルブシート１及び／又は緩衝層３及び／又はクラッド層４は、金属粉末を焼結することにより事前に製造され、この場合焼結は金属粉末の融点を下回る温度及び大気圧で実施される。コア体２が金属粉末からなる事前製造される構成部分である場合、コア体２は焼結してもよい。

0023

接合剤を、事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４の表面部分を避け、事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４の他の部分に添加してもよい。事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４の他の部分への接合剤の添加の作用は、事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４を手で取り扱うことができるようにするためであり、即ち前記コヒーレント体は、損傷させることなく手で取り扱うことができる。

0024

本発明の方法の主要な工程を示す概略図である。
本発明の方法により得られるコンポーネントの概略図である。
本発明の一実施態様による事前製造される構成部分の概略図である。
本発明の方法の主要な工程の順序を示すフロー図である。

0025

上述及び後述に規定される方法について、バルブスピンドルの形態の金属コンポーネントの製造に関して以下に詳細に説明する。本発明の方法の主要な工程の一般的順序を図６のフロー図に示す。

0026

記載される実施態様は、２工程船舶用ディーゼル機関のためのバルブスピンドルの製造に関する。しかしながら、これは本発明を限定するものではなく、本発明の方法がすべての種類の金属コンポーネント、例えばインペラー、燃料ノズル、ローターシャフト及びストレスメーターリングの製造に適していることを理解されたい。

0027

図４は、本発明の方法により得られるバルブスピンドル５０の断面を示す概略斜視図である。バルブスピンドル５０は、ステム５３及びバルブディスク５２を含む。バルブディスクは平坦な上面５４を有し、この上面はエンジン内でシリンダー室に対向する。平坦面５４は排出面とも呼ばれる。断面に見られるように、バルブスピンドル５０はコアヘッド１１を有するコア体２を含み、コアヘッド１１はバルブディスク５２の内部を形成するようにバルブディスク５２と一体となっている。コア体２は、バルブスピンドルのステム５３を形成するステム部１２も含む。バルブスピンドル５０は更に、バルブシート３、緩衝層１及び耐腐食性クラッディング４を含む。緩衝層１は、コア体上に配置される。特に、緩衝層１は、コアヘッド１１上の、コアヘッド１１と耐腐食性クラッディング４の間と、バルブシート３とコアヘッド１１の間に配置され、コアヘッド１１から耐腐食性クラッディング４への又はバルブシート３への炭素の拡散を防ぐ。炭素は、クラッディング及びバルブシート３の耐腐食性及び機械特性に悪影響を有する。耐腐食性クラッディング４は、緩衝層とバルブシートを覆い、バルブスピンドル５０のバルブディスク５２の外表面を形成する。

0028

本発明の方法の第１の工程１００（図１参照）では、バルブスピンドルの外形又は輪郭の少なくとも一部を画定するカプセル５が提供される。カプセル５は、例えばプレス法又は回転成形により適切に成形された後溶接された鋼薄板から製造される。好ましくは、鋼薄板は、炭素含有量の低い鋼、例えば、０〜０．０９ｗｔ％の炭素含有量を有する低炭素鋼から製造される。カプセルに適した鋼の例は、ＳＳＡＢ社から市販されている鋼ＤＣ０４、ＤＣ０５又はＤＣ０６である。このような鋼は、バルブスピンドルに最小限の炭素拡散を供するため適性である。これら鋼種の更なる利点は、酸中における酸洗いにより容易に除去可能なことである。カプセル５は、円形の断面を有し、バルブスピンドル５０のステム５３の形態を有する下部円筒状部分からなる。カプセル５の上部はバルブスピンドル１のバルブディスク５２の形態を有している。

0029

第２の工程２００（図２参照）では、カプセル内に金属材料７が配置される。金属材料は、バルブシート１、コア体２、緩衝層３及びクラッド層４から構成される。

0030

バルブシート１は、市販の合金Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８から製造される。この材料は、高い靱性、高い硬質、及び良好な耐腐食性を有する。他の適切な材料には、モリブデン、クロム、ニオブ、アルミニウム又はチタン元素のうちの一又は複数を含むニッケルベース又はコバルトベースの合金といった析出硬化型合金が含まれる。バルブシートに適した合金の他の例は、Ｎｉ４０Ｃｒ３．５ＮｂＴｉである。

0031

予備成形されるコア体２は、０．１５〜０−３５ｗｔ％の炭素含有量を有する合金鋼から製造することができる。事前成形コア体に適した鋼の一例は、市販のＳＮＣｒＷ鋼である。事前成形コア体２は、付加製造を用いて製造してもよい。事前成形コア体２は、鍛造によっても製造されうる。

0032

緩衝層３は、コア体２のヘッド１１の上に配置される。緩衝層３は、コアヘッド１１の上側と縁部を覆う。緩衝層３は、０〜０．０９ｗｔ％の炭素含有量を有する低炭素鋼からなっていてよい。緩衝層は更に、１２〜２５ｗｔ％、例えば１４〜２０ｗｔ％の量のクロムにより合金化することができる。緩衝層に適した一の材料は、市販の３１６Ｌ鋼である。原理上、緩衝層は、コア要素から炭素を吸収し、クロムに富むカーバイドの形成により緩衝層中の炭素に結合する。緩衝層は、コア要素とバルブシートの間に連続層を形成するために十分な厚さを有さなければならない。緩衝層の厚さは更に、コア要素中の炭素量及びエンジンの動作条件に左右され、例えば緩衝層の厚さは２〜１０ｍｍ、例えば３〜７ｍｍの範囲でなければならず、例えば３ｍｍ又は５ｍｍである。

0033

緩衝層３の上にはクラッド層４が配置される。クラッド層４はバルブディスク５２の排出側４及び周辺部分を形成する。クラッド層は、高度に耐腐食性の合金から製造される。この合金は、Ｃｒ、Ｎｂ、Ａｌ及びＭｏを含むニッケルベースの合金とすることができる。クラッド層に適した合金の例は、市販の合金Ｎｉ４９Ｃｒ１Ｎｂ又はＩｎｃｏｎｅｌ６５７である。

0034

本開示によれば、バルブシート１、コア体２、緩衝層３及びクラッド層４の少なくとも一つは、コヒーレント体としてまとまるように圧密化された金属粉末から事前製造されるコヒーレント体である。つまり、構成部分１、２、３、４は、損傷させることなく手で取り扱うために、即ち手で掴んでカプセル内に配置するために十分な強度を有する。構成部分１、２、３、４の各々は、金属粉末から事前製造されるコヒーレント体とすることができる。二つ又は三つの構成部分１、２、３、４を、金属粉末から事前製造されるコヒーレント体とし、一又は複数の残りの構成部分をルース粉末、即ち接着又は接合されていない粉末として提供することも可能である。使用される金属粉末は、上述した通りである。したがって、バルブシート１は、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８のルース粉末からなっていても、又は圧密化された粉末からなっていてもよい。緩衝層３は３１６Ｌ鋼の粉末からなっていてよく、クラッド層４は、ルースな又は圧密化されたＩｎｃｏｎｅｌ６５７の粉末からなっていてよく、コア体は、ルースな又は圧密化されたＳＮＣｒＷの粉末からなっていてよい。しかしながら、典型的には、コア体は、ＳＮＣｒＷ鋼のような鋼の固体片を鍛造することにより製造される。

0035

事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４の少なくとも一つの部分は、３Ｄプリンティングといった付加製造により製造される。本発明の一実施態様によれば、事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４のうちの複数を、付加製造により製造することができる。また別の実施態様によれば、事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４は、付加製造により製造される。

0036

一般に、付加製造では、構成部分は、互いに上下に重ねられる金属粉末と接合剤の混合物からなる個別の層により組立てられる。接合剤は構成部分から除去され、構成部分はコヒーレント状態に焼結される。付加製造が３Ｄプリンティングである場合、３Ｄプリンティングは、例えばＥｘｏｎｅ Ｉｎｃ．から市販されている３Ｄプリンター「Ｅｘｏｎｅ Ｍ−Ｐｒｉｎｔ」で実施することができる。

0037

構成部分１、２、３、４は、焼結される場合、金属粉末の融点を下回る温度に加熱される焼結炉内に配置される。焼結は、構成部分が高密度化することを避けるために、大気圧又は減圧下で低い焼結温度において実施される。正確な温度は、問題となる各金属材料に応じて決定されなければならない。焼結の間、金属粉末粒子の接触表面は互いに接着し、冷却後に事前製造されるコヒーレント体が獲得される。焼結されるため、構成部分は多孔性であり、即ち６０〜８０ｖｏｌ％、例えば６５〜７５ｖｏｌ％の気孔率を有する。焼結された事前製造される構成部分の気孔率は、焼結温度の影響を受けうる。更に、構成部分１、２、３、４が接合剤を含む場合、この接合剤は、焼結に使用される炉と同じ炉を用いることにより、又は別個の脱接合設備を用いることにより、除去することができる。

0038

別の実施態様によれば、事前製造されるコヒーレント体は、金属粉末を含有するコヒーレントシェルである。図５は、第２の実施態様によるコヒーレント体、この場合クラッド層４の概略図である。構成部分４の外表面全体は、一定容量の金属粉末１０を包囲するコヒーレントシェル９に圧密化されている。シェルの厚さは、構成部分の寸法に応じて、例えば１〜３ｍｍである。シェル９は金属粉末を保持する容器を形成する。製造方法に応じて、シェルによって包囲される金属粉末は、結合されていない金属粉末又は焼結される金属粉末とすることができる。

0039

シェルの形態の事前製造されるコヒーレント体は、３Ｄプリンティングによって、即ち金属粉末からなる別個の層を互いに上下に重ねることによって製造してもよい。しかしながら、この場合、最終的構成部分の外表面のみが圧密化されるように層の周囲のみにレーザー焼結が施される。このために適したマシンは、ＥＯＳ ＧｍｂＨから市販されているＥＯＳ Ｍ ４００である。この場合、シェルは、焼結されたコヒーレントな金属粉末からなり、シェルによって包囲されるこの金属粉末は、結合されていない金属粉末であり、即ち焼結されていない。

0040

電子ビーム（ＥＢ）溶融に続いて冷却することにより層の周囲の金属粉末を圧密化することによってシェルを形成することも可能である。これは、Ａｒｃａｍ ＡＢ社から市販されるＡｒｃａｍ Ｑ２０装置において獲得することができる。この場合、シェルは、溶融及び圧密化されたコヒーレントな金属粉末からなり、シェル内の金属粉末は、電子ビーム法により生成される熱により低度に焼結される。

0041

金属粉末材料１、２、３、４からなる事前製造されるコヒーレント体をカプセル５内に配置した後、カプセルは、カプセルの上に蓋６を配置することにより閉鎖される。蓋はカプセルに溶接されて、カプセルは減圧される。最後に、カプセルは溶接によりシールされてすべての開口部が閉じられる。溶接後、カプセルは気密でなければならない。

0042

第３の工程３００では、充填されたカプセルに対し、所定の圧力及び所定の温度で所定の時間にわたり熱間等方圧加圧法が施され、金属材料が高密度化される。ＨＩＰの間、事前製造されるコヒーレント体１、２、３、４及びカプセル５は互いに冶金的に結合し、それにより密度が高く拡散接合したコヒーレントなＨＩＰ金属コンポーネントが獲得される。

0043

充填及びシールされたカプセル５は、これによりＨＩＰチャンバー８０内に配置される（図３参照）。ＨＩＰチャンバーは、ガス、例えばアルゴンガスにより、５００ｂａｒを上回る等方圧に加圧される。一般に、等方圧は９００〜１２００ｂａｒである。チャンバーは、形成される溶融材料又は相の融点のうち最も低い温度より低い温度に加熱される。温度が融点に近い程、溶融材料及び望ましくない層が形成されるリスクが高い。したがって、ＨＩＰの間の炉内の温度は可能な限り低くなければならない。しかしながら、低温では、拡散プロセスの速度が低下し、材料は残留多孔性を含むこととなり、粒子間の冶金的結合が弱くなる。したがって、温度は、溶融材料の融点のうち最も低い融点、例えば９００〜１１５０℃、又は１０００又は１１５０℃より低い、１００〜３００℃であることが好ましい。ＨＩＰの間にカプセル内の材料間に起こる拡散プロセスは時間依存性であり、したがって長時間が好ましい。長すぎる時間は、例えば粒子成長又は層の過剰溶解により、ＨＩＰ材料の特性を低下させうる。好ましくは、ＨＩＰ法は、問題となるコンポーネントの断面積に応じて、０．５〜４時間の時間にわたって実施されるべきである。

0044

任意選択的工程５００では、ＨＩＰ及び冷却後、カプセル５と蓋６を金属コンポーネント５０から、例えば酸洗い又は機械加工により除去する。

0045

特定の代替例及び実施態様について詳細に記載したが、これは例示のみを目的としており、限定を意図していない。特に、特許請求の範囲内において、様々な置き換え、代替、及び修正を行うことができる。

0046

例えば、金属粉末からなる完全な事前製造コヒーレント体を製造する代わりに、構成部分、例えばバルブシートを、複数の区画に分けて製造し、それらをカプセル内に配置することも可能である。３Ｄプリンターは構成部分の最大サイズに限界を有するため、これは大きなコンポーネントを製造するときに必要であろう。

0047

固体の、即ち鍛造されるコア体２が使用されるとき、コア体はカプセルの一部とすることもできる。この場合、カプセルは、例えばカプセルの底部を形成する固体のコア体２に溶接される。