DE3437229A1 - Verfahren zur herstellung von metallbehaeltern - Google Patents
Verfahren zur herstellung von metallbehaelternInfo
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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 umgeformoc
ten Napfes; und
3437223
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.
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.
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.
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.
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 (6)
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.
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