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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines plattierten
Metallrohres durch Fließ- bzw. Warmstrangpressen, bei dem ein Metall (oder
Legierung) auf ein anderes Metall (oder Legierung) mit einem
Formänderungswiderstand, welcher zu dem des ersten wesentlich verschieden ist, plattiert wird. Unter
üblichen Bedingungen ist es ziemlich schwierig, eine Warmformgebung, wie
Warmstrangpressen, auf die Kombination dieser unterschiedlichen Metalltypen
anzuwenden, um ein zufriedenstellendes plattiertes Material zu erhalten. Gemäß
der vorliegenden Erfindung kann jedoch ein plattiertes Metallrohr erhalten
werden, welches im wesentlichen keine Oberflächendefekte und andere Defekte
aufweist.
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Plattierte Materialien bzw. Verbundmaterialien sind weit verbreitet bei
zahlreichen Anwendungen eingesetzt worden. Ein plattiertes Material ist eine
Kombination aus zwei unterschiedlichen Typen von Metallen (der hierin verwendete
Ausdruck "Metall" bedeutet sowohl ein reines Metall als auch Legierungen hiervon),
bei welcher erwünschte Eigenschaften jedes der Metalle ausgenützt werden
können.
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Daher ist eine Vielzahl von Metallen und Kombinationen hiervon in der Industrie
bekannt. Das in der größten Menge hergestellte plattierte Material ist plattiertes
Stahlblech, bei dem eines der Metalle (als "Grundmetall" bezeichnet) unlegierter
Stahl, niedriglegierter Stahl oder dergleichen und das andere Metall
nichtrostender Stahl, Titan oder ein anderes korrosionsbeständiges Material ist.
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Das Plattieren wurde ebenso bei der Herstellung vieler Typen von Rohren
durchgeführt. Das üblichste Verfahren zur Herstellung nahtloser plattierter Rohre ist das
Warmstrangpressen, beispielsweise gemäß dem
Ugine-Sejournet-Extrusionsverfahren, welches in Fig. 1 gezeigt ist.
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In Fig. 1 werden Rohrrohlinge 1, 2 unterschiedlicher Typen von Metallen zur
Bildung eines Barrens 3 kombiniert. Der Barren 3 wird auf eine hohe Temperatur
erhitzt und dann dem Warmstrangpressen unterzogen. Die Herstellungskosten und
Eigenschaften des Rohrprodukts sind wichtige Überlegungen bei der Auswahl der
für die Rohrrohlinge zu verwendenden Materialien. Beispielsweise ist es bei der
Verwendung für Leitungsrohre, wo nicht nur hohe Festigkeit, sondern ebenso
verbesserte Beständigkeit gegenüber Korrosion erforderlich sind, vorteilhaft, ein
plattiertes Rohr zu verwenden, welches unlegierten Stahl oder niedriglegierten
Stahl, welcher nicht teuer ist und hohe Festigkeit aufweist, als Grundmetall und
eine Legierung auf Nickelbasis mit verbesserter Beständigkeit gegen Korrosion als
Plattierungsschicht umfaßt. Wenn jedoch ein plattiertes Rohr dieses Typs durch
herkömmliches Warmstrangpressen hergestellt wird, wird ein kombinierter
Barren 3 durch Zusammenfügen eines Rohrrohlings 1 aus unlegiertem Stahl (oder
niedriglegiertem Stahl) und eines anderen Rohrrohlings 2 aus einer Legierung auf
Nickelbasis hergestellt. Gewöhnlicherwelse werden solche hohle, dickwandige
Rohre durch eine Reihe von Schritten des Schmelzens, Gießens, Schmiedens und
maschinellen Bearbeitens (beispielsweise Bohren) hergestellt. Das kleinere wird
in das größere eingefügt, um einen kombinierten Barren zusammenzufügen.
Nachdem der kombinierte Barren auf eine vorbestimmte Temperatur in einem
Erhitzungsofen und/oder Induktionserhitzungsofen erhitzt worden ist, wird er dem
Warmstrangpressen unterzogen.
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Das Warmstrangpressen des Standes der Technik resultiert jedoch in den
folgenden Nachteilen.
1) Probleme hinsichtlich den Oberflächeneigenschaften des Rohrprodukts:
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Eines der zwei Metalle, insbesondere dasjenige, welches die Plattierungsschicht
bildet, beispielsweise eine Legierung auf Nickelbasis in dem Fall, bei dem
unlegierter Stahl mit einer Legierung auf Nickelbasis plattiert wird, ist
gewöhnlicherweise schwer zubearbeiten, und das resultierende plattierte Material leidet an
verschiedenen Defekten und Rißbildung auf dessen Oberfläche.
2) Probleme hinsichtlich Haftvermögen:
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Die Verbindung bzw. Haftung zwischen dem Grundmetall und dem
Plattierungsmetall ist nicht perfekt, und die Festigkeit zwischen diesen ist ziemlich niedrig.
Wenn die zwei Metallschichten entbunden werden, gelangen Wasserstoffionen in
den Raum zwischen den zwei Schichten unter Ausweitung des Raums aufgrund
der Erzeugung und Ausdehnung von Wasserstoffgas, wodurch eine Quellung des
Rohrs und eine Verminderung der mechanischen Festigkeit resultieren.
3) Probleme hinsichtlich Herstellungskosten:
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Da viele Herstellungsschritte erforderlich sind, bis ein kombinierter Barren
hergestellt ist, und die Produktausbeute im Hinblick auf das Ausgangsmaterial sehr
gering ist, sind die Herstellungskosten sehr hoch. Unlegierter Stahl und
niedriglegierter Stahl sind weniger teuer und die Materialeffizienz übt keinen
wesentlichen Effekt auf die Herstellungskosten des Endprodukts aus. Die Ertragsleistung
des Rohrrohlings aus einer Legierung auf Nickelbasis, welche sehr teuer ist, hat
jedoch einen großen Einfluß auf die Herstellungskosten des Endprodukts.
Weiterhin ist es zeitraubend, das Schmieden und maschinelle Bearbeiten einer solchen
Legierung auf Nickelbasis durchzuführen, um einen Rohrrohling herzustellen, da
es sehr schwierig ist, bei der Legierung auf Nickelbasis das Schmieden und
maschinelle Bearbeiten anzuwenden.
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Eine der Lösungen der Probleme 2) und 3) besteht in der Verwendung von
Metallpulver als Ausgangsmaterial zur Herstellung des Rohrrohlings. Beispielsweise
wird ein Schmiedemetall zur Herstellung eines Grundrohres aus unlegiertem
Stahl oder niedriglegiertem Stahl und ein Pulvermaterial zur Herstellung einer
Plattierungsschicht verwendet. Solche pulvermetallurgischen Verfahren sind in
der folgenden Literatur vorgeschlagen worden:
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US-Patent Nr. 3 753 704
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US-Patent Nr. 4 016 008 (Japanische Patentveröffentlichung 60-37 162)
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Japanische ungeprüfte Patentanmeldung 61-190 006
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Japanische ungeprüfte Patentanmeldung 61-190 007
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Gemäß den darin beschriebenen Verfahren, wie in Fig. 2 gezeigt, wird ein
kombinierter Barren hergestellt, erhitzt und dem Warmstrangpressen unterzogen.
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Der in Fig. 2 gezeigte kombinierte Barren umfaßt einen Hohlzylinder 1
(Grundrohr), welcher aus unlegiertem Stahl oder dergleichen hergestellt ist, ein
dünnwandiges Metallrohr 5 (manchmal als "Kapsel" bezeichnet) und eine
Pulverpackungsschicht 4, welche zwischen dem Hohlzylinder 1 und dem dünnwandigen
Metallrohr 5 vorgesehen ist. Das obere und untere Ende sind durch
Abschlußplatten 6-1 bzw. 6-2 verschlossen.
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Der so hergestellte Barren wird dann, nachdem, falls erforderlich, die
Pulverschicht durch ein isostatisches Kaltpressverfahren oder dergleichen weiter
gepackt worden ist, auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt. Der erhitzte Barren
wird zur Bildung eines plattierten Rohres warmstranggepreßt. Während dem
Warmstrangpressen verfestigt sich die Pulverschicht 4 aufgrund des Erhitzens,
Verdichtens und Scherverformens zur Bildung einer
Plattierungslegierungsschicht, welche an die innere Oberfläche der Grundschicht, welche den
deformierten Hohlzylinder 1 umfaßt, gebunden wird. Nach Deformation durch das
Warmstrangpressen werden die Abschlußplatten 6-1 und 6-2 und das dünnwandige
Metallrohr 5 durch Beizen entfernt.
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Üblicherweise wird der Hohlzylinder 1 aus einem relativ billigen und leicht
deformierbaren Material hergestellt, wie etwa unlegierter Stahl oder niedriglegierter
Stahl. Die Pulverpackungsschicht 4 wird aus einer pulverförmigen Legierung
hergestellt, welche eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit besitzt. Eine solche
Legierung ist typischerweise eine Legierung auf Nickelbasis. Wenn Pulver
verwendet wird, beträgt die Produktausbeute nahezu 100% bezüglich des
Ausgangsmaterials. Dies ist unter dem ökonomischen Gesichtspunkt sehr vorteilhaft.
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Fig. 2 zeigt den Fall, bei dem eine Plattierungsschicht in der
Innenoberflächenschicht des Rohrs vorgesehen ist. Die Plattierungsschicht kann in Abhängigkeit
des Zwecks, für welchen das Rohr verwendet wird, in die
Außenoberflächenschicht des Rohrs plaziert werden. In diesem Fall wird eine Kapsel 5 um die
Außenoberfläche des Grundrohrs 1 herum vorgesehen und Pulver wird in einem
ringförmigen Raum zwischen der Kapsel 5 und dem Grundrohr 1 zur Bildung einer
Pulverpackungsschicht 4 gepackt.
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Es ist darauf hinzuweisen, daß in der vorliegenden Beschreibung der Ausdruck
"Rohrrohling" sich nicht nur auf eine Pulverpackungsschicht in Form eines
Hohlzylinders, welche durch Packen von Pulver in eine Kapsel gebildet wird, das heißt
ein dünnwandiges Metallrohr, sondern ebenso auf ein geschmiedetes oder
maschinell bearbeitetes, hohles zylindrisches Metall bezieht. Diese zwei
Rohrrohlinge können einen kombinierten Barren bilden.
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Wie oben beschrieben, wird, wenn pulverförmiges Metall zur Verwendung eines
Rohrrohlings verwendet wird, das Haftvermögen zwischen den zwei
Rohrrohlingen an deren Grenzfläche weiter verbessert, verglichen mit dem Fall, bei dem die
zwei Rohrrohlinge aus Schmiedemetallen hergestellt sind. Dies ist darauf
zurückzuführen, daß beim Warmstrangpressen Teilchen, welche das Metallpulver
darstellen, sich in die Oberfläche des anderen Grundrohrs beißen, um einen dünnen
Oxidfilm abzubauen. Somit wird eine frische Oberfläche gebildet, um eine
zuverlässige und verbesserte Haftung bzw. Verbindung im Vergleich mit der Plattierung
gemäß Stand der Technik sicherzustellen.
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Ein Warmstrangpreßverfahren unter Anwendung eines kombinierten Barrens,
bei dem eine Pulverpackungsschicht als eines der Rohrrohlinge verwendet wird,
wurde lediglich als Verfahren zur Herstellung von plattierten Rohren aus
unlegiertem Stahl oder nichtrostendem Stahl eingesetzt. Das vorgenannte Problem 1)
ist jedoch noch nicht gelöst worden.
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Wenn nämlich ein Warmstrangpreßverfahren auf einen kombinierten Barren
angewandt wird, welcher ein Grundrohr aus unlegiertem Stahl und eine
Plattierungsaußenhülle aus einer Legierung auf Nickelbasis, wie Alloy 825 oder Alloy
625, umfaßt, wird eine große wellenförmige Deformation in der Wanddicke
erzeugt, wobei manchmal Risse resultieren, welche der Form von
Bambusverbindungsstellen ähneln.
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Fig. 15 veranschaulicht schematisch solche Risse, welche bei einer
Plattierungsschicht mit einer Tendenz, schwierig bearbeitet zu werden, auftreten. Die
Grundbasisschicht 17 ist aus unlegiertem Stahl hergestellt, welche leicht bearbeitet
werden kann, und die Plattierungsschicht 18, welche die Innenschicht des Rohrs
darstellt, ist aus einer Legierung auf Nickelbasis hergestellt, welche schwierig zu
bearbeiten ist.
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Wie in Fig. 15 gezeigt, existiert, obwohl die Dicke der Grundschicht etwas
irregulär ist, ein beträchtliches Ausmaß an Ungleichmäßigkeit in der Dicke der
Plattierungsschicht, welche schwer zu bearbeiten ist. Es ist zu sehen, daß die
Plattierungsschicht stellenweise vollständig unterbrochen worden ist. Diese
unterbrochene Bereiche 19 werden in regelmäßigen Abständen in der Längsrichtung
gefunden, ähnlich den Verbindungsstellen eines Bambusstabes. Solche Defekte
werden daher als "verbindungsähnliche Risse" bezeichnet. Diese Art von Defekt
kann durch nachfolgende Behandlung oder Bearbeitung nicht wiederhergestellt
werden, so daß das plattierte Rohr verworfen werden müßte, wenn dies auftritt.
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Einer der Gründe für diese verbindungsähnlichen Risse besteht darin, daß der
Formänderungswiderstand einer Legierung auf Nickelbasis hoch ist und die
Legierung schwer zu bearbeiten ist. Daher scheint es zur Eliminierung von
verbindungsähnlichen Rissen hilfreich zu sein, die Ausgangsmaterialien vor der
Bearbeitung auf eine hohe Temperatur zu erhitzen, um deren
Formänderungswiderstand zu verringern.
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Wenn jedoch die Erhitzungstemperatur eines Barrens höher ist als die
Soliduslinie der Nickellegierung, konzentrieren sich intermetallische Verbindungen
entlang der Kristallkorngrenzen und ein Teil der Verbindungen kann in die flüssige
Phase übertreten. Eine Verschlechterung in der Leichtigkeit der Rohrbildung und
den Eigenschaften des Produkts ist unvermeidlich. Daher ist die Erhöhung der
Erhitzungstemperatur eines schwer zu bearbeitenden Materials kein guter Weg,
um die oben beschriebenen Probleme des Standes der Technik zu lösen. Weiterhin
ist es unmöglich, die verbindungsähnlichen Defekte lediglich durch Erhitzen der
Ausgangsmaterialien auf eine hohe Temperatur vollständig zu entfernen. Eine
solche Vorgehensweise würde daher lediglich in einem Energieverlust resultieren.
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Wie oben erwähnt, erfordern Spalten und Risse in der Oberfläche des Rohrs viele
Stufen zu deren Beseitigung. Insbesondere ist es ziemlich schwierig und nahezu
unmöglich, einen Spalt oder einen Riß von der Innenoberfläche eines Rohres zu
entfernen, und wenn der Spalt oder der Riß nicht entfernt werden kann, hat das
resultierende Rohr keinen Wert.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein Verfahren zur Herstellung eines
plattierten Metallrohrs, welches frei ist an irgendeiner wesentlichen Fluktuation der
Wanddicke ohne das Auftreten von verbindungsähnlichen Rissen in der
Legierungs-Plattierungsschicht, durch Warmstrangpressen eines kombinierten
Barrens aus zwei verschiedenen Typen von Metallen, wobei der kombinierte Barren
aus einer Kombination aus zwei Rohrrohlingen aus Schmiedemetall hergestellt ist
oder wobei einer oder beide der Rohrrohlinge aus einer Pulverpackungsschicht
hergestellt sind.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht ebenso ein Verfahren zur Herstellung eines
plattierten Metallrohrs, welches die obengenannten Defekte nicht aufweist,
durch Warmstrangpressen eines kombinierten Barrens, bei dem eine
Pulverpackungsschicht aus einer schwierig zu bearbeitenden Legierung, wie eine
Legierung
auf Nickelbasis, als innere oder äußere Hülle verwendet wird.
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Nach einer Reihe von Experimenten und Herstellungsprozessen haben die
Erfinder der vorliegenden Anmeldung herausgefunden, daß Fluktuationen in der
Wanddicke eines plattierten Metallrohrs und verbindungsähnliche Defekte
hauptsächlich durch einen Unterschied im Formänderungswiderstand von zwei
Metallen während der Formänderung, jedoch nicht durch den Grad des
Formänderungswiderstandes selbst, verursacht werden.
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Beim Verfahren gemäß des Standes der Technik wird ein mit Bezugsziffer 3 in Fig.
1 bezeichneter, kombinierter Barren hergestellt, welcher insgesamt auf eine
vorgegebene einheitliche Temperatur zu erhitzen ist, wie wenn ein Monometallbarren
erhitzt wird.
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Wie in Fig. 8 gezeigt, welche nachstehend detaillierter beschrieben wird, variiert
der Formänderungswiderstand bei der gleichen Bearbeitungstemperatur
unterhalb verschiedenen Typen von Metallen und Legierungen stark. Beispielsweise ist
zu sehen, daß bei 1000ºC der Formänderungswiderstand von Alloy 625 viermal
größer ist als derjenige von unlegiertem Stahl. Somit ist die Bildung von
verbindungsähnlichen Defekten unvermeidlich, wenn ein kombinierter Barren aus zwei
solchen unterschiedlichen Typen von Metallen bei der gleichen Temperatur
erhitzt und dann ein Warmstrangpressen darauf angewandt wird.
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Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben daher festgestellt, daß die
Bearbeitungstemperatur der zu bearbeitenden Metalle in Abhängigkeit von deren
Formänderungswiderstand variiert werden sollte.
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Durch eine Reihe von Experimenten hat sich bestätigt, daß, wenn das
Warmstrangpressen bei einem kombinierten Barren durchgeführt wird, welcher ein
erstes Metall mit einem großen Formänderungswiderstand und ein zweites Metall
mit einem kleineren Formänderungswiderstand umfaßt, wenn das erste Metall
auf eine höhere Temperatur als das zweite erhitzt wird, Fluktuationen in der Dicke
auf einen geringen Wert für jede Metallschicht reduziert werden, und die Bildung
von verbindungsähnlichen Defekten und anderen Oberflächendefekten
herabgesetzt ist. Wenn weiterhin der Barren lokal auf unterschiedliche Temperaturen
erhitzt wird, werden verbindungsähnliche Defekte vollständig vermieden, wenn die
Erhitzungstemperaturen so bestimmt werden, daß das Verhältnis des
Formänderungswiderstandes
für die zwei Typen von Metallen, welche den kombinierten
Barren bilden, auf 2,5 oder weniger eingestellt wird.
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Die DE-A-3 334 110 beschreibt ein Verfahren zum Plattieren von Rohren oder
hohlen Abschnitten durch Pressen eines Rohrblocks aus Plattierungsmetall in
eine Lücke, welche zwischen einem Grundmetall-Rohrblock und dem
entsprechenden Teil des Preßwerkzeugs gebildet wird. Es wird vorgeschlagen, daß, wenn der
Unterschied zwischen dem Formänderungswiderstand des gewöhnlicherweise
plastischeren Plattierungsmetalls und dem Formänderungswiderstand des
Grundmetalls nicht signifikant ist, das Plattierungsmetall auf eine höhere
Temperatur erhitzt werden sollte. Dies steht im Gegenteil zu dem, was gemäß der
vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird, indem bei der vorliegenden Erfindung
das Metall mit einem höheren Formänderungswiderstand auf eine höhere
Temperatur erhitzt wird.
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Die vorliegende Erfindung beruht in einem Verfahren zur Herstellung eines
plattierten Metallrohrs aus zwei unterschiedlichen Typen von Metallen mit
unterschiedlichem Formänderungswiderstand. Das Verfahren umfaßt die Herstellung
eines kombinierten Barrens, bei dem zwei Hohlrohre konzentrisch zueinander
angeordnet sind, wobei die Rohre aus unterschiedlichen Metallen hergestellt sind,
und die Anwendung des Warmstrangpressens auf den Barren, während die
Erwärmungstemperatur des Rohrs so eingestellt wird, daß das Metall mit einem
höheren Formänderungswiderstand auf eine höhere Temperatur erwärmt wird.
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Der in dieser Beschreibung verwendete Ausdruck "Metall" bezieht sich nicht nur
auf ein reines Metall oder eine Legierung, sondern ebenso auf ein Material,
welches hauptsächlich Verbindungen, wie etwa intermetallische Verbindungen,
Metallcarbide und Metallnitride, umfaßt.
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Fig. 1 erläutert schematisch ein Fließdiagramm der Herstellung eines plattierten
Metallrohres durch Warmstrangpressen;
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Fig. 2 und Fig. 3 sind Schnittansichten eines kombinierten Barrens, bei dem
entweder eines oder beide Grundrohre aus Pulverpackungsschichten hergestellt
sind;
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Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines Barrens, welche schematisch die Deformation
des Barrens während der Extrusion zeigt;
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Fig. 5 ist eine Ansicht, welche das Ausmaß der plastischen Deformation erläutert;
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Fig. 6 ist eine Ansicht, welche schematisch ein Verfahren zur Bestimmung der
Beziehung zwischen Belastung und plastischer Deformation unter
Hitzebedingungen veranschaulicht;
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Fig. 7 ist ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm, welches zur Berechnung des
Formänderungswiderstandes verwendet wird;
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Fig. 8 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der
Verformungstemperatur und dem Formänderungswiderstand für verschiedene Metalle zeigt;
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Fig. 9 ist eine Schnittansicht eines bei einem Experiment verwendeten Barrens;
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Fig. 10 ist ein Diagramm, welches die Testergebnisse zeigt, bei welchen die Effekte
des Verhältnisses des Formänderungswiderstandes des Grundrohrmaterials und
des Plattierungsrohrmaterials sowie die Verformungstemperatur hinsichtlich des
Auftretens von verbindungsähnlichen Rissen bestimmt wurden;
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Fig. 11, 12, 13 und 14 sind vertikale Schnittansichten von kombinierten
Barren, welche in den Arbeitsbeispielen gemäß der Erfindung verwendet wurden;
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Fig. 15 ist eine teilweise Schnittansicht eines plattierten Metallrohrs, welche
wellenförmige Fluktuationen in der Wanddicke und verbindungsähnliche Risse
veranschaulicht.
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Kombinierte Barren, welche beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet
werden können, umfassen die folgenden drei Typen von Barren:
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(1) ein Barren, bei dem beide der zwei Rohrrohlinge aus Schmiedemetallteilen
durch mechanische Bearbeitung hergestellt werden (nachfolgend als Typ
I-Barren bezeichnet);
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(2) ein Barren, bei dem einer der Rohrrohlinge aus einem Schmiedemetall und der
andere aus einer gepackten Metallpulverschicht hergestellt werden (nachfolgend
als Typ II-Barren bezeichnet);
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(3) ein Barren, bei dem beide der zwei Rohrrohlinge aus gepackten
Metallpulverschichten hergestellt werden (nachfolgend als Typ III-Barren bezeichnet).
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In Fig. 1 ist der Barren 3 ein Typ I-Barren. Rohrrohlinge 1 und 2 werden hergestellt
durch Anwendung von Schmieden und mechanischer Bearbeitung auf
Schmiedemetallteile zur Bildung von Hohlzylindern und danach konzentrisches
Zusammenfügen der Hohlzylinder.
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Fig. 2 veranschaulicht einen Typ II-Barren. Einer der Rohrrohlinge (in diesem Fall
die Außenhülle 1) ist aus Schmiedemetallteilen hergestellt und der andere
Rohrrohling (die Innenhülle 4) ist aus einer gepackten Metallpulverschicht hergestellt.
Gewöhnlicherweise ist das Schmiedemetall ein unlegierter Stahl oder
niedriglegierter Stahl und das gepackte Metallpulver ist aus einem teuren und schwierig zu
bearbeitenden Material, wie einer Legierung auf Nickelbasis hergestellt. In
Abhängigkeit der Verwendung des plattierten Rohres kann die gepackte
Metallpulverschicht als Außenhülle dienen.
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Fig. 3 zeigt einen Typ III-Barren. Der Barren umfaßt einen Außen- und einen
Innenrohrrohling, welche aus gepackten Metallpulverschichten 4, 7 hergestellt
sind, welche durch eine Wand 8 unterteilt sind. Die gepackten
Metallpulverschichten werden hergestellt durch Anordnen eines dünnwandigen Metallrohrs,
welches die Trennwand 8 darstellt, zwischen dünnwandigen Kapseln 5-1 und 5-2,
und Packen der so gebildeten zwei ringförmigen Räume mit zwei
unterschiedlichen Typen von Metallpulvern. Wie im einzelnen nachfolgend beschrieben, wird
ein Wärmeisolations-Hüllrohr 9 auf der Innenseite der Innenkapsel des
kombinierten Barrens vorgesehen, wie in Fig. 3 gezeigt.
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Unter diesen kombinierten Barren ist der Typ II-Barren unter einem praktischen
Gesichtspunkt der brauchbarste. Im Falle von nahtlosen Rohren zur Verwendung
in Leitungsrohren wird die Außenhülle aus unlegiertem Stahl oder einem
niedriglegierten Stahl, welcher eine ausreichende mechanische Festigkeit zeigt,
hergestellt, und die Innenhülle, welche hoch korrosionsbeständig sein muß, wird
vorzugsweise aus einer korrosionsbeständigen Legierung auf Nickelbasis
hergestellt. Daher ist es vernünftig, daß der Grund-Rohrrohling unter Anwendung von
Schmieden sowie mechanischer Bearbeitung aus einem Schmiedemetall
hergestellt wird und daß die Plattierungsschicht aus einer gepackten
Metallpulverschicht hergestellt werden sollte.
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Im Falle eines Kesselrohres zur Verwendung bei der Rückgewinnung von Abwärme
ist es erwünscht, daß die Außenhülle aus einer Plattierungsschicht aus einer
Legierung auf Nickelbasis, welche hoch korrosionsbeständig ist, hergestellt wird.
Die Anordnung eines kombinierten Barrens ist in diesem Falle unterschiedlich
von der in Fig. 2 gezeigten, wobei die gepackte Metallpulverschicht auf der
Außenoberfläche des aus Schmiedemetall hergestellten Grund-Rohrrohlings
angeordnet wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf den Fall näher
beschrieben, bei dem der kombinierte Barren, wie in Fig. 2 gezeigt eine Innenschicht aus
einem Nickellegierungspulver umfaßt.
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Wie bereits erwähnt, besteht eines der Merkmale der vorliegenden Erfindung
darin, daß ein Warmstrangpressen auf einen kombinierten Barren angewandt wird,
welcher zwei verschiedene Typen von Metallen umfaßt, während jede der
metallischen Komponenten des Barrens auf eine verschiedene Temperatur erwärmt wird.
Im einzelnen wird ein aus einem Metall mit einem höheren
Formänderungswiderstand hergestellter Rohrrohling auf eine höhere Temperatur erwärmt als der
andere Rohrrohling, um den Unterschied des Formänderungswiderstandes während
der Deformation zu verringern. Wenn zwei unterschiedliche Typen von Metallen
verwendet werden und diese im Formänderungswiderstand sehr unterschiedlich
sind, ist es erwünscht, die Erwärmungstemperatur für eines der Metalle zu
bestimmen, so daß das Verhältnis der Formänderungswiderstände der zwei Metalle
nicht mehr als 2,5, vorzugsweise nicht mehr als 2,3, beträgt.
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Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines Barrens, welche schematisch die Deformation
des Barrens an der Preßform einer Warmstrangpreßvorrichtung während dem
Warmstrangpressen eines kombinierten Barrens veranschaulicht. Ein in einem
Behälter 10 enthaltener Barren 3 wird zwischen einem Dorn 11 und einer
Preßform 12 deformiert, um ein Rohr 13 einer vorbestimmten Wanddicke zu ergeben.
Die Form des Barrens, welcher der Deformation unter üblichen Bedingungen
unterliegt, kann so betrachtet werden, daß sie aus drei Regionen I-III besteht. Region
I ist eine Region, bei der der kombinierte Barren, welcher innerhalb der
Extrusionsvorrichtung
eingepaßt ist, sich zum Ausgang der Preßform bewegt, ohne
einer Deformation unterzogen zu werden. Region II ist eine Region der plastischen
Deformation, bei welcher der Barren sich in Richtung des Ausgangs der Preßform
bewegt, während er einer einer plastischen Deformation, die hauptsächlich durch
Scherung bewirkt wird, unterzogen wird. Region III ist eine Region, bei welcher
der deformierte Barren zu einem Produkt, wie einem nahtlosen plattierten Rohr,
verformt wird und die Preßform verläßt.
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In der Region II ist der Formänderungswiderstand wichtig. Wenn bei der
Herstellung eines plattierten Rohrs der Unterschied im Formänderungswiderstand der
zwei unterschiedlichen Typen von Metallenin diesem Bereich groß ist, ändert sich
die Dicke der Metallschicht mit dem größeren Formänderungswiderstand
periodisch, wodurch häufig die Bildung von verbindungsähnlichen Rissen an dessen
Oberfläche resultiert. Die in der vorliegenden Beschreibung erwähnte Region der
Deformation während der Extrusion entspricht der Region II. Selbst wenn eine
oder beide der Hüllen aus einer gepackten Metallpulverschicht hergestellt ist,
wird die gepackte Schicht mittels Stauchen gründlich verdichtet, bevor der
Vorderrand des kombinierten Barrens die Preßform passiert. Daher gibt es keinen
Unterschied im Verhalten von jeweils der pulvergepackten Schicht und der
Schmiedelegierungsschicht während der Deformation.
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Der Formänderungswiderstand wird nachstehend näher erläutert. Diese
Erläuterung ist gültig, egal ob der kombinierte Barren aus Schmiedemetallen hergestellt
ist oder einer oder beide der Rohrrohlinge aus einer gepackten
Metallpulverschicht hergestellt sind.
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Faktoren, welche einen Einfluß auf den Formänderungswiderstand haben,
umfassen die bleibende Verformung, die Verformungsgeschwindigkeit und die
Verarbeitungstemperatur.
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Fig. 5 ist eine erläuternde Darstellung für das, was mit bleibender Verformung
gemeint ist.
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Allgemein gesagt kann die bleibende Verformung eines Prüfkörpers 14 nach der
Deformation durch die folgende Formel ausgedrückt werden:
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ε = lnl/lo
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worin lo die Länge des Prüfkörpers 14 vor der Deformation und l die Länge des
Prüfkörpers 14' nach der Deformation ist.
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Wenn das Rohr aus einem Barren durch Extrusion bzw. Strangpressen hergestellt
wird, kann die bleibende Verformung durch die folgende Formel ausgedrückt
werden:
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ε = lnl/lo = lnγ
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worin lo die Länge des Barrens vor der Extrusion ist, 1 die Länge des Rohrprodukts
ist und γ das Extrusionsverhältnis ist.
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Bei der Herstellung eines Metallrohrs unter üblichen
Warmstrangpreßbedingungen liegt das Extrusionsverhältnis γ im Bereich von 4-30. Daher liegt die bleibende
Verformung während der Extrusion meistens im Bereich von 1,4-3,4.
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Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Verformungsgeschwindigkeit (ε), welches die
bleibende Verformung pro Zelteinheit ist und welche durch die folgende Formel
ausgedrückt werden kann:
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(ε) = ε/lo/v = v/lolnγ
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worin v die Extrusionsgeschwindigkeit (mm/s) und lo die Länge des Barrens (mm)
ist.
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Bei der Herstellung eines Metallrohrs unter üblichen
Warmstrangpreßbedingungen beträgt die Länge des Barrens (lo) 500-1200 mm und die
Extrusionsgeschwindigkeit 100-400 mm/s. Daher liegt die Geschwindigkeit der bleibenden
Verformung (ε) meistens im Bereich von 0,1-3,0 s&supmin;¹.
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Je höher die Verarbeitungstemperatur, das heißt die Temperatur des Materials,
welches verarbeitet wird, ist, desto geringer ist allgemein der
Formänderungswiderstand. Die Verarbeitungstemperatur ist die Temperatur in der Region II gemäß
Fig. 4. Während der tatsächlichen Herstellung ist es schwierig, die Temperatur in
der Region II festzulegen. Jedoch ist es ziemlich leicht, die Temperatur in der
Region II auf Grundlage der Temperatur des Barrens am Einlaß des Behälters 10
abzuschätzen. Der Behälter 10 und der Dorn 11 werden nämlich gewöhnlicherweise
vor der Extrusion auf etwa 100-300ºC vorerwärmt. Bei der Extrusion wird der
heiße Barren 3 durch den Behälter 10 und den Dorn 11 gekühlt, wobei geschätzt
wird, daß ein Temperaturabfall von etwa 50ºC stattfindet, bis der Barren 3 den
Deformationsbereich, das heißt Region II, erreicht.
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Der Formänderungswiderstand kann wie folgt bestimmt werden.
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Fig. 6 veranschaulicht eine Vorrichtung zur Durchführung einer
Kompressionsprüfung bei einer gegebenen Temperatur, um Deformationen und Belastungen zu
bestimmen. In Fig. 6 wird ein Prüfkörper 14, welcher durch eine Induktionsspule
15 erwärmt worden ist, der Deformation durch eine Presse 16 unterzogen. Fig. 7
zeigt ein Diagramm der Spannungs-Dehnungs-Beziehung für den Prüfkörper 14,
welches durch das in Fig. 6 gezeigte Experiment erhalten wurde.
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Daher wird zuerst bei vorgeschriebenen Temperaturen eine
Kompressionsprüfung durchgeführt unter Anwendung einer Verformung bzw. Dehnung von bis zu
1,0 bei einer gegebenen Verformungsgeschwindigkeit, um eine
Spannungs-Dehnungs-Kurve zu erhalten. Der Formänderungswiderstand wird dann erhalten
durch Dividieren der Gesamtfläche unterhalb der Spannungs-Dehnungs-Kurve,
das heißt des gestrichelten Bereichs in Fig. 7, durch die endgültige Verformung,
um den durchschnittlichen Formänderungswiderstand zu bestimmen. Dieser
Wert wird als "Formänderungswiderstand" bezeichnet. Die
Verformungsgeschwindigkeit kann auf Basis der Zeit bestimmt werden, welche erforderlich ist,
bis die Verformung 1,0 erreicht.
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Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen dem Formänderungswiderstand, welcher in
der vorgenannten Weise bestimmt wird, und der Verarbeitungstemperatur für
unlegierten Stahl (JIS STKM 19), nichtrostenden Stahl (JIS SUS-304), Legierungen
auf Nickelbasis (Alloy 825, Alloy 625, C276) und eine Legierung auf Kobaltbasis
(Stellite #1). Die chemische Zusammensetzung ist jeweils in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1 (Gew.-%)
Legierung Andere Stellite Unlegierter Stahr Rest
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Wie in Fig. 8 gezeigt, war der Formänderungswiderstand der Legierungen auf
Nickelbasis und der Legierung auf Kobaltbasis extrem hoch im Vergleich mit
demjenigen des unlegierten Stahls und nichtrostenden Stahls. Dies bedeutet, daß
Legierungen auf Nickel- und Kobaltbasis selbst bei hohen Temperaturen schwer zu
bearbeiten sind. Wenn beispielsweise die Verarbeitungstemperatur während der
Deformation, das heißt die Barrentemperatur in der Region II in Fig. 4, 1100ºC
beträgt, beträgt der Formänderungswiderstand 92 N/mm² (9,4 kgf/mm²) für
unlegierten Stahl und 14,0 kgf/mm² für SUS 304. Daher beträgt das Verhältnis des
Formänderungswiderstandes dieser zwei Metalle etwa 1 ,5. Andererseits beträgt
der Formänderungswiderstand einer Legierung auf Nickelbasis (Alloy 825) 270 N/mm²
(27,5 kgf/mm²) bei 1100ºC und das Verhältnis des
Formänderungswiderstandes von Alloy 825 zu demjenigen des nichtlegierten Stahls beträgt etwa 2,9.
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Eine der Hauptursachen der Bildung von Rissen in der Plattierungsschicht bei der
Herstellung von plattierten Rohren aus unlegiertem Stahl und einer Legierung auf
Nickelbasis,jedoch nicht bei der Herstellung eines plattierten Rohrs aus
unlegiertem Stahl und nichtrostendem Stahl, besteht darin, daß das
Formänderungswiderstandsverhältnis für den ersteren Rohrtyp höher ist als für den letzteren. Da
daher das Formänderungswiderstandsverhältnis des Plattierungsmaterials
(einer Legierung auf Nickelbasis) zu dem Formänderungswiderstand des
Grundmaterials (unlegierter Stahl) hoch ist, ist der Materialfluß während der Deformation
für die zwei Materialien völlig unterschiedlich. Als Ergebnis fließt zunächst die
Schicht des Materials mit niedrigerem Formänderungswiderstand bevorzugt vor
derjenigen mit einem höheren Formänderungswiderstand. Danach folgt ein
plastisches Fließen des Materials mit einem hohen Formänderungswiderstand, da
das Material gezwungen wird, mit einer Zunahme des Extrusionsdrucks sich in
Richtung der Extrusions-Preßform zu bewegen, was das plastische Strömen des
Materials mit geringerem Formänderungswiderstand stören wird. Die
Deformation der zwei unterschiedlichen Typen tritt alternierend auf, wodurch eine
periodische Änderung der Wanddicke der Plattierungsschicht während der
Deformation resultiert. Weiterhin besitzt die Legierung auf Nickelbasis einen hohen
Formänderungswiderstand und ist schwierig zu bearbeiten. Letztendlich treten daher
verbindungsähnliche Risse in der Plattierungsschicht, das heißt der
Legierungsschicht auf Nickelbasis auf.
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Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben eine Reihe von Experimenten
durchgeführt, wobei die Hauptursache dieses Typs der wellenförmigen
Fluktuation in der Wanddicke einer Plattierungsschicht und die Bildung von
verbindungsähnlichen Rissen herausgefunden wurde. Es haben sich kritische
Bedingungen zur Verhinderung solcher Defekte auf der Oberfläche der
Plattierungsschicht herausgestellt.
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Fig. 9 ist eine Schnittansicht eines kombinierten Barrens, welcher bei dem oben
beschriebenen Experiment verwendet wurde. Wie gezeigt, wurden ein Rohrrohling
1 aus geschmiedetem unlegiertem Stahl (Grundschicht) mit einer in Tabelle 1
gezeigten chemischen Zusammensetzung (JIS STKM 19) und eine dünnwandige
Kapsel 5 aus weichem Stahl konzentrisch angeordnet. Die Bodenenden des
Rohrrohlings 1 und der Kapsel 5 wurden mittels einer Abschlußplatte 6-2
verschlossen. Ein Pulver aus einer Legierung auf Nickelbasis mit der in Tabelle 1 gezeigten
chemischen Zusammensetzung als Alloy 625 wurde in den ringförmigen Raum
zwischen dem Rohrrohling 1 und der Kapsel 5 gegossen. Die oberen Enden des
Rohrrohlings 1 und der Kapsel 5 wurden durch eine Abschlußplatte 6-1
verschlossen, um einen kombinierten Barren mit Mehrfachschichten vorzusehen.
Ein Wärmeisolations-Hüllrohr 9 wurde verwendet, um die
Legierungspulverschicht 4 auf Nickelbasis bei einer hohen Temperatur zu halten.
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Es wurde eine Vielzahl solcher Barren hergestellt. Jeder Barren wurde
nacheinander unter einer der folgenden Bedingungen erwärmt und dann
warmstranggepreßt.
(1) Barren I:
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Dieser Barren wurde durch und durch gleichmäßig erwärmt. Das heißt, die
Verarbeitungstemperatur war für das Grundrohr 1 und die Pulverpackungsschicht 4
die gleiche.
(2) Barren II:
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In diesem Fall wurde die Pulverpackungsschicht 4 auf eine höhere Temperatur als
das Grundrohr 1 erwärmt, so daß die Verarbeitungstemperatur der ersteren etwa
50ºC höher war als diejenige des Rohrrohlings 1.
(3) Barren III:
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Dieser Barren wurde so erwärmt, daß die Verarbeitungstemperatur der
Pulverpackungsschicht 9 etwa 100ºC höher war als diejenige des Rohrrohlings 1.
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Wenn zwischen der Pulverpackungsschicht und dem Grundrohr ein
Temperaturunterschied eingestellt wird, tritt ein Temperaturgradient von der Innenseite des
Barrens (bei hohen Temperaturen) in Richtung der Außenseite des Barrens (bei
niedrigen Temperaturen) auf. Der hierin verwendete Ausdruck
"Temperaturunterschied" bedeutet, daß die Temperatur zwischen der Mitte der Wanddicke der
Pulverpackungsschicht und der Mitte der Wanddicke des Rohrrohlings differiert
Weiterhin ist die Verarbeitungstemperatur die Temperatur des Barrens an einer
Stelle unmittelbar stromaufwärts der Extrusions-Preßform, das heißt die
Temperatur im Deformationsbereich (Region II).
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Die Verarbeitungstemperatur wurde wie folgt bestimmt.
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Zunächst wurden die Temperaturen in jedem der Abschnitte des erwärmten
Barrens durch Verwendung eines in dem Barren eingebetteten Thermoelements kurz
vor Einführung des Barrens in den Behälter bestimmt. Dann wurde der
Temperaturabfall aufgrund der durch den Behälter und den Dorn (jeweils auf etwa
100-300ºC vorerwärmt) absorbierten Wärme berechnet und von der
Ausgangstemperaturtur patu subtrahiert. Wie bereits erwähnt, betrug der Temperaturabfall
hierbei etwa 50ºC.
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Tabelle 2 faßt die Ergebnisse der vorgenannten Prüfungen zusammen,
einschließlich den Verarbeitungstemperaturen des Rohrrohlings und der
Pulverpackungsschicht und den Verhältnissen des Formänderungswiderstandes für jede
Kombination von Materialien.
Tabelle 2
Verarbeitungstemperatur des Rohrrohlings Verarbeitungstemperatur der Pulververpackungsschicht
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In Tabelle 2 zeigt das Symbol "*" den Fall, bei dem das stranggepreßte Rohr keine
verbindungsähnlichen Defekte aufwies.
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Fig. 10 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Bildung von
verbindungsähnlichen Defekten und der Temperatur der Pulverpackungsschicht, dem
Unterschied zwischen den Verarbeitungstemperaturen des Rohrrohlings und der
Pulverpackungsschicht und das Verhältnis des Formänderungswiderstandes des
Pulverpackungsschicht gegenüber dem des Rohrrohlings zeigt. In dem Diagramm
zeigt das Symbol "O" den Fall, bei dem die Wanddicke der Plattierungsschicht sich
In keinem wesentlichen Ausmaß änderte und keine Rißbildung auftrat. Das
Symbol "Δ" zeigt den Fall, bei dem geringe Änderungen in der Wanddicke sowie leichte
Rißbildungen, welche durch zusätzliche Behandlung leicht entfernt werden
konnten, auftraten. Das Symbol "O" zeigt den Fall, bei dem ernsthafte Defekte, wie
etwa Rißbildung, auftraten, welche nicht wiederhergestellt werden konnten.
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Wenn der Temperaturunterschied zwischen dem Rohrrohling und der
Pulverpackungsschicht Null war, das heißt, der Barren gleichmäßig erhitzt worden ist,
wie durch Kurve der Fig. 10 gezeigt, traten verbindungsähnliche Defekte in der
Legierungsschicht auf Nickelbasis, das heißt der Plattierungsschicht bei einer
Verarbeitungstemperatur von sowohl 1100ºC als auch 1200ºC auf. Wenn die
Verarbeitungstemperatur
etwa 1200ºC beträgt, wird angenommen, daß die
Erwärmungstemperatur des Barrens 1250ºC beträgt und die Legierung auf Nickelbasis
bis zu ihrer Soliduslinie erwärmt worden ist. Daher war in diesem Fall die
Rißbildung hauptsächlich durch eine Verringerung der Duktilität aufgrund der
teilweisen Bildung einer Flüssigphase bedingt, und war nicht auf das Verhältnis des
Formänderungswiderstandes zurückzuführen, welcher 2,3 betrug, wie in Tabelle
2 gezeigt.
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Dazu gegensätzlich, wie durch Kurve der Fig. 10 gezeigt, traten, wenn die
Verarbeitungstemperatur der Pulverpackungsschicht um 50ºC über diejenige des
Rohrrohlings erhöht wurde, verbindungsähnliche Defekte bei einer
Verarbeitungstemperatur von etwa 1050ºC auf (die Verarbeitungstemperatur des
Rohrrohlings betrug etwa 1000ºC). Wenn jedoch die Verarbeitungstemperatur etwa
1150ºC betrug, kam es zu keinen wesentlichen verbindungsähnlichen Defekten
und es konnte eine stabile Herstellung des plattierten Rohrs durchgeführt
werden. Der Grund, warum verbindungsähnliche Defekte bei einer
Verarbeitungstemperatur von etwa 1050ºC für den Rohrrohling auftraten, besteht darin, daß
der Formänderungswiderstand der Pulverpackungsschicht etwa dreimal so hoch
war wie derjenige des Rohrrohlings. Wenn die Verarbeitungstemperatur der
Legierungsschicht auf Nickelbasis etwa 1150ºC betrug, war der
Formänderungswiderstand etwa 213 N/mm² (21,7 kgf/mm²) für Alloy 625, wie in Fig. 8 angegeben.
Wenn andererseits die Verarbeitungstemperatur der unlegierten Stahlschicht
etwa 1100ºC betrug und etwa 50ºC niedriger war als diejenige der
Nickel-Pulverpackungsschicht, betrug der Formänderungswiderstand etwa 9,4 kgf/mm², wie
in Fig. 8 gezeigt. Das Formänderungswiderstandsverhältnis verringerte sich
somit auf etwa 2,3. Dies ist der Grund, weshalb keine verbindungsähnlichen
Defekte auftraten.
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Wie durch Kurve der Fig. 10 gezeigt, traten, wenn die Verarbeitungstemperatur
der Pulverpackungsschicht 100ºC höher war als diejenige des Rohrrohlings,
verbindungsähnliche Defekte nicht auf, selbst bei einer Verarbeitungstemperatur
von 1100ºC, und bei einer Verarbeitungstemperatur von etwa 1150ºC kam es zu
keinen wesentlichen verbindungsähnlichen Defekten, so daß ein stabiles
Strangpressen des plattierten Rohrs durchgeführt werden konnte. In diesem Fall betrug
das Verhältnis des Formänderungswiderstandes der Pulverpackungsschicht zu
demjenigen des Grundrohrs etwa 2,3 bzw. 2,1.
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In dem durch das Symbol "Δ" in Fig. 10 gezeigten Fall gab es eine geringe
Fluktuation in der Wanddicke sowie die Bildung verbindungsähnlicher Defekte, welche
wiederherstellbar waren. Das Verhältnis des Formänderungswiderstandes
betrug 2,3-2,5.
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Die obigen Experimente wurden für weitere Kombinationen aus dem Rohrrohling
und der Pulverpackungsschicht durch Variieren der Metalltypen wiederholt. Es
wurde bestätigt, daß, solange das Warmstrangpressen bei einem Barren
angewandt wird, bei dem die Temperatur der Rohrrohlingsschicht, welche einen
höheren Formänderungswiderstand besitzt (dies ist gewöhnlicherweise die
Plattierungsschicht) so eingestellt wird, daß sie höher ist als die Temperatur des anderen
Rohrrohlings, die Fluktuation in der Wanddicke der Plattierungsschicht und die
Bildung von verbindungsähnlichen Defekten verringert und manchmal
erfolgreich verhindert werden können, selbst wenn das Metall ein Schmiedemetall oder
eine Pulververpackungsschicht ist.
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Hinsichtlich des Temperaturunterschieds ist es bevorzugt, daß die Temperatur
einer der Schichten des Barrens, welche einen höheren
Formänderungswiderstand aufweist, um 50ºC oder mehr über die Temperatur der anderen Schicht
erhöht wird. Obwohl die spezielle Temperaturdifferenz von der besonderen
Kombination der Metalle abhängt, ist ein Temperaturunterschied von mindestens 50ºC
erforderlich.
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Der Zweck der Errichtung eines solchen Temperaturunterschieds besteht darin,
das Verhältnis des Formänderungswiderstandes der zwei Metalle während dem
Strangpressen so einzustellen, daß es 2,5 oder weniger und vorzugsweise 2,3 oder
weniger beträgt.
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Wie aus Tabelle 2 und Fig. 10 ersichtlich ist, kann, solange das Verhältnis des
Formänderungswiderstandes der zwei Metalle auf 2,5 oder weniger eingestellt
wird, die Bildung verbindungsähnlicher Defekte erfolgreich verhindert werden,
vorausgesetzt, es kommt zu keiner Bildung eine Flüssigphase. Wenn andere
Defekten in einem gewissen Ausmaß gebildet werden, sind diese gering. Wenn
weiterhin das Verhältnis auf 2,3 oder weniger eingestellt wird, können die
verbindungsähnlichen Defekte nahezuvollständig vermieden werden und
Fluktuationen in der Wanddicke der Plattierungsschicht sowie der Grund-Basisschicht
können auf einen extrem geringen Wert reduziert werden.
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Wie aus den in Fig. 8 gezeigten Ergebnissen ersichtlich ist, besteht eine
allgemeine Tendenz, daß je höher die Verarbeitungstemperatur, desto geringer ist der
Unterschied im Formänderungswiderstand. Wenn somit die
Erwärmungstemperatur für den kombinierten Barren ansteigt, verringert sich rasch der
Formänderungswiderstand von Legierungen auf Nickelbasis und Kobaltbasis, ebenso
verringert sich das Verhältnis des Formänderungswiderstandes der Legierung auf
Nickel- oder Kobaltbasis zu demjenigen des unlegierten Stahls. Wenn jedoch die
Temperatur übermäßig erhöht wird, das heißt über die Soliduslinie des Metalls
mit niedrigerem Schmelzpunkt hinaus, tritt eine Flüssigphase auf, welche in den
vorgenannten Defekten resultiert. Weiterhin erfordert die Erhöhung der
Temperatur zusätzliche Wärme, so daß eine Zunahme der Energiekosten und
Zunderverlust des Barrens unvermeidlich sein werden. Häufig kommt es ebenso zu
einem Abbau der Materialeigenschaften des plattierten Rohrprodukts sowie einem
merklichen Schaden der Strangpreßform.
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Daher ist es erwünscht, daß der Rohrrohling des Metalls mit geringerem
Formänderungswiderstand bei einer so niedrig wie möglichen Temperatur gehalten und
der andere Rohrrohling mit höherem Formänderungswiderstand bei einer
höheren Temperatur als der erste Rohrrohling gehalten werden. In diesem
Zusammenhang erfolgt eine weitere Erläuterung des Formänderungswiderstandes unter
Bezugnahme auf Fig. 8. in dem Fall, bei dem beispielsweise unlegierter Stahl auf
1100ºC und Alloy 625 auf 1150ºC; erwärmt werden, beträgt der
Formänderungswiderstand der zwei Metalle 92 N/mm² (9,4 kgf/mm²) beziehungsweise 213 N/mm²
(21,7 kgf/mm²) und das Formänderungswiderstandsverhältnis beträgt 2,3.
Solche thermischen Bedingungen sollten daher in dem Barren vor dem
Strangpressen erzielt werden.
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Im Falle der Kombination von unlegiertem Stahl oder niedrig legiertem Stahl mit
Legierungen auf Nickelbasis kann das Formänderungswiderstandsverhältnis auf
2,3 oder weniger eingestellt werden, indem die Temperatur der Legierungsschicht
auf Nickelbasis im Zentrum der Wanddicke so eingestellt wird, daß sie etwa 50ºC
oder mehr über der Temperatur des unlegierten Stahls oder niedrig legierten
Stahlschicht im Zentrum der Wanddicke liegt.
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Es ist vorteilhaft, einen solchen Temperaturunterschied selbst für eine
Kombination von Metallen vorzusehen, welche ein Formänderungswiderstandsverhältnis
von 2,5 oder weniger oder 2,3 oder weniger bei der Strangpreßtemperatur
aufweisen.
Je niedriger nämlich die Verarbeitungstemperatur ist, desto mehr werden die
Eigenschaften des plattierten Rohrprodukts aufgrund der Bildung einer
bevorzugten metallographischen Struktur verbessert. Wenn daher zwei Typen von
Metallen, welche beide ein Formänderungswiderstandsverhältnis von 2,3 oder
weniger aufweisen, zum Zusammenfügen eines Barrens verwendet werden, wäre es
ratsam, einen Temperaturunterschied zwischen den Metallen einzustellen, so
daß die Rohrbildung bei einer niedrigeren Temperatur durchgeführt werden
kann, wodurch die Produkteigenschaften weiter verbessert und die
Erhitzungsenergie verringert werden können.
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Weiterhin ist es möglich, die Fluktuation in der Wanddicke durch Erzeugung
eines Temperaturunterschieds zwischen den zwei Typen von Metallen, welche einen
Strangpreß-Barren bilden, umso den Unterschied des
Formänderungswiderstandes so gering wie möglich zu machen, stark zu verringern. Beispielweise beträgt
bei 1100ºC das Verhältnis des Formänderungswiderstandes von Alloy 825 zu
demjenigen des unlegierten Stahls 2,3, und es treten keine verbindungsähnlichen
Defekte auf, selbst wenn die Deformation für beide Metalle bei der gleichen
Temperatur durchgeführt wird, d. h. wenn kein Temperaturunterschied auf die zwei
Typen von Metallen angewandt wird. Wenn jedoch die Alloy 825-Schicht auf eine
höhere Temperatur erwärmt wird, um deren Formänderungswiderstand bis herab
zu demjenigen von unlegiertem Stahl zu verringen, kann ein plattiertes
Metallrohr hergestellt werden, welches verbesserte Eigenschaften besitzt und welches
vollständig frei ist an Fluktuationen der Wanddicke.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann auf ein Verfahren zur
Herstellung von Rohren angewandt werden, welches das Zusammenfügen eines
kombinierten Barrens aus zwei Rohrrohlingen, die jeweils aus unterschiedlichen
Typen von Schmiedemetallen hergestellt sind, und das Warmstrangpressen des
kombinierten Barrens nach dem Erwärmen umfaßt. Wie beispielwiese in Fig. 1
gezeigt, sind die Rohrrohlinge 1 und 2 aus unlegiertem Stahl bzw. schwer zu
bearbeitenden Materialen, wie Legierungen auf Nickelbasis, Legierungen auf
Kobaltbasis, Legierungen aus Titan oder Legierungen auf Titanbasis,
zusammengesetzten Materialien, welche hauptsächlich intermetallische Verbindungen umfassen,
und Carbiden und Nitriden von Metallen, welche einen höheren
Formänderungswiderstand als unlegierter Stahl aufweisen, hergestellt. Der kombinierte Barren 3
wird hergestellt durch konzentrisches Kombinieren dieser zwei Rohrrohlinge 1
und 2. Vor dem Durchführen des Warmstrangpressens wird der Rohrrohling,
welcher
aus dem schwer zu bearbeitbaren Material hergestellt ist, auf eine
Temperatur erwärmt, welche mindestens 50ºC höher ist als die Temperatur der
unlegierten Stahlschicht. Daher können Fluktuationen in der Wanddicke der schwer zu
bearbeitbaren Materialschicht (gewöhnlicherweise die Plattierungsschicht) sowie
verbindungsähnliche Risse erfolgreich unterdrückt werden.
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Einige Beispiele praktischer Verfahren für das Vorsehen des
Temperaturunterschiedes zwischen den zwei Typen von Metallen, welche einen kombinierten
Barren bilden, sind wie folgt:
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i) Durch Einstellen der Frequenz einer Hochfrequenz-Induktionsheizung, so daß
die schwer zubearbeitende Metallschicht auf eine höhere Temperatur als die
leicht zu bearbeitende Metallschicht erwärmt wird.
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ii) Durch Einstellen der Heizrichtung von Gasbrennern in einem gasbeheizten
Ofen, so daß die schwer zu bearbeitende Metallschicht auf eine höhere
Temperatur als die leicht zu bearbeitende Metallschicht erwärmt werden kann.
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iii) Nach dem gleichmäßigen Erwärmen eines kombinierten Barrens in einem
Hochfrequenz-Induktionsofen, einem gasbeheizten Ofen, einem elektrischen Ofen etc.,
wird die leicht zu bearbeitende Metallschicht mit einem geringeren
Formänderungswiderstand auf eine niedrigere Temperatur als diejenige der schwer zu
bearbeitenden Metallschicht gekühlt. Die Kühlung kann beispielsweise durch
Sprühen eines Kühlmediums, wie Wasser, Inertgas, Luft etc., gegen die Oberfläche der
leicht zu bearbeitenden Metallschicht durchgeführt werden.
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Um die Wirkung der oben erwähnten Verfahren zu ergänzen, kann ein
Wärmeisolations-Hüllrohr 9, wie in Fig. 3 und 9 gezeigt, verwendet werden. Dies
deshalb, da der erwärmte Barren während dem Strangpressen beim Kontakt eines
Dorns mit der Innenoberfläche des erwärmten Barrens abgekühlt wird. Wenn
daher die Pulverpackungsschicht auf eine höhere Temperatur als die des Grund-
Rohrrohlings 1 erwärmt wird, würde der Temperaturunterschied im Bereich der
Deformation verschwinden. Ein Wärmeisolations-Hüllrohr ist wirksam zur
Beibehaltung des Temperaturunterschieds. Es ist ebenso wirksam, einen
Temperaturabfall der Pulverpackungsschicht zu unterdrücken, um so die Bildung von durch
den Temperaturabfall bedingten Defekten zu vermeiden. Wenn die
Pulverpackungsschicht auf die Außenseite des kombinierten Barrens plaziert wird, wird
natürlich das Hüllrohr 9 ebenso auf der Außenseite der Pulverpackungsschicht
plaziert.
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Das Warmisolations-Hüllrohr 9 kann eine doppel- oder mehrwandige Struktur,
welche aus zwei oder mehreren Metall(unlegierter Stahl)-Blechen hergestellt ist,
aufweisen. Vorzugsweise ist ein Material mit einem geringen
Wärmeübertragungskoeffizient zwischen diesen Blechen vorgesehen.
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Das Wärmeisolations-Hüllrohr kann in Form eines Rohrs mit zwei oder mehreren
Wänden, zwischen denen ein Wärmeisolationsmaterial angeordnet ist, vorliegen.
Einige Beispiele des Wärmeisolationsmaterials sind Metalloxide, wie etwa Oxide
von Eisen, Titan, Silicium oder Aluminium, Metallnitride und Mischungen davon.
Nichtmetallische Wärmeisolationsmaterialien, wie etwa Ziegel, können ebenso
verwendet werden. Das Wärmeisolationsmaterial kann zwischen den Wänden in
Form eines Pulvers gepackt werden, oder es kann in Form einer Schicht, welche
chemisch oder mechanisch an den Oberflächen der Wände gebunden ist,
vorliegen.
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Gemäß einem Beispiel der Erfindung wird ein Wärmeisolationsrohr aus einem
niedriglegierten Stahlrohr hergestellt. Ein hauptsächlich Eisenoxid
umfassendes Wärmeisolationsmaterial wird auf der äußeren Oberfläche des Rohrs
vorgesehen, und das Rohr wird dann in ein zweites Rohr aus niedriglegiertem Stahl mit
einem größeren Durchmesser eingesetzt. Die resultierende Anordnung wird einem
leichten Ziehen unterzogen, um ein doppelwandiges Stahlrohr, welches als
Wärmeisolations- Hüllrohr verwendet werden kann, zu erzeugen.
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Um den Temperaturunterschied zwischen jeder der Schichten, welche einen
kombinierten Barren bilden, zu regulieren, ist es notwendig, vorausgehend die
Beziehung zwischen der Erwärmungstemperatur und der Verarbeitungstemperatur
während dem Strangpressen für jede von verschiedenen Größen von Barren durch
Ausführung von Versuchserwärmungen zu bestimmen. Die Temperatur kann
unter Verwendung eines Thermoelements, welches in jeder der Schichten in der
Mitte der Wanddicke eingebettet worden ist, bestimmt werden. Auf Grundlage einer
solchen vorausgehend bestimmten Beziehung zwischen der
Erwärmungstemperatur und der Verarbeitungstemperatur kann ein erwünschter
Temperaturunterschied zwischen den jeweiligen Schichten des Barrens durch einfaches
Regulieren der Erwärmungstemperatur des Barrens eingestellt werden.
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Wie bereits erwähnt, es ist erwünscht, den Temperaturunterschied auf 50ºC oder
mehr einzustellen. Ein solcher Temperaturunterschied kann durch Regulieren
des Temperaturunterschieds entweder bei der Barren-Erwärmungsstufe am
Eingang für einen Barren unmittelbar vor dem Behälter einer Strangpreßvorrichtung
oder in dem oben erwähnten Deformationsbereich erhalten werden. Idealerweise
sollte der Temperaturunterschied durch Regulieren der Temperaturen im
Deformationsbereich erhalten werden. Es ist jedoch ziemlich schwierig, dies während
der tatsächlichen Herstellung auszuführen. Da ein Temperaturunterschied von
50ºC oder mehr am Einlaß des Behälters selbst im Deformationsbereich
beibehalten wird, ist es jedoch zweckmäßig, den Temperaturunterschied am Einlaß des
Behälters zu regulieren.
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Die Erwärmungstemperatur sollte unter Berücksichtigung der Art des Metalls,
des Temperaturabfalls, bevor das Metall den Deformationsbereich erreicht und
anderen Faktoren bestimmt werden. Beispielsweise liegt im Falle von Legierungen
auf Nickelbasis die Erwärmungstemperatur vorzugsweise im Bereich von
1000-1250ºC, und die damit zu kombinierende Schicht aus unlegiertem Stahl wird auf
eine mindestens 50ºC niedrigere Temperatur als diejenige der Legierung auf
Nickelbasis erwärmt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist unter industriellen Gesichtspunkten
vorteilhafter, wenn mindestens eine der Schichten, welche einen kombinierten
Barren bilden, eine Pulverpackungsschicht umfaßt. In diesem Fall ist es erwünscht,
auf den zusammengefügten Barren vor dessen Erwärmung eine CIP (isostatische
Kaltpressung) anzuwenden, um so die Pulverpackungsschicht weiter zu
verdichten.
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Üblicherweise wird ein Metallpulver in einen kreisförmigen Raum zwischen einem
Rohrrohling und einer Kapsel gegossen. Selbst wenn jedoch das Gießen unter
Vibration des Raums durchgeführt wird, ist die scheinbare Dichte der gepackten
Schicht höchstens 70% bezüglich der wahren Dichte. Dies bedeutet, daß die
Verringerung der Dicke während dem Strangpressen groß ist, was in einem häufigen
Auftreten großer Fluktuationen in der Wanddicke der Plattierungsschicht
resultiert. Ein geringer Grad an Ungleichmäßigkeit der Temperatur in der
Pulverpackungsschicht erhöht weiterhin die Fluktuation in der Wanddicke. Wenn
weiterhin eine starke Schrumpfung der Pulverpackungsschicht während dem
Strangpressen auftritt, kann ein dünnwandiges Metallrohr, welches die
Pulverpackungsschicht
umgibt, unter Ausbildung von Falten, welche Ausgangspunkte
für verbindungsähnliche Defekte sind, einknicken.
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Durch CIP-Anwendung wird die scheinbare Dichte der Pulverpackungsschicht
auf etwa 80% der wahren Dichte erhöht. In diesem Fall können die vorgenannten
Nachteile, welche durch eine geringe scheinbare Dichte verursacht werden,
erfolgreich mit einer verbesserten Produktausbeute verhindert werden. Weiterhin
werden die Produkt- und Barrenausgestaltungen vereinfacht.
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Ein weiterer Vorteil der CIP-Anwendung besteht darin, daß die Wirksamkeit der
Induktionsheizung aufgrund der hohen Dichte der Pulverschicht erhöht ist. Wenn
in der Pulverpackungsschicht viele Poren vorhanden sind, besitzt sie einen hohen
elektrischen Widerstand und eine geringe thermische Leitfähigkeit. Daher ist
während dem Induktionsheizen die Wärmeerzeugung pro eingesetzter
Energieeinheit gering. Die Erhöhung der Dichte der Pulverpackungsschicht durch CIP
behebt dieses Problem. Insbesondere bei Anwendung der Induktionsheizung zur
Erwärmung der Pulverpackungsschicht auf eine höhere Temperatur als üblich kann
die Energieeffizienz verbessert und eine Verkürzung des Erwärmens mit einer
Zunahme der Produktivität erzielt werden.
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Wie in Fig. 3 gezeigt, kann der Barren zwei Pulverpackungsschichten umfassen,
welche aus verschiedenen Typen von Metallen bestehen. Metallpulver, welche bei
der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, werden vorzugsweise
durch ein Gasatomisierungsverfahren hergestellt, da durch Gasatomisierung
erhaltene Teilchen rund und ebenso dicht gepackt sind. Im Hinblick auf die
Produkteigenschaften ist es bevorzugt, Teilchen mit einem geringen Gehalt an
gasförmigen Komponenten, wie etwa Sauerstoff, zu verwenden.
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Wie oben erwähnt, besitzt ein nahtloses Rohr mit einer Grundschicht aus
unlegiertem Stahl oder niedriglegiertem Stahl und einer Plattierungsschicht aus einer
Legierung auf Nickelbasis eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich
Leitungsrohren für Öl, Boilerrohre und Leitungen zur Verwendung in chemischen
Anlagen mit verbesserter Korrosionsbeständigkeit.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird in Verbindung mit einigen
Arbeitsbeispielen zur Herstellung eines solchen plattierten Metallrohrs näher beschrieben.
Beispiel 1
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(I) Wie in Fig. 11 gezeigt, wurde ein hohlzylindrischer Rohrrohling aus
geschmiedetem, unlegierten Stahl (0,08% C - 0,35% Si - 1,5% Mn - Fe) mit einem
Außendurchmesser von 208 mm und einem Innendurchmesser von 150 mm
hergestellt. Eine Kapsel 5 aus unlegiertem Stahl (C: 0,004%) mit einem
Innendurchmesser von 77,3 mm und 3 mm Wanddicke wurde konzentrisch innerhalb des
Grundrohrrohlings 1 angeordnet. Die unteren Enden des Rohrrohlings 1 und der
Kapsel 5 wurden mit einer aus einem Material entsprechend JIS 5541
hergestellten Abschlußplatte 6-2 verschlossen. Die Abmessung der Kapsel 5 war so
ausgelegt, um Toleranzen aufzuweisen für die Kompensation einer nach außen
gerichteten Expansion, welche während dem isostatischen Kaltpressen, das später
beschrieben wird, auftraten.
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Ein Pulver aus Alloy 625 (21% Cr - 8% Mo - 3,4% Nb - 62% Ni - 4% Fe), welches mit
Argongas atomisiert worden ist und welches eine Teilchengröße von 250 um oder
weniger besaß, wurde innerhalb des ringförmigen Raums zwischen dem
Rohrrohling 1 und der Kapsel 5 gepackt, dann wurde eine Abschlußplatte 6-1 auf die
oberen Enden des Rohrrohlings 1 und der Kapsel 5 gesetzt. Nach Evakuierung auf ein
Vakuum von 10&supmin;³ Torr wurde der ringförmige Raum vollständig verschlossen. Ein
Wärmeisolations-Hüllrohr 9 aus SS41-Stahl mit 1 mm Dicke, dessen
Außenoberfläche zur Bildung einer wärmebeständigen Schicht leicht oxidiert worden ist,
wurde an der Innenseite der Kapsel 5 zur Bildung eines kombinierten Barrens
befestigt. Die kompaktierte Dichte der Pulverpackungsschicht betrug 73% in bezug
auf die wahre Dichte. Um die Kompaktdichte weiter zu erhöhen, wurde der Barren
einer isostatischen Kaltpressung bei 5000 atm während 2 Minuten unterzogen
Auf Grundlage des Gewichts und Volumens des Barrens nach dem isostatischen
Pressen wurde die Dichte der so erhaltenen kompaktierten Pulverschicht mit 82%
der wahren Dichte bestimmt.
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Der kombinierte Barren wurde dann während etwa 1,5 Stunden in einem
gasbeheizten Ofen bei 1000ºC erwärmt. Der erwärmte Barren wurde in eine
Induktionsspulenheizvorrichtung eingeführt, um die äußere Hülle des Barrens in der Mitte
der Dicke auf 1170ºC zu erhitzen. Die Pulverpackungsschicht aus Alloy 625 wurde
durch geeignetes Einstellen der Eingabefrequenz der Induktionsspule auf 1230ºC
erhitzt. Nach Beendigung des Erhitzens wurde der Barren unter Anwendung eines
Extrusionsverhältnisses von 11 bei einer Extrusionsgeschwindigkeit von 110 mm/s
dem Warmstrangpressen unterzogen, um eine plattierte Röhre mit einem
Außendurchmesser von 100 mm und einem Innendurchmesser von 79 mm zu
bilden. Die Wanddicke der Plattierungsschicht betrug 3,4 mm.
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Während dem Strangpressen wurde die Temperaturin der Mitte der Wanddicke im
Deformationsbereich auf 1120ºC für den Rohrrohling und auf 1180ºC für die
Pulverpackungsschicht geschätzt. Das Formänderungswiderstandsverhältnis
wurde daher in Übereinstimmung mit dem in Fig. 8 gezeigten Diagramm auf 2,2
geschätzt.
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Das stranggepreßte plattierte Rohr wurde durch Ätzen behandelt, um die Kapsel
zu entfernen. Die Außen- und Innenoberfläche werden makro- und
mikroskopisch nach Oberflächendefekten untersucht. Es bestätigte sich, daß keine
Oberflächendefekte, wie Rißbildung, vorhanden waren. Ebenso wurde eine
Ultraschalluntersuchung durchgeführt, um die Fluktuation der Wanddicke der
Plattierungsschicht zu bestimmen. Die Fluktuation befand sich innerhalb ± 5%
bezüglich der durchschnittlichen Wanddicke.
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(II) Der gleiche Barren wie bei (I) wurde in der Weise erwärmt, daß die Außenhülle
des Barrens auf 1125ºC in der Mitte der Dicke und die Pulververpackungsschicht
auf 1175ºC erhitzt wurden. Der erhitze Barren wurde dann dem
Warmstrangpressen unterzogen.
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Während dem Strangpressen wurde die Temperaturin der Mitte der Wanddicke im
Deformationsbereich auf 1075ºC für den Rohrrohling und auf 1125ºC für die
Pulverpackungsschicht geschätzt. Aus Fig. 8 wurde das
Formänderungswiderstandsverhältnis der Pulverpackungsschicht mit Bezug auf den
Grund-Rohrrohling mit etwa 2,4 bestimmt. In diesem Fall gab es eine geringe Abweichung der
Querschnittsform der Plattierungsschicht, welche jedoch durch weitere
Behandlung, wie maschinelle Bearbeitung und Schleifen, beseitigten werden konnte.
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(III) Als Vergleichsbeispiel wurde der in (I) erhaltene,verdichtete Barren während
1,5 Stunden auf 1000ºC erhitzt und in einen Induktionsheizungsofen eingeführt,
um den Grund-Rohrrohling und die Pulverpackungsschicht gleichmäßig bei
1200ºC zu erhitzen. Der so erhitzte Barren wurde unter den gleichen Bedingungen wie
oben dem Warmstrangpressen unterzogen. In diesem Fall wurde die Temperatur
des gesamten Barrens auf etwa 1150ºC während der Deformation geschätzt. Das
Formänderungswiderstandsverhältnis für die äußere und innere Hülle wurde auf
Grundlage des in Fig. 8 gezeigten Diagramms mit etwa 2,8 bestimmt.
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In diesem Fall war während dem Strangpressen eine große Fluktuation des
Extrusionsdruckes zu beobachten. Die Untersuchung des resultierenden plattierten
Rohrs ergab, daß eine beträchtliche Fluktuation in der Wanddicke der
Plattierungsschicht mit nicht wiederherstellbaren, verbindungsähnlichen Defekten in
Abständen von etwa 300 mm vorlag.
Beispiel 2
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(I) Wie in Fig. 12 gezeigt, wurde ein hohlzylindrisches Grundrohr 1 aus
geschmiedetem, unlegiertem Stahl (0,45% C) mit einem Außendurchmesser von 143
mm und einem Innendurchmesser von 62 mm hergestellt. Eine Kapsel 5 aus
niedriglegiertem Stahl, (C: 0,004%) mit einem Außendurchmesser von 177 mm und
einer Wanddicke von 4 mm wurde konzentrisch innerhalb des Rohrrohlings 1
angeordnet. Die unteren Enden des Rohrrohlings 1 und der Kapsel 5 wurden mit
einer aus einem Material entsprechend JIS SS41 hergestellten Abschlußplatte 6-2
verschlossen. Die Kapsel 5 wurde aus den gleichen Gründen, wie oben erwähnt,
mit einer Toleranz für die Schrumpfung ausgestattet.
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Ein Stellitepulver Nr. 6 (31% Cr - 4% W - 1,1% C - 1% Si - 56% Co), welches mit
Stickstoffgas atomisiert wurde und eine Teilchengröße von 125 um oder weniger besaß,
wurde innerhalb des ringförmigen Raums zwischen dem Rohrrohling 1 und der
Kapsel 5 gepackt, dann wurde eine Abschlußplatte 6-1 auf die oberen Enden des
Rohrrohlings 1 und der Kapsel 5 gesetzt. Der Barren wurde evakuiert und
vollständig verschlossen. Ein Wärmeisolations-Hüllrohr 9 aus SS41-Stahl mit einer
Dicke von 1 mm und einer Überzugsschicht aus Bornitridpulver wurde auf der
Außenseite der Kapsel 5 angeordnet, um einen kombinierten Barren zu bilden.
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Die Kompaktdichte der Pulverpackungsschicht betrug 68% mit Bezug auf die
wahre Dichte. Um die Kompaktdichte weiter zu erhöhen, wurde der Barren einem
Isostatischen Kaltpressen bei 5000 atm während 2 Minuten unterzogen. Auf
Grundlage des Gewichts und des Volumens des Barrens nach dem isostatischen
Pressen, wurde die Dichte der so kompaktierten Pulverschicht mit 79% bestimmt.
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Der kombinierte Barren wurde dann während etwa 2,0 Stunden in einem
gasbeheizten Ofen bei 1170ºC erwärmt. Um einen Temperaturunterschied zwischen
dem Grund-Rohrrohling 1 und der Pulverpackungsschicht 4 des kombinierten
Barrens zu errichten, wurde ein Wasserstrahl unter hohem Druck gegen die
innere Oberfläche des Barrens während 12 Sekunden unmittelbar vor dem
Warmstrangpressen gerichtet.
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Das Strangpressen wurde unter Anwendung eines Extrusionsverhältnisses von
9,1 und einer Extrusionsgeschwindigkeit von 125 mm/s durchgeführt, um ein
plattiertes Rohr mit einem Außendurchmesser von 81 mm und einem
Innendurchmesser von 59 mm zu bilden. Die Wanddicke der Plattierungsschicht betrug
2,1 mm.
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Während der Deformation wurde die Materialtemperatur auf Grundlage der
Vortestergebnisse, bei welchen die Temperaturen verschiedener Abschnitte des
Barrens gemessen wurden, in der Mitte der Wanddicke auf 1030ºC für den Grund-
Rohrrohling (unlegierter Stahl) und auf 1120ºC für die Pulverpackungsschicht
geschätzt. Das Formänderungswiderstandsverhältnis betrug etwa 2,2. Das
resultierende plattierte Rohr zeigte keinerlei Oberflächendefekte.
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(II) Als Vergleichsbeispiel wurde ein durch isostatisches Kaltpressen wie in (I)
verdichteter, kombinierter Barren auf 1150ºC in einem gasbeheizten Ofen erhitzt.
Der einen gleichmäßig erhitzten Grund-Rohrrohling und Pulverpackungsschicht
umfassende, kombinierte Barren wurde unter den gleichen Bedingungen wie oben
dem Warmstrangpressen unterzogen. Die Untersuchung des resultierenden,
plattierten Rohrs ergab, daß eine beträchtliche Fluktuaktion in der Wanddicke
bei der Plattierungsschicht mit nicht mehr zu beseitigenden,
verbindungsähnlichen Defekten in Abständen von etwa 300 mm vorlag.
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Das Deformationsverhältnis wurde mit etwa 2,9 bestimmt.
Beispiel 3
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Wie in Fig. 13 gezeigt, wurde ein Rohrohling 1-1 aus einem niedriglegierten
geschmiedeten Stahl (0,1% C - 2,2% Cr - 0,94% Mo) mit einem Außendurchmesser von
250 mm und einen Innendurchmesser von 125 mm hergestellt. Ein
hohlzylindrisches Element, d. h. ein Plattierungsrohrrohling 1-2 aus geschmiedeter Alloy
C276 (15% Cr - 5% Fe - 16% Mo - 4% W - 58% Ni) mit einem Außendurchmesser von
124 mm und einem Innendurchmesser von 105 mm wurde innerhalb des Rohrrohlings
1-1 angebracht, um eine Anordnung herzustellen. Abschlußplatten 6-1 und 6-2
aus JIS SUS 304 wurden auf beide Enden der Anordnung gesetzt. Nach dem
Evakuieren des ringförmigen Raums zwischen dem Rohrrohling 1-1 und dem
Plattierungs-Rohrrohling 1-2 auf 10&supmin;³ Torr, wurde die Anordnung durch Verschweißen
der Abschlußplatten verschlossen. Ein Wärmeisolations-Hüllrohr 9 aus SUS 304
mit einer Wanddicke von 4 mm, dessen Außenoberfläche leicht oxidiert worden
ist, um eine Wärmeisolationsschicht zu bilden, wurde an der Innenseite des
Plattierungs-Rohrrohlings 1-2 fixiert, um einen kombinierten Barren für das
Strangpressen zu bilden.
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Der kombinierte Barren wurde dann 5 Stunden in einem gasbeheizten Ofen bei
1100ºC erhitzt. Der erhitzte Barren wurde in eine
Induktionsspulen-Heizvorrichtung eingeführt, so daß die Außenhülle des Barrens auf 1180ºC in der Mitte der
Dicke und der innere Plattierungs-Rohrrohling auf 1230ºC durch geeignetes
Einstellen der Eingabefrequenz der Induktionsspulen erhitzt wurde. Nach dem
Sprühen von Wasser gegen die Außenoberfläche der Barrens während etwa 15
Sekunden wurde der erhitzte Barren durch Warmstrangpressen unter Anwendung eines
Extrusionsverhältnisses von 7,3 bei einer Extrusionsgeschwindigkeit von 110 mm/s
bearbeitet, um ein plattiertes Rohr mit einem Außendurchmesser von 128 mm
und einem Innendurchmesser von 94 mm zu bilden. Die Wanddicke der
Plattierungsschicht betrug 3,4 mm.
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Während dem Strangpressen wurde die Temperatur in der Mitte der Wanddicke
auf 1050ºC für das Grundrohr und 1190ºC für das Plattierungsrohr im
Deformationsbereich aufgrund der Isolationswirksamkeit des dickwandigen
Wärmeisolations-Hüllrohrs 9, welches aus SUS 304 hergestellt worden ist, geschätzt. Daher
wurde das Formänderungswiderstandsverhältnis mit etwa 2,3 bestimmt.
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Die Außen-und Innenoberfläche des stranggepreßten plattierten Rohrs wurden
nach Oberflächendefekten in gleicher Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Es gab
keine Oberflächendefekte, wie etwa Rißbildung.
Beispiel 4
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(I) Wie in Fig. 14 gezeigt, wurden eine Außenkapsel 5-1 aus SS41-Stahl mit
einem Außendurchmesser von 218 mm und einer Wanddicke von 1,6 mm, eine
zylindrische Trennwand aus einem niedriglegierten Stahl (C: 0,004%) mit einem
Außendurchmesser von 143 mm und einer Wanddicke von 1 mm und eine
Innenkapsel
5-2 aus niedriglegiertem Stahl (C: 0,004%) mit einem Innendurchmesser von
68 mm und einer Wanddicke von 3 mm konzentrisch ineinander angeordnet, um
eine Anordnung zu bilden. Das untere Ende der Anordnung wurde mit einer
Abschlußplatte 6-2 aus SS41-Stahl verschlossen. Die Innen- und Außenkapsel
wiesen jeweils nach innen und außen gerichtete Dimensionstoleranzen auf zur
Kompensation von nach außen bzw. innen gerichteten Schrumpfungen, welche
während dem isostatischen Kaltpressen, welches nachfolgend beschreiben wird,
auftraten.
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In den ringförmigen Raum zwischen der Außenkapsel 5-1 und der Trennwand 8
wurde ein Pulver 4-1 aus unlegiertem Stahl (0,08% C - 0,3 Si - 1,5% Mn - Fe).
welches mit Wasser atomisiert worden ist und eine Teilchengröße von 100 um oder
weniger besaß, gepackt. In den ringförmigen Raum zwischen der Innenkapsel 5-2
und der Trennwand 8 wurde ein Pulver 4-2 aus Alloy 625 (21% Cr - 8% Mo - 3,4%
Nb - 62% Ni - 4% Fe), welches mit Argongas atomisiert worden ist und eine
Teilchengröße von 250 um oder weniger besaß, gepackt. Nach Vervollständigung der
Packung wurde eine Abschlußplatte 6-1 aus SS41-Stahl auf die oberen Enden der
Kapseln 5-1 und 5-2 und der Trennwand 8 gesetzt. Nach Evakuieren der
Anordnung auf 133,3 · 10&supmin;³ Pa (10&supmin;³ Torr) wurde die Anordnung verschlossen.
EinWärmeisolations-Hüllrohr 10-7 wurde an der Innenseite der Kapsel 5-2 fixiert, um
einen kombinierten Barren zu bilden. Die Kompaktdichte der
Pulverpackungsschicht in bezug auf die wahre Dichte betrug 65% beim Pulver aus unlegiertem
Stahl und 74% beim Pulver aus Alloy 625. Um die Kompaktdichte zu erhöhen,
wurde der Barren einem isostatischen Kaltpressen bei 5000 atm während 2
Minuten unterzogen, um eine Kompaktdichte von 78% beziehungsweise 82% zu
ergeben.
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Der kombinierte Barren wurde dann während etwa 2 Stunden in einem
gasbeheizten Ofen bei 1000ºC erhitzt. Der erhitzte Barren wurde in eine Induktionsspulen-
Heizvorrichtung eingeführt, um die äußere Pulverhülle aus unlegiertem Stahl des
Barrens auf 1170ºC in der Mitte der Dicke und die innenpulverhülle aus Alloy 625
auf 1230ºC durch geeignetes Einstellen der Eingabefrequenz der Induktionsspule
zu erhitzen. Nach Vervollständigung des Erhitzens wurde der Barren unter
Anwendung eines Extrusionsverhältnisses von 11 bei einer
Extrusionsgeschwindigkeit von 115 mm/s dem Warmstrangpressen unterzogen, um ein plattiertes Rohr
mit einem Außendurchmesser von 97 mm, einem Innendurchmesser von 75 mm
und einer Wanddicke von 9 mm zu bilden.
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Während der Deformation wurde die Temperatur in der Mitte der Wanddicke auf
1120ºC für die Pulverhülle aus unlegiertem Stahl und auf 1180ºC für die
Pulverhülle aus Alloy 625 geschätzt. Das Formänderungswiderstandsverhältnis der
zwei Schichten wurde mit 2,2 bestimmt.
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Die Außen- und Innenoberfläche des stranggepreßten plattierten Rohrs wurde
nach Oberflächendefekten in gleicher Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Es gab
keine Oberflächendefekte, wie Rißbildung.
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(II) Es wurde ein Barren hergestellt, welches der gleiche Barren wie bei (I) war,
mit der Ausnahme, daß der Außendurchmesser der Außenkapsel 208 mm betrug
und ein isostatisches Kaltpressen nicht angewandt wurde. Der resultierende
Barren wurde unter den gleichen Bedingungen wie oben beschrieben
warmstranggepreßt, um ein plattiertes Rohr mit den gleichen Dimensionen herzustellen.
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Es wurde eine Ultraschall-Untersuchung durchgeführt, um die Fluktuation in der
Wanddicke der Plattierungsschicht zu bestimmen. Die Fluktuation lag im
allgemeinen innerhalb ± 2,5% der durchschnittlichen Wanddicke. Es waren jedoch
große Falten an den Endbereichen des Rohrs vorhanden. Da diese Endbereiche
abgeschnitten wurden, betrug die Produktausbeute 95%. Es gab jedoch keine
verbindungsähnlichen Defekte.
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Da in diesem Fall das isostatische Kaltpressen nicht durchgeführt wurde, war die
thermische Leitfähigkeit gering. Deshalb erforderte es viel Zeit, den kombinierten
Barren auf eine vorbestimmte Temperatur zu erhitzen. Weiterhin war die Tendenz
festzustellen, daß die Außenseite des Barrens auf eine höhere Temperatur als die
Innenoberfläche erhitzt wurde. Im Vergleich mit dem plattierten Rohr, welches
dem isostatischen Kaltpressen unterzogen worden ist, wurde daher das Erhitzen
um das 1,5-fache länger bei einer ziemlich geringen Energiezufuhr angewandt.