DE102012024130B4

DE102012024130B4 - Spalttopf für magnetgekuppelte Pumpen sowie Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102012024130B4
Application number: DE102012024130.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Eschner
Original assignee: Klaus Union GmbH and Co KG
Current assignee: Klaus Union GmbH and Co KG
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2014-09-11
Anticipated expiration: 2032-12-12
Also published as: JP2021191896A; US10253776B2; KR20150094754A; JP2016509125A; CN104937277B; US20150337844A1; DE202013012787U1; WO2014090863A2; PL2932102T3; RU2640306C2; US10167870B2; WO2014090863A3; EP2932102A2; ES2627097T3; KR102125592B1; EP2932102B1; RU2015128080A; JP7185551B2; JP2019116686A; DE102012024130A1

Abstract

Spalttopf (1) mit: – einem Flanschteil (4); – einem Boden (2); – einer in montiertem Zustand des Spalttopfes in einem Spalt anordenbaren Seitenwandung (3), die zumindest teilweise aus einem Werkstoff mit einem Nickelbestandteil besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff eine Nickel-Chrom-Eisen-Legierung ist, welche mindestens 50 und maximal 55 Gewichtsprozent Nickel, 17 bis 21 Gewichtsprozent Chrom und zwischen 10 und 25 Gewichtsprozent Eisen aufweist, dass der Werkstoff Niob aufweist, wobei der Niobanteil 0,5 bis 10, vorzugsweise 3 bis 7, besonders bevorzugt 4,75 bis 5,5 Gewichtsprozent beträgt, oder dass der Werkstoff Niob und Tantal aufweist, wobei der Anteil von Niob und Tantal zusammen 0,5 bis 10, vorzugsweise 3 bis 7, besonders bevorzugt 4,87 bis 5,2 Gewichtsprozent beträgt und dass der Werkstoff härtbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spalttopf zur Anordnung in einem Spalt zwischen einem Treiber und einem Läufer einer magnetgekuppelten Pumpe, sowie ein Verfahren zum Herstellen des Spalttopfes.
Bei der Förderung von Fluiden, insbesondere im Chemiebereich, müssen meist hohe Anforderungen an die Dichtigkeit von Förderleitungen und Pumpen gestellt werden. Gleichzeitig muss ein guter Wirkungsgrad der Pumpen sichergestellt sein. Pumpen mit ausschließlich statischen Dichtungen, also ohne Wellendichtungen, können besonders fluiddicht ausgeführt sein. Magnetgekuppelte Pumpen können statisch abgedichtet werden, indem ein feststehender Spalttopf zwischen einem antriebsseitigen Treiber und einem magnetisch angetriebenen, abtriebsseitigen Läufer angeordnet ist und den Läufer umgibt. Der Spalttopf ist im Magnetfeld zwischen Treiber und Läufer angeordnet, und die magnetischen Kräfte werden durch den Spalttopf hindurch übertragen. An den Läufer kann ein Pumpenlaufrad gekoppelt sein. Treiber und Läufer sind mit Permanentmagneten versehen und möglichst nahe aneinander angeordnet, um einen effizienten Antrieb bereitstellen zu können. Die Wandstärke der Seitenwandung des Spalttopfs gibt dabei vor, wie groß der Abstand bzw. Spalt zwischen Treiber und Läufer mindestens sein muss.
Häufig beträgt der Abstand und damit die Breite des zwischen Treiber und Läufer gebildeten Luftspalts z. B. nur etwa 4 mm, und der Spalttopf hat dann eine Wandstärke von z. B. 2 mm. Ein enger Spalt bzw. eine sehr knappe Auslegung der Wandstärke des Spalttopfes im Hinblick auf eine minimale Breite des Spalts liefert Vorteile beim Wirkungsgrad, insbesondere hinsichtlich einer Minimierung von Antriebsverlusten, reduziert aber gleichzeitig einen Sicherheitsfaktor und möglicherweise auch die Lebensdauer des Spalttopfes, je nachdem welche Fluide zu fördern sind. Um dennoch einen möglichst engen Spalt realisieren zu können, ist es von Interesse, den Spalttopf aus einem qualitativ besonders hochwertigen Werkstoff herzustellen, welcher neben einer hohen Festigkeit, insbesondere einer hohen Härte, auch eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweist. Die Korrosionsbeständigkeit ist dabei gerade im Hinblick auf eine möglichst geringe Wandstärke der Seitenwandung von Bedeutung. Gleichzeitig soll der Spalttopf aber auch nachbearbeitet, insbesondere kaltumgeformt, werden können, um durch Umformverfahren die Geometrie der Seitenwandung einstellen zu können. Nickelbasislegierungen haben sich bisher als taugliches Material für Spalttöpfe erwiesen.
Aufgabe ist, einen Spalttopf bereitzustellen, bei welchem neben guten strukturellen Werkstoffeigenschaften auch eine hohe Korrosionsbeständigkeit sichergestellt werden kann. Auch eine Aufgabe ist, den Spalttopf so auszuführen, dass er auf einfache Weise in eine Sollgeometrie gebracht werden kann. Nicht zuletzt ist es Aufgabe, einen Spalttopf so auszuführen, dass ihm auf einfache Weise eine hohe Werkstoffhärte verliehen werden kann.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch einen Spalttopf gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer Spalttopf, der z. B. zur Anordnung in einem Spalt zwischen einem Treiber und einem Läufer einer magnetgekuppelten Pumpe oder auch in einer Spaltrohrmotorpumpe verwendet werden kann, weist auf:

– ein Flanschteil, z. B. zum Verbinden des Spalttopfes mit der Pumpe oder dem Motor;
– einen Boden;
– eine in montiertem Zustand des Spalttopfes in dem Spalt anordbare Seitenwandung, die zumindest teilweise aus einem Werkstoff mit einem Nickelbestandteil besteht.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Werkstoff eine Nickel-Chrom-Eisenlegierung ist, welche mindestens 50 und maximal 55 Gewichtsprozent Nickel, 17 bis 21 Gewichtsprozent Chrom und zwischen 10 und 25 Gewichtsprozent Eisen aufweist. Hierdurch kann ein besonders beständiger Spalttopf bereitgestellt werden. Eine derartige Nickel-Chrom-Eisenlegierung ist auch unter der Bezeichnung Alloy 718 (Nicofer 5219 Nb) bekannt. Eine solche Legierung weist eine hohe Festigkeit auf und ist daher besonders für Spalttöpfe zweckdienlich, die in bei hohen Drücken arbeitenden Pumpen eingesetzt werden. Gleichzeitig ist der Werkstoff in bestimmten Zuständen gut umformbar, insbesondere in einem lösungsgeglühten Zustand, und kann daher auf einfache Weise nachbearbeitet werden, beispielsweise durch Druckwalzen. Vorteilhaft ist ferner, dass eine Wasserstoffversprödung bei diesem Werkstoff nicht auftritt, so dass mit einer Pumpe mit einem derartigen Spalttopf auch wasserstoffhaltige Medien gefördert werden können.
Erfindungsgemäß weist der Werkstoff ferner Niob auf, wobei der Niobanteil 0,5 bis 10, vorzugsweise 3 bis 7, besonders bevorzugt 4,75 bis 5,5 Gewichtsprozent beträgt, oder dass der Werkstoff Niob und Tantal aufweist, wobei der Anteil von Niob und Tantal zusammen 0,5 bis 10, vorzugsweise 3 bis 7, besonders bevorzugt 4,87 bis 5,2 Gewichtsprozent beträgt. Hierdurch kann eine gute Temperaturbeständigkeit eingestellt werden. Der Niobanteil stellt dabei das Ausbilden zumindest einer der folgenden Phasen eines austenitischen Gefüges sicher, wodurch die vorteilhaften Festigkeitswerte des Werkstoffs eingestellt werden können: Phase δ (Ni3Nb) orthorhombisch, Phase γ'' (Ni3Nb, Al, Ti) tetragonal raumzentriert, und/oder Phase γ' (Ni3Al, Nb) kubisch-flächenzentriert.
Erfindungsgemäß ist der Werkstoff härtbar, ohne dass Verformungen auftreten. Hierdurch kann auf einfache Weise ein hochfester Spalttopf bereitgestellt werden, welcher eine hohe Maßgenauigkeit aufweist, so dass ein Luftspalt in der Pumpe besonders eng ausgeführt werden kann. Das Härten kann dadurch erfolgen, dass eine Wärmebehandlung über einen vordefinierten Zeitraum und bei einer vordefinierten Temperatur auf zumindest einem vordefinierten Temperaturniveau erfolgt. Zur Vermeidung von Spannungsrissen ist ein vorausgehendes Lösungsglühen zweckdienlich. Das Lösungsglühen kann bevorzugt bei den folgenden Parametern erfolgen:

– in einem Ofen eine Temperatur im Bereich von 960°C, insbesondere 960°C ± 15°C, bevorzugt genau 960°C erzeugen;
– den Spalttopf in dem Ofen mindestens 60 Minuten lösungsglühen, wobei in Abhängigkeit von der Wandstärke der Spalttopf die Haltezeit mindestens 3 Minuten pro Millimeter Wandstärke beträgt;
– nach dem Lösungsglühen Abschrecken, insbesondere im Wasserbad.

Zwar sind mit dem Werkstoff auch eine Reihe anderer Lösungsglühvorgange möglich, insbesondere in einem Temperaturbereich von 940 bis 1080°C, und das Abschrecken kann auch in Luft erfolgen, jedoch hat sich gezeigt, dass insbesondere für die Seitenwandung der zuvor beschriebene Lösungsglühvorgang zu bevorzugen ist.
Eine Härtemessung erfolgt dabei bevorzugt vor und nach der Wärmebehandlung.
Es ist zu empfehlen, den Spalttopf frei von Fetten, Ölen Schmierstoffen oder anderen Verunreinigungen zu halten, bevor er wärmebehandelt wird.
Das Einstellen der Härte des Werkstoffs kann bevorzugt bei den folgenden Parametern erfolgen:

– in einem Ofen eine Temperatur im Bereich von 720°C, insbesondere 720°C ± 8°C, bevorzugt genau 720°C erzeugen, wobei der Schritt ein Kühlen des Ofens von der Temperatur fürs Lösungsglühen auf die Härtetemperatur umfassen kann;
– den Spalttopf in dem Ofen für eine erste Haltezeit von etwa 8 Stunden, bevorzugt genau 8 Stunden bei der Temperatur wärmebehandeln;
– die Temperatur in dem Ofen auf etwa 620°C, insbesondere 620°C ± 8°C, bevorzugt genau 620°C absenken, insbesondere innerhalb einer Zeit von 2 Stunden und in geschlossenem Zustand des Ofens, wobei der Spalttopf in dem Ofen verbleibt;
– den Spalttopf in dem Ofen für eine zweite Haltezeit von etwa 8 Stunden, bevorzugt genau 8 Stunden bei der niedrigeren Temperatur wärmebehandeln, wobei die zweite Haltezeit wahlweise ausgedehnt werden kann auf bis zu 12 Stunden, insbesondere aus prozesstechnischen Gründen; und
– Abkühlen an ruhender Luft.

Dabei kann es von Bedeutung sein, den Ofen für das Lösungsglühen bereits auf die Solltemperatur zu bringen, bevor das Werkstück in den Ofen verbracht wird.
Gegenüber bisher häufig bei hohen Drücken eingesetzten Titanlegierungen, die der Wasserstoffversprödung unterliegen, ergibt sich somit ein breiteres Einsatzgebiet. Abgesehen davon weist der Werkstoff eine gegenüber Titan größere Härte auf. Ferner liefert der Werkstoff den Vorteil einer hohen Temperaturbeständigkeit, insbesondere bis 600°C.
Eine solche Legierung liefert eine hohe Festigkeit bei guter Restdehnung, also auch eine ausreichende Duktilität, um eine Nachbearbeitung zu ermöglichen. Dabei kann eine sehr gute Verformbarkeit sichergestellt werden.
Der erfindungsgemäße Spalttopf erhält bevorzugt seine Sollgeometrie durch Drückwalzen der Seitenwandung als spezielle Art der Kaltverformung. Durch das Drückwalzen kann das Topfteil mit einer verhältnismäßig dünnen Seitenwandung bereitgestellt werden, z. B. im Bereich von 1 mm, wobei die Wandstärke der Seitenwandung auch in einem engen Toleranzbereich liegen kann, insbesondere mit Abweichungen kleiner 1/10. Die dünne Wandstärke, aber auch der enge Toleranzbereich, bieten den Vorteil einer hohen Antriebseffizienz bei einer magnetgekuppelten Pumpe, denn Treiber und Läufer der Pumpe können besonders nahe beieinander angeordnet werden. Gleichzeitig können die Herstellungskosten niedrig gehalten werden, da Nacharbeiten an der Seitenwandung des Spalttopfes nicht erforderlich sind. Die Seitenwandung kann mit einer derart hohen Genauigkeit und einem derart engen Toleranzbereich hergestellt werden, dass ein Plandrehen oder Schleifen oder irgendein weiteres Formgebungsverfahren nicht mehr erforderlich ist. Unter Drückwalzen ist dabei bevorzugt ein Kaltverformungsverfahren zu verstehen, bei welchem die Seitenwandung des Spalttopfes auf eine definierte Stärke gebracht wird und eine definierte Ausrichtung erhält, insbesondere eine zylindrische Geometrie mit einer hohen Maßhaltigkeit, d. h. einer geringen Abweichung von der zylindrischen Form in radialer Richtung (Genauigkeit besser 1/10). Dabei kann das Drückwalzen zu einer Verlängerung der zylindrischen Seitenwandung in axialer Richtung führen, ohne dass sich der Durchmesser des Spalttopfes ändert. Als eine Sollgeometrie ist dabei eine Geometrie zu verstehen, welche der Spalttopf am Ende des Herstellungsverfahrens annehmen soll, insbesondere im Bereich der Seitenwandung und des Bodens. Die Sollgeometrie ist bevorzugt durch die jeweilige Wandstärke der Seitenwandung und des Bodens, einen Außendurchmesser und Toleranzbereiche für die jeweiligen Maße definiert. Ein besonderer Vorteil bei der beschriebenen Art der Herstellung ist, dass der Spalttopf in den drucktragenden Bereichen vollständig ohne Schweißnähte auskommt oder, anders ausgedrückt, keine drucktragenden Schweißnähte aufweist.
Die mechanischen Eigenschaften des warm- oder kaltgeformten Werkstoffs des erfindungsgemäßen Spalttopfes bei Raumtemperatur in lösungsgeglühtem Zustand und nach dem Aushärten lassen sich über die Zugfestigkeit (Rm) in N/mm², die Dehngrenze (Rp0.2) in N/mm², die Bruchdehnung (A5) und Einschnürung (Z) in Prozent, die Brinellhärte in HB und die Korngröße in μm definieren:

– Zugfestigkeit in N/mm²: 1240 bis 1275;
– Dehngrenze in N/mm²: etwa 1035, bevorzugt genau 1035;
– Bruchdehnung in Prozent: 6, 10, 12 oder ≥ 14;
– Brinellhärte in HB: ≥ 331, insbesondere ≥ 341;
– Korngröße in μm: bevorzugt ≤ 127.

Das Elastizitätsmodul kann dabei für Raumtemperatur z. B. im Bereich von 205 kN pro mm² und für 100°C z. B. im Bereich von 199 kN pro mm² liegen.
Besonders vorteilhaft kann der Werkstoff des erfindungsgemäßen Spalttopfes (durch geeignete Wärmebehandlung) eine Bruchdehnung von ≥ 14% und eine Kerbschlagarbeit von ≥ 20 Joule, vorzugsweise ≥ 27 Joule aufweisen. Damit erfüllt der erfindungsgemäße Spalttopf die Vorgaben der Druckgeräterichtlinie (Richtlinie 97/23/EG über Druckgeräte). Dies macht den Spalttopf geeignet für den Einsatz in Pumpen, die mit einem inneren Überdruck von mehr als 0,5 bar arbeiten.
Bevorzugt enthält die Legierung einen wesentlichen Gehalt an Niob und Molybdän sowie einen niedrigen Gehalt an Aluminium und Titan. Die prozentualen Anteile in Bezug auf das Gewicht liegen bevorzugt in den folgenden Bereichen, wobei die in Klammern angegebenen Werte sich auf eine Variante der Legierung beziehen, die in korrosiven Medien eingesetzt werden kann, insbesondere Medien, welche H₂S, CO₂ oder Cl aufweisen. Die Änderung der Zusammensetzung betrifft dabei insbesondere die Legierungsbestandteile Kohlenstoff und Niob, aber auch Aluminium und Titan, wobei höhere Kohlenstoff- und Niobanteile Vorteile bei Hochtemperaturanwendungen liefern und niedrigere Kohlenstoff- und Niobanteile bei Anwendungen in korrosiven Medien zu bevorzugen sind:

– Nickel zwischen 50 und 55 Prozent;
– Chrom zwischen 17 und 21 Prozent;
– Molybdän zwischen 2,8 und 3,3 Prozent;
– Niob zwischen 4,75 und 5,5 Prozent (Niob und Tantal zusammen zwischen 4,87 und 5,2 Prozent);
– Aluminium zwischen 0,2 und 0,8 Prozent (0,4 und 0,6 Prozent);
– Titan zwischen 0,65 und 1,15 Prozent (0,8 und 1,15 Prozent);
– einen Rest Eisen.

Der Rest Eisen liegt dabei bevorzugt in einem Bereich von 11 bis 24,6 Gewichtsprozent (12 bis 24,13 Gewichtsprozent).
Die Legierung kann weitere Spurenelemente aufweisen, insbesondere bis zu 0,08 Prozent (0,045 Prozent) C, und/oder bis zu 0,35 Prozent Mn, und/oder bis zu 0,35 Prozent Si, und/oder bis zu 0,3 Prozent (0,23 Prozent) Cu, und/oder bis zu 1,0 Prozent Co, und/oder bis zu 0,05 Prozent Ta, und/oder bis zu 0,006 Prozent B, und/oder bis zu 0,015 Prozent (0,01 Prozent) P, und/oder bis zu 0,0015 Prozent (0,01 Prozent) S, und/oder bis zu 5 ppm (10 ppm) Pb, und/oder bis zu 3 ppm (5 ppm) Se, und/oder bis zu 0,3 ppm (0,5 ppm) Bi.
Bevorzugt liegt der Kohlenstoff-Anteil genau bei 0,08 Gewichtsprozent (0,045 Gewichtsprozent) oder in einem Bereich von 75–100% von 0,08 Gewichtsprozent (0,045 Gewichtsprozent), also zwischen 0,06 und 0,08 Gewichtsprozent (0,03375 und 0,045 Gewichtsprozent). Hierdurch kann eine gute Temperaturbeständigkeit erzielt werden. Wahlweise liegt alternativ oder zusätzlich der Niob-Anteil genau bei 5,5 Gewichtsprozent (5,2 Gewichtsprozent Niob und Tantal zusammen) oder in einem Bereich von 5,25 bis 5,5 Gewichtsprozent (5,1 bis 5,2 Gewichtsprozent Niob und Tantal zusammen).
Gemäß einer Variante liegt der Kohlenstoff-Anteil bei 0,00 Gewichtsprozent (0,00 Gewichtsprozent) oder in einem Bereich von 0–25% von 0,08 Gewichtsprozent (0,045 Gewichtsprozent), also zwischen 0,00 und 0,02 Gewichtsprozent (0,00 und 0,011 Gewichtsprozent). Hierdurch kann eine gute Korrosionsbeständigkeit erzielt werden. Wahlweise liegt alternativ oder zusätzlich der Niob-Anteil genau bei 4,75 Gewichtsprozent (4,87 Gewichtsprozent) oder in einem Bereich von 4,75 bis 5,0 Gewichtsprozent (4,87 bis 4,98 Gewichtsprozent Niob und Tantal zusammen).
Eine solche Legierung liefert den Vorteil einer hohen Temperaturbeständigkeit bis 700°C bei guter Festigkeit auch im hohen Temperaturbereich. Ferner weisen diese Legierungen eine hohe Ermüdungsfestigkeit, eine gute Zeitstandfestigkeit bis 700°C und eine gute Oxidationsbeständigkeit bis 1000°C auf. Auch liefern sie gute mechanische Eigenschaften bei tiefen Temperaturen und eine gute Korrosionsbeständigkeit bei hohen und tiefen Temperaturen sowie eine gute Beständigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion und Lochfraß auf. Die Korrosionsbeständigkeit, speziell gegenüber Spannungsrissen, kann insbesondere durch den Chrom-Anteil sichergestellt werden. Die Legierung kann daher auch in Medien eingesetzt werden, die in der Erdölförderung und Erdölverarbeitung, in H₂S-haltigen Sauergasumgebungen oder im Bereich der Meerestechnik vorliegen.
Dabei liegt die Dichte der Legierung z. B. im Bereich von 8 g/cm³, insbesondere beträgt sie 8,2 g/cm³.
Das Gefüge der Legierung ist austenitisch mit mehreren Phasen, insbesondere den Phasen Karbiden, Laves ([Fe, Cr]2Nb), δ (Ni3Nb) orthorhombisch, γ'' (Ni3Nb, Al, Ti) tetragonal raumzentriert, und/oder γ' (Ni3Al, Nb) kubisch-flächenzentriert. Bevorzugt liegt jedenfalls die Phase γ'' (Ni3Nb, Al, Ti) tetragonal raumzentriert vor, die durch Ausscheidungshärten eingestellt werden kann. Die Phase γ'' (Ni3Nb, Al, Ti) tetragonal raumzentriert liefert eine gute Beständigkeit gegenüber Alterungsdeformationsrissbildung.
Die Herstellung der Legierung kann durch Erschmelzen im Vakuum-induktionsofen und darauffolgendes Elektroschlacke-Umschmelzen erfolgen. Das Umschmelzen kann auch durch ein Vakuum-Lichtbogen-Verfahren erfolgen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Werkstoff Molybdän auf, wobei der Molybdänanteil zwischen 2,8 und 3,3 Gewichtsprozent beträgt. Hierdurch kann eine gute Korrosionsbeständigkeit erzielt werden, insbesondere unabhängig von dem Temperaturbereich, in welchem der Spalttopf eingesetzt wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Werkstoff Aluminium und Titan auf, wobei der Aluminiumanteil zwischen 0,2 und 0,8, bevorzugt 0,4 und 0,6 Gewichtsprozent beträgt und/oder der Titananteil zwischen 0,65 und 1,15, bevorzugt 0,8 und 1,15 Gewichtsprozent beträgt. Hierdurch können besonders gute mechanische Eigenschaften erzielt werden, insbesondere weil Aluminium und Titan das Ausbilden zumindest einer der folgenden Phasen eines austenitischen Gefüges sicherstellen können: Phase γ'' (Ni3Nb, Al, Ti) tetragonal raumzentriert, und/oder Phase γ' (Ni3Al, Nb) kubisch-flächenzentriert.
Bevorzugt besteht nicht nur ein Teil der Seitenwandung aus dem Werkstoff, sondern die Seitenwandung einheitlich aus dem Werkstoff, insbesondere dann wenn die Seitenwandung im Hinblick auf eine minimale Materialstärke ausgelegt ist. Wahlweise kann der gesamte Spalttopf aus dem Werkstoff bestehen, obgleich insbesondere für das Flanschteil auch abweichende, insbesondere kostengünstigere Werkstoffe gewählt werden können.
Bevorzugt weist der Werkstoff Kobalt (Co) auf, und der Kobalt-Anteil ist maximal 1 Gewichtsprozent. Weiter bevorzugt weist der Werkstoff Bor (B) auf, und der Bor-Anteil ist maximal 0,006 Gewichtsprozent.
Als ein Boden des Spalttopfes ist dabei bevorzugt ein Abschnitt zu verstehen, welcher den Spalttopf an einem Ende topfförmig abschließt und dabei in die Seitenwandung übergeht.
Als ein Flanschteil des Spalttopfes ist dabei bevorzugt ein Abschnitt zu verstehen, welcher dazu ausgebildet ist, den Spalttopf in einer definierten Lage und Ausrichtung in der Pumpe anzuordnen und zu fixieren.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Spalttopfes zur Anordnung in einem Spalt zwischen einem Treiber und einem Läufer einer magnetgekuppelten Pumpe, mit den Schritten:

– Ausbilden eines Flanschteils der Spalttopf zum Verbinden des Spalttopfes mit der Pumpe;
– Ausbilden eines Bodens des Spalttopfes;
– Ausbilden einer in montiertem Zustand des Spalttopfes in dem Spalt anordenbaren Seitenwandung zumindest teilweise aus einem Werkstoff mit einem Nickelbestandteil, wobei die Seitenwandung durch einen Umformschritt, insbesondere durch Druckwalzen, in eine Sollgeometrie gebracht wird.

Dabei wird erfindungsgemäß als Werkstoff eine Nickel-Chrom-Eisenlegierung in einem lösungsgeglühten Zustand gewählt, welche mindestens 50 und maximal 55 Gewichtsprozent Nickel, 17 bis 21 Gewichtsprozent Chrom und zwischen 10 und 25 Gewichtsprozent Eisen aufweist und der Werkstoff Niob aufweist, wobei der Niobanteil 0,5 bis 10, vorzugsweise 3 bis 7, besonders bevorzugt 4,75 bis 5,5 Gewichtsprozent beträgt, oder der Werkstoff Niob und Tantal aufweist, wobei der Anteil von Niob und Tantal zusammen 0,5 bis 10, vorzugsweise 3 bis 7, besonders bevorzugt 4,87 bis 5,2 Gewichtsprozent beträgt und wobei nach dem Umformen ein Härten durch eine Wärmebehandlung erfolgt.
Das Härten kann dabei wahlweise direkt oder nach einem zwischenzeitlichen Lösungsglühen erfolgen. Das Härten erfolgt bevorzugt durch eine Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 605 bis 728°C, insbesondere über eine Dauer von 18 bis 48 Stunden, wobei die Wärmebehandlung jedenfalls zweistufig in Bezug auf die gewählte Temperatur ist und eine jeweilige Stufe für mindestens 8 Stunden eingehalten wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Umformen ein Kaltumformen, wobei nach dem Kaltumformen ein Auslagerungshärten erfolgt, insbesondere in einem Temperaturbereich von 605 bis 728°C und ohne zwischenzeitliches Lösungsglühen nach der Kaltumformung. Das Kaltumformen ist bevorzugt ein Druckwalzen. Das Auslagerungshärten kann wahlweise direkt nach dem Kaltumformen oder nach einem Zwischenschritt zum Lösungsglühen erfolgen. Für die beschriebene Nickel-Chrom-Molybdänlegierung erfolgt das Auslagerungshärten bevorzugt ohne Lösungsglüh-Zwischenschritt. Dabei kann bei steigenden Härtezeiten ein steigende Härte erzielt werden, wobei die Härtezeiten z. B. im Bereich von 1, 4, 10, 24 oder 32 Stunden gewählt werden, bevorzugt 32 Stunden bei 605°C, da durch die längere Dauer die Härte Rc nach Rockwell-Skala C um über 10 Prozent gesteigert werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1: ein Diagramm zu typischen Kurzzeiteigenschaften einer Legierung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2: ein Diagramm zu typischen Zeitstandfestigkeiten der Legierung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
3: in einer schematischen Darstellung einen Spalttopf mit einem Werkstoff gemäß dem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In der 1 sind typische Kurzzeiteigenschaften einer Nickel-Chrom-Eisenlegierung in einem lösungsgeglühten und ausgehärteten Zustand als Funktion der Temperatur in °C gezeigt. Dem Diagramm kann entnommen werden, dass in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 600°C recht konstante mechanische Eigenschaften vorliegen, was insbesondere für die Bruchdehnung (A5) und die Einschnürung (Z) gilt, was Vorteile im Hinblick auf eine gute Maßgenauigkeit der Spalttopf liefert.
In der 2 sind typische Zeitstandfestigkeiten der Nickel-Chrom-Eisenlegierung in einem lösungsgeglühten und ausgehärteten Zustand als Funktion der Zeit in Stunden gezeigt, wobei die Zeit logarithmisch aufgetragen ist, und wobei die Zeitstandfestigkeiten auf der y-Achse in N/mm² angegeben sind. Dem Diagramm kann entnommen werden, dass selbst über eine Zeit von 10⁵ Stunden entsprechend gut 11 Jahren bei Temperaturen unter 500°C ein Verlust mechanischer Festigkeiten kaum spürbar ist.
In der 3 ist eine Spalttopf 1 gezeigt, der symmetrisch in Bezug auf eine Symmetrieachse S ausgebildet ist und einen Boden 2, eine Seitenwandung 3 sowie ein Flanschteil 4 aufweist. Die Spalttopf 1 weist eine Nickel-Chrom-Legierung auf, ist also teilweise oder vollständig aus einem Werkstoff ausgeführt, welcher aus Nickel und Chrom und weiteren Legierungsbestandteilen gebildet werden kann. Eine teilweise Ausführung des Spalttopfes in dem Werkstoff kann z. B. nur die Seitenwandung 3 betreffen. Bevorzugt ist zumindest die Seitenwandung 3 vollständig aus dem Werkstoff gebildet.
Bezugszeichenliste

1: Spalttopf
2: Boden
3: Seitenwandung
4: Flanschteil
S: Symmetrieachse

Claims

Spalttopf (1) mit: – einem Flanschteil (4); – einem Boden (2); – einer in montiertem Zustand des Spalttopfes in einem Spalt anordenbaren Seitenwandung (3), die zumindest teilweise aus einem Werkstoff mit einem Nickelbestandteil besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff eine Nickel-Chrom-Eisen-Legierung ist, welche mindestens 50 und maximal 55 Gewichtsprozent Nickel, 17 bis 21 Gewichtsprozent Chrom und zwischen 10 und 25 Gewichtsprozent Eisen aufweist, dass der Werkstoff Niob aufweist, wobei der Niobanteil 0,5 bis 10, vorzugsweise 3 bis 7, besonders bevorzugt 4,75 bis 5,5 Gewichtsprozent beträgt, oder dass der Werkstoff Niob und Tantal aufweist, wobei der Anteil von Niob und Tantal zusammen 0,5 bis 10, vorzugsweise 3 bis 7, besonders bevorzugt 4,87 bis 5,2 Gewichtsprozent beträgt und dass der Werkstoff härtbar ist.
Spalttopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff Molybdän aufweist, wobei der Molybdänanteil zwischen 2,8 und 3,3 Gewichtsprozent beträgt.
Spalttopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff Aluminium und Titan aufweist, wobei der Aluminiumanteil zwischen 0,2 und 0,8, bevorzugt 0,4 und 0,6 Gewichtsprozent beträgt und/oder der Titananteil zwischen 0,65 und 1,15, bevorzugt 0,8 und 1,15 Gewichtsprozent beträgt.
Spalttopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er keine drucktragenden Schweißnähte aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Spalttopfes (1), mit den Schritten: – Ausbilden eines Flanschteils (4) des Spalttopfes (1); – Ausbilden eines Bodens (2) des Spalttopfes; – Ausbilden einer in montiertem Zustand des Spalttopfes in einem Spalt anordenbaren Seitenwandung (3) zumindest teilweise aus einem Werkstoff mit einem Nickelbestandteil, wobei die Seitenwandung (3) durch einen Umformschritt in eine Sollgeometrie gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass für den Werkstoff eine Nickel-Chrom-Eisen-Legierung in einem lösungsgeglühten Zustand gewählt wird, welche mindestens 50 und maximal 55 Gewichtsprozent Nickel, 17 bis 21 Gewichtsprozent Chrom und zwischen 10 und 25 Gewichtsprozent Eisen aufweist, dass der Werkstoff Niob aufweist, wobei der Niobanteil 0,5 bis 10, vorzugsweise 3 bis 7, besonders bevorzugt 4,75 bis 5,5 Gewichtsprozent beträgt, oder dass der Werkstoff Niob und Tantal aufweist, wobei der Anteil von Niob und Tantal zusammen 0,5 bis 10, vorzugsweise 3 bis 7, besonders bevorzugt 4,87 bis 5,2 Gewichtsprozent beträgt und dass nach dem Umformen ein Härten durch eine Wärmebehandlung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen ein Kaltumformen ist und nach dem Kaltumformen ein Auslagerungshärten erfolgt, insbesondere in einem Temperaturbereich von 605 bis 728°C, und zwar ohne zwischenzeitliches Lösungsglühen nach der Kaltumformung.