DE3114659A1 - Verfahren zum auskleiden der hohlraeume in einem bauteil, beispielsweise einem ventil, sowie ausgekleidetes bauteil - Google Patents
Verfahren zum auskleiden der hohlraeume in einem bauteil, beispielsweise einem ventil, sowie ausgekleidetes bauteilInfo
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Description
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Patentanwälte Dipl.-In<?\-H.· WE^cKMANNrDii-L.-PnYS. Dr. K. Fincke
Dipl.-Ing. F. AAVeickmann, Dipl.-Chem. B. Huber
Dr. Ing. H. LiSKA g' 3114659
8000 MÜNCHEN 86, DEN f 0, Apffl JM«
POSTI'ACH 860 820
MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22
SA/HO
CAMERON IRON WORKS, INC.
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Houston, Texas 77oo1, USA
Verfahren zum Auskleiden der Hohlräume in einem Bauteil,
beispielsweise einem Ventil, sowie ausgekleidetes Bauteil
130064/0784
31U659
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auskleiden der Wände von Hohlräumen in einem Bauteil, beispielsweise einem
Ventil.
Es besteht ein Bedarf für ein hochfestes Konstruktionselement mit korrosionsbeständigen inneren Metallflächen, das
beispielsweise ein Absperrschieber sein kann, der in einer Leitung installiert ist, die korrodierende Fluide unter hohem
Druck enthält. Ein solcher Schieber kann aus AISI (Am. Iron and Steel Institute) 413o Stahl hergestellt sein und
seine Innenfläche (Ventilkammer und Kanäle) kann mit einem
3oo Series rostfreiem Stahl ausgekleidet sein.
Es sind bereits viele Versuche unternommen worden, um derartige Konstruktionen zu schaffen. In den US-PSen 3 349
und 2 497 78o sind jeweils Ventile mit Auskleidungen gezeigt, die in den Strömungskanälen befestigt und dichtend
angebracht werden müssen, aber es ist keine Vorsorge getroffen, um die Ventilkammern auszukleiden.
Es sind bereits Produkte mittels des isostatischen Warmpreßverfahrens
hergestellt worden, indem ein Spalt erzeugt wird, der mit Metallpulver gefüllt wird und mit einem
flexiblen Material umgeben wird, das bei der Formungstemperatur und dem Formungsdruck eine Abdichtung aufrechterhalten
kann. Wenn das Metallpulver der Wärme und dem Druck unterworfen wird, verfestigt es sich in der gewünschten
Form. Die bisherigen Verfahren widmen sich dem Formen fester Konstruktionsteile oder dem Beschichten der Außenfläche
eines Konstruktionsteils. Weitere Beispiele für den Stand der Technik finden sich in den US-PSen 3 631 583,
3 992 2o2 und 4 142 888; diese bekannten Veröffentlichungen
offenbaren jedoch kein Verfahren zur Anwendung des iso-
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statischen V.Tarmpreßprozesses, um eine Auskleidung in hohlräumen
eines Bauteils zu formen, beispielsweise in einem Ventilkörper oder im Gehäuse einer Bohrlochabsperrvorrichtung.
Die Erfindung betrifft ein verbessertes isostatisches Karmpreßverfahren
zum Auskleiden der Hohlräume in einem Körper. Das isostatische Warmpressen (KIP) ist in der Technik bekannt
und beispielsweise im Kapitel 9 der Veröffentlichung "Powder Metallurgy Equipment Manual" der Powder Metallurgy
Equipment Association, 2. Auflage 1977 beschrieben. Das Verfahren umfaßt die Schritte, in den Kohlräumen des Körpers
einen Spalt herzustellen, der von den Hohlraumwänden und einer nachgiebigen Form begrenzt ist, den Spalt mit Metallpulver
zu füllen, ein Vakuum an den Spalt anzulegen und den Körper mit Formungstemperatur und -druck zu beaufschlagen,
wodurch sich in dem Hohlraum des Körpers eine Auskleidung aus verfestigtem Metallpulver bildet.
Die Erfindung bezweckt, ein Verfahren zum Herstellen eines Körpers mit ausgekleideten Hohlräumen zu schaffen. Weiter
will die Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus hochfester Stahllegierung, das einem
hohen Druck ausgesetzt ist, schaffen, dessen Innenflächen mit einem korrosionsfesten Material ausgekleidet sind. Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren sollen Hohlräume in einem
metallischen Bauteil nit Metall ausgekleidet werden, das sich in einem isostatischen Warmpreßverfahren verfestigt.
Ferner ist die Erfindung auf ein verbessertes Verfahren zum Auskleiden von sich kreuzenden Hohlräumen in einem Metallbauteil
gerichtet.
Weitere Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausübungsbeispiels
anhand der beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:
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Fig. 1 eine Schnittansicht eines Ventilkörpers, die die verwendete Konstruktion für das Vorsehen des Spalts
in den Hohlräumen des Bauteils zeigt;
Fig. 2 eine Teilschnittansicht nach der Linie 2-2 der Fig. 1;
Fig. 3 eine Schnittansicht des fertigen Bauteils mit der verfestigten Metallauskleidung nach der Feinbearbeitung.
Der in Fig. 1 dargestellte Ventilkörper 1o ist ein Bauteil
aus legiertem Stahl mit Kohlräumen, die Strömungskanäle 12
und eine Ventilkammer 14 umfassen, die mit einer korrosionsfesten Auskleidung versehen werden sollen.
Um die Einführung von Metallpulver vorzubereiten, wird in die Ventilkammer 14 eine Hülse 16 eingelegt, die ein dünnes
Rohr 18, einen ebenen Boden 2o und eine dünne Manschette 22 umfaßt, die sich durch den mittleren Teil des Rohrs 18 erstreckt.
Der Boden 2o ist am Ende des Rohrs 18 befestigt, etwa angeschweißt, und die Manschette 22 ist ebenfalls mit
dem Rohr 18 beispielsweise durch Schweißen dichtend verbunden. Durch die Kanäle 12 und die Manschette 22 wird, wie
dargestellt, ein dünnes Rohr 24 eingeschoben. An der Außenseite der Hülse 16 ist ein Ring 26 angeschweißt, der auch
noch an der Außenfläche des Körpers 1o in der dargestellten
Weise festgeschweißt ist. Weitere Ringe 28 und 3o sind rund um die Enden des Rohrs 24 und an der Außenfläche des Körpers
1o festgeschweißt. Durch den Ring 26 erstreckt sich ein Füllstutzen 32 und durch den Ring 3o ein weiterer Füllstutzen
34. Die Konstruktion der Hülse 16, des Rohrs 24 und der zugehörigen Dichtungsringe 26, 28 und 3o sieht einen Spalt
36 an den Wänden der Kanäle 12 und der Ventilkammer 14 vor.
Diese Konstruktion funktioniert als eine druckübertragende, nachgiebige Form oder ein geschlossenes Gebilde aus dünnem
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Metall, wie noch näher erläutert wird. Es ist wichtig, daß alle Schweißstellen in dem Gebilde aus der Hülse 16, der
Manschette 22 und dem Rohr 24 luftdicht sind und dies auch während des Verfestigungsvorgangs bleiben, um Luft von dem
erhitzten Metallpulver abzuhalten.
Der Spalt 36 in den Hohlräumen 12 und 14 des Ventilkörpers wird dann durch die Einfüllstutzen 32 und 34 mit einem geeigneten
Metallpulver gefüllt, beispielsweise mit 316 rostfreiem Stahl. Es wird empfohlen, den Körper 1o während des
Füllens des Spalts 36 zu rütteln, so daß der Spalt vollständig mit Metallpulver gefüllt ist, bevor der nächste
Verfahrensschritt durchgeführt wird. Zweckmäßigerweise ist das Material für die Hülse 16, das Rohr 24 und die Ringe
26, 2 8 und 3o das gleiche, wie für die Auskleidung verwendet wird. Weiter wird vorgeschlagen, daß der Spalt genügend
breit ist, um eine Auskleidung aus verfestigtem Metall vorzusehen, deren Dicke eine Nachbearbeitung in die endgültige
Form erlaubt, ohne daß in der fertigen Auskleidung Vertiefungen oder Höhlungen entstehen. Wenn für die Hülse 16 und
das Rohr 24 das gleiche Material verwendet wird, kann ein Teil der fertigen Auskleidung aus dem Material der Hülse
16 und des Rohrs 24 bestehen.
Wenn der Spalt 36 vollständig gefüllt ist, wird an ihn ein Vakuum angelegt, wozu eine geeignete Einrichtung, etwa eine
nicht dargestellte Vakuumpumpe, mit einem oder beiden Füllstutzen 32 und 34 verbunden wird. Es muß ein ausreichendes
Vakuum hergestellt werden, damit die in dem Spalt 36 vorhandene Gasmenge die Bildung einer geeigneten verfestigten
Metallauskleidung nicht stört. Uenn das angestrebte Vakuum erreicht ist, werden die Füllstutzen 32 und 34 geschlossen
und dichtend versiegelt. Nach Wunsch können nicht dargestellte passende Ventile daran angebracht sein, so daß sie
schließen, wenn der Evakuierungsschritt beendet ist. Solche Ventile sollen zweckmäßigerweise unter den Fornungsbcdingun-
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gen lecksicher sein.
Danach wird der Körper 1o in einen nicht dargestellten Autoklaven
gebracht oder eine andere geeignete Vorrichtung, worin er der Formungsteraperatur (annähernd 115o C) und dem For-
mungsdruck (annähernd 1o3 N/mm ) ausgesetzt wird. Der Körper
1o wird einige Stunden lang diesen Formungsbedingungen unterworfen und dann läßt man ihn abkühlen.
Während in dem Autoklaven die Formungsbedingungen einwirken, dehnen sich die Hülse 16 und das Rohr 24, die nachgiebig
sind, aus und komprimieren das Metallpulver gegen die Wände der Kanäle 12 und der Kammer 14. Wärme
und Druck bewirken also, daß sich das Metall zu einer festen Auskleidung in dem Körper verfestigt, die vollständig
mit den Wänden der Kanäle 12 und der Kammer 14 verbunden ist. Wenn die Hülse 16 und das Rohr 24 aus dem gleichen Material
sind wie die Auskleidung, bilden sie mit der Auskleidung ein einheitliches Ganzes und können also einen
Teil des fertigen Produkts formen.
Der abgekühlte Körper Io wird nach Bedarf mit Wärme behandelt,
um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen, und dann in die in Fig. 3 gezeigte Form nachbearbeitet.
Er hat dann eine gleichmäßige glatte korrosionsfeste Auskleidung 4o an den Wänden der Kanäle 12 und der Kammer
14. Wenn die Hülse 16 und das Rohr 24 aus einem anderen Material sind als die Auskleidung, werden sie vorzugsweise
während des Nachbearboitens vollständig entfernt.
Es wird vorgeschlagen, daß die mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren auszukleidenden Wände als Vorbereitung für die Bildung einer Auskleidung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
mit Nickel plattiert werden. Man nimmt an, daß der Nikkeiüberzug eine Oxidation verhindert, dazu beiträgt, eine
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kontinuierliche Bindung zu erzielen, und außerdem verhindert, daß das in dem Metallpulver enthaltene Chrom in die
Legierung eindringt und eine unerwünschte martensitische Struktur formt.
Für die Herstellung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
kommen folgende Auskleidungen in Betracht: Nickel, Nickellegierungen, Tantal, Hastelloylegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen,
Legierungen auf Kobaltbasis, rostfreie Stähle und Titanlegierungen, sowie Carbide, die mit einem Körper
aus verschiedenen Formen von legiertem Stahl, Kohlenstoffstahl oder rostfreien Stählen verbunden sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren liefert eine Auskleidung an
den Wänden von sich kreuzenden Bohrungen oder Hohlräumen in einem dickwandigen Druckgefäß, in_,dem das Druckgefäß als
Basismetall verwendet wird, um das isostatisch warmgepreßte Metallpulver aufzunehmen. Das dargestellte und beschriebene
Bauteil ist ein Ventilkörper aus legiertem Stahl, der mit rostfreiem Stahl ausgekleidet ist. Das Verfahren kann auch
dazu benutzt werden, die Bohrung und die Leitungswege eines Gehäuses einer Bohrlochsicherung auszukleiden, indem zwei
Rohre aus rostfreiem Stahl als Form rund um den Spalt verwendet werden, in den das Metallpulver in der Rohrleitung
gebracht wird.
Die Formungsbedingungen (Temperatur, Druck, Zeit und Höhe des Vakuums) sind bekannt und müssen für die speziellen
verwendeten Materialien eingestellt werden.
Claims (14)
1. Verfahren zum Auskleiden eines Körpers, der mehrere Hohlräume hat, dadurch gekennzeichnet,
daß
ein dünnwandiges geschlossenes Metallteil in die Hohlräume des Körpers im Abstand von den Wänden der Hohlräume eingebracht
und darin dichtend befestigt wird, der Spalt zwischen den Wänden der Hohlräume und dem geschlossenen
Metallteil mit Metallpulver gefüllt wird, der Spalt evakuiert wird,
der Körper mit dem darin enthaltenen geschlossenen Metallteil und Metallpulver einer Temperatur von annähernd 115o°C
2 und einem Druck von annähernd 1o3 N/mm etwa 2 Stunden lang
ausgesetzt w.ird, um das Metallpulver zu einer dichten, gleichmäßigen Auskleidung in den Kohlräumen zu verfestigen,
der ausgekleidete Körper abgekühlt wird und die ausgekleideten Hohlräume auf die gewünschten Maße nachbearbeitet
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß vor dem Befestigen des Metallteils
die Hohlräume des Körpers vernickelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet , daß im Rahmen des Nachbearbeitens das dünnwandige, geschlossene Metallteil aus dem
Inneren der ausgekleideten Hohlräume entfernt wird.
4. Verfahren nachen einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kohlräume zwei sich kreuzende Hohlräume umfassen.
5. Verfahren zum Auskleiden eines Körpers, der einen
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Hohlraum hat, dadurch gekennzeichnet, daß
in den Kohlraum des Körpers in einem Abstand von dessen
Wänden eine druckübertragende Metallform eingebracht wird, der Zwischenraum zwischen der Form und den Wänden des Hohlraums
mit Metallpulver gefüllt wird, an den mit Metallpulver gefüllten Hohlraum ein Vakuum angelegt
wird,
der Körper und die Form mit einer genügend hohen Temperatur und einem ausreichenden Druck während einer ausreichend
langen Zeit beaufschlagt werden, um das Metallpulver zu einem dichten, gleichmäßigen Metallüberzug an den Hohlraumwänden
zu verfestigen.
6. Verfahren zum Anbringen eines korrosionsfesten Überzugs auf einer Innenwand eines hochfesten Druckgefäßes,
dadurch gekennzeichnet, daß eine nachgiebige Form in einem Abstand zu der zu überziehenden
Innenwand befestigt und dichtend abgeschlossen wird, der Zwischenraum zwischen der Wand und der Form mit Metallpulver
gefüllt wird,
an dem Zwischenraum ein Vakuum angelegt wird und die Form, das Metallpulver und das Konstruktionsteil einer
ausreichend hohen Temperatur und einem ausreichend hohen Druck ausgesetzt v/erden, um das Metallpulver zu einem dichten,
gleichmäßigen überzug auf der Innenwand des Druckgefäßes zu verfestigen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet
, daß die Wand vor dem Befestigen der Form mit Nickel plattiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet
, daß das Gefäß ein hochfester legierter Stahl ist und der Überzug aus rostfreiem Stahl ist.
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9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Form und der überschüssige
Überzug in einer Nachbearbeitung abgetragen werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet
, daß die Form aus rostfreiem Stahl ist und daß die Form und der Überzug auf die gewünschte Fläche
nachbearbeitet werden.
11. Verfahren zum Herstellen eines ausgekleideten Ventils,
dadurch gekennzeichnet, daß in einem Ventilkörper die Kammer und die Strömungskanäle
mit einem Übermaß herausgearbeitet werden, die bearbeiteten Wände der Kammer und der Strömungskanäle
vernickelt werden,
eine Hülse (16) aus rostfreiem Stahl in die Kammer eingeführt
wird, die eine solche Größe hat, daß sie in einem Abstand zu den bearbeiteten Wänden der Kammer zu liegen kommt,
die Hülse mit einer Manschette (22) versehen ist, die sich durch die Hülse erstreckt und darin festgeschweißt ist,
durch die Manschette ein Rohr (24) aus rostfreiem Stahl in die Strömungskanäle eingeschoben wird,
rund um die offenen Enden der Hülse und des Rohres abdichtende Endringe (26, 28, 3o) befestigt werden,
die Endringe an der Außenfläche des Ventilkörpers festgemacht werden, um sicherzustellen, daß die Hülse und die
Manschette einen gleichmäßigen Abstand von den bearbeiteten Wänden des Ventilkörpers haben,
durch mindestens einen (26, 3ö) der Endringe ein Füllstutzen (32, 34) geht,
durch den Füllstutzen ein Metallpulver aus rostfreiem
Stahl in den Spalt In der Ventilkammer und den Kanälen, der die Hülse und das Rohr umgibt, eingefüllt wird,
der Ventilkörper gerüttelt wird, um sicherzustellen, daß der Spalt vollständig mit dem Metallpulver gefüllt wird,
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Luft aus dem Spalt abgesaugt wird, um den Druck im Spalt herabzusetzen,
der Füllstutzen dichtend verschlossen wird, der Ventilkörper, die Hülse, die Manschette und das Metall
pulver unter Formungsdruck auf die Formungstemperatur erhitzt werden,
Temperatur und Druck in einem Autoklaven ausreichend lang aufrechterhalten werden, um das Metallpulver zu einer Auskleidung
verfestigen zu lassen,
der ausgekleidete Körper abgekühlt wird und die ausgekleidete Kammer und die ausgekleideten Kanäle auf die gewünschten Maße nachbearbeitet werden.
der ausgekleidete Körper abgekühlt wird und die ausgekleidete Kammer und die ausgekleideten Kanäle auf die gewünschten Maße nachbearbeitet werden.
12. Ausgekleideter Ventilkörper, gekennzeich net durch einen Körper aus legiertem Stahl mit
einer Ventilkammer und Strömungskanälen und durch eine Auskleidung aus verfestigtem Metallpulver, die die Wände der
Ventilkammer und der Strömungskanäle überzieht.
13. Ausgekleidetes Bauteil, gekennzeichnet durch einen Körper, der mehrere Hohlräume
enthält, und durch einen überzug aus verfestigtem Metallpulver
an den Wänden der Hohlräume.
14. Ausgekleidetes Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume
in dem Körper sich kreuzen.
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