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Verfahren zum Herstellen von Bauteilen
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen,
bei dem pulverförmiges Material in einen Hohlkörper eingebracht und zusammen mit
letzterem heißisostatisch gepreßt wird.
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Hochfeste, dünnwandige Präzisionsrohre, die als Hydraulikrohre, Hochleistungszentrifugenrohre
und Raketenbrennkammern Anwendung finden, werden mittels des Kaltfließdrückverfahrens
hergestellt Bei diesem Verfahren wird aus einem warmgewalzten oder stranggepreßten
Rohr ein Rohrabschnitt, der auch als Fließdrückbüchse bezeichnet wird, zerspanend
hergestellt. Diese Fließdrückbüchse, die beispielsweise eine Wanddicke von etwa
5 bis 10 mm hat, wird in mehreren Verformungsgängen auf das erforderliche Endmaß
von beispielsweise 1,5 bis 0,2 mm Wanddicke kaltfließgedrückt.
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Die Verwendung von warmgewalztem oder stranggepreßtem Rohrhalbzeug
für die Herstellung von Vorformen bzw. Fließdrückbüchsen hat im wesentlichen folgende
Nachteile:
(a) Die Herstellung von Präzisionsrohren ist auf diejenigen
Werkstoffe begrenzt, die zu Rohrhalbzeug verarbeitbar sind.
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(b) Der Zerspanungsaufwand vom Rohrhalbzeug zur Vorform bzw. Fließdrückbüchse
ist durch die Begrenzung der Herstellung von relativ dickwandigem Rohrhalbzeug mit
erheblichem Zerspanungsaufwand verbunden; die Verspanungsanteile betragen in der
Regel 30 bis 50%.
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(c) Durch die Abhängigkeit von dem Rohrhalbzeug, d.h. von der Rohrwalzkapazität
und entsprechenden Werkzeugen, sind bei Abmessungsumstellungen lange Lieferzeiten
in Kauf zu nehmen. Die begrenzte Materialabnahme für Kleinserien-und Prototypenfertigung
ist mit Mindestmengenabnahme und Minde stmengenzuschlägen verbunden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen,
insbesondere von Bauteilen der eingangs genannten Art, zu schaffen, die verbesserte
Eigenschaften besitzen und sich gleichzeitig unter geringerem Materialverbrauch
herstellen lassen.
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Insbesondere soll bei der Herstellung dieser Bauteile eine Unabhängigkeit
von einer Rohrschmiede oder einem Strangpreßwerk erreicht werden, so daß die Lieferzeit
erheblich gesenkt wird und vor allem im Kleinserien- und Prototypenbau günstigere
Durchlaufzeiten sowie eine Verkürzung der Gesamtentwicklungszeit erreicht werden
können.
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Weiterhin soll es das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen, grundsätzlich
alle denkbaren Formteile als Bauteile herstellen zu können, insbesondere auch solche,
die Hinterschneidungen aufweisen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Herstellen von Bauteilen
gelöst, bei dem pulverförmiges Material in einen Hohlkörper eingebracht und zusammen
mit letzterem heißisostatisch gepreßt wird, wobei man verschiedene pulverförmige
Materialien in unterschiedliche räumliche Bereiche des Hohlkörpers einbringt und/oder
das heißgepreßte pulverförmige Material zusammen mit dem Hohlkörper weiterbearbeitet,
so daß das Bauteile mehrere Schichten aufweist, die aus unterschiedlichen, heißisostatisch
gepreßten, pulverförmigen Materialien hergestellt sind und/oder das Material des
Hohlkörpers als eine das weiter- bzw. endbearbeitete Bauteil ganz oder zumindest
teilweise bedeckende äußere Beschichtung am Bauteil verbleibt.
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Hierbei kann man, insbesondere unterschiedliche, pulverförmige Materialien
im Hohlkörper durch innere Zwischenwände trennen, so daß diese inneren Zwischenwände
dem fertiggestellten Bauteil zusätzlich zu den aus verschiedenen heißisostatisch
gepreßten pulverförmigen Materialien bestehenden Schichten und gegebenenfalls den
von dem Hohlkörper gebildeten äußeren Schichten vorteilhafte physikalische und/oder
chemische Eigenschaften verleihen.
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Die Weiter- bzw. Endbearbeitung des Bauteils kann insbesondere ein
oder mehrere Kaltverformungsschritte, wie beispielsweise Streckplanieren, Fließdrücken,
Fließpressen, Metalldrücken oder dergl. umfassen.
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Als pulverförmiges Material wird vorzugsweise Metallpulver, insbesondere
kugeliges Metallpulver, verwendet.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich also als Bauteile
Vorformen bzw. Fließdrückbüchsen wie auch endbearbeitete Bauteile in Verbundbauweise
herstellen, wobei verschiedene Metallpulver verwendet werden und/oder der Hohlkörper,
der
auch als Kapsel bezeichnet wird, insbesondere eine Metallkapsel ist, mitverwendet
wird.
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Besonders vorteilhafte Bauteile ergeben sich, wenn man als Metallpulver
Maraging-Stahl und als Material des Hohlkörpers austenitischen Stahl, niedriglegierten
Stahl oder Nickel oder eine Nickellegierung verwendet. Man kann auch vorteilhafterweise
als Metallpulver B-Titanlegierung und als Material des Hohlkörpers Reintitan oder
Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwenden. Die Beschichtung kann beispielsweise
als Korrosionsschutz dienen; weiterhin kann durch die Beschichtung auch ein höherg
Widerstand gegenüber Rißfortschritt erreicht werden, als dies beim unbeschichteten
Grundwerkstoff der Fall wäre.
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Wenn man als Hohlkörper ein hohlwandiges Rohr verwendet, so erhält
man.nach dem isostatischen Heißpressen als Bauteile eine Verbundbüchse, und wenn
man diese durch Kaltverformung zu einem dünnwandigeren Rohr weiterverarbeitet, dann
erhält man ein aus mehreren Schichten bestehendes Präzisionsrohr, insbesondere wenn
man die obige Kombination von Hohlkörpermaterial und Metallpulver anwendet.
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Das erfindungsgemäße Bauteil kann also als Präzisionsbauteil, insbesondere
als Präzisionsrohr, wie beispielsweise als Hydraulikrohr, Hochleistungszentrifugenrohr,
Raketenbrennkammer oder dergl. angewandt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, insbesondere
von Vorformen bzw. Fließdrückbüchsen, mittels heißisostatischer Preßtechnik hat
u.a. folgende wichtige Vorteile: (a) Der Zerspanungsaufwand wird erheblich reduziert,
da das der Endbearbeitung zu unterziehende Bauteil, also die Vorform, beispielsweise
eine Fließdrückbüchse, mit
geringerem Aufmaß, in Sonderfällen sogar
mit Schleifaufmaß, hergestellt werden kann.
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(b) Auch konventionell schwer verarbeitbare oder überhaupt nicht
in Rohrhalbzeug erhältliche Legierungen, wie z.B. ß-Titanlegierungen oder höchstfeste
Maragingstähle, können auf diese Weise bearbeitet werden.
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(c) Das hergestellte Bauteil, insbesondere die Vorform bzw. eine
Fließdrückbüchse, hat ein isotropes Gefüge.
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Seigerungen und Zeilenbildung entfallen bzw. sind auf den Durchmesser
der Metallpulverkügelchen, der z.B. etwa 0,1 mm beträgt, begrenzt.
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(d) Die Verbundbauweise erbringt zusätzliche, vorteilhafte physikalische
und/oder chemische Eigenschaften des erfindungsgemäß hergestellten Bauteils.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger, besonders bevorzugter
Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert;
es zeigen: Fig. 1(a) bis 1(d) einzelne Verfahrensschritte bei der Herstellung von
hochfesten, dünnwandigen Präzisionsrohren nach einem an sich bekannten Herstellungsverfahren,
das weiter oben bereits erwähnt wurde; und zwar zeigen im einzelnen Fig. 1(a) ein
warmgewalztes oder stranggepreßtes Rohrhalbzeug; Fig. 1(b) eine aus dem Rohrhalbzeug
nach Fig. 1(a) hergestellte Vorform bzw. Fließdrückbüchse; Fig. 1(c) einen ersten
Verformungsgang, dem die Vorform bzw. Fließdrückbüchse nach Fig. 1(b) ausgesetzt
wird; Fig. 1(d) einen zweiten Verformungsgang, dem die gemäß Fig. 1(c) verformte
Vorform bzw. FlieBdrückbüchse nach dem ersten Verformungsgang unterworfen wird;
Fig.
2(a) bis 2(d) einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung eines mit Metallpulver
gefüllten Hohlkörpers, der anschließend an seine Herstellung einem heißisostatischen
Preßvorgang unterworfen wird; und zwar im einzelnen Fig. 2(a) einen Längsschnitt
durch zwei Rohrabschnitte, aus denen die innere und äußere Seitenwand eines rohrförmigen
Hohlkörpers gebildet wird; Fig. 2(b) einen der Fig. 2(a) entsprechenden Längsschnitt,
der zusätzlich noch die übrigen Teile, die für den Zusammenbau des rohrförmigen
Hohlkörpers benötigt werden, veranschaulicht; Fig. 2(c) einen Längsschnitt durch
den fertigen Hohlkörper mit einer Seitenansicht des daran angebrachten Anschlußstutzens
zum Einfüllen von Metallpulver; und Fig. 2(d) das Einfüllen des Metallpulvers in
den Hohlkörper und eine hydraulische Zange zum dichten Verschließen des Hohlkörpers,
nachdem dieser gefüllt und anschließend evakuiert worden ist; Fig. 3 den Verfahrensschritt
des heißisostatischen Pressens des mit Metallpulver gefüllten Hohlkörpers, und Fig.
4 den mit Metallpulver gefüllten Hohlkörper nach dem heißisostatischen Pressen im
Längsschnitt, und zwar beim Vorgang des Entfernens der äußeren Seitenwand und der
Stirnwände des Hohlkörpers, während die innere Seitenwand zusammen mit dem heißisostatisch
gepreßten Metallpulver ein erfindungsgemäßes Bauteil darstellt, aus dem durch Kaltverformung
ein dünnwandiges Präzisionsrohr hergestellt werden kann.
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Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, die ein konventionelles Verfahren
zum Herstellen von dünnwandigen Präzisionsrohren, die beispielsweise als Hydraulikrohre,
Hochleistungszentrifugenrohre und Raketenbrennkammern Anwendung finden können, veranschaulicht.
Wie Fig. 1(a) zeigt, wird
von einem warmgewalzten oder stranggepreßten
Rohrhalbzeug 1 ausgegangen, das in dieser Figur im Längs schnitt dargestellt ist
und eine relativ dicke Rohrwandung besitzt. Aus diesem Rohrhalbzeug wird durch spanabhebende
Bearbeitung die in Fig. 2 gezeigte Vorform bzw. Fließdrückbüchse 2 hergestellt,
die eine Wanddicke von beispielsweise 5 bis 10 mm hat. Diese Vorform bzw. Fließdrückbüchse
2 wird einem ersten Verformungsgang im Kaltfließdrückverfahren mit den Fließdrückwerzeugen
3 unterworfen, wobei die Pfeile die Vorschub- bzw. Drehrichtung der Werkzeuge andeuten.
Man erhält dann ein Rohr 4, das eine dünnere Wandstärke als die Fließdrückbüchse
2 hat,jedoch noch einem zweiten Verformungsgang unterworfen wird.
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Dieser zweite Verformungsgang ist in Fig. 1(d) dargestellt; er ist
gleichartig wie der Verformungsgang nach Fig. 1(c) und führt dazu, daß man ein dünnwandiges
Präzisionsrohr 5 hat, dessen Wanddicke durch dieses zweimalige Kaltfließdrücken
beispielsweise im Bereich von 0,2 bis 1,5 mm liegt.
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Je nach der erwünschten Wanddicke des Endproduktes können auch mehr
als zwei Verformungsgänge im Kaltfließdrückverfahren durchgeführt werden.
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Dieses bekannte Verfahren hat die eingangs erwähnten Nachteile.
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Zur Herstellung eines Bauteils nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann in der Weise vorgegangen werden, wie es in den Fig. 2 bis 4 veranschaulicht
ist.
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Zunächst werden zwei konzentrische Rohrabschnitte 6 und 7, wie sie
in Fig. 2(a) gezeigt sind, hergestellt, die durch Ringe 8, 9 (siehe Fig. 2b) ergänzt
werden, welche die Stirnwände des zu bildenden rohrförmigen Hohlkörpers ergeben.
In dem einen der beiden Ringe, nämlich dem Ring 9, ist eine Bohrung 10 vorgesehen,
an die das eine Ende eines Röhrchens 11 anschließt, dessen anderes Ende an einen
Einfüllstutzen 12 angeschlossen wird.
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Die dünnwandigen Rohrabschnitte 6, 7, die beispielsweise eine Wandstärke
von 0,7 bis 1 mm haben können, bestehen beispielsweise aus Stahl ST 35 oder ST 37;
aus dem gleichen Material können die Ringe 8, 9 sowie das Röhrchen 11 und der Einfüllstutzen
12 bestehen.
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Die Teile der Fig. 2(b) werden dann zu einem Hohlkörper 13, der auch
als Kapsel bezeichnet wird, zusammengeschweißt, so daß der Hohlkörper die Form eines
hohlwandigen Rohres hat, das mit dem Röhrchen 11, dem Einfüllstutzen 12 versehen
ist (siehe Fig. 2c).
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Wie Fig. 2(d) zeigt, wird dann der Hohlkörper 13 gefüllt, und zwar
mit kugeligem Netallpulver 14, das über einen Hahn 15 und einen Einfülltrichter
16 sowie über den Einfüllstutzen 12 und das Röhrchen 11 fließt. Nach erfolgter Füllung
wird die Luft, die sich im Bereich des gesa.mten Hohlkörpers befindet, mittels einer
Vakuumpumpe entfernt. Es ist auch möglich die Evakuierung vor der Pulvereinfüllung
durchzuführen und anschließend die Füllung über eine Vacuumschleuse vorzunehmen.
Nachdem bis zu einem Druck von etwa 10 2 bis 10 Torr evakuiert worden ist, wird
während der Evakuierung mittels einer hydraulischen, widerstandteheizten Zange 17
die Kapsel durch Zusammendrücken des Röhrchens 11 unterhalb des Einfüllstutzens
12 dichtgeschweißt. Die Teile 18 veranschaulichen das hydraulische Strömungsmittel,
während der Pfeil 19 die Bewegungsrichtung der Zange 17 andeutet.
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Danach wird, wie Fig. 3 veranschaulicht, das in dem Hohlkörper 13
befindliche Metallpulver 14 in einem Hochdruckautoklaven 20 unter erhöhtem Druck
und erhöhter Temperatur auf die theoretische Dichte des Metalls isostatisch verdichtet.
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Das isostatisch wirkende Druckmedium, das sich im Innenraum 21 des
Hochdruckautoklaven 20 befindet und dessen Druckwirkung durch die kleinen Pfeile
angedeutet ist, kann z.B. Argon oder ein sonstiges inertes Gas sein, welches aus
einer Druckgasquelle 22 zugeführt wird. Nach Beendigung des heißisostatischen
Pressens
und Abkühlung des dabei gebildeten Bauteils 23 kann dieses Bauteil, das aus dem
Hohlkörper 13 und einem mit diesem fest verbundenen Metallsinterkörper 24 besteht,
der sich durch das heißisostatische Pressen des Metallpulvers 14 gebildet hat, direkt
einem Kaltumformverfahren unterworfen werden. Als solche Kaltumformverfahren kommen
Streckplanieren, Fließdrücken, Fließpressen, Metalldrücken etc. beispielsweise in
Frage. Als Ergebnis der Kaltverformung erhält man ein beschichtetes Präzisionsrohr,
wobei die Beschichtung, die aus dem Hohlkörper 13 entstanden ist, beispielsweise
als Korrosionsschutz dient sowie einen erhöhten Widerstand gegenüber Rißfortschritt
darstellt.
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Es ist auch möglich, ein Präzisionsrohr herzustellen, das nur innen
eine Beschichtung aufweist. Dazu werden vor der Kaltverformung des Bauteils 23 die
Stirnwände und die Außenwand des Hohlkörpers 13 beispielsweise mittels Abdrehen
mit einem Drehstahl 25 entfernt, dessen Laufrichtung durch den daran angebrachten
Teil angedeutet ist.
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Bevorzugte Kombinationen von Materialien für den Hohlkörper 13 und
das Metallpulver 14 sind weiter oben bereits im einzelnen angegeben worden.
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