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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von mit Kanälen ausgestatteten pulvermetallurgischen Gegenständen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit Kanälen ausgestatteten pulvermetallur- gischen Gegenständen, bei dem ein an vorherbestimmten Stellen von kanalbildenden Elementen durch- setzter Metallpulverpressling dadurch gebildet wird, dass Pulver in einen Vorformkasten gefüllt wird, in dem von den Wänden des Kastens getragene kanalbildende Elemente angeordnet sind, und der Pressling verdichtet und dann so behandelt wird, dass die kanalbildenden Elemente entfernt oder dispergiert werden.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung des vorgeformten Körpers, Die Kanäle die- nen z.
B. zur Zuführung von flüssigen oder gasförmigen Kühlmedien zu sehr hohen Temperaturen ausge- setzten Gegenständen, wie Gasturbinenschaufeln.
Gasturbinenschaufeln müssen bei Temperaturen arbeiten, welche selbst bei Schaufeln aus rostfreiem
Stahl oder andern hitzebeständigen Legierungen eine rasche Zerstörung der Schaufeln herbeiführen. Die
Herstellung der Schaufeln nach pulvermetallurgischen Methoden ermöglicht die Ausbildung von Kanälen beim Aufbau des Pulvers vor dem Verdichten. Dabei können Kanäle ausgebildet werden, deren Ausbil- dung in dem harten Schaufelmaterial nach andern Methoden unmöglich wäre. Diese Kanäle können zum
Umlauf eines Kühlmittels dienen. Man kann aber auch die Möglichkeit der Herstellung von pulvermetallurgischen Gegenständen mit einer bestimmten Porosität dazu ausnutzen, ein intern zugeführtes Kühlmittel aus den Poren austreten zu lassen, so dass eine sogenannte Schwitzkühlung bewirkt wird.
Die Kühlung kann auf jeden Teil der Oberfläche gelenkt werden, der gegenüber der Einwirkung der heissen Gase besonders empfindlichit. indemmanin der Nachbarschaft dieses Oberflächenteils einen Innenkanal entsprechend anordnet,
Gleichgültig, ob ein Kanal zur blossen Umlaufkühlung oder zur Schwitzkühlung verwendet wird, ist er im allgemeinen sehr eng, damit die Strömung des Kühlmittels wie gewünscht geregelt werden kann und eine übermässige Schwächung der Schaufel vermieden wird. Die Ausbildung und genaue örtliche Festlegung eines solchen Kanals in einer pulvermetallurgisch hergestellten Schaufel stösst auf beträchtliche Schwierigkeiten, die noch gesteigert werden, wenn in einer Schaufel zahlreiche Kanäle ausgebildet werden sollen.
Gewöhnlich werden die Kanäle dadurch ausgebildet, dass man in Stadien des Aufbaus des zu verdichtenden Pulvers ein Element einsetzt, das den erforderlichen Querschnitt und die erforderliche Form hat und aus einem Material besteht, welches bei der folgenden Wärmebehandlung, z. B. beim Sintern des Presslings, dispergiert oder verschwindet. So z. B. verdampfen Drähte oder andere Elemente aus Kadmium und lassen Hohlräume zurück, welche die gewünschten Kanäle bilden. Polystyrol wird in das gasförmige Monomer umgewandelt, Wachse verflüchtigen sich. Der kleine Querschnitt der aus solchen Materialien bestehenden Elemente erschwert jedoch ihr rasches und genaues Einsetzen während des Aufbaus des Pulverkörpers und die Aufrechterhaltung ihrer Lage während der starken Volumensverringerung, die während der Verdichtung des Pulvers eintritt.
Die Erfindung bezweckt, den Aufbau des Pulverkörpers mit den kanalbildenden Elementen in einer Weise zu ermöglichen, die weniger Zeit und Arbeit erfordert, als das bekannte Verfahren des Einsetzens der Elemente in Stadien des Aufbaus der Pulvermasse.
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Die Erfindung besteht darin, dass während oder nach dem Vorformen in das Pulvermetall eine ge- frierfähige Flüssigkeit eingeführt wird, die die Hohlräume zwischen den Pulverkörner ausfüllt, worauf das Ganze gefroren wird, solange es sich noch in dem Vorformkasten befindet, dann der so gebildete, noch gefrorene Block von dem Kasten getrennt, L1 eine Form eingesetzt und vor dem Verdichten in der
Form die erstarrte Flüssigkeit aufgetaut und entfernt wird.
Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung werden von dem festen Körper nicht ausgefüllte
Teile des Formhohlraumes vor dem Auftauen'der erstarrten Flüssigkeit mit Metallpulver gefüllt. Vorteil- hafterweise wird als gefrierfähige Flüssigkeit eine solche mit einem hohen Dampfdruck, z. B. Benzol, eingeführt, so dass die Flüssigkeit durch Druckverminderung im Formhohlraum bei Raumtemperatur auf- getaut, verdampft und als Dampf entfernt werden kann.
In der Vorrichtung zur Durchführung des erfin- dungsgemässen Verfahrens umschliessen die Wände des Vorformkastens einen Raum, dessen Grösse im we- sentlichen dem Hohlraum der späteren Verdichtungsform entspricht, wobei einander gegenüberliegende
Wände Öffnungen für kanalbildende Elemente in Form von Drähten aufweisen, welche an der Aussenseite des Vorformraumes in Endplatten verankert sind, die ihrerseits zwecks Spannen der Drähte von den durchlochten Wänden weg nach auswärts bewegbar sind.
Allgemein werden die kanalbildenden Elemente an einander gegenüberliegenden Wänden des zum
Vorformen bestimmten Kastens angeordnet und erstrecken sich zwischen diesen, wobei in diesen Wänden
Festlege- und Haltelöcher vorgesehen sind, welche die den Kastenraum quer durchsetzenden Elemente festlegen. Die Elemente können auf einfache Weise durch die Löcher gezogen werden. Wenn die Ele- mente gerade sind, können sie leicht straffgezogen und auf jeden Fall nach dem Durchziehen durch die
Löcher z. B. durch Löten oder Leimen oder mit Keilen, Klemmplatten od. dgl. festgemacht werden.
Die Form des Kastens kann der Fertigform des Gegenstandes angenähert sein, um die Nachbearbeitung auf ein Minimum zu reduzieren oder ganz zu vermeiden.
Vorzugsweise wird der zum Vorformen bestimmte Kasten mit abnehmbaren Seitenwänden hergestellt, um die Entfernung des verfestigten Kasteninhalts nach dem Gefrieren zu erleichtern. Die die kanalbildenden Elemente tragenden Wände können ebenfalls von den Seitenwänden abnehmbar sein. Die die Löcher in den einander gegenüberliegenden Wänden durchsetzenden Teile der Elemente müssen abgenommen werden, damit diese Wände von dem Block abgelöst werden können. Vorstehende Teile können knapp an den dann freigelegten Flächen des Blockes abgeschnitten werden.
Das Pulver wird vorsichtig in den Kasten eingebracht, damit die Anordnung der kanalbildenden Elemente nicht gestört wird. Man kann den Kasten rütteln, um das Zusammensacken des Pulvers zu unterstützen, ohne dass innerhalb des Kastens ein mechanischer Eingriff erfolgt, der die Elemente verschieben könnte.
Durch das Hinzufügen der Flüssigkeit zu dem Block wird die Anordnung des sorgfältig eingefüllten Pulvers nicht beeinträchtigt.
Die Dimensionen des verfestigten Blockes müssen kleiner sein als die entsprechenden Dimensionen des den Block nach dem Vorformen aufnehmenden Formhohlraumes, in dem die Verdichtung des vorgeformten Körpers erfolgt. Vorzugsweise ist der Unterschied jedoch minimal, besonders bei jenen Dimensionen, die sich rechtwinkelig zu den kanalbildenden Elementen des Blockes erstrecken.
Wenn eine Dimension des verfestigten Blockes um mehr als die zum einfachen Einsetzen des Blockes in die Verdichtungsform vorgesehene Toleranz von z. B. 0, 025 bis 0,050 mm kleiner ist als die entsprechende Dimension des Formhohlraumes, kann der zwischen Körper und Formwand verbleibende Raum mit Metallpulver gefüllt werden, damit der Block nicht zerfällt, wenn die gefrorene Flüssigkeit vor dem Verdichten bzw. Sintern entfernt wird. Wenn ein Block in einer solchen Grösse hergestellt wird, dass an den Enden des Blockes, an denen die kanalbildenden Elemente vorstehen, Pulver zugegeben werden muss, was häufig der Fall sein kann, muss der Block solche Abmessungen haben, dass die hinzugegebenen Endteile nach dem Sintern des Blockes entfernt werden können, um den Zugang zu den Kanälen zu ermöglichen.
Wenn dagegen Kanäle erwünscht sind, die sich nur über einen Teil der Länge des fertigen Gegen 0 standes erstrecken, kann der Block so angeordnet werden, dass er nur an einem Ende nachbearbeitet zu werden braucht, damit die Kanäle nur an einem Ende freigelegt werden.
Die gefrierfähige Flüssigkeit soll das Pulver und das Material der kanalbildenden Elemente weder korrodieren noch damit reagieren und auch das Material des Kastens und der Form nicht angreifen.
Flüssigkeiten mit Gefrierpunkten im Bereich von-200 bis +150 C und entsprechenden Siedepunk- ten im Bereich von + 20 bis + 3000 C sind allgemein geeignet. Vorzugsweise verwendet man Flüssigkeiten mit hohen Dampfdrücken. Benzol, Wasser, Naphtalin und Paradichlorbenzol haben sich als brauchbar erwiesen.
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Die verwendete Flüssigkeit kann aus dem in der Form befindlichen Block durch Anwendung von Wär- me und/oder Herabsetzung des Druckes zwecks Verdampfung der Flüssigkeit entfernt werden.
Zweckmässig evakuiert man bei Verwendung von Benzol einen oberhalb des Formhohlraumes gelege- nen Raum und lässt den ganzen Block auf Zimmertemperatur erwärmen, wobei keine weitere Wärme auf- gewendet wird.
Die kanalbildenden Elemente können Kupferdrähte sein oder aus Kadmium, Polystyrol oder einem andern geeigneten Material bestehen.
Nachstehend wird ein erfindungsgemässes Verfahren zur Erzeugung von mit Kanälen ausgebildeten pulvermetallurgischen Gegenständen und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens an Hand der Zeichnung beschrieben, deren einzige Figur ein schematisches Schaubild eines bei der Durchführung des Verfahrens verwendeten Vorformkastens zeigt.
Zum Vorformen eines mit Längskanälen ausgebildeten pulvermetallurgischen Gegenstandes von rechteckiger Form verwendet man einen Vorformkasten, wie er beispielsweise in der Zeichnung darge- stellt ist. Der Vorformkasten besteht aus einer Grundplatte 1 und zwei Seitenplatten 3, wobei die Anord- nung zweckmässig in bekannter Weise mit Senkschrauben zusammengehalten wird. Der Kasten ist mittels zweier Endplatten 5 abgeschlossen, die je mit mehreren Löchern 8 versehen sind.
Zwei die Stirnseiten des pulverblockes begrenzende Endplatten 11 sind mit Gleitsitz zwischen den Sei- tenplatten 3 des Kastens eingesetzt. Jede Endplatte 11 weist mehrere Löcher 9 auf.
Die Löcher 8 und 9 in den Platten 5 und 11 sind einander entsprechend angeordnet, so dass durch je- weils vier fluchtende Löcher in den Platten 5,5, 11,11 ein kanalbildendes Element, z. B. ein Draht, gezogen werden kann, der sich dann geradlinig in der Längsrichtung des Kastens erstreckt. So werden zweckmässig Kupferdrähte von geeignetem Durchmesser, wie z. 0,122 mm, derart eingezogen, dass schliesslich jedes Loch mit einem Draht besetzt ist.
Die Drahtenden werden dann an den Aussenseiten der Platten 5 abgebogen und über den abgebogenen Drahtenden werden Klemmplatten 15 mittels Schrauben 17 befestigt, die in Gewindelöchern 13 eingeschraubt sind. Die Stellungen einiger der Drähte sind in der Zeichnung z. B. bei 21 mit strichpunktierten Linien angedeutet.
Die Platten 11 werden dann so weit voneinander entfernt angeordnet, wie es für den herzustellenden Block erforderlich ist. Darauf werden die kanalbildenden Elemente mittels Spannschrauben 19 gespannt, die Gewindelöcher 7 in den Platten 5 durchsetzen und sich an den Stirnseiten der Kastenteile 1, 3 abstützen.
Die Fugen des zwischen den Kastenteilen 1, 3 und den Endplatten 11 gebildeten Hohlraums werden dann abgedichtet, indem sie mit Paraffinwachs bestrichen werden, das auch dazu dient, die Platten in ihrer Lage zu halten. Der Hohlraum wird dann mit Metallpulver, z. B. pulverisiertem rostfreiem Stahl gefüllt und der Kasten gerüttelt, um ein gleichmässiges Füllen zu fördern.
Dann wird in das in dem Hohlraum befindliche Pulver eine gefrierfähige Flüssigkeit, z. B. Benzol, gegossen und der ganze Kasten dadurch gekühlt, dass er in trockenes Eis eingesetzt wird. Das Benzol erstarrt bei etwa + 5, 40 C, aber der Block kann auf eine weit niedrigere Temperatur, z. B. - 400 C abgekühlt werden, damit die notwendigen Massnahmen durchgeführt werden können, ehe das Benzol schmilzt.
Hierauf werden zuerst die Schrauben 19, danach die Kastenseiten 3 entfernt, während der Block, bestehend aus festem Benzol, Metallpulver und kanalbildenden Elementen, sowie die Platten li,. 5 und 15 und die Schrauben 17 zurückbleiben. Darauf wird der feste Block knapp innerhalb der Endplatten 11 durchgesägt, so dass die Platten 11, 5 und 15 und die Schrauben 17 als zwei getrennte Einheiten abgetrennt werden. Diese können dann gesondert auseinander genommen werden,
Nach Entfernung der Kastenseiten 3 können die kanalbildenden Elemente auch ausserhalb der Stirnplatten 11 durchgesägt oder durchgeschnitten werden, wobei der Draht in jeder gewünschten Länge freigelegt wird. Dann werden die Endplatten 11 abgezogen.
Jetzt wird der Block in den Formhohlraum eingesetzt, wobei etwaige Zwischenräume mit festgestampftem Metallpulver gefüllt werden. Darauf wird das Benzol entfernt.
Benzol siedet bei atmosphärischem Druck bei etwa +80, 40 C. Wenn man jedoch den Formhohlraum evakuiert und den Druck senkt, kann die Flüssigkeit bei viel niedrigeren Temperaturen schmelzen und dann sieden. Zweckmässig wird der Hohlraum evakuiert und der Block auf Zimmertemperatur erwärmen gelassen, wobei die Verdampfung fortgesetzt wird, bis das ganze Benzol verdampft ist. Nach Verdampfen des ganzen Benzols, was daran zu erkennen ist, dass die Evakuierungspumpe kein Benzol mehr saugt, ist der Block für die Verdichtung fertig.
Zur Verdichtung wird der Block quer zu den kanalbildenden Elementen derart zusammengedrückt, dass die Elemente in dem Block relativ zueinander möglichst nicht verschoben werden. Da das Pulver und
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die Elemente in dem Block festgehalten werden,-st eine geringe Querverschiebung zu erwarten, weil der Verdichtungsdruck so gerichtet ist, dass er, bei möglichst gleichmässiger Verdichtung die Dimension des Körpers in der Richtung der Druckeinwirkung vermindert. Man kann jedoch den Grad der Verschie- bung vorausberechnen und bei der Auslegung der Enc platten des Vorformkastens berücksichtigen.
Die Elemente selbst können durch den einwirl enden Druck im Querschnitt verformt werden, doch wird dieser Faktor als vernachlässigbar angesehen. Beispielsweise wurde festgestellt, dass Kupferdrähte mit einem Durchmesser von 0, 122 mm, die in pulverisiertem rostfreiem Stahl eingesetzt waren, welcher mit 4,72 t/cm2 verdichtet wurde, eine Ovalisierung zu etwa 0, 10 x 0, 13 mm erfuhren, so dass die Quer- schnittfläche der Grösse nach also ganz unverändert blieb und in ihrer Form praktisch nicht wesentlich verändert wurde.
Nach dem Verdichten ist der Block fertig zum Sintern, wobei die Sintertemperatur so gewählt wird, dass die kanalbildenden Elemente schmelzen und, soweit sie nicht verdampfen, in den Block hinein dif- fundieren, so dass an den von ihnen vorher eingenommenen Stellen feine Kanäle freibleiben.
Nach dem Sintern kann der Block spangebend bearbeitet oder bei in Fertigmass hergestellten Gegenständen prägeverdichtet werden.
Die Erfindung bietet also ein rationelles Verfahren zur Erzeugung eines der Länge nach von vielen Kanälen durchsetzten Fertigartikels, dessen Herstellung mit den üblichen Mitteln nur mit hohen Kosten möglich wäre.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von mit Kanälen ausgestatteten pulvermetallurgischen Gegenständen, bei dem ein an vorherbestimmten Stellen von kanalbildenden Elementen durchsetzter Metallpulverpressling dadurch gebildet wird, dass Pulver in einen Vorformkasten gefüllt wird, in dem von den Wänden des Kastens getragene kanalbildende Elemente angeordnet sind, und der Pressling verdichtet und dann so behandelt wird, dass die kanalbildenden Elemente entfernt oder dispergiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass während oder nach dem Vorformen in das Pulvermetall eine gefrierfähige Flüssigkeit eingeführt wird, die die Hohlräume zwischen den Pulvérkörnern ausfüllt, worauf das Ganze gefroren wird, solange es sich noch in dem Vorformkasten befindet, dann der so gebildete, noch gefrorene Block von dem Kasten getrennt,
in eine Form eingesetzt und vor dem Verdichten in der Form die erstarrte Flüssigkeit aufgetaut und entfernt wird.