DE3437229A1

DE3437229A1 - Verfahren zur herstellung von metallbehaeltern

Info

Publication number: DE3437229A1
Application number: DE19843437229
Authority: DE
Inventors: Eric David Harringworth Corby Northantshire Brown
Original assignee: Sodastream Ltd
Current assignee: Sodastream Ltd
Priority date: 1983-10-10
Filing date: 1984-10-10
Publication date: 1985-04-18
Also published as: GB8327016D0; US4599886A; JPS6096330A; GB2147840A; GB2147840B; GB8425651D0

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Metallbehältern und im besonderen auf ein Verfahren zum Herstellen von Metallbehältern, welches einen Tiefzieh- und und Abstreckvorgang verwendet.

Es ist bekannt, Metallbehälter durch Tiefziehen und Abstrecken einer Metallplatine herzustellen. Entsprechend dem bekannten Verfahren wird eine ebene, runde Platine aus einem plattenförmigen Material mittels einer Stanzpresse ausgestanzt. Die Platine wird dann, nach Aufbringung eines geeigneten Schmiermittels, durch Hindurchdrücken durch eine Serie von Matrizen ringen mit Hilfe eines Stempels in eine Napfform umgeformt. Die durch diesen Tiefzieh- und Abstreckvorgang, der auch unter der Bezeichnung Napfziehen bekannt ist, erzeugten Näpfe sind verfestigt und werden deshalb einer Glühbehandlung unterzogen, um das Material für einen zweiten Tiefzieh- und Abstreckvorgang geeignet zu machen, bei welchem die Näpfe durch eine zweite Anordnung von Matrizenringen gezogen werden, um die Näpfe auf den erforderlichen Durchmesser und auf die erforderliche Wanddicke umzuformen.

Das bekannte Verfahren hat sich für einige Metalle als sehr erfolgreich erwiesen, wie etwa Aluminium und Flußstahl, welche die erforderliche Duktilität aufweisen. Nach diesem Verfahren hergestellte Behälter sind für viele Anwendungsgebiete zufriedenstellend, wie etwa als Zylinder zur Aufnähme von Gasen bei relativ geringen Drücken. In anderen Fällen,speziell im Falle von Hochdruckgaszylindern, z.B. für Kohlendioxid,werden die Behälter aber üblicherweise aus einem Rohrmaterial gefertigt, da Sicherheitsvorschriften oder andere Überlegungen ein hochfesteres Material, d.h.

einen hochfesten Stahl, erfordern. Anderenfalls ist eine wesentlich größere Wanddicke nötig, um die benötigte Festigkeit zu erreichen. Die Verwendung eines Rohrmaterials bringt

den Nachteil rait sich, daß ein Ende des Rohrs verschlossen werden muß. An dem verschlossenen Ende können Fehler auftreten, durch welche eine Leckage von Gas aus dem Behälter hervorgerufen werden kann. Desweiteren ist dieses Verfahren arbeitsintensiv und im Vergleich zu dem oben genannten Tiefzieh- und Abstreckvorgang kostenaufwendig. Versuche, das bekannte Tiefzieh- und Abstreckverfahren auf Platinen aus hochfestem Stahl anzuwenden, haben sich als nicht erfolgreich erwiesen. Während des Tiefziehverfahrens tritt eine Spannungskonzentration an der Platinenkante auf, welche zu dem Ergebnis führt, daß die Näpfe durch Risse und Bruchstellen reißen, welche sich von dem Napfrand nach unten erstrecken. Näpfe mit derartigen Rissen sind unbrauchbar und können nicht zur Produktion zufriedenstellender Behälter verwendet werden. Bei einer Verwendung niederer fester Stähle zur Herstellung von Hochdruckgaszylindern ist deshalb zusätzliches Material erforderlich, um die erforderliche Festigkeit zu erreichen, wodurch der ökonomische Vorteil, der durch die Anvoendung eines Tief zieh- und Abstreck-Vorganges erzielt wird, wieder zunichte gemacht wird.

Die vorliegende Erfindung strebt eine Lösung der oben ge-■ nannten Probleme an. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von Behältern mittels eines Tiefzieh- und Abstreckprozesses einer Metallplatine vorgeschlagen, bei welchem die Platine aus hochfestem Stahl besteht und bei welchem eine Oberflächenschicht von Material von. der Umfangskante der Platine entfernt wird, so daß Oberflächenunregelmäßigkeiten im wesentlichen beseitigt werden, bevor die Platine in Napfform umgeformt wird.

Vorteilhafterweise wird die Oberflächenschicht von dem Umfang der Platine durch Schleifen entfernt, obwohl andere Methoden, wie etwa Drehen, ebenso möglich sind.

Es hat sich herausgestellt, daß das Schleifen des Außendurchmessers der Platine einen brauchbaren und wirkungsvollen Weg zur Vermeidung jeglicher Risse oder Brüche in

den napfförmigen Platinen darstellt und es möglich gemacht hat, daß Behälter aus hochfestem Stahl in erfolgreicher Weise durch einen Tiefzieh- und Abstreckvorgang hergestellt werden können, was vor der vorliegenden Erfindung nicht möglieh war.

Das Schleifen der Platinenkante auf wenigstens eine Oberflächenglätte von 4,0 μ CLA (arithmetischer Mittenrauhwert) ergibt zufriedenstellende Resultate.

Bevorzugterweise sollte wenigstens 0,3 mm Material, besserenfalls jedoch wenigstens 0,5 mm Material von dem Umfang der Platine entfernt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann für hochfeste Stähle verwendet werden, welche einen Kohlenstoffanteil über 0,3 Gew.-% oder sogar größer als 0,35 Gew.-% aufweisen und welche einen Schwefelanteil haben, der niedrig und bevorzugterweise nicht größer als 0,005 Gew.-% ist. Derartige Stähle sind kennzeichnenderweise fester als Flußstähle, welche früher zur Herstellung von Behältern mittels Tiefzieh- und Abstreckverfahren verwendet wurden und welche typiseherweise einen Kohlenstoffgehalt von 0,1 bis 0,2 Gew.-% aufweisen.

Ein niedriger Schwefelanteil gewährleistet eine verbesserte

Tiefziehfähigkeit des Metalls. In diesem Zusammenhang ist es erwünscht, daß der Schwefelgehalt geringer ist als 0,004 Gew.-% oder sogar'geringer als 0,001 Gew.-%. Es ist jedoch gO zu berücksichtigen, daß ein verminderter Schwefelgehalt höhere Materialkosten mit sich bringt. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit können deshalb Stähle mit einem geringfügig höheren Schwefelgehalt verwendet werden.

oc Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, Hochdruckgaszylinder aus hochfestem Stahl durch einen Tiefzieh- und Abstreckvorgang herzustellen, was früher nicht möglich

war. Wenn eine Platine aus einem plattenförmigen Material ausgestanzt wird, kann sich das Material an der Kante der Platinenscheibe verfestigen und Oberflächenunregelmäßigkeiten können durch den Abschervorgang am Umfang der Plattine erzeugt werden. Der durch das erfindungsgemäße Verfahren hervorgerufene Vorteil ist in der Entfernung einer Oberflächenschicht vom Umfang der Platine begründet. Wenn versucht wird, eine ausgestanzte Platine aus hochfestem Stahl in eine Napfform umzuformen, ohne vorher die Bedin-

^O gungen der Randoberfläche zu verbessern, streben die inneren Spannungen, welche an der Kante erzeugt werden und welche durch das Vorliegen eines verfestigten Materials verstärkt werden, danach, sich an jeder Vertiefung oder Kerbe an der Randoberfläche zu sammeln, wodurch das Material, welches unfähig ist, den konzentrierten Spannungen zu widerstehen, an der Unstetigkeit bricht. Die erfindungsgemäße Entfernung der Oberflächenschicht an der Kante der Plattine sondert jedes verfestigte Material aus und trägt dazu bei, die Spannungsspitzen niedrig zu halten und entfernt Oberflächenunregelmäßigkeiten, so daß die Spannungen gleichmäßiger verteilt werden und eine Spannungskonzentration an irgendeinem Punkt vermieden wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand ok eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Figur 1 die Draufsicht auf eine Metallplatine ;

Figur 2 eine Seitenansicht der Platine ; 30

Figur 3 eine Detailansicht des Kantenprofils der Platine in einem vergrößerten Maßstab;

Figur H einen Teilschnitt eines aus der Platine umgeform_oc ten Napfes; und

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Figur 5 einen Axialschnitt durch die Wand eines Zylinders, der aus dem Napf von Fig. 4 hergestellt wurde.

Die Herstellung von Gaszylindern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren umfaßt eine Reihe von Arbeitsschritten, die im folgenden nacheinander beschrieben werden.

Platinenvorbereitung:

Eine in den Fig. 1 und 2 dargestellte kreisrunde Platine 1 wird aus einem Stahlstreifen mittels eines Stempels und einer Matrize ausgestanzt, wobei der Stahlstreifen in Goilform zugeführt und vor dem Ausstanzvorgang geradegerichtet wird.

Zufriedenstellende Resultate konnten mit hochfesten Kohlenstoff-Manganstählen erreicht werden, welche einen Kohlenstoffgehalt von ungefähr 0,35 Gew.-%, einen Mangangehalt von etwa 1,4 Gew.-% und einen Schwefelgehalt von etwa 0,004 Gew.-% aufweisen.

Als Beispiel sei ein erfolgreich zu verwendender Stahl genannt, welcher die folgenden Elemente in Gew.-% aufweist:

C 0,32 - 0,37 (- 0,03)

Si 0,1 - 0,35
4.

Mn 1,30 - 1,50 (ΐ 0,08)

P 0,015 (0,025 max) S 0,005

Die restlichen Elemente sollten im ganzen einen Betrag von 30

nicht mehr als etwa 0,04 % ausmachen.

Wegen der Abschervorgänge der Stanzpressenwerkzeuge weisen die Platinen keine sauberen Kanten auf. Infolgedessen verbleiben an der abgescherten Oberflächenkante, wie in Fig. 3 35

dargestellt, Vertiefungen und andere Oberflächenunstetigkeiten 4.

Erfindungsgemäß werden die äußeren Kanten der Platine geschliffen, um Oberflächenfehler am Umfang auszusondern.

Es hat sich als ratsam erwiesen, wenigstens 0,3 mm Material abzuschleifen, bevorzugterweise werden jedoch 0,75 mm entfernt. Die erreichte Oberflächengüte an der Kante beträgt 4,0 μ CLA, die Kante kann jedoch, falls dies für zweckdienlich erachtet wird, auch auf etwa 1,6 μ CLA abgeschliffen werden. |

Als letzter Bearbeitungsschritt der Platinenvorbereitung wird auf die Metalloberfläche ein Schmiermittel aufgebracht, z.B. Zinkphosphat und Zinkstearat. Die Art des Auftragens an sich ist bekannt.

Napfformen:

Die vorbereiteten Platine werden einer Umformmaschine zugeführt, um jede Platine in die Form eines Napfes 5, wie in Fig. 4 dargestellt, tiefzuziehen und abzustrecken. Ein Stempel bewegt die Platine durch eine Reihe von z.B. drei ringförmigen Matrizen, wodurch ein Napf mit der Basis 6 und einer zylindrischen Seitenwand 7 geformt wird. Während dieses Vorgangs werden in dem Metall hohe Spannungen erzeugt, besonders an der Kante der Platine . Die glatte Kantenoberfläche, die frei von verfestigtem Material ist und durch das vorangehende Schleifen der Platine erreicht wurde, stellt sicher, daß an dem Napfrand keine Brüche auftreten, was für zufriedenstellende Herstellungsergebnisse wichtig ist.

Während des Umformvorgangs werden die Näpfe verfestigt, sie müssen deshalb einem Glühvorgang unterworfen werden. Anschließend erfolgt ein weiterer Auftrag von Schmiermittel, bevor die Näpfe zu einem weiteren Tiefzieh- und Umformvorgang bereit sind. Diese Behandlung der Näpfe ist ebenfalls bereits bekannt.

Nachziehen und Abstrecken:

Die Näpfe werden anschließend auf den endgültigen Zylinderdurchmesser nachgezogen, wobei die Wände durch Hindurchbewegen des Napfes durch eine zweite Serie von ringförmigen ° Matrizen auf die endgültige Dicke abgestreckt werden. Die dadurch erzielte Zylinderwand 8 ist in Fig. 5 dargestellt, sie umfaßt die unregelmäßige Kante 9 an dem oberen Ende, welche durch eine gestrichelte Linie in Fig. 5 dargestellt ist. Dieser Endbereich wird durch Ablängen der Zylinderwand auf eine erforderliche Länge entfernt.

Querschnittsverminderung und Normalisierung:

Das offene Ende des beschnittenen Zylinders wird erhitzt

und durch sich bewegende Stempel "geschmiedet", um einen 15

Hals an dem Zylinder auszubilden.

Abschließend ist es notwendig, den Zylinder einer Normalisierung oder einer Spannungsabbaubehandlung zu unterwerfen,

um eine gleichmäßige Zugfestigkeit zu erreichen und die 20

Härte zu steigern. Obwohl Sicherheitsfaktoren normalerweise jedes Bruchrisiko eines Gaszylinders ausschließen, kann es aus Sicherheitsgründen erwünscht sein, daß ein Zylinder eher an einem in der Zylinderwand auftretenden Riß bricht,

als durch eine plötzliche Explosion, welche umherfliegende 25

Metallteile erzeugt. Die Normalisierungsbehandlung, welche durch Erhitzen und kontrolliertes Abkühlen durchgeführt wird, stellt sicher, daß die erforderliche Materialfestigkeit erhalten wird.

Durch das oben beschriebene Verfahren ist es möglich, Hochdruckgaszylinder aus hochfestem Stahl durch Tiefziehen und Abstrecken einer ebene Platine zu erzeugen, während frühere Versuche zur Erzielung dieses Resultats nicht erfolgreich

waren, trotz der Tatsache, daß viele Bearbeitungsschritte 35

in dem erfindungsgemäßen Verfahren an sich bekannt sind.

Jo

1 Während das Schleifen das bevorzugte Verfahren zum Erzielen der geforderten Oberflächengüte an den Kanten der Platine ist, können zufriedenstellende Platine auch durch einen Drehvorgang vorbereitet werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Behälters durch Tiefziehen und Abstrecken einer Metallplatine , dadurch gekennzeichnet , daß die Platine aus hochfestem Stahl besteht und eine Oberflächenschicht von Material von der Umfangskante der Platine entfernt wird, wodurch Oberflächenunregelmäßigkeiten im wesentlichen beseitigt werden, bevor die Platine in Napfform umgeformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

zeichnet

daß die Oberflächenschicht durch einen

SchleifVorgang entfernt wird.

3- Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kante der Platine wenigstens auf eine Glätte von 4,0 μ CLA geschliffen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der von der Kante der Platine entfernten Schicht wenigstens 0,3 mm beträgt.

5- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der von der Kante der Platine entfernten Schicht in einem Bereich von ungefähr 0,5 mm bis ungefähr 0,75 mm liegt.

^g

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Platine aus hochfestem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt über 0,3 Gew.-%, z.B. etwa 0,35 Gew.-% besteht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Platine aus einem hochfestem Stahl mit einem Schwefelgehalt von nicht mehr als ungefähr 0,005 Gew.-% besteht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Platine aus einem hochfesten Stahl besteht, der einen Schwefelgehalt im Bereich von ungefähr 0,001 bis ungefähr 0,004 Gew.-% aufweist.

gO 9· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Platine aus einem Kohlenstoff-Manganstahl besteht, der einen Kohlenstoffgehalt von ungefähr 0,35 Gew.-%, einen Mangangehalt von ungefähr 1,4 Gew.-% und einen Schwefelgehalt von ungefähr 0,004

gg Gew.-% aufweist.

10. Hochdruckgaszylinder, hergestellt durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.