(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの内部キャビティを有するコンポーネント（１００）を製造するための方法において、
少なくとも第１の開口部（１２）と第２の開口部（１４）とを有する少なくとも１つのキャビティ（１１）を含む金属材料の少なくとも第１の予備成形されたコア要素（１０）を提供するステップであって、
前記第１の開口部（１２）が、第１の表面（３３）と第２の表面（３４）を有するカバー要素（３０）によって被覆され、前記第１の表面（３３）が前記第１のコア要素（１０）に気密係合されている、ステップと、
前記第１のコア要素（１０）と前記少なくとも第１の前記カバー要素（３０）とを少なくとも部分的に取り囲む、コンポーネント（１００）の形状を少なくとも部分的に画定する型枠（５０）を提供するステップと、
前記型枠（５０）に金属充填材料（６０、６１）を充填するステップと、
前記第１のコア要素（１０）、前記カバー要素（３０）および前記金属充填材料（６０、６１）の間で金属結合が達成されるような形で既定の温度および、既定の静水圧で既定の時間、気体により加圧される加熱チャンバー内で加熱を行なうステップと、を含み、
前記型枠（５０）を金属充填材料で充填した後に前記カバー要素（３０）の少なくとも第２の表面（３４）が金属充填材料（６０、６１）で被覆され、かつ前記キャビティ（１１）が加熱中前記少なくとも第２の開口部（１４）を通して既定の静水圧まで加圧されるような形で、前記第１のコア要素（１０）が配置され、
前記第１の予備成形されたコア要素（１０）を提供するステップは、
前記金属材料の少なくとも第１の予備成形されたコア要素（１０）内に、前記コア要素（１０）の表面内の少なくとも２つの開口部（１４、１８）を含む少なくとも１つのキャビティ（１１）と前記コア要素（１０）の表面内のさらなる開口部（１２）を提供する少なくとも１つの溝（２０）とを形成するステップと、を含み、
前記気密係合されるステップは、
第１の表面（３３）と第２の表面（３４）とを有する少なくとも前記第１のカバー要素（３０）を用いて前記さらなる開口部（１２）を被覆し、前記カバー要素（３０）の前記第１の表面（３３）の一部分を、前記第１のコア要素（１０）の表面（１３）の一部分に気密係合させて、前記キャビティ（１１）が前記開口部（１４、１８）の間に閉鎖断面の連続的流路を形成するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記キャビティ（１１）が、ドリル加工および／または切削加工および／または、旋削加工および／または放電加工によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記キャビティ（１１）が、前記第１および第２の開口部（１４、１８）から前記溝（２０）まで前記コア要素（１０）内に延在する第１および第２のボア（１７、１９）を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記コア要素（１０）内の前記少なくとも第２の開口部（１４）が、型枠（５０）内の入口（５１）に気密係合されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記型枠（５０）が、コンポーネント（１００）の形状を画定するカプセルであり、前記第１のコア要素（１０）および前記カバー要素（３０）が前記カプセル内に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記型枠（５０）および前記第１のコア要素（１０）が共にコンポーネント（１００）の形状を画定するような形で、前記型枠（５０）が前記第１のコア要素（１０）に対し気密係合されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
金属充填材料（６０、６１）が金属粉末（６０）および／または金属片（６１）であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
少なくとも第２の予備成形されたコア要素（２３）を前記第１の予備成形されたコア要素（１０）と接触した状態で配置するステップを含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも第２のコア要素（２３）が少なくとも１つのキャビティ（１５）を含み、前記第２のコア要素（２３）は、このキャビティ（１５）と第１のコア要素（１０）内のキャビティ（１１）とが連通するような形で配置されていることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１のコア要素（１０）と少なくとも第２のコア要素（２３）が異なる材料から製造されていることを特徴とする請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
前記カバー要素（３０）が、複数のカバー要素区分（３１）を含み、これらの区分が互いにおよび前記第１のコア要素（１０、２３）と気密係合されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記コア要素（１０、２３）および／または前記カバー要素（３０）が、前記キャビティ（１１）内に延在する少なくとも１つの冷却用フィン（２４、３５）を含んでいることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記キャビティ（１１）の表面には、冷却効果を増大させるための粗度が具備されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記コア要素（１０、２３）および前記カバー要素（３０）が、Ｎｉ合金、Ｃｏ合金、Ｔｉ合金、Ｃｕ合金、Ｆｅ合金または工具鋼または炭素鋼またはハドフィールドタイプの鋼またはステンレス鋼、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼、クロム鋼またはオーステナイト系ステンレス鋼または二相ステンレス鋼またはその混合物といった材料のいずれかから製造されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段に係る少なくとも１つの内部キャビティを有するコンポーネントを製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属またはセラミック粉末の熱間静水圧加熱、いわゆるＨＩＰまたはＨＩＰＰＩＮＧは、さまざまなコンポーネント用として一般的に使用されている製造プロセスである。ＨＩＰ製造プロセスでは、製造品の形状を画定するカプセルに、所望の組成の金属またはセラミック粉末が充填される。カプセルを排気し、密封し、その後高温および高圧に付して、粉末は圧密体へと高密度化される。
【０００３】
一部のコンポーネントは、例えば冷却用流路などの内部キャビティを含む。しかしながら、金属ワーク内でのフライス加工または中ぐり加工などの従来の方法を用いて湾曲した内部流路を有するコンポーネントを達成することは困難である。
【０００４】
特許文献１および特許文献２は、内部流路を有するコンポーネントを製造するためのＨＩＰ法について記述している。内部流路は、製造品の形状を画定する金型の内部に配置されているプリフォームで形成される。金型には金属粉末が充填され、静水圧下で加熱され、こうして、金属粉末は、圧密品になるまで高密度化する。プリフォームはその後、取出され、こうして製造品の中に内部キャビティが残る。コンポーネント内に内部キャビティを形成するため、予備成形管を使用することも公知である。管は、加熱および圧密ステップ後、圧密された製造品の中に残る。
【０００５】
上述の方法に伴う問題点は、最終コンポーネント内の内部キャビティの高い位置精度を達成するのが困難であるということにある。これは主として、コンポーネントの製造中粉末が加熱され高い静水圧に付された場合、埋込まれた流路形成用プリフォームが移動することに起因している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００５／０４９２５１号パンフレット
【特許文献２】独国特許第４４２６５４４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、上述の課題の少なくとも１つを解決する、少なくとも１つの内部キャビティを有するコンポーネントを製造するための改善された方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によると、この目的は、少なくとも１つの内部キャビティを有するコンポーネントを製造するための方法において、
少なくとも第１の開口部と第２の開口部とを有する少なくとも１つのキャビティを含む金属材料の少なくとも第１の予備成形されたコア要素を提供するステップであって、前記第１の開口部が、第１の側面と第２の側面を有するカバー要素によって被覆され、前記第１の側面が前記少なくとも第１のコア要素に気密接合されている、ステップと、
前記少なくとも第１のコア要素と前記カバー要素とを少なくとも部分的に取り囲む、コンポーネントの形状を少なくとも部分的に画定する型枠を提供するステップと、
前記型枠に金属充填材料を充填するステップと、
前記少なくとも第１のコア要素、前記カバー要素および前記金属充填材料の間で金属結合が達成されるような形で既定の温度および既定の静水圧で既定の時間、気体により加圧される加熱チャンバー内で加熱を行なうステップと、を特徴とし、
前記型枠を金属充填材料が充填した後に前記カバー要素の少なくとも第２の側面が金属充填材料で被覆され、かつ前記キャビティが加熱中前記少なくとも第２の開口部を通して既定の静水圧まで加圧されるような形で、前記少なくとも第１のコア要素が配置されている、方法によって達成される。
【０００９】
発明力ある方法を用いると、原則として任意の形状または形態の内部キャビティまたは流路を有するコンポーネントを製造することができる。これは、例えば円形溝などの任意の形状のキャビティをコア要素の表面内にフライス加工などで容易に形成することができるために、可能となっている。溝をカバー要素で被覆することによって、コア要素内に閉鎖断面の連続的流路が達成される。方法の以下のステップにおいて、コア要素は、コンポーネント内に内部キャピティが具備されるような形で最終コンポーネントの本体内に少なくとも部分的に組込まれる。最終コンポーネントを構成する要素聞に金属結合が形成されることから、最終コンポーネントの強度は、非常に高い。最終コンポーネントの強度は、鍛造された単独の中実ワークから製造されたコンポーネント内と実質的に同じである。内部キャビティを含むコア要素の剛性および気孔の欠知のため、コア要素は、静水圧下での加熱ステップ中不動であり続ける。したがって、最終コンポーネント内では、内部キャビティの位置の極めて高い寸法的精度が達成される。
【００１０】
好ましい実施形態によると、第１の予備成形された中実コア要素を提供するステップには、
金属材料の少なくとも第１の中実コア要素の中に、前記コア要素の表面内の少なくとも２つの開口部を含む少なくとも１つのキャビティ（１１）と前記コア要素の表面内のさらなる開口部を提供する少なくとも１つの溝とを形成するステップと、
第１の側面と第２の側面とを有する少なくとも第１のカバー要素を用いて前記さらなる開口部を被覆し、前記カバー要素の前記第１の側を前記少なくとも第１のコア要素に気密接合させて、前記キャビティが前記開口部の間に閉鎖断面の連続的流路を形成するステップと、が含まれる。
【００１１】
好ましくは、キャビティは、ドリル加工および／または切削加工および／または、旋削加工および／または放電加工によって形成される。
【００１２】
前記キャビティは、前記第１および第２の開口部から前記溝まで前記コア要素内に延在する第１および第２のボアを含んでいてよい。
【００１３】
一変形形態によると、前記少なくとも第２の開口部は、型枠内の入口に気密連結されている。
【００１４】
一変形形態によると、前記型枠は、コンポーネントの形状を画定するカプセルであり、少なくとも第１のコア要素およびカバー要素は、前記カプセル内に配置されている。
【００１５】
一変形形態によると、型枠は、型枠および第１のコア要素が共にコンポーネントの形状を画定するような形で、第１のコア要素に対し気密接合されている。
【００１６】
金属充填材は、好ましくは金属粉末材料および／または金属片である。
【００１７】
一変形形態によると、方法には、少なくとも追加のコア要素を前記第１の予備成形されたコア要素と接触した状態で配置するステップが含まれる。
【００１８】
一変形形態によると、前記追加のコア要素は少なくともキャビティを含んでいてよく、前記追加のコア要素は、このキャビティと第１のコア要素内のキャビティとが連通するような形で配置されている。
【００１９】
一変形形態によると、前記コア要素は、複数のカバー要素区分を含み、これらの区分は互いにおよび前記少なくとも第１のコア要素と気密連結されている。
【００２０】
好ましくは、前記コア要素および／または前記コア要素区分は、プレートかまたは機械加工された部品である。
【００２１】
一変形形態によると、前記コア要素および／またはカバー要素は、前記キャビティ内に延在する少なくとも１つの冷却用フィンを含む。
【００２２】
好ましくは、前記キャビティには、冷却効果を増大させるための粗化された表面が具備されている。
【００２３】
一変形形態によると、前記キャビティの表面には、窪みまたは横方向溝が具備されている。
【００２４】
好ましくは、コア要素およびカバー要素は、Ｎｉ合金、Ｃｏ合金、Ｔｉ合金、Ｃｕ合金、Ｆｅ合金または工具鋼または炭素鋼またはハドフィールドタイプの鋼またはステンレス鋼、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼、クロム鋼またはオーステナイト系ステンレス鋼または二相ステンレス鋼またはその混合物といった材料のいずれかから製造される。
【００２５】
一変形形態によると、第１のコア要素および少なくとも１つの追加のコア要素は、異なる材料から製造されている。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の好ましい実施形態にしたがって製造される内部キャビティを伴うコンポーネントを概略的に示す。
【図２ａ】それぞれに、本発明の第１の好ましい実施形態で使用されるコア要素の概略的斜視図、コア要素の下部側の図およびコア要素の側面図を示す。
【図２ｂ】それぞれに、本発明の第１の好ましい実施形態で使用されるコア要素の概略的斜視図、コア要素の下部側の図およびコア要素の側面図を示す。
【図２ｃ】それぞれに、本発明の第１の好ましい実施形態で使用されるコア要素の概略的斜視図、コア要素の下部側の図およびコア要素の側面図を示す。
【図３ａ】本発明の第１の好ましい実施形態において使用されるカバー要素の上面図を概略的に示す。
【図３ｂ】本発明の第１の好ましい実施形態のコア要素とカバー要素の断面を概略的に示す。
【図３ｃ】図３ａの一部分の拡大図である。
【図４】カプセル内に配置されているコア要素とカバー要素のアセンブリの断面を概略的に示す。
【図５】本発明の第１の好ましい実施形態にしたがってカプセルに金属充填材料が充填されている図４のアセンブリを概略的に示す。
【図６】本発明のさらなる実施形態および変形形態を概略的に示す。
【図７】本発明のさらなる実施形態および変形形態を概略的に示す。
【図８】本発明のさらなる実施形態および変形形態を概略的に示す。
【図９】本発明のさらなる実施形態および変形形態を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は、本発明の方法にしたがって製造されるコンポーネント１００を示す。コンポーネント１００は、内部キャビティ１１すなわちコンポーネントの本体の内側に延在するキャビティを含む。原則として、コンポーネントは、コア要素に対し金属結合されている金属材料の一部分６０、６１とキャビティ１１とを含むコア要素１０を含む。キャビティ１１は例えば、コンポーネントを冷却するための冷却液用流路であってよい。流路１１は、閉鎖断面を有し、コンポーネントの上部表面１１０上に位置設定された第１および第２の開口部１４および１８の間に延在する。流路の第１の部分１７は、開口部１４からコンポーネントの下部表面１２０に向かって延在する。下部表面１２０から既定の距離のところにおいて、流路１１は、方向転換し、コンポーネントの下部表面に対して平行に円形状２０に延在する。流路の円形部分２０は、流路の第２の垂直部分１９に至るまで延在し、この部分１９はそれ自体、コンポーネントの上部表面上の開口部１８まで延在する。作動中、水などの冷却液が、開口部１４を通って導入される。冷却液は、流路１１を通って流れ、コンポーネントの下部部分から熱を除去し、コンポーネントの上部部分上の第２の開口部１８を通って退出する。
【００２８】
以上の記述が、発明力ある方法を用いて製造され得るコンポーネントの一般的記述であることを指摘しておかなければならない。内部キャビティを伴う任意のタイプのコンポーネントの製造のために、この方法を応用できるということは明白である。例えば、空冷式弁棒または流冷式弁座などのディーゼルエンジン向けのコンポーネントなど。コンポーネントは同様に、液冷式軸受、液冷式ロールまたは液冷式熱シールドでもあり得る。コンポーネントの本体の内側に延在するキャビティ１１が任意の形態または断面を有するものであり得、かつコンポーネント内部を任意の要領で延在し得るということも明白である。さらに、キャビティが任意の数の開口部を含み得ること、そして開口部がコンポーネントの任意の外部表面上に位置設定され得ることも、明白である。コンポーネントは２つ以上の流路を含むことができるということもまた明白である。
【００２９】
以下では、少なくとも１つの内部流路を有するコンポーネントを製造するための発明力ある方法の第１の好ましい実施形態について記述する。
【００３０】
第１のステップでは、コア要素が製造される。図２ａは、キャビティ１１を有するコア要素１０を示している。コア要素１０は、金属材料の中実ブロックから製造され、任意の適切な形態またはサイズを有することができる。コア要素の材料は、任意の金属材料、例えばＮｉ合金、Ｃｏ合金、Ｔｉ合金、Ｃｕ合金、またはＦｅ合金または工具鋼または炭素鋼またはハドフィールドタイプの鋼またはステンレス鋼、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼、クロム鋼またはオーステナイト系ステンレス鋼または二相ステンレス鋼またはその混合物といった材料のいずれかであり得る。コア要素は、鍛造、圧延、鋳造、フリーフォーミングまたは焼結などの任意の好適な方法によって製造されてよい。しかしながら、以下で説明する理由により、コア要素の材料は気密でなければならない。すなわちそれは閉鎖気孔を有していなければならない。こうして、コア要素は気孔を含んでいてよいものの、これらの気孔は相互連結されていなくてよいことが意図される。典型的には、コア要素は６％未満の気孔率を有しているべきである。本実施形態において、コア要素１０は、鍛造炭素鋼から製造されている。
【００３１】
コア要素１０内には少なくとも１つのキャビティ１１が形成される。キャビティは、ドリル加工、フライス加工、切削加工、旋削加工、放電加工および動力プレス加工とそれに続く焼結などの任意の好適な方法によって形成されてよい。本実施形態において（図２ａ参照）、キャビティ１１は、その上部表面１６からその下部表面１３までコア要素を通ってドリル加工されている２つの垂直なボア１７、１９を含む。ボア１７、１９はこうしてコア要素の上部表面１６内の２つの上部開口部１４、１８からコア要素の下部表面１３上の２つの下部開口部２１、２２まで延在する。キャビティ１１はさらに、ボア１７および１９の下部開口部２１、２２で開始し終了する円形溝２０を含む。図２ｂ参照。円形溝２０は、コア要素の下部表面１３内にフライス加工されており、したがって溝は下部表面１３で開放している。こうして、開口部１２が溝２０の全長にわたり延在する。図２ｃは、溝２０の開口部１２が下部表面１３内に見えるコア要素の長手方向断面を示す。同様に見えるのは、コア要素を通る垂直方向のボア１７とその上部および下部開口部１４、２１である。
【００３２】
第２のステップでは、カバー要素が提供される。カバー要素は、コア要素内でのキャビティの形成ステップ中に発生するコア要素内の開口部を被覆するために採用されており、こうして、閉鎖断面をもつ連続流路がコア要素内で達成されるようになっている。コア要素が複数のキャビティを含む場合、複数のカバー要素が提供されることは明白である。
【００３３】
カバー要素は、任意の金属材料から、任意の好適な方法で製造されてよい。例えば、条片または棒材料から切り取ることができ、鍛造要素、機械加工体、金属粉末焼結体またはフリーフォーミング体であり得る。ただし、カバー要素は気密であり、例えば閉鎖気孔を有するものである必要がある。好ましくはカバー要素は、Ｎｉ合金、Ｃｏ合金、Ｔｉ合金、Ｃｕ合金、またはＦｅ合金または工具鋼または炭素鋼またはハドフィールドタイプの鋼またはステンレス鋼、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼、クロム鋼またはオーステナイト系ステンレス鋼または二相ステンレス鋼またはその混合物という材料のいずれかから製造される。カバー要素は任意の好適な形状を有することができ、例えばそれは、平坦なプレートであってもよいし、あるいはブロック形状を有していてよい。その物理的寸法、例えばその幅および厚みは、最終コンポーネントの強度要件およびコンポーネント製造中のプロセス状況により左右される。コア要素内の１つまたは複数の開口部を共に被覆する複数のカバー要素区分を提供することも同様に可能である。これに伴う利点は、コア要素内の複雑な形状をもつ開口部を容易に被覆できるということにある。カバー要素区分の使用はさらに、コア要素を複雑な形状へと機械加工するのにかかる時間を短縮する。
【００３４】
図３ａは、部分的に円形の形状を有し、炭素鋼条片から製造されるカバー要素３０を示す。こうして、カバー要素３０は、図２ｂに示されているコア要素１０内の溝２０の開口部１２を被覆するために採用される。図３ａはさらに、カバー要素３０が複数のカバー要素区分３１を含んでいてよいことを表わしている。
【００３５】
図３ｂは、カバー要素３０が気密接合されているコア要素１０の断面図である。図３ｂはさらに、コア要素の下部表面１３内の溝２０および開口部１２、ならびに、コア要素の上部表面内の開口部１４とコア要素の下部表面内の開口部２１の間で延在するボア１７を示す。カバー要素３０は、第１の表面３３と第２の表面３４を有し、コア要素１０の下部表面１３内の開口部１２上に位置づけされる。カバー要素３０は、カバー要素３０の第１の表面３３の一部分が、開口部１２の各々の側でコア要素１０の表面１３の一部分と直接金属接触状態となるような形で位置づけされる。こうして、カバー要素３０は、コア要素内のボア１７、１９の下部開口部２１、２２および溝２０を完全に被覆するような形で位置づけされる。こうして、コア要素内に閉鎖断面をもつ連続的流路１１が達成される。連続的流路は、コア要素の上部表面１６上の開口部１４、１８の間に延在する。図３ｂはコア要素１３の断面図であることから、ボア１７と開口部１４および２１のみが見える。
【００３６】
カバー要素３０は、コア要素に気密接合される。これは、コア要素の表面１３に対してカバー要素を溶接することで達成されてよい。図３ｃとは、図３ｂ内の丸で囲まれた部域の拡大部分を示す。図３では、コア要素１０の表面１３とカバー要素３０の間の境界内に具備されている気密性接合部３７、例えば溶接ビードが見える。気密性溶接ビードは、カバー要素の全周にわたり具備される。
【００３７】
カバー要素３０が複数のカバー要素区分を含む場合、カバー要素区分は互いに対しておよびコア要素に対して気密接合される。これは、任意の好適な順序で、例えば最初に区分をコア要素に接合してその後互いに接合するといった順序で実施されてよい。
【００３８】
さらなるステップでは、少なくともコンポーネントの形状を画定しかつコア要素とカバー要素のアセンブリを少なくとも部分的に取り囲む型枠が提供される。
【００３９】
本実施形態において（図４参照）、型枠は、最終コンポーネントの形状、すなわちコンポーネントの外部輪郭を画定するカプセル５０である。カプセルは、底面壁５２と４つの側壁を含み、そのうち側壁５３および５５が見える。カプセルはさらに、コア要素内のキャビティ１１内に気体を取込むための開口部５１が内部に具備されたカバー５４を含む。カプセルは、金属シート、例えば軟鋼板から製造され、これらは共に溶接される。
【００４０】
コア要素１０の上部側１６にある開口部１４および１８の少なくとも１つは、カプセル５０内の気体入口５１に連結されている。コア要素内の開口部はこうして、例えばコア要素と型枠の間の溶接などにより型枠内の開口部に気密接合されている。図４は、入口５１に連結されている開口部１４のみを示す。これにより気体は、後続する静水圧下での加熱ステップ中に、コア要素１０内のキャビティ１１の中に入ることができる。したがって、キャビティは、カプセル上およびコア要素上に作用しているものと同じ静水圧まで加圧されることから、キャビティ１１が加熱ステップ中に変形することはない。
【００４１】
本発明によると、コア要素１３は、空隙７０すなわち空間がカプセル１０とコア要素の表面１３の間に作り出されるような形で設計されカプセル内に配置される（図４参照）。空隙７０は、カバー要素３０がある位置に作り出される。
【００４２】
コア要素および／またはカプセルは同様に、カプセルの壁とコア要素の間にさらなる空隙が作り出されるような形で配置されてもよい。図４は、コア要素とカプセルの側壁５３の間の空隙８０を示す。
【００４３】
カプセルには、金属充填材料が充填される。カプセルの充填中、カプセル内の全ての空隙に金属材料が充填される。図５は、金属材料が充填されているカプセル５０を示す。本実施形態において、カプセル５０内に充填される金属材料は、粒度が１〜５００μｍの金属粉末６０である。金属充填材料は、任意の金属材料であり得ると考えられる。異なる空隙に異なるタイプの金属材料を充填することができる。例えば、空隙８０に、Ｃｏ系合金、Ｎｉ系合金、高速鋼またはＭＭＣなどの耐摩耗合金を充填してコンポーネントの露呈部域内の耐摩耗性を提供できると考えられる。
【００４４】
空隙７０を充填することにより、コア要素の表面１３およびカバー要素３０は金属充填材料で被覆される。したがって、最終コンポーネント内で、少なくともカバー要素そして好ましくはコア要素も同様に、最終コンポーネントの外側部分を構成する高密度金属材料層により被覆され、この層に金属結合される。こうして、カバー要素およびコア要素の少なくとも一部分は、最終コンポーネント内に組込まれることになる。
【００４５】
カプセル内のコア要素およびカバー要素の位置に応じて、カプセルの充填ステップは、組立てられたコア要素とカバー要素をカプセル内に位置づけする前に、またはアセンブリをカプセル内に位置づけした後に実施されてよい。同様に、最初にカプセルを部分的に充填し、その時点でコア要素をカプセル内に配置し、その後にカプセルを完全に充填することも可能である。
【００４６】
さらなるステップにおいて、カプセル、コア要素、カバー要素および充填材料は、コア要素、カバー要素および充填材料の間に金属結合が達成されるような形で、既定の温度および既定の圧力で既定の時間、加熱される。
【００４７】
こうして、カプセルは、通常ＨＩＰチャンバと呼ばれる加熱可能な圧力チャンバの中に入れられる。加熱チャンバは、気体、典型的にはアルゴンで加圧され、この気体は、５００バールを超える静水圧までチャンバ内に圧送される。チャンバは、カプセル内の金属材料の融点より低い温度、例えば、最低の融点をもつ材料の融点またはカプセル内で材料間の反応により形成し得る任意の相の融点より５０〜５００℃低い温度まで加熱される。典型的には、カプセルは、コンポーネントのサイズおよび使用材料に応じて１〜３時間加熱される。
【００４８】
上述の通り、コア要素１０内のキャビティ１１は、それが圧潰するのを防ぐため、加熱中加圧される。例えばカバー要素とコア要素間の境界を通ってキャビティ１１から金属充填材料内に気体が全く漏出しないことが重要である。キャビティ１１から金属充填材料内またはカプセル内の他の金属要素の境界内に漏出した場合、金属充填材料の粒子または細片の間に気体の薄膜が形成し、これらの粒子または細片が金属結合を形成するのを防げる。したがって、カバー要素はコア要素に対し気密接合されなければならない。
【００４９】
同じ理由で、コア要素およびカバー要素の材料が開放気孔を含まないこと、すなわち気体が内部を通って漏出し得る相互連結している気孔を含まないことが重要である。
【００５０】
加熱ステップに先立ち、例えば空気などの全ての気体残渣がカプセルから確実に除去されるように、カプセル内に真空を引き込んでもよい。キャビティとＨＩＰチャンバ内の雰囲気とを連結する開口部５１を除く全ての開口部が、その後封止される。
【００５１】
高圧高温のため、コア要素、カバー要素および充填材料は可塑変形し、さまざまな拡散プロセスを通して高密度の密着した製造品の形に金属結合する。金属結合中、金属表面は、酸化物、介在物または他の汚染物質などの欠陥の無い界面を伴って共に完璧に結合する。したがって、共に金属結合された２つの金属要素は一体型本体を形成する。
【００５２】
次にカプセル１０は冷却させられ、必要な場合にはその後完成したコンポーネントから剥ぎ取られる。
【００５３】
以下に記すのは、記載されている本発明のいくつかのさらなる実施形態および変形形態である。
【００５４】
図６は、コアとカプセルの間の空隙に金属片が充填されている一変形形態を示す。他の部分および詳細は、最初に記載した実施形態の場合と同じである。
【００５５】
これに関連して「金属片」というのは、以上で言及した粉末粒子よりも実質的に大きい金属材料片であることが意図されている。この細片は、カプセルと組立てられたコアおよびカバー要素との間の空隙に充填するのに好適である任意の形状およびサイズを有し得る。金属片は、コア要素に関して記載したものと同じ方法を用いて同じ材料から製造されてよい。
【００５６】
図７は、コンポーネントの形状を部分的に画定する型枠５０がコア要素１０に対し気密接合されている一変形形態を示す。型枠５０は、４つの側壁を含み、そのうち、側壁５３および５５が見える。型枠５０は、さらにカバー５４を含む。側壁は、型枠５０がカバー要素およびコア要素を部分的にとり囲むような形で、型枠の底面壁を構成するコア要素１０に対し気密に溶接される。したがって、最終コンポーネントの形状は、型枠５０とコア要素１０を合わせたものによって画定される。この実施形態の利点は、共に形成され溶接される必要のあるシート材料が少なくて済むという点にある。こうしてＨＩＰの間に潜在的な漏出を構成し得る溶接および接合部の数は削減される。この場合、コア要素中のキャビティ１１は、図７に見ることができるように、加熱チャンバ内の雰囲気に直接開放している。しかしながら、型枠５０は、同様に、キャビティがＨＩＰ中に加圧されるような形でコア要素内のキャビティに連結されている出口も含み得ると考えられる。この変形形態の他の部分および詳細は、最初に記述した実施形態の場合と同じである。
【００５７】
図８は、第１のコア要素１０および第２のコア要素２３がカプセル５０内に配置されている一変形形態を示している。コア要素１０および２３は、互いに金属接触状態に配置され気密に溶接されている。コア要素１０はキャビティ１１を含み、コア要素１４はキャビティ１５を含む。コア要素１０、２３は、キャビティ１１および１５が連通状態になるような形で配置される。コア要素１０および２３は、異なる材料から製造されてよい。この場合、コア要素１０はステンレス鋼から製造され、コア要素２３は炭素鋼から製造される。ステンレス鋼コア要素１０は、コンポーネントの露出部域で耐腐食性を提供する。こうしてコンポーネントの耐用年数は延長される。さらにコンポーネントの実質的部分が低コストの炭素鋼から製造されることから、コンポーネントは費用効率が良い。この変形形態の他の部分および詳細は、最初に記述した実施形態の場合と同一である。
【００５８】
要素１０または１４に隣接してさらなるコア要素、例えば炭素鋼金属充填材料（図８には図示せず）からの炭素の拡散の危険性を最小限におさえるステンレス鋼またはＮｉ合金のコア要素を配置することも同様に可能である。第１および第２のコア要素の間の合金要素の拡散を防ぐために第１のコア要素と第２のコア要素の間に第３のコア要素を配置することも同様に可能である（図示せず）。
【００５９】
コンポーネント内の冷却効率を改善するために、冷却フィンをキャビティ１１内および／またはカバー要素２０上、すなわちキャビティ１１に面する側に形成することができる。図９は、キャビティ１１内に形成された２つの冷却フィン２４とカバー要素３０内に形成された冷却フィン３５とを概略的に示している。キャビティの表面を粗化すること、例えばグリットでブラスティングすることによって、キャビティ１１内を流れる冷却液の乱流を増大させることも同様に可能である（図７には示さず）。乱流の増加は、冷却効果を増大させる。流路の表面内に形成された横方向の溝または窪みにより流路内の乱流を増大させることも同様に可能である。
【００６０】
本明細書中では特定の実施形態が詳細に開示されてきたが、これは例示を目的としてのことにすぎず、添付のクレームに対する限定的意図をもつものではない。開示された実施形態および変形形態を組合せることも可能である。詳細には、発明人らは、クレームにより定義されている本発明の範囲から逸脱することなく、本発明に対しさまざまな置換、改変および修正を加えることができることを企図している。例えば、図７を参照して記述した部分的型枠を、図８の下で記述した２つのコア要素のまわりに配置できると考えられる。金属充填材料に関しては、例えば、金属粉末と金属充填材料の混合物を１つまたは複数の空隙に充填することが可能である。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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