FI124164B - Valokaarisulatus- ja kallistusvalulaitteisto - Google Patents

Description

Valokaarisulatus- ja kallistusvalulaitteisto

Esillä olevan keksinnön kohteena on yhdistetty valokaarisulatus- ja kallistusvalulaitteisto, jota käytetään esim. makroskooppisten metallisten lasimateri-5 aalien (bulk metallic glass, BMG, metalliset bulkkilasit) valmistamiseksi.

Kallistusvalulla on raportoitu aikaansaatavan paras väsymiskestävyys Zr-pohjaisissa metallisissa bulkkilaseissa. Seostus- ja valumahdollisuuksien sisällyttäminen yksittäiseen laitteeseen vähentää tarvittavan laboratoriotilan ja 10 pääomainvestoinnin määrää. Myös näytteen siirtovaiheen eliminoiminen valmistusprosessista säästää aikaa ja vähentää näytteen kontaminaatiota. Lasin muodostuskyky monissa seosyhdistelmissä, kuten Zr-pohjaisissa metallisissa laseissa, huononee nopeasti näytteen lisääntyvän happipitoisuuden myötä.

15 Metalliset bulkkilasit (BMG) ovat amorfisia metalleja, joiden halkaisija on suurempi kuin 1 mm ja jotka jähmettyvät ilman havaittavaa kiteytymistä. Kiinteästä tilasta kuumennettaessa näissä seoksissa tapahtuu lasittuminen, jonka jälkeen ne säilyvät metastabiileina rajallisen pituisen ajan alijäähdytetyn sulan lämpötila-alueella ennen kiteytymistä. Tehostettu stabiilius kiteytymistä 20 vastaan aikaansaadaan tavallisesti seostamalla lukuisia alkuaineita, jolloin ainesosa-alkuaineiden keskuudessa on merkittävä ero (>12 %) atomisätees-sä ja negatiivisissa sekoituslämmöissä. Tunnettujen BMG-seosten kriittiset valuhalkaisijat vaihtelevat tyypillisesti 1 mm:stä 100 mm:iin. BMG-seoksia on ^ löydetty monista eri seosryhmistä (Pd-, Mg-, Ln-, Zr-, Ti-, Fe-, Co-, Ni- ja Cu- § 25 pohjaisissa yhdistelmistä) ja monilla erilaisilla ominaisuuksilla varustettuja ? uusia seoksia on havaittu ja raportoitu. Valamalla BMG-seoksia saadaan il- | man kylmätyöstöä tai lämpökäsittelyä tuotetuksi kompleksisia muotoja, joilla on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet: puhtaasti plastinen deformaatio

LO

tyypillisesti aina 2 %:n myötörajaan saakka, josta on seurauksena vetolujuus g 30 1500 MPa - 5500 MPa Youngin moduulin ollessa 70 GPa - 275 GPa. Koska BMG-materiaaleista puuttuvat raerajat, on seurauksena erittäin tarkasti vii- 2 meistelty pinta ja korroosion kestävyys tehostuu. Useat viimeaikaiset katsaukset todistavat laajasta kiinnostuksesta näitä materiaaleja kohtaan sekä perustieteen näkökulmasta että käytännön sovellusten kannalta.

5 Erilaisia menetelmiä voidaan käyttää amorfisten metallien valmistamiseksi, joista kullakin on omat etunsa ja puutteensa ja joiden suhteellinen tärkeys riippuu seoskoostumuksesta ja aiotusta tarkoituksesta. Tarkasti ottaen amorfista kiintoainetta kutsutaan lasiksi vain jos se muodostui siten, että sulalle tapahtui lasittuminen. Metallisia laseja siis muodostetaan sulattamalla ai-10 nesosat koostumukseltaan halutun sulan seoksen aikaansaamiseksi ja jäähdyttämällä sitten tasaisen seoskoostumuksen sula seos lasittumislämpötilansa alapuolelle. Esiseostaminen halutun koostumuksen aikaansaamiseksi ja sulan jäähdytys lasimaiseen tilaan ovat usein täysin erillisiä prosesseja, jotka suoritetaan eri laitteissa. Ennen bulkkilasinmuodostusseoskoostumusten keksimis-15 tä useimpien metallisen lasin muodostajien yhteydessä tapahtuvan kiteytymisen välttämiseksi vaaditut pikajäähdytysmenetelmät merkitsivät sitä, että näitä materiaaleja kyettiin valmistamaan lasimaisessa muodossa vain ohuina nauhoina, folioina tai lankoina. BMG:eiden merkitys voidaan suurelta osin laskea metallin muottivalumenetelmien monipuolisuuden ansioksi valmistet-20 taessa erilaisia muotoja sekä myös suurempia esineitä metallisesta lasista. Tarvittaessa valua voivat seurata lisämuotoilu- tai kuviointivaiheet - mukaan luettuina koneistuskäsittelyt tai superplastinen muovaus viskoosilla super-^ jäähdytetyllä nestemäisellä alueella - mutta tavallisesti esiseostus- ja valuvai- ^ heet ovat ratkaisevia lopullisen kappaleen laadun kannalta.

S 25 i ° Seostukseen käytetään yleisesti induktiosulatusta ja valokaarisulatusta iner- | tissä atmosfäärissä, molemmat vesijäähdytetyillä kupariupokkailla. Molemmat menetelmät mahdollistavat sulatusprosessin tarkan ohjauksen laboratoriomit-!£ takaavan tuotannossa. Tyypillisesti prosessikammio tyhjennetään toistuvasti ° 30 alle 1 x 10'3 Pa:n paineeseen ja täytetään uudelleen puhdistetulla argonilla, puhdistetaan sitten kaikesta jäljellä olevasta hapesta titaanisieppauksella (ti- 3 taanilastu-uuni / titanium gettering) ennen ainesosametallien sulattamista seostusta varten. Normaalikäytäntönä on esiseostetun valuharkon kääntäminen ympäri ja sen jälleensulattaminen useita kertoja sen koostumuksen yhdenmukaisuuden varmistamiseksi. Jos prosessikammio pitää avata ilmalle 5 harkon kääntämiseksi, kuluu inertin atmosfäärin uusimiseen aikaa, hukkaantuu argonia, ja riskinä on BMG:n kontaminoituminen hapella. Happi on haitallista BMG:n valmistukselle, koska joidenkin sellaisten faasien kohdalla, joiden kiteytyminen kilpailee lasin muodostumisen kanssa, kiteytymisen kinetiikka tehostuu hapen vaikutuksesta. Tämän seurauksena hapella kontaminoituneet 10 BMG-näytteet ovat tyypillisesti huonompia kuin korkeapuhtauksiset näytteet. Niinpä ei ole ainoastaan nopeampaa ja taloudellisempaa suorittaa valuharkon välttämätön manipulointi ilman prosessikammion toistuvaa avaamista; siten tuotetaan myös parempia näytteitä.

15 BMG:n valamiseksi käytetään yleisimmin metallin muottivalun erilaisia vaihtoehtoja. Sulan jäähdytysmenetelmässä, joka esitettiin Pd-Ni-P yhdistelmässä tapahtuvan metallisen bulkkilasin muodostuksen varhaisimmissa raporteissa -ja aikaisemmassa toiminnassa koskien marginaalisesti bulkkilasia muodostavia Pd-Si-pohjaisia seoksia - ei käytetty metallin muottivalua. Joidenkin seos-20 ten yhteydessä on jälleensulatettujen esiseostettujen harkkojen suora sammutus sulasta kvartsilasiastioineen, erityisesti yhdistelmänä happea poistavan juoksuttimen kanssa, edelleen edullisena pidetty menetelmä korkealaatuisten BMG-näytteiden valmistamiseksi. Tällä menetelmällä on kuitenkin vaikeata ^ toteuttaa kompleksisia muotoja ja kertakäyttöisten kvartsi muottien kanssa i § 25 sammutettujen sulien aikaansaadut mittatoleranssit ja pinnan laatu eivät ole ° yhtä hyviä kuin metallin muottivalulla saadut. Metallin muottivalun eräs suh- | teellisen yksinkertainen versio on sellainen, että esiseostettu harkko induk- tiosulatetaan kvartsilasiupokkaassa, jonka pohjassa on reikä, ja sitten käyte-tään kaasun painetta sulan BMG:n muodostusseoksen ejektoimiseksi upok-30 kaan alle sijoitettuun muottiin. Suurialipaineista induktiosulatusta ja argon-paineessa tapahtuvaa valua käyttävä laitteisto, jossa on lineaarinen läpivienti 4 kvartsilasiupokkaan liikuttamiseksi induktiokelasta muotin reikään, havaittiin erittäin monipuoliseksi siinä mielessä, että sillä saatiin helposti valmistetuksi erilaisia näytemuotoja, kuten sauvoja, tankoja, kiiloja, renkaita, sauvamaisia ja "koiranluun" muotoisia vetonäytteitä. Laboratorioympäristössä - jossa pro-5 sessiolosuhteet usein vaihtelevat - on erityisen kätevää kyetä tarkastelemaan näytettä kvartsiupokkaan läpi sulatuksen aikana. Koska sama kvartsiupokas on kuitenkin mahdollinen happikontaminaation lähde, voi toisinaan olla edullista käyttää muita upokasmateriaaleja, kuten grafiittia. Kehittyneemmät valumenetelmät, kuten alipainevalu, kallistusvalu, puristusvalu ja cap casting-10 valu voivat tuottaa parempilaatuisia näytteitä esim. siitä syystä, että niillä kyetään tasaisemmin ja yhdenmukaisemmin täyttämään muotti ja aikaansaamaan suurempia jäähtymisnopeuksia. Erityisesti kallistusvalun yhdistelmällä cap casting -valun tai puristusvalun kanssa valmistetuilla BMG-näytteillä on raportoitu olevan tavanomaisella kallistusvalulla valmistettuihin 15 verrattuna suurempi kriittinen valuhalkaisija ja parantunut superplastinen ku u ma m uovattavuus.

Julkaisu JP2003290909 A (YOKOYAMA YOSHIHIKO; NISSHIN GIKEN KK) on lähintä tekniikan tasoa kuvaava julkaisu. Siinä kuvattu laitteisto käsittää kaksi 20 tyhjökammiota, joista yksi on seossulatusta varten ja toinen kallistusvalua varten. Tässä julkaisussa arina ja muotti on järjestetty kallistumaan yhdessä kiinteässä tyhjökammiossa mutta niitä ei ole järjestetty siirrettäviksi yhtenäi- ^ senä yksikkönä tyhjökammioon ja siitä pois. Julkaisu GB1211945A (Volok- ^ honsky Lev Avromovich et. ai.) kuvaa kallistettavalla sulatusastialla varuste- 0 25 tun laitteiston, jossa muotit ovat erillisessä pyörivässä pöydässä.

o | Esillä olevan keksinnön tavoitteena on luoda monipuolinen väline, jossa voi- daan säilyttää korkean puhtauden olosuhteet koko prosessin ajan jopa sula- LT3 tettaessa seoksia, joilla on korkea affiniteetti hapelle. Tätä tarkoitusta varten ^ 30 valokaarisulatus- ja kallistusvalulaitteisto, jossa on vaippa varustettuna tyhjö- kammiolla pitämään sisällään arinan, jossa on sulatusallas ja kaatoelimet, 5 valokaarisulatuselektrodivälineet, jotka kulkevat vaipan läpi tyhjökammioon, muotti, jossa on sulan vastaanottoaukko, tyhjönmuodostusvälineet, tiivistys-välineet tyhjön pitämiseksi tyhjökammiossa ja kallistusvälineet aikaansaamaan arinan kallistumisen sulan saattamiseksi virtaamaan sulatusaltaasta 5 kaatoelimien kautta muottiin sulan vastaanottoaukon läpi, on tunnettu siitä, että tyhjökammio on varustettu näytteen käsi ttelyvä I i nei Mä; että arina ja muotti ovat liitetyt toisiinsa ja siirrettävissä yhtenä yksikkönä tyhjökammioon ja ulos tyhjökammiosta; ja että kallistusvälineet on järjestetty kallistamaan koko uunia.

10

Esillä olevan keksinnön mukainen rakenne toteuttaa matalahappisella atmosfäärillä täytettävän suurialipaineisen tyhjökammion ja varmistaa erityisesti järjestelmän säilymisen hermeettisesti suljettuna koko prosessin ajan. Erityisesti valokaarisulatuselektrodin ja näytteen manipulaattorivarren liikkeet to-15 teutetaan deformoituvilla metallipaljevälineillä liukuvien O-rengastiivisteiden sijasta ja koko uuni tulee kallistetuksi kallistusvalua varten.

On tunnettua, että suurialipaineisissa järjestelmissä kukin läpivienti ja kukin tiiviste aiheuttaa mitattavissa olevan vuodon. Liukuvat O-rengastiivisteet, 20 joissa liikkuva pinta liukuu alipainetiivisteen muodostavaa O-rengasta vasten, ovat erityisen vuotoalttiita. Samoin kun tyhjökammio on avattu ulkoilmaan, kestää pitkän ajan tyhjentää ilmasta tyhjökammion sisäpintoihin adsorboitu-^ nut kosteus. BMG-käsittelyn suorittamiseksi haluttujen korkean puhtauden ^ olosuhteiden aikaansaamiseksi tulisi pääprosessikammiossa tästä syystä olla 0 25 mahdollisimman harvoja läpivientejä ja mahdollisimman pieni pinta-ala. Lait- ? teiston tulisi kuitenkin sallia prosessin kunkin vaiheen suorittamiseksi tarvit- | tavien liikkeiden ja manipulaatioiden täysi liikkuma-ala edullisesti tyhjökam- r> miota ulkoilmaan avaamatta.

CM

m m ° 30 Laitteisto on varustettu manipulaattorivarrella siten, että esiseostamista var ten näyte saadaan käännetyksi ympäri ja jälleensulatetuksi tyhjökammiota 6 avaamatta. Siinä on myös järjestelyt pienten näytekappaleiden mäntäali-painevalua ja cap casting -valua varten. Tätä laitteistoa käyttämällä voidaan laajalle valikoimalle seoskoostumuksia ja näytekokoja suorittaa täysimittainen prosessi jatkuvana sekvenssinä esiseostuksesta korkealaatuiseen nk. net-5 shape valuun saakka. Lisäksi kriittisissä läpivienneissä laitteistossa käytetään ultrakorkean tyhjön (UHV) konstruointimenetelmiä käyttämällä joustavia me-tallipalkeita kaikille liikutettaville osille, ja täysin metallinen kaasuputki yhdistää tyhjökammion korkeapuhtauksisen inertin kaasun lähteeseen. Siten koko käsittelysekvenssin läpi saadaan säilytetyksi korkeapuhtauksinen atmosfääri.

10

Keksintöä selvitetään seuraavaksi yksityiskohtaisemmin viittaamalla oheiseen piirustukseen, jonka ainoa kuvio 1 esittää kaaviomaisesti esillä olevan keksinnön erään esimerkinomaisen suoritusmuodon. Kuviossa 1 on esitetty vain keksinnön ymmärtämiseksi tarvittavat seikat ja on ymmärrettävästi selvää, 15 että laitteisto sisältää useita muita, toimintaansa varten tarpeellisia erityispiirteitä, mutta ne ovat alan ammattihenkilölle ilmeisiä ja siksi niiden selostamista tässä ei pidetä tarpeellisena.

Kuviossa 1 esitettyyn laitteistoon 1 kuuluu vaippa 13, jonka sisällä on korkea-20 tyhjöinen tyhjökammio 12. Esim. volframia olevalla kärjellä 4' varustettu va-lokaarisulatuselektrodi 4 työntyy vaipan yläpinnan läpi. Tyhjökammioon 12 on sijoitettu vesijäähdytteinen arina, jossa on sulatusallas 7 ja kaatoelimet T. Tyhjökammion 12 sisällä on myös muotti 2, jossa on sulan vastaanottoaukko ^ 8. Laitteistoon kuuluvat myös tyhjönmuodostusvälineet (ei esitetty), tiivistys- § 25 välineet (ei esitetty) tyhjön ylläpitämiseksi tyhjökammiossa 12 ja kallistusvä- ° lineet (ei esitetty) laitteen kallistamiseksi sulan 6 saattamiseksi virtaamaan ir sulatusaltaasta 7 kaatoelimien 7' kautta muottiin 2 sulan vastaanottoaukon 8

CL

I"- läpi. Nuoli A kuvaa laitteen kallistumista. Esillä olevan keksinnön parannettu

LO

tunnusmerkki on se, että arina ja muotti on liitetty yhteen ja ne ovat liikutet-30 tavissa yhtenä yksikkönä 9 tyhjökammiossa 12 ja pois tyhjökammiosta 12.

7

Esitetyssä suoritusmuodossa yksikkö 9 on nostettu laitteiston alapuolelta aukon 14 kautta.

Esitettyyn suoritusmuotoon on jäljestetty myös liitos 5 alipainevalua varten 5 ja välineet 3 cap casting -valua varten. Nämä välineet on edullisesti liitetty yksikköön 9 kytkentäelimillä (ei esitetty) liikutettaviksi tyhjökammiossa 12 ja pois tyhjökammiosta 12 yhdessä yksikön 9 kanssa.

Tyhjökammion 12 sisällä olevassa vesijäähdytteisessä kupariarinassa on yksi 10 suuri sulatusallas 7 varustettuna sulan vastaanottoaukkoon 8 johtavalla kaa-tosuuttimena toteutetuilla kaatoelimillä 7' ja pienempi allas (ei esitetty) ti-taanisieppausta varten. Arina on kiinnitetty alapuolelta, jotta vältetään kaikenlaiset "sisäiset vuodot" kaasutaskuista, joita muussa tapauksessa saattaisi jäädä loukkuun arinan ja tyhjökammion väliin. Keskiöintirenkaalla varustettu 15 standardin mukainen ISO-K 200 O-rengastiiviste erottaa tyhjön kupariarinan alla kiertävästä jäähdytysvedestä. Bellevillen joustolaatat (ei esitetty) varmistavat sen, että differentiaalinen lämpölaajeneminen uunia käytettäessä ei aiheuta liiallisia vähenemisiä tai lisääntymisiä O-rengastiivistettä vasten ylläpidetyssä puristusvoimassa. Uuden panoksen lataamiseksi uuniin yksikkö 9 20 irrotetaan muusta tyhjökammiosta 12 ja lasketaan tätä tarkoitusta varten järjestetyllä pneumaattisella nostimella (ei esitetty).

Valokaarisulattimeen kuuluu välttämättä läpivienti valokaarisulatuselektrodia ^ varten. Elektrodi on vesijäähdytteinen johdin, joka voi kuljettaa jopa 500 A:n § 25 sähkövirtaa ja kykenee käsittelemään 30 kV:n korkeajännitteisen valokaaren ° sytytyskipinän. Tämä virta pitää sähköisesti eristää tyhjökammion jännittees- | tä käyttöpaineissa ja -atmosfääreissä tyhjökammion vaurioitumisen väittämiin seksi. Lisäksi elektrodin tulisi olla liikutettava; vapaasti liikutettavan elektro-

LO

din kärjen avulla operaattori kykenee toimittamaan plasmakaaren energian ^ 30 täsmälleen sinne missä sitä tarvitaan näytteen sulattamiseksi. Läpiviennin tulisi sallia sellainen liikkumisalue, että se kattaa näytteen jokaisen mahdolli- 8 sen sijainnin sulatusaltaassa sekä myös titaanisiepparin. Tämä liikkumisvapaus toteutetaan joustavalla reunahitsatulla metallipalkeella (ei esitetty), joka sijaitsee tyhjökammion yläpinnan ja elektrodin sähköisen läpiviennin (ei esitetty) välissä. Sähköinen läpivienti on konstruoitu kahdesta fluoripolymeeri-5 sestä (PTFE) eristeestä, jotka on puristettu elektrodipuikkoon juotetun kupa-rilaipan kumpaakin sivupintaa vasten. Standardin mukaiset ISO-K 100 0-rengastiivisteet ja keskiöintirenkaat tiivistävät tyhjöpuolen. Elektrodin volfra-mia oleva kärki 4' on kahdella ruuvilla kiinnitetty elektrodin juotettuun kärki-rakenteeseen, joka tiivistää vesijäähdytteisen elektrodipuikon pään.

10

Operaattorin avustamiseksi elektrodin kärjen 4' herkkien liikkeiden yhteydessä ja arinaa tai paljetta mahdollisesti vaurioittavien liikkeiden estämiseksi tarvitaan myös mekanismi elektrodin tukemiseksi. Elektrodipuikon paino ja ilmanpaine tyhjökammion tyhjentämisen yhteydessä muodostavat yhdessä 15 suuremman kuin 800 N:n voiman, joka vetää elektrodia kohti kupariarinaa. Tämän kuormituksen kantaa mekanismi (ei esitetty), joka toteuttaa pneumaattisesti toimivan servo-ohjauksen pystysuunnassa.

Kallistusvalu vaatii mekanismin sulan kaatamiseksi upokkaasta muottiin.

20 Usein tämä tehdään liukuvalla O-rengastiivisteellä, jossa metalliupokkaan jäähdytysvettä sisältävä jäykkä liitin sallii myös upokkaan kallistamisen muottia kohti. Esillä olevassa laitteistossa koko tyhjökammio 12 kallistuu. Tämä eliminoi potentiaalisesti hankaluuksia aiheuttavan liukuvan ^ O-rengastiivisteen.

S 25 i o

X

cc

CL

Is-

CM

m m δ

CM

Claims (4)

1. Valokaarisulatus- ja ka 11 i st usva I ui a i ttei sto (1), jossa on vaippa (13) varustettuna tyhjökammiolla (12) pitämään sisällään arinan, jossa on sulatusallas 5 (7) ja kaatoelimet (70, valokaarisulatuselektrodivälineet (4, 40, jotka kulke vat vaipan läpi tyhjökammioon (12), muotti (2), jossa on sulan vastaanotto-aukko (8), tyhjönmuodostusvälineet, tiivistysvälineet tyhjön pitämiseksi tyh-jökammiossa (12) ja kallistusvälineet aikaansaamaan arinan kallistumisen sulan (6) saattamiseksi virtaamaan sulatusaltaasta (7) kaatoelimien (70 kaut-10 ta muottiin (2) sulan vastaanottoaukon (8) läpi, tunnettu siitä, että tyhjö-kammio (12) on varustettu näytteenkäsittelyvälineillä; että arina ja muotti (2) ovat liitetyt toisiinsa ja siirrettävissä yhtenä yksikkönä (9) tyhjökammioon (12) ja ulos tyhjökammiosta (12); ja että kallistusvälineet on järjestetty kallistamaan koko laitteistoa (1). 15

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että vaipan (13) pohjapinnassa on aukko (14) ja yksikkö (9) on liikutettavissa tyhjökammioon (12) alapuolelta aukon (14) kautta.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että siihen lisäksi kuuluvat elimet cap casting-valua (3) ja/tai alipainevalua (5) varten.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että elimet cap ^ casting -valua (3) ja/tai alipainevalua (5) varten on yhdistetty yksikköön (9) § 25 liikutettaviksi yhdessä yksikön (9) kanssa, o X X Q. 1^ C\J m m δ c\j