专利名称：制造具有整体成形筋的强化纺丝器的方法
技术领域：
本发明一般涉及生产热塑性纤维的纺丝器的制造。更具体地，本发明涉及一种用弥散强化金属制造一种具有整体成形筋的纺丝器的方法。
通过旋转法生产热塑性纤维是众所周知的。一般来说，把熔融的热塑性材料喂入高速旋转的纺丝器中。所说的纺丝器的侧壁含有多个喷嘴。熔融的材料在离心力的作用下通过侧壁上的喷嘴形成小直径的熔体液流。所说的液流方向向下朝向收集表面并冷却形成纤维。本文所用的术语“热塑性”表示较宽范围内的有机和无机材料以及纤维，包括聚合物、玻璃、岩石、熔渣、玄武岩等。
生产热塑性纤维的纺丝器在较高的温度下操作，并且由于高的旋转速度在高应力下运行。因此，这样的纺丝器通常用具有高断裂强度和较高温度下具有高的抗氧化性的材料制造。纺丝器通常通过把镍或钴基合金浇铸到要求形状的模型中成形。这些合金工作良好，但是仍然存在对于在较高温度下具有甚至更高强度的材料的需求。
U.S.专利No.4,402,767公开了在具有优异高温强度的纺丝器的制造中使用氧化物弥散强化金属。这样的金属是小的硬质氧化物颗粒(称为弥散体)弥散在金属基质中。该专利公开了把一种氧化物弥散强化金属板旋压(spin forming)成形成纺丝器的形状。U.S.专利No.5,085,679公开了环形滚轧(ring rolling)一种氧化物弥散强化金属成为纺丝器的形状。这些专利公开的纺丝器具有平滑的用于传统纤维化过程的侧壁。
热塑性纤维工艺的最新进展是由Owens Corning出售的Miraflex双玻璃纤维。这些纤维用两种不同类型的玻璃形成，特别适用于制造隔热制品。用于生产这样的纤维的典型纺丝器包括与所说的侧壁整体成形的垂直的筋。所说的筋在所说的两种类型的玻璃在喷嘴中结合制造成双玻璃纤维之前隔开这两种类型的玻璃。
具有整体成形筋的纺丝器可以通过浇铸镍或钴基合金形成。然而，也希望用氧化物弥散强化金属制造带筋的纺丝器，以提高高温强度。如上所述，美国专利No.4,402,767说明了把一种氧化物弥散强化金属成形为具有光滑侧壁的纺丝器。为了从光滑壁的纺丝器形成带筋的纺丝器，可以把所说的纺丝器旋压成形成具有厚侧壁的形式，然后加工侧壁的内表面使其形成加强筋。这样的制造方法由于昂贵的加工和大量的材料消耗，所以是成本高的，并且可能由于颗粒形成问题导致材料性能的损失。因此，希望提供一种制造具有整体成型筋的氧化物弥散强化纺丝器而不需要大量加工的方法。
根据本发明通过一种成形用于从熔融材料离心制造纤维的纺丝器的方法达到了上述目的以及其它未具体列举的目的。在本发明的方法中，把一种弥散强化金属在高于最低中温加工温度并低于所说的金属的重结晶温度的温度下中温加工，形成一种纺丝器，所说的纺丝器具有环形侧壁和多个与所说的侧壁整体成形的并从所说的侧壁径向向内延伸的筋。把所说的纺丝器热处理使所说的金属重结晶以粗化晶粒结构，并在所说的侧壁内成形多个纤维成形喷嘴。
图1是根据本发明制造的纺丝器的正视图的截面图。
图2是沿图1的2-2线的纺丝器部分的透视图的示意图。
图3是沿图2的3-3线的纺丝器的一部分的截面图。
图4～6是制造根据本发明的纺丝器的旋压成形方法的步骤的示意图。
图7是沿图6的7-7线的纺丝器的一部分和心轴的截面图。
图8是具有与所说的心轴分开的纺丝器的与图7中一样的视图。
现在参考附图，图1～3表明了适用于通过旋转法制造双热塑性纤维的一般的环形纺丝器。下面将描述本发明的制造所说的纺丝器的方法。所说的纺丝器包括一个一般为环形的侧壁12和一个与所说的侧壁整体成形的一般为环形的底。所说的底包括一个一般垂直于侧壁的内侧部分16，并且通过该部分形成环形的开口18。所说的纺丝器在任何合适的装置上旋转，如安装在所说的开口内的心轴20。所说的底的外侧部分延伸在所说的内侧部分和所说的侧壁之间，与所说的侧壁形成偏离垂直略微向下的角度。优选的是所说的纺丝器的内部通过任何加热装置(未表示)加热，例如通过吹入热空气或其它气体。
插入部分24位于所说的纺丝器中。所说的插入部分包括一个内壁26，一般为环形的并且从所说的侧壁径向向内安装。一个一般为环形的水平的中心凸缘30从所说的内壁径向向内延伸。所说的插入部分通过焊接或其它合适的装置固定在所说的纺丝器上。所说的上部法兰也可以是一个单独的部分，在把所说的插入部分定位于所说的纺丝器内部之后再适当安装。
为所说的纺丝器内部提供两个单独的熔融的热塑性材料的液流，第一个液流32含有热塑性材料A，第二个液流34含有热塑性材料B。在第一个液流A中的材料A直接落在底14上，并由于离心力的作用向外向所说的侧壁流动形成所示的材料A的源头。在第二个液流中的材料B在其到达所说的底之前被中心凸缘30截住。因此，在所示的中心法兰之上形成材料B的积聚或源头。
如图2所示，与所说的纺丝器10的侧壁12一起整体成形一系列垂直的筋40，从其径向向内延伸。所说的筋位于所说的侧壁和内壁26之间，并把该空间分成一系列一般为垂直排列的室42，所说的室42基本占据所说的侧壁的整个高度。可以看出，中心法兰30、内壁26和筋40一起构成分配器，用于引导熔融的热塑性材料A和B进入交替相邻的室中，使得每隔一个室中含有熔融材料A，而剩余的室中含有熔融材料B。
使侧壁具有成排的喷嘴44，这些喷嘴位于筋40的径向向外的末端附近。在图3中可以更好地看出，所说的喷嘴具有“V”字形的形状，一个端部或一个腿引入含有熔融材料B的室。熔融材料A和熔融材料B的液流从所说的喷嘴结合并形成一个单一的双热塑性纤维46(如图1所示)。
在另一个实施方案中(未表示)，用直形的喷嘴代替所说的V形喷嘴，所说的直形喷嘴具有略大于所说的加强筋的宽度。从而使所说的喷嘴能使熔融材料A和熔融材料B的液流从所说的喷嘴形成单一的双热塑性纤维。其它构形的喷嘴也可以用于形成双热塑性纤维。
在双热塑性纤维46从纺丝器10形成时，安装环形鼓风装置48使所说的纤维向下以便收集。任选的是，所说的环形鼓风装置可以使用引入的空气进一步细化所说的纤维。在所说的纺丝器外面可以任选地布置一个加热装置，如环形热空气供给装置50来加热所说的纺丝器或所说的纤维，来促进纤维细化并保持所说的纺丝器温度在获得最佳纤维构形的水平上。
根据本发明，用于制造所说的双重热塑性纤维的纺丝器用弥散强化的金属制造以提供在较高温度下的优异的强度。适合用于本发明中的弥散强化金属在该技术中是众所周知的，如铁基或镍基氧化物弥散强化合金及其混合物。这些组合物包括在一种金属基质中弥散的弥散相。所说的弥散相可以是金属氧化物、金属碳化物、金属硅化物、金属氮化物、金属硼化物或其混合物。优选的是，所说的弥散相是一种金属氧化物，最优选的是所说的弥散相是氧化钇或氧化锆。所说的弥散相以有效弥散强化的量存在。通常，这样的量在所说的弥散强化金属的体积的约0.1％～5.0％范围内。
所说的弥散强化金属的金属基质可以是多种组合物中的任何一种。所说的金属基质优选的是一种合金，但是也可以是一种单质金属。用于所说的金属基质的合适的金属的实例是镍、铬、钴和铁。用于纺丝器的优选的基质是镍-铬基合金以及镍-铬-钴基合金。一种特别优选的弥散强化金属是一种约70wt％的镍和30wt％的铬的合金，弥散相为氧化钇或氧化锆，含量约为所说的金属的体积的3％。
在美国专利Nos.4,402,767；3,814,635和4,877,435公开了合适的氧化物弥散强化金属。此外，在美国专利No.3,591,362和3,738,817中提出了用于形成氧化物弥散强化合金粉末的典型组合物和技术。所说的氧化物弥散强化合金粉末可以通过把其装在容器中并在较高温度下挤压致密化。例如，所说的粉末可以通过在约1093℃下驱使该粉末把其挤压进入一个模具中形成一个棒或板。另外，所说的粉末可以通过热等静压致密化或其它合适的措施致密化。所说的棒或板可以通过热轧、交叠热轧成要求厚度的板。所说的板可以通过在该技术中已知的方法切割成合适的形状。
本方法包括把所说的弥散强化金属中温加工成所说的纺丝器的形状的步骤。术语“中温加工”意味着所说的金属在低于所说的金属的再结晶温度的较高温度下的变形。变形所需要的力比在通常在室温下进行的“冷加工”小。中温加工区别于“热加工”，热加工意味着在所说的金属的再结晶温度之上的变形。“最低中温加工温度”是指所说的金属在该温度以上可以通过中温加工法变形。
可以使用任何合适的中温加工法把所说的弥散强化金属成形为所说的纺丝器的形状。一种优选的方法是旋转的或旋压成形。用这种方法，可以通过旋转和加力把一个金属板或片成形为一定的形状。例如，可以是所说的金属板在一个心轴上旋转，并对所说的心轴施加作用力来取得其形状。所说的旋压成形优选的是在一个动力旋压机上进行。更优选的是在一个计算机数字控制(CNC)动力旋压机上进行。在金属手册第九版第14卷第601～602页(Metals Handbook,9th Ed,PP.601-602,ASM International(1988))中公布了动力旋压机的实例。另一种合适的中温加工法是环形轧制。在金属手册第九版第14卷(Metals Handbook,9th Ed.,V0l.14)中提出了其它中温加工方法。
优选的是，所说的纺丝器通过图4～6中所示的旋压成形法制造。从任何来源，如上述的挤压和热轧法，提供一种一般为环形的弥散强化金属的片或板52。通过所说的板形成一个圆孔18。把所说的板靠着心轴54安装，所说的心轴预加热到约316～427℃的范围内的温度，并在所说的中温加工过程中保持其温度。所说的板通过一个尾部支架合适地靠着所说的心轴固定。旋转所说的心轴和尾部支架来旋压所说的板，例如转速在约200～600转/分的范围之内，优选的是约400转/分。
通过一个或多个喷枪58或其它装置把所说的旋压板加热到用于旋压成形的合适的温度。合适的温度在最低中温加工温度之上，在所说的金属的再结晶温度和初始熔点之下。在美国专利No.4,402,767和4,877,435中提出了典型的中温加工温度。一般来说，所说的旋压成形操作在约538～1205℃范围内的温度下进行，优选的是在约982～1093℃范围内的温度下进行。
一个滚头60沿径向向外运动，驱使旋转的板52靠在旋转的心轴54上。通常，所说的滚头多次通过所说的板。每次通过时，靠在所说的板上沿径向向外运动，然后离开所说的板回到其起始位置上。每次通过通常需要15～30秒。所说的板在所说的中温加工温度下是可以变形的。因此，在所说的滚头驱使所说的板靠在所说的心轴上时，所说的板得到了所说的心轴的形状。所说的心轴一般是圆柱形的，具有一般为圆柱形的外表面62和一般为圆形的端部表面64。所说的端部表面包括一个径向延伸的中心部分66，和一个从半径上略微向内有一个倾角的周边部分68。靠在所说的心轴的端部表面的旋压成形形成了所说的纺丝器的底14的内部部分16和外部部分22。
如图5和6所示，滚头60沿纵向移动驱使所说的板靠在所说的心轴的外圆柱表面62上。所说的板靠在所说的心轴的外圆柱表面上的旋压成形形成了所说的纺丝器的侧壁12。
在图7中可以最好地看出，心轴54的外圆柱表面62有多个在其中形成的纵向延伸的槽。优选的是所说的圆柱外表面有约100～400个这样的槽。优选的槽具有一般为截头锥体径向截面，其径向的外端74比径向的内端76略宽。但是，所说的槽也可以具有直形的截面或其它合适的形状。
优选的是，所说的槽的平均宽度Ws约为0.1～0.25cm，更优选的是约0.13～0.18cm。优选的槽的平均长度Ls约为0.25～0.76cm，更优选的是约0.3～0.51cm。如果所说的槽太长，难以用本发明的方法经济地制造带加强筋的纺丝器。
在心轴54的圆柱外表面62上的槽72之间确定了许多突出的部分78。优选的是，所说的突出部分的平均宽度Wp与所说的槽的平均宽度Ws的比值在约1∶1～3∶1范围内，优选的是约为2∶1。
板52的未重结晶的弥散强化金属可以在压力作用下流入所说的心轴的槽72中，形成纵向延伸的筋40。同时，重要的是所说的板不会受到可以引起所说的金属开裂或断裂的额外的压力。为了达到这些目的，所说的板在特定的压力范围内旋压成形，并增加所说的滚头通过所说的板的次数。一般来说，所说的板被滚头旋压成形在所说的心轴上，其液压压力在约0.7MPa(兆帕)～7.0MPa范围内，优选的是在约1.4MPa～4.2MPa范围内，更优选的是在约2.1MPa～3.5MPa范围内。优选的是所说的滚头通过所说的板约10～20次，更优选的是约12～16次。每次通过通常需要15～30秒。
所得的纺丝器具有环形的侧壁12和与所说的侧壁一起整体成形并从所说的侧壁径向向内延伸的多个纵向延伸的筋40。所说的旋压成形过程产生了与心轴54和槽72的形状一致的侧壁和筋。因此，优选的侧壁有约100～400个筋。优选的筋具有一般为frustoconical径向截面，其径向的内端80比其径向的外端82略窄。所说的筋的这种形状提供了优异的强度并有利于所说的纺丝器从所说的心轴中取出。
优选的是，所说的筋的平均厚度或宽度Wr约为0.1～0.25cm，更优选的是约0.13～0.18cm。优选的筋的平均长度Lr约为0.25～0.76cm，更优选的是约为0.3～0.51cm。在所说的筋之间确定了多个通道。优选的是，所说的通道的平均宽度Wc与所说的筋的宽度Wr之比在约1∶1～3∶1范围内，更优选的是约2∶1。
如图8所示，从心轴54分离并取出纺丝器10，在中温加工后，所说的纺丝器从所说的心轴取出可能是困难的。在本发明的一个优选的实施方案中，在中温加工后冷却所说的纺丝器或使其冷却到低于约260℃的温度。然后把所说的纺丝器加热到比所说的心轴高的温度。优选的是把所说的纺丝器加热到比所说的心轴的温度至少高约500℃的温度。例如，可以把所说的纺丝器加热到约982℃的温度，而把所说的心轴保持在约427℃的温度。所说的纺丝器和心轴的不同热膨胀促进了它们的分离。
促进所说的纺丝器从所说的心轴中取出的另一种方法是使所说的纺丝器的筋形成约0.5°～1.5°之间的垂直锥度或斜度。一般来说，所说的心轴的槽也应该延伸通过所说的纺丝器的端部使得所说的纺丝器容易取出。也可以使用一个用于取出的弹出板。
下一个步骤是在所说的金属的再结晶温度之上但是在其初始熔点之下热处理所说的纺丝器，来进行所说的金属的再结晶。一般来说，在约1260～1371℃范围内的温度下热处理所说的纺丝器，热处理试件在1～2小时范围内。这种热处理导致粗晶结构，赋予在较高温度下承受高应力所需的高强度。一般来说，粗晶晶粒尺寸包括超过1mm的晶粒，而所说的晶粒在未再结晶状态下小于约0.001mm。通常产生的粗晶结构一般为具有例如大于至少约3∶1的高晶粒长宽比的平板形结构。
在最后的步骤中，应用传统技术通过所说的纺丝器的侧壁形成多个喷嘴。这样的技术包括激光钻孔、电子束钻孔、放电加工和螺旋钻孔。如果需要，可以进行所说的纺丝器的某些加工。然后可以以已知的方法用所说的纺丝器形成双热塑性纤维。
应该理解的是，虽然本文公开了所说的纺丝器方便地用在双热塑性纤维的制造中，但是所说的纺丝器也可以方便地用于制造其他类型的热塑性纤维中，括单一的热塑性纤维。在这方面，可以构造所说的侧壁中的喷嘴生产单一的热塑性纤维，所说的筋用于其它功能，如增强纺丝器的强度或保持两个单独的熔融热塑性液体以形成由两种或多种类型的单一的热塑性纤维组成的混合纤维制品。
本法的操作原理和模式已经在其优选的实施方案中描述。但是，应该注意，本发明可以以不同于具体说明和描述的方式实施而不离开本发明的范围。
本发明可以用于制造双热塑性纤维的纺丝器的制造中，所说的双热塑性纤维特别适用于隔热和隔音制品，它们也可以用在许多其它的用途中，包括装饰制品、过滤制品以及用于复合材料中。
权利要求
1.一种成形用于从熔融材料(32，34)离心纤维(46)的纺丝器(10)的方法，包括在高于最低中温加工温度并低于金属(52)的再结晶温度的温度下中温加工一种弥散强化的金属(52)，形成一种纺丝器(10)，所说的纺丝器具有环形侧壁(12)和与环形侧壁(12)一起整体成形并从所说的侧壁径向向内延伸的多个筋(40)；热处理所说的中温加工的纺丝器(10)使金属(52)再结晶来粗化晶粒结构；通过侧壁(12)形成多个喷嘴(44)。
2.根据权利要求1的方法，其中，所说的中温加工包括一个旋压成形操作，在该操作中，金属(52)在一个心轴(54)上旋转并被驱使靠在心轴(54)上以得到其形状。
3.根据权利要求2的方法，其中，把金属(52)旋压成形在心轴(54)上，所说的心轴(54)具有其中形成槽(72)的圆柱表面(62)，以形成纺丝器(10)的带筋(40)的侧壁(12)。
4.根据权利要求3的方法，其中，用一个滚头把金属(52)旋压成形在心轴(54)上，所用的液压压力在约0.7MPa～7.0MPa，滚头(60)通过金属(52)约10～20次。
5.根据权利要求4的方法，其中，用一个滚头把金属(52)旋压成形在心轴(54)上，所用的液压压力在约1.4MPa～4.2MPa。
6.根据权利要求1的方法，其中，筋(40)的平均长度(Lr)在约0.25～0.76cm范围内。
7.根据权利要求1的方法，其中，筋(40)的平均宽度(Wr)在约0.1～0.25cm范围内。
8.根据权利要求1的方法，其中，在筋(40)之间确定了多个通道(84)，通道(84)的平均宽度(Wc)与筋(40)的平均宽度(Wr)的比例在约1∶1～3∶1之间。
9.根据权利要求1的方法，其中，与侧壁(12)一起整体成形约200～400个筋(40)。
10.根据权利要求1的方法，其中，所说的中温加工包括把金属(52)旋压成形在一个心轴(54)上，所说的心轴(54)具有其中形成槽(72)的圆柱表面(62)，在约0.7MPa～7.0MPa范围内的液压压力下通过滚头(60)使金属(52)靠在圆柱表面(62)上，使滚头(60)通过金属(52)约10～20次，其中，金属(52)得到圆柱形表面(62)的形状，形成纺丝器(10)的带筋(40)的侧壁(12)。
11.根据权利要求10的方法，其中，所说的中温加工包括旋压成形一个一般为圆形的金属板(52)。
12.根据权利要求10的方法，其中，金属(52)选自由铁基氧化物弥散强化合金、镍基氧化物弥散强化合金及其混合物组成的组中。
13.根据权利要求10的方法，其中，筋(40)具有一般为截头锥体径向截面。
14.根据权利要求10的方法，其中，在旋压成形后，通过冷却纺丝器(10)，然后把纺丝器(10)加热到比心轴(54)的温度高至少约500的温度，把纺丝器(10)从心轴(54)上分离。
15.一种成形用于从熔融材料(32,34)离心纤维(46)的纺丝器(10)的方法，包括在高于金属(52)的最低中温加工温度并低于其再结晶温度的温度下旋压成形一种弥散强化金属(52)，形成一种纺丝器(10)，所说的纺丝器(10)具有一个环形侧壁(12)和多个与侧壁(40)一起整体成形并从所说的侧壁向内延伸的筋(54)，其中，把金属(52)旋压在心轴(54)上，心轴(54)具有其中形成槽(72)的圆柱表面(62)，通过滚头(60)在约0.7MPa～7.0MPa范围内的液压压力下使金属(52)靠在圆柱表面(62)上，滚头(60)通过金属(52)约10～20次，其中，金属(52)得到圆柱表面(62)的形状形成纺丝器(10)的带筋(40)的侧壁(12)；热处理滚压成形的纺丝器(10)使金属(52)再结晶成粗晶结构；成形多个通过侧壁(12)的喷嘴(44)。
16.一种心轴(54)，包括一个一般为圆柱形的主体(54)，具有一般为圆柱形的表面(62)和一个一般为圆形的端面(64)，其中，所说的圆柱形表面(62)有多个其中形成的径向延伸的槽(72)。
17.根据权利要求16的心轴，其中，槽(72)的平均长度(Ls)为约0.25～0.76cm。
18.根据权利要求16的心轴，其中，槽(72)的平均宽度(Ws)约为0.1～0.25cm。
19.根据权利要求16的心轴，其中，在槽(72)之间确定了多个突出部分(78)，突出部分(78)的平均宽度(Wp)与槽(72)的平均宽度之比在约1∶1～3∶1的范围内。
20.根据权利要求16的心轴(54)，其中，圆柱表面(62)具有其中形成的约200～400个槽(72)。
全文摘要
提供了一种成形用于从熔融材料(32,34)离心纤维的纺丝器(10)的方法。在高于最低中温加工温度并低于金属(52)的再结晶温度的温度下中温加工一种弥散强化金属(52),优选的是通过旋压成形。成形的纺丝器(10)具有一个环形侧壁(12)和多个与侧壁(12)一起整体成形并从侧壁(12)向内径向延伸的筋(40)。把纺丝器(10)热处理使金属(52)再结晶成粗晶结构。成形多个通过侧壁(12)的纤维成形喷嘴。
文档编号B21D22/16GK1228751SQ97196889
公开日1999年9月15日 申请日期1997年7月9日 优先权日1996年7月31日
发明者J·W·希恩茨 申请人:欧文斯科尔宁格公司