製造具有整體成形筋的強化紡絲器的方法

2023-07-04 04:51:16

專利名稱：製造具有整體成形筋的強化紡絲器的方法
技術領域：
本發明一般涉及生產熱塑性纖維的紡絲器的製造。更具體地，本發明涉及一種用彌散強化金屬製造一種具有整體成形筋的紡絲器的方法。
通過旋轉法生產熱塑性纖維是眾所周知的。一般來說，把熔融的熱塑性材料餵入高速旋轉的紡絲器中。所說的紡絲器的側壁含有多個噴嘴。熔融的材料在離心力的作用下通過側壁上的噴嘴形成小直徑的熔體液流。所說的液流方向向下朝向收集表面並冷卻形成纖維。本文所用的術語「熱塑性」表示較寬範圍內的有機和無機材料以及纖維，包括聚合物、玻璃、巖石、熔渣、玄武巖等。
生產熱塑性纖維的紡絲器在較高的溫度下操作，並且由於高的旋轉速度在高應力下運行。因此，這樣的紡絲器通常用具有高斷裂強度和較高溫度下具有高的抗氧化性的材料製造。紡絲器通常通過把鎳或鈷基合金澆鑄到要求形狀的模型中成形。這些合金工作良好，但是仍然存在對於在較高溫度下具有甚至更高強度的材料的需求。
U.S.專利No.4,402,767公開了在具有優異高溫強度的紡絲器的製造中使用氧化物彌散強化金屬。這樣的金屬是小的硬質氧化物顆粒(稱為彌散體)彌散在金屬基質中。該專利公開了把一種氧化物彌散強化金屬板旋壓(spin forming)成形成紡絲器的形狀。U.S.專利No.5,085,679公開了環形滾軋(ring rolling)一種氧化物彌散強化金屬成為紡絲器的形狀。這些專利公開的紡絲器具有平滑的用於傳統纖維化過程的側壁。
熱塑性纖維工藝的最新進展是由Owens Corning出售的Miraflex雙玻璃纖維。這些纖維用兩種不同類型的玻璃形成，特別適用於製造隔熱製品。用於生產這樣的纖維的典型紡絲器包括與所說的側壁整體成形的垂直的筋。所說的筋在所說的兩種類型的玻璃在噴嘴中結合製造成雙玻璃纖維之前隔開這兩種類型的玻璃。
具有整體成形筋的紡絲器可以通過澆鑄鎳或鈷基合金形成。然而，也希望用氧化物彌散強化金屬製造帶筋的紡絲器，以提高高溫強度。如上所述，美國專利No.4,402,767說明了把一種氧化物彌散強化金屬成形為具有光滑側壁的紡絲器。為了從光滑壁的紡絲器形成帶筋的紡絲器，可以把所說的紡絲器旋壓成形成具有厚側壁的形式，然後加工側壁的內表面使其形成加強筋。這樣的製造方法由於昂貴的加工和大量的材料消耗，所以是成本高的，並且可能由於顆粒形成問題導致材料性能的損失。因此，希望提供一種製造具有整體成型筋的氧化物彌散強化紡絲器而不需要大量加工的方法。
根據本發明通過一種成形用於從熔融材料離心製造纖維的紡絲器的方法達到了上述目的以及其它未具體列舉的目的。在本發明的方法中，把一種彌散強化金屬在高於最低中溫加工溫度並低於所說的金屬的重結晶溫度的溫度下中溫加工，形成一種紡絲器，所說的紡絲器具有環形側壁和多個與所說的側壁整體成形的並從所說的側壁徑向向內延伸的筋。把所說的紡絲器熱處理使所說的金屬重結晶以粗化晶粒結構，並在所說的側壁內成形多個纖維成形噴嘴。


圖1是根據本發明製造的紡絲器的正視圖的截面圖。
圖2是沿圖1的2-2線的紡絲器部分的透視圖的示意圖。
圖3是沿圖2的3-3線的紡絲器的一部分的截面圖。
圖4～6是製造根據本發明的紡絲器的旋壓成形方法的步驟的示意圖。
圖7是沿圖6的7-7線的紡絲器的一部分和心軸的截面圖。
圖8是具有與所說的心軸分開的紡絲器的與圖7中一樣的視圖。
現在參考附圖，圖1～3表明了適用於通過旋轉法製造雙熱塑性纖維的一般的環形紡絲器。下面將描述本發明的製造所說的紡絲器的方法。所說的紡絲器包括一個一般為環形的側壁12和一個與所說的側壁整體成形的一般為環形的底。所說的底包括一個一般垂直於側壁的內側部分16，並且通過該部分形成環形的開口18。所說的紡絲器在任何合適的裝置上旋轉，如安裝在所說的開口內的心軸20。所說的底的外側部分延伸在所說的內側部分和所說的側壁之間，與所說的側壁形成偏離垂直略微向下的角度。優選的是所說的紡絲器的內部通過任何加熱裝置(未表示)加熱，例如通過吹入熱空氣或其它氣體。
插入部分24位於所說的紡絲器中。所說的插入部分包括一個內壁26，一般為環形的並且從所說的側壁徑向向內安裝。一個一般為環形的水平的中心凸緣30從所說的內壁徑向向內延伸。所說的插入部分通過焊接或其它合適的裝置固定在所說的紡絲器上。所說的上部法蘭也可以是一個單獨的部分，在把所說的插入部分定位於所說的紡絲器內部之後再適當安裝。
為所說的紡絲器內部提供兩個單獨的熔融的熱塑性材料的液流，第一個液流32含有熱塑性材料A，第二個液流34含有熱塑性材料B。在第一個液流A中的材料A直接落在底14上，並由於離心力的作用向外向所說的側壁流動形成所示的材料A的源頭。在第二個液流中的材料B在其到達所說的底之前被中心凸緣30截住。因此，在所示的中心法蘭之上形成材料B的積聚或源頭。
如圖2所示，與所說的紡絲器10的側壁12一起整體成形一系列垂直的筋40，從其徑向向內延伸。所說的筋位於所說的側壁和內壁26之間，並把該空間分成一系列一般為垂直排列的室42，所說的室42基本佔據所說的側壁的整個高度。可以看出，中心法蘭30、內壁26和筋40一起構成分配器，用於引導熔融的熱塑性材料A和B進入交替相鄰的室中，使得每隔一個室中含有熔融材料A，而剩餘的室中含有熔融材料B。
使側壁具有成排的噴嘴44，這些噴嘴位於筋40的徑向向外的末端附近。在圖3中可以更好地看出，所說的噴嘴具有「V」字形的形狀，一個端部或一個腿引入含有熔融材料B的室。熔融材料A和熔融材料B的液流從所說的噴嘴結合併形成一個單一的雙熱塑性纖維46(如圖1所示)。
在另一個實施方案中(未表示)，用直形的噴嘴代替所說的V形噴嘴，所說的直形噴嘴具有略大於所說的加強筋的寬度。從而使所說的噴嘴能使熔融材料A和熔融材料B的液流從所說的噴嘴形成單一的雙熱塑性纖維。其它構形的噴嘴也可以用於形成雙熱塑性纖維。
在雙熱塑性纖維46從紡絲器10形成時，安裝環形鼓風裝置48使所說的纖維向下以便收集。任選的是，所說的環形鼓風裝置可以使用引入的空氣進一步細化所說的纖維。在所說的紡絲器外面可以任選地布置一個加熱裝置，如環形熱空氣供給裝置50來加熱所說的紡絲器或所說的纖維，來促進纖維細化並保持所說的紡絲器溫度在獲得最佳纖維構形的水平上。
根據本發明，用於製造所說的雙重熱塑性纖維的紡絲器用彌散強化的金屬製造以提供在較高溫度下的優異的強度。適合用於本發明中的彌散強化金屬在該技術中是眾所周知的，如鐵基或鎳基氧化物彌散強化合金及其混合物。這些組合物包括在一種金屬基質中彌散的彌散相。所說的彌散相可以是金屬氧化物、金屬碳化物、金屬矽化物、金屬氮化物、金屬硼化物或其混合物。優選的是，所說的彌散相是一種金屬氧化物，最優選的是所說的彌散相是氧化釔或氧化鋯。所說的彌散相以有效彌散強化的量存在。通常，這樣的量在所說的彌散強化金屬的體積的約0.1％～5.0％範圍內。
所說的彌散強化金屬的金屬基質可以是多種組合物中的任何一種。所說的金屬基質優選的是一種合金，但是也可以是一種單質金屬。用於所說的金屬基質的合適的金屬的實例是鎳、鉻、鈷和鐵。用於紡絲器的優選的基質是鎳-鉻基合金以及鎳-鉻-鈷基合金。一種特別優選的彌散強化金屬是一種約70wt％的鎳和30wt％的鉻的合金，彌散相為氧化釔或氧化鋯，含量約為所說的金屬的體積的3％。
在美國專利Nos.4,402,767；3,814,635和4,877,435公開了合適的氧化物彌散強化金屬。此外，在美國專利No.3,591,362和3,738,817中提出了用於形成氧化物彌散強化合金粉末的典型組合物和技術。所說的氧化物彌散強化合金粉末可以通過把其裝在容器中並在較高溫度下擠壓緻密化。例如，所說的粉末可以通過在約1093℃下驅使該粉末把其擠壓進入一個模具中形成一個棒或板。另外，所說的粉末可以通過熱等靜壓緻密化或其它合適的措施緻密化。所說的棒或板可以通過熱軋、交疊熱軋成要求厚度的板。所說的板可以通過在該技術中已知的方法切割成合適的形狀。
本方法包括把所說的彌散強化金屬中溫加工成所說的紡絲器的形狀的步驟。術語「中溫加工」意味著所說的金屬在低於所說的金屬的再結晶溫度的較高溫度下的變形。變形所需要的力比在通常在室溫下進行的「冷加工」小。中溫加工區別於「熱加工」，熱加工意味著在所說的金屬的再結晶溫度之上的變形。「最低中溫加工溫度」是指所說的金屬在該溫度以上可以通過中溫加工法變形。
可以使用任何合適的中溫加工法把所說的彌散強化金屬成形為所說的紡絲器的形狀。一種優選的方法是旋轉的或旋壓成形。用這種方法，可以通過旋轉和加力把一個金屬板或片成形為一定的形狀。例如，可以是所說的金屬板在一個心軸上旋轉，並對所說的心軸施加作用力來取得其形狀。所說的旋壓成形優選的是在一個動力旋壓機上進行。更優選的是在一個計算機數字控制(CNC)動力旋壓機上進行。在金屬手冊第九版第14卷第601～602頁(Metals Handbook,9th Ed,PP.601-602,ASM International(1988))中公布了動力旋壓機的實例。另一種合適的中溫加工法是環形軋制。在金屬手冊第九版第14卷(Metals Handbook,9th Ed.,V0l.14)中提出了其它中溫加工方法。
優選的是，所說的紡絲器通過圖4～6中所示的旋壓成形法製造。從任何來源，如上述的擠壓和熱軋法，提供一種一般為環形的彌散強化金屬的片或板52。通過所說的板形成一個圓孔18。把所說的板靠著心軸54安裝，所說的心軸預加熱到約316～427℃的範圍內的溫度，並在所說的中溫加工過程中保持其溫度。所說的板通過一個尾部支架合適地靠著所說的心軸固定。旋轉所說的心軸和尾部支架來旋壓所說的板，例如轉速在約200～600轉/分的範圍之內，優選的是約400轉/分。
通過一個或多個噴槍58或其它裝置把所說的旋壓板加熱到用於旋壓成形的合適的溫度。合適的溫度在最低中溫加工溫度之上，在所說的金屬的再結晶溫度和初始熔點之下。在美國專利No.4,402,767和4,877,435中提出了典型的中溫加工溫度。一般來說，所說的旋壓成形操作在約538～1205℃範圍內的溫度下進行，優選的是在約982～1093℃範圍內的溫度下進行。
一個滾頭60沿徑向向外運動，驅使旋轉的板52靠在旋轉的心軸54上。通常，所說的滾頭多次通過所說的板。每次通過時，靠在所說的板上沿徑向向外運動，然後離開所說的板回到其起始位置上。每次通過通常需要15～30秒。所說的板在所說的中溫加工溫度下是可以變形的。因此，在所說的滾頭驅使所說的板靠在所說的心軸上時，所說的板得到了所說的心軸的形狀。所說的心軸一般是圓柱形的，具有一般為圓柱形的外表面62和一般為圓形的端部表面64。所說的端部表面包括一個徑向延伸的中心部分66，和一個從半徑上略微向內有一個傾角的周邊部分68。靠在所說的心軸的端部表面的旋壓成形形成了所說的紡絲器的底14的內部部分16和外部部分22。
如圖5和6所示，滾頭60沿縱向移動驅使所說的板靠在所說的心軸的外圓柱表面62上。所說的板靠在所說的心軸的外圓柱表面上的旋壓成形形成了所說的紡絲器的側壁12。
在圖7中可以最好地看出，心軸54的外圓柱表面62有多個在其中形成的縱向延伸的槽。優選的是所說的圓柱外表面有約100～400個這樣的槽。優選的槽具有一般為截頭錐體徑向截面，其徑向的外端74比徑向的內端76略寬。但是，所說的槽也可以具有直形的截面或其它合適的形狀。
優選的是，所說的槽的平均寬度Ws約為0.1～0.25cm，更優選的是約0.13～0.18cm。優選的槽的平均長度Ls約為0.25～0.76cm，更優選的是約0.3～0.51cm。如果所說的槽太長，難以用本發明的方法經濟地製造帶加強筋的紡絲器。
在心軸54的圓柱外表面62上的槽72之間確定了許多突出的部分78。優選的是，所說的突出部分的平均寬度Wp與所說的槽的平均寬度Ws的比值在約1∶1～3∶1範圍內，優選的是約為2∶1。
板52的未重結晶的彌散強化金屬可以在壓力作用下流入所說的心軸的槽72中，形成縱向延伸的筋40。同時，重要的是所說的板不會受到可以引起所說的金屬開裂或斷裂的額外的壓力。為了達到這些目的，所說的板在特定的壓力範圍內旋壓成形，並增加所說的滾頭通過所說的板的次數。一般來說，所說的板被滾頭旋壓成形在所說的心軸上，其液壓壓力在約0.7MPa(兆帕)～7.0MPa範圍內，優選的是在約1.4MPa～4.2MPa範圍內，更優選的是在約2.1MPa～3.5MPa範圍內。優選的是所說的滾頭通過所說的板約10～20次，更優選的是約12～16次。每次通過通常需要15～30秒。
所得的紡絲器具有環形的側壁12和與所說的側壁一起整體成形並從所說的側壁徑向向內延伸的多個縱向延伸的筋40。所說的旋壓成形過程產生了與心軸54和槽72的形狀一致的側壁和筋。因此，優選的側壁有約100～400個筋。優選的筋具有一般為frustoconical徑向截面，其徑向的內端80比其徑向的外端82略窄。所說的筋的這種形狀提供了優異的強度並有利於所說的紡絲器從所說的心軸中取出。
優選的是，所說的筋的平均厚度或寬度Wr約為0.1～0.25cm，更優選的是約0.13～0.18cm。優選的筋的平均長度Lr約為0.25～0.76cm，更優選的是約為0.3～0.51cm。在所說的筋之間確定了多個通道。優選的是，所說的通道的平均寬度Wc與所說的筋的寬度Wr之比在約1∶1～3∶1範圍內，更優選的是約2∶1。
如圖8所示，從心軸54分離並取出紡絲器10，在中溫加工後，所說的紡絲器從所說的心軸取出可能是困難的。在本發明的一個優選的實施方案中，在中溫加工後冷卻所說的紡絲器或使其冷卻到低於約260℃的溫度。然後把所說的紡絲器加熱到比所說的心軸高的溫度。優選的是把所說的紡絲器加熱到比所說的心軸的溫度至少高約500℃的溫度。例如，可以把所說的紡絲器加熱到約982℃的溫度，而把所說的心軸保持在約427℃的溫度。所說的紡絲器和心軸的不同熱膨脹促進了它們的分離。
促進所說的紡絲器從所說的心軸中取出的另一種方法是使所說的紡絲器的筋形成約0.5°～1.5°之間的垂直錐度或斜度。一般來說，所說的心軸的槽也應該延伸通過所說的紡絲器的端部使得所說的紡絲器容易取出。也可以使用一個用於取出的彈出板。
下一個步驟是在所說的金屬的再結晶溫度之上但是在其初始熔點之下熱處理所說的紡絲器，來進行所說的金屬的再結晶。一般來說，在約1260～1371℃範圍內的溫度下熱處理所說的紡絲器，熱處理試件在1～2小時範圍內。這種熱處理導致粗晶結構，賦予在較高溫度下承受高應力所需的高強度。一般來說，粗晶晶粒尺寸包括超過1mm的晶粒，而所說的晶粒在未再結晶狀態下小於約0.001mm。通常產生的粗晶結構一般為具有例如大於至少約3∶1的高晶粒長寬比的平板形結構。
在最後的步驟中，應用傳統技術通過所說的紡絲器的側壁形成多個噴嘴。這樣的技術包括雷射鑽孔、電子束鑽孔、放電加工和螺旋鑽孔。如果需要，可以進行所說的紡絲器的某些加工。然後可以以已知的方法用所說的紡絲器形成雙熱塑性纖維。
應該理解的是，雖然本文公開了所說的紡絲器方便地用在雙熱塑性纖維的製造中，但是所說的紡絲器也可以方便地用於製造其他類型的熱塑性纖維中，括單一的熱塑性纖維。在這方面，可以構造所說的側壁中的噴嘴生產單一的熱塑性纖維，所說的筋用於其它功能，如增強紡絲器的強度或保持兩個單獨的熔融熱塑性液體以形成由兩種或多種類型的單一的熱塑性纖維組成的混合纖維製品。
本法的操作原理和模式已經在其優選的實施方案中描述。但是，應該注意，本發明可以以不同於具體說明和描述的方式實施而不離開本發明的範圍。
本發明可以用於製造雙熱塑性纖維的紡絲器的製造中，所說的雙熱塑性纖維特別適用於隔熱和隔音製品，它們也可以用在許多其它的用途中，包括裝飾製品、過濾製品以及用於複合材料中。
權利要求
1.一種成形用於從熔融材料(32，34)離心纖維(46)的紡絲器(10)的方法，包括在高於最低中溫加工溫度並低於金屬(52)的再結晶溫度的溫度下中溫加工一種彌散強化的金屬(52)，形成一種紡絲器(10)，所說的紡絲器具有環形側壁(12)和與環形側壁(12)一起整體成形並從所說的側壁徑向向內延伸的多個筋(40)；熱處理所說的中溫加工的紡絲器(10)使金屬(52)再結晶來粗化晶粒結構；通過側壁(12)形成多個噴嘴(44)。
2.根據權利要求1的方法，其中，所說的中溫加工包括一個旋壓成形操作，在該操作中，金屬(52)在一個心軸(54)上旋轉並被驅使靠在心軸(54)上以得到其形狀。
3.根據權利要求2的方法，其中，把金屬(52)旋壓成形在心軸(54)上，所說的心軸(54)具有其中形成槽(72)的圓柱表面(62)，以形成紡絲器(10)的帶筋(40)的側壁(12)。
4.根據權利要求3的方法，其中，用一個滾頭把金屬(52)旋壓成形在心軸(54)上，所用的液壓壓力在約0.7MPa～7.0MPa，滾頭(60)通過金屬(52)約10～20次。
5.根據權利要求4的方法，其中，用一個滾頭把金屬(52)旋壓成形在心軸(54)上，所用的液壓壓力在約1.4MPa～4.2MPa。
6.根據權利要求1的方法，其中，筋(40)的平均長度(Lr)在約0.25～0.76cm範圍內。
7.根據權利要求1的方法，其中，筋(40)的平均寬度(Wr)在約0.1～0.25cm範圍內。
8.根據權利要求1的方法，其中，在筋(40)之間確定了多個通道(84)，通道(84)的平均寬度(Wc)與筋(40)的平均寬度(Wr)的比例在約1∶1～3∶1之間。
9.根據權利要求1的方法，其中，與側壁(12)一起整體成形約200～400個筋(40)。
10.根據權利要求1的方法，其中，所說的中溫加工包括把金屬(52)旋壓成形在一個心軸(54)上，所說的心軸(54)具有其中形成槽(72)的圓柱表面(62)，在約0.7MPa～7.0MPa範圍內的液壓壓力下通過滾頭(60)使金屬(52)靠在圓柱表面(62)上，使滾頭(60)通過金屬(52)約10～20次，其中，金屬(52)得到圓柱形表面(62)的形狀，形成紡絲器(10)的帶筋(40)的側壁(12)。
11.根據權利要求10的方法，其中，所說的中溫加工包括旋壓成形一個一般為圓形的金屬板(52)。
12.根據權利要求10的方法，其中，金屬(52)選自由鐵基氧化物彌散強化合金、鎳基氧化物彌散強化合金及其混合物組成的組中。
13.根據權利要求10的方法，其中，筋(40)具有一般為截頭錐體徑向截面。
14.根據權利要求10的方法，其中，在旋壓成形後，通過冷卻紡絲器(10)，然後把紡絲器(10)加熱到比心軸(54)的溫度高至少約500的溫度，把紡絲器(10)從心軸(54)上分離。
15.一種成形用於從熔融材料(32,34)離心纖維(46)的紡絲器(10)的方法，包括在高於金屬(52)的最低中溫加工溫度並低於其再結晶溫度的溫度下旋壓成形一種彌散強化金屬(52)，形成一種紡絲器(10)，所說的紡絲器(10)具有一個環形側壁(12)和多個與側壁(40)一起整體成形並從所說的側壁向內延伸的筋(54)，其中，把金屬(52)旋壓在心軸(54)上，心軸(54)具有其中形成槽(72)的圓柱表面(62)，通過滾頭(60)在約0.7MPa～7.0MPa範圍內的液壓壓力下使金屬(52)靠在圓柱表面(62)上，滾頭(60)通過金屬(52)約10～20次，其中，金屬(52)得到圓柱表面(62)的形狀形成紡絲器(10)的帶筋(40)的側壁(12)；熱處理滾壓成形的紡絲器(10)使金屬(52)再結晶成粗晶結構；成形多個通過側壁(12)的噴嘴(44)。
16.一種心軸(54)，包括一個一般為圓柱形的主體(54)，具有一般為圓柱形的表面(62)和一個一般為圓形的端面(64)，其中，所說的圓柱形表面(62)有多個其中形成的徑向延伸的槽(72)。
17.根據權利要求16的心軸，其中，槽(72)的平均長度(Ls)為約0.25～0.76cm。
18.根據權利要求16的心軸，其中，槽(72)的平均寬度(Ws)約為0.1～0.25cm。
19.根據權利要求16的心軸，其中，在槽(72)之間確定了多個突出部分(78)，突出部分(78)的平均寬度(Wp)與槽(72)的平均寬度之比在約1∶1～3∶1的範圍內。
20.根據權利要求16的心軸(54)，其中，圓柱表面(62)具有其中形成的約200～400個槽(72)。
全文摘要
提供了一種成形用於從熔融材料(32,34)離心纖維的紡絲器(10)的方法。在高於最低中溫加工溫度並低於金屬(52)的再結晶溫度的溫度下中溫加工一種彌散強化金屬(52),優選的是通過旋壓成形。成形的紡絲器(10)具有一個環形側壁(12)和多個與側壁(12)一起整體成形並從側壁(12)向內徑向延伸的筋(40)。把紡絲器(10)熱處理使金屬(52)再結晶成粗晶結構。成形多個通過側壁(12)的纖維成形噴嘴。
文檔編號B21D22/16GK1228751SQ97196889
公開日1999年9月15日 申請日期1997年7月9日 優先權日1996年7月31日
發明者J·W·希恩茨 申請人:歐文斯科爾寧格公司