DE1943238A1

DE1943238A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen rohrfoermiger Presslinge

Info

Publication number: DE1943238A1
Application number: DE19691943238
Authority: DE
Inventors: Kelly Franklin Calvin; Manilla Chales Ernest; Hanewald Richard Herman
Original assignee: Henry Wiggin and Co Ltd
Current assignee: Henry Wiggin and Co Ltd
Priority date: 1968-08-29
Filing date: 1969-08-26
Publication date: 1970-03-05
Also published as: AT302002B; FR2016606A1; NL6913150A; SE357687B; US3615382A; BE738178A; DE1943238B2; GB1236846A

Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dr.-lng. R. König Patentanwälte · 4000 Düsseldorf ■ CecilienaUee 76 · Telefon 433732

Unsere Akte: 25 172 25 .August 1969

IIl/Ro

Henry Wiggin * Company Limited, Thames^ouse^ Millbank^

London. S. W. 1, England

"Verfahren und Vorrichtung zum- Herstellen rohrförmiger

Preßlinge"

Die Vorteile der pulvermetallurgischen Herstellung von Metallteilen, bei der zunächst ein grüner Pulverpreßling hergestellt und dann gesintert wird, sind allgemein bekannt. Soll das Fertigerzeugnis eine hohe Festigkeit besitzen, dann muß der Preßling einen homogenen Aufbau und eine hohe Dichte besitzen. Selbst dann, wenn das Sinterteil eine gewisse Porosität besitzen soll, wie beispielsweise ein Filter oder Lager, ist ein gleichmäßiges Verdichten im Hinblick auf eine gleichmäßige Porosität von großer Bedeutung.

Beim Herstellen hohlzylindrischer Preßlinge ergeben sich Jedoch im Hinblick auf die Eigenschaften des Fertigerzeugnisses eine Reihe bislang ungelöster Probleme. So verhält sich das metallische Pulver im Preßwerkzeug unter dem Preßdruck nicht wie eine echte Flüssigkeit, da sich der Druck nicht gleichmäßig über die Pulvermasse verteilt. Das abweichende Verhalten des Pulvers im Vergleich zu einer idealen Flüssigkeit findet seine Ursache in der Reibung zwischen dem Pulver und dem Werkzeug sowie der inneren Reibung zwischen den Pulver-

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teilchen. Obgleich sich kurze hohlzylindrische Preßlinge, deren Länge etwa gleich der Wandstärke ist, durch Einfüllen eines Metallpulvers in den Ringraum zwischen einer hohlzylindrischen Form und einem zylindrischen Kern und anschließendes Verpressen von einer oder beiden Seiten des Ringraums her erzeugen lassen, ist es nicht möglich, auf diese Weise grüne Preßlinge für lange und dünne Sinterrohre herzustellen. Sobald nämlich das Verhältnis von Länge zur Wandstärke 5*1 erreicht, ist ein gleichmäßiges Verdichten unmöglich.

Eirie Möglichkeit zum Herstellen hohlzylindrischer Preßlinge besteht im isostatischen Pressen, bei dem ein aus Pulver bestehender Ring-in einen flexiblen Balg gebracht und gleichzeitig ein Flüssigkeitsdruck auf die gesamte Balgoberfläche ausgeübt wird. Dieses Verfahren krankt jedoch daran, daß es schwierig ist, die eingeschlossene Luft abzuführen und einen Preßling mit engen Maßtoleranzen herzustellen, weil der Beutel beim Füllen und Pressen laufend seine Form ändert* In jedem Falle erfordert die Herstellung langer Rohre durch isostatisches Pressen eine aufwendige Vorrichtung großer Länge, Insbesondere wenn sie leistungsfähig sein soll. Eine große Gefahr besteht beim isostatischen Pressen darin, daß der Beutel durchlöchert wird und selbst bei einer kleinen Beschädigung die Druckflüssigkeit in das Pulver gelangt, so daß dieses beispielsweise durch öl oder Wasser verunreinigt wird*

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun ^J darin, die vorerwähnten Nachteile der herkömmlichen Verfahren zum pulvermetallurgischen Herstellen hohlzylin·^ drischer Teile zu beheben. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Ringraum des: .-

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Werkzeugs mit Pulver zu füllen und das Pulver mittels einer Relativbewegung zwischen der Form und einem als konischer Stempel ausgebildeten Preßdorn radial zu verpressen. Vorzugsweise wird der Preßdorn durch die Preßform mit dem Pulver hindurchgestoßen.

Obgleich sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen hohlzylindrischer Preßlinge mit elliptischem, rechtwinkligem, hexagonalem oder quadratischem Querschnitt eignet, dient es insbesondere auch zum Herstellen langer Rohrkörper mit kreisförmigem Querschnitt, deren Verhältnis von Länge zu Wandstärke vorzugsweise mindestens 5 : 1 beträgt, jedoch weitaus größer, beispielsweise 250 : 1 oder auch 350 j 1 sein kann. Tatsächlich lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr lange Hohlzylinder mit einer Länge von beispielsweise 4,60 m oder mehr herstellen. Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte grüne Preßling kann in herkömmlicher Weise, beispielsweise durch Sintern oder Kaltziehen weiterbearbeitet werden.

Vorzugsweise wird der Ringraum in der Form durch einen Kern festgelegt, der sich zentrisch durch die Preßform erstreckt und einen Teil des konischen Preßdorns bildet oder mit diesem verbunden ist. Nach dem Ausfüllen des Ringraums wird der Kern aus" dem Pulver bzw, der Form herausgezogen, wobei ihm der konische Preßdorn folgt.

Bei der Relativbewegung zwischen dem konischen Preßdorn und der Form muß ein Herausdrücken des Pulvers aus der Form verhindert werden, da die Gesamtmasse des Pulvers in der Form während des ganzen Preßvorgänge gleichbleiben muß. Vorteilhafterweise befinden sich daher an den

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Stirnseiten der Form Je ein verformbarer Deckel, der den Kern umgibt und die Form verschließt. Die Deckel müssen soweit verformbar sein, daß der konische Preßdorn ohne Pulveraustrag durch sie hindurchgehen kann. Die Deckel können aus Gummi oder einem anderen elastischen Werkstoff, beispielsweise aus einem Silikonkautschuk bestehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Verpressen duktiler Metallpulver, wie beispielsweise Nickel-, Kobalt-, Eisen-, Kupfer-, Aluminium-, Magnesium-, Nickel-Kupfer-Iegierungs- und Nickel-Chrom-Iiegierungs-Pulvern. Das Metallpulver kann auch Metalloxyde und andere Metallverbindungen, ,beispielsweise Thoriumoxyd, Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd, Siliziumkarbid und Wolframkarbid enthalten, um dispersionsgehärtete Sinterteile herzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich mithin zur TeTärbeitung der herkömmlichen Pulver, mit üblicher Korngröße, die jedoch vorzugsweise 1 bis 50 Mikron beträgt.

Der Verdichtungsgrad hängt von verschiedenen Faktoren, beispielsweise der ursprünglichen Dichte der Pulverschüttung und der Natur des Pulvers ab. Im allgemeinen kann beim Herstellen eines grünen Preßlings guter Festigkeit und hoher Dichte die Dichte der Pulverschüttung um 10 bis 40, vorzugsweise aber um 20 bis 30$ verringert werden. Der dabei erforderliche, nach außen gerichtete Druck sollte mindestens 6,25 kg/mm betragen, kann jedoch beim Verpressen von Pulvern, wie beispielsweise Karbonylnickelpulver allmählich bis auf 21 kg/mm und mehr gesteigert werden.

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Die Konizität des Lochdorns spielt im Hinblick auf die Qualität des Preßlings eine wesentliche Rolle. So sollte die Neigung der Lochdornmantelflache in bezug auf die Lochdornachse zwischen 3,3 mm/m und 104 mm/m liegen, d.h. beispielsweise 0,33 bis 10,4 % betragen. Vorzugsweise beträgt die Konizität 10 bis 31 mm/cm, d.h. 1 bis 3,1%, um einen Preßling mit gleichmäßiger Dicke, eine geringe Reibung, einen hohen Durchsatz und eine optimale Ausnutzung des Pulvers zu erreichen.

Die Bewegungsgeschwindigkeit des Lochdorns beim Pressen kann 10 m/min betragen, liegt jedoch meistens darunter.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Preßlinge mit unterschiedlichen Wandstärken herstellen, wenngleich der Wandstärkenbereich in dem sich einwandfreie Preßlinge erzeugen lassen, in gewissem Maße auch von den Pulvereigenschaften abhängt. Aus duktilem Metallpulver, beispielsweise Karbonylnickelpulver, lassen sich homogene und dichte Preßlinge mit einer Wandstärke von 9,5 bis 25 mm herstellen.

Der grüne Preßling kann in der Form gesintert werden, so daß das beim Sintern eintretende Schrumpfen ein leichtes Entfernen des Sinterteils aus der Form gestattet. Üblicherweise wird der Preßling jedoch vor dem Sintern aus der Form genommen, weswegen die Form bei Teilung in der Längsachse zweiteilig ausgebildet sein kann und beim Pressen in üblicher Weise zusammengehalten wird. Vorteilhafterweise besitzt die geteilte Form einen ebenfalls geteilten Einsatz, da dann in einer einzigen Form Einsätze

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verschiedener Wandstärken verwendet und so mit einer einsäigen Form Hohlzylinder mit verschiedenen Außendurchmessern gepreßt werden können.

Durch Versuche konnte festgestellt werden, daß es besonders vorteilhaft ist, den konischen Preßdorn bei seiner Bewegung durch die Form in Drehung zu versetzen, da dies eine gute Konzentrizität der Innen- und der Außenoberfläche des Preßlings ergibt.

Der konische Preßdorn kann vorteilhafterweise in einen zylindrischen Kalibrierdorn mit demselben Außendurchmesser auslaufen oder mit diesem verbunden sein, so daß die Bohrung des Preßlings eine glatte Oberfläche und einen gleichmäßigen Durchmesser erhält. Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen einer Preßvorrichtung des näheren erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Form mit zylindrischem Kern,

Fig. 2 die Form der Fig. 1 während des Pressens,

Fig. 5 einen Querschnitt nach der Linie III - III in Fig. 1,

Fig, 4 einen der Fig. 1 ähnlichen Schnitt durch eine andere Preßform,

Flg. 5 einen Querschnitt nach der Linie V- V in Fig. 4,

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Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfIn-——2· dungsgemäßen Preßform.

Die Form 10 der Fig. 1 bis 3 besteht aus hochfestem Stahl um dem beträchtlichen Preßdruck standzuhalten. Ein zylindrischer Kern 11 erstreckt sich zentrisch durch die Form und ist starr mit einem kegelstumpfförmigen Preßdorn 12 verbunden, der seinerseits mit einem Kalibrierdorn 13 verbunden ist. Die Preßform 10 ist entlang der Trennlinie 14 längsunterteilt und an ihrem unteren Ende mit einem Gummideckel 16 verschlossen, durch den der Kern 11 hindurchragt. Der Deckel 16 wird mittels einer Kappe 17 in richtiger Lage gehalten. Die Preßform ist mit Metallpulver 15 gefüllt, und der Kern wird durch eine schematisch dargestellte Zentriervorrichtung 20 in zentrischer lage gehalten. Beim Füllen mit Pulver wird die Preßform vorteilhafterweise mittels eines Vibrators 26 in Vibration versetzt, um eine gleichmäßige Pulverschüttung zu erreichen. Nach dem Füllen des Ringraums zwischen Preßform 10 und Kern 11 wird die Zentriervorrichtung 20 entfernt und die obere öffnung der Preßform durch Absenken eines verformbaren Deckels 1Θ verschlossen, der mittels einer Kappe 19 in seiner richtigen Lage festgehalten wird. Die Kappen 17 und 19 verklammern gleichzeitig die beiden Formhälften.

Die aus dem Kern 11, dem Preßdorn 12 und dem Kalibrierdorn 13 bestehende Baueinheit kann außerdem rotieren« Während der Abwärtsbewegung durch die Form übt der konische Preßdorn 12 einen radialen Preßdruck sowie eine geringe nach abwärts gerichtete Kraft auf das Pulver aus, Das Pulver wird durch die starre Form 10 und die Deckel 16, 18 während der Hindurchbewegung des Preßdorns 12 in

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der Form gehalten. Sobald der Kern 11, der konische Preßdorn 12 und der Kalibrierdorn 13 durch die Form hindurchgeführt worden sind, werden die Kappen 17 und 19 entfernt und die Formhälften von dem grünen Preßling abgehoben.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 besitzt die Preßform 10 einen längsunterteilten Einsatz sowie eine axial angeordnete und von Deckel 16 zu Deckel 18 verlaufende dehnbare Hülse 22. Diese Hülse ist entlang der Trennungslinie 23 geschlitzt und besteht aus Federstahl oder einem steifen federnden Kunststoff, der sich der Oberfläche des Preßdorns 12 bei dessen Abwärtsbewegung dicht anpaßt. Die Hülse 22 verhindert in vorteilhafter Weise eine Reibung zwischen dem Pulver und dem Preßdorn, der nun geschmiert werden kann, ohne daß das Schmiermittel in verunreinigende Berührung mit dem Pulver kommt. Auf diese Weise kann der Reibungswiderstand bei der Preßdornbewegung durch die Form verringert werden. Außerdem eignet sich die Hülse sehr gut zum Zentrieren. Mehrere austauschbare Hülsen unterschiedlicher Durchmesser erlauben es, mit einer einzigen Form und einem einzigen Preßdorn Preßlinge verschiedenen Innendurchmessers herzustellen. Außerdem können Hülsen verschiedenen Querschnitts verwendet werden, um Hohlkörper mit entsprechender Innenkontur herzustellen.

Die richtige Lage des Preßdorns in der Form ist von großer Bedeutung, weswegen bei nicht rotierendem Preßdorn der Kern 11 Zentrierflossen 24 aufweisen kann (Fig. 6). Der Kern 11 besitzt drei solcher Zentrierflossen 24 mit gleichmäßigem Abstand voneinander, die in Kontakt mit der Preßformwand stehen. Um ein leichtes Herausdrücken

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der Zentrierflossen mit dem Kern 11 zu ermöglichen, besitzen sie scharfe Schneidkanten und besteht der Deckel aus weichem Gummi, durch das die Zentrierflossen leicht hindurchdringen können. Obgleich der Deckel 16 auf diese Weise in drei Teile zerschnitten wird, wird er gleichwohl durch die Kappe 17 in seiner Lage gehalten und verhindert ein Herausdrücken des Pulvers, wenngleich er nach dem Pressen ersetzt werden muß.

Der Preßdorn und die Form müssen aus hochfestem Metall bestehen. Die Dorne können unter Anwendung von Ultraschall durch die Form bewegt werden, um die Reibungsverluste klein zu halten und eine glatte Bohrungsoberfläche zu erreichen.

Bei einem Versuch kam eine Form mit einem Innendurchmesser von 76 mm mit einem Kern, dessen Durchmesser 35 mm betrug, und einem Preßdorn mit einem Durchmesser von 35 mm am unteren Ende und einer Länge von 304 mm sowie einem Maximaldurchmesser von 44 mm zur Verwendung. Die Konizität des Preßdorns betrug mithin 14,3 mm/m. Das dickere Ende des Preßdorns ging in einen zylindrischen Kalibrierdorn über, dessen Durchmesser ebenfalls 44 mm betrug und der 12,7 mm lang war. Der Ringraum der Preßform wurde mit einem bindemittelfreien Karbonalnickelpulver einer Korngröße unter etwa 5 Mikron gefüllt. Der rohrförmige Preßling besaß eine Länge von 178 cm und eine Dichte von etwa" 60% der theoretischen Dichte des reinen Nickels. Der grüne Preßling wurde eine Stunde lang bei 76O⁰C in einer Atmosphäre aus 88% Stickstoff und 12% Wasserstoff in der Form vorgesintert, dann aus der Form entfernt und weitere acht Stunden bei 1205⁰C in ähnlicher Atmosphäre fertiggesintert. Das

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Sinterrohr besaß eine Dichte von über 90% der theoretischen Dichte des reinen Nickels und ließ sich ohne weiteres durch Ziehen weiterverarbeiten.

Es ist nicht unbedingt erforderlich, mit ruhender Form zu arbeiten, vielmehr kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit ruhendem Kern und ruhenden Dornen und beweglicher Form durchgeführt werden. Außer zum Herstellen von beispielsweise Nickelrohren für den Transport korrodierender Flüssigkeiten eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zum Herstellen anderer Artikel, wie beispielsweise Lager.

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Claims

Henry Wiggin & Company Limited, Thames House, Millbank, London. S. W. 1. England Patentansprüche ι

1. Verfahren zum Herstellen rohrförmiger Preßlinge aus Metallpulver, dadurch gekennzeichnet, daß das in einem Ringraum einer .Form befindliche Pulver in radialer Richtung gepreßt wird,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die ringförmige Pulverschüttung ein konischer Preßdorn bewegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch. g -e k e η η ζ e lehnet , daß ein Preßdorn mit kreisförmigem Querschnitt während seiner Bewegung durch eine mit Pulver gefüllte Form mit kreisförmigem Innenquerschnitt um seine Längsachse gedreht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Pulver in den Ringraum um einen zylindrischen, mit dem konischen Preßdorn verbundenen Kern geschüttet und der Kern zusammen mit dem konischen Preßdorn durch das Pulver und die Form gestoßen wird.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e η η ζ e-i c h n. e t , daß das Pulver zu einem hohlzylindrischen Preßling mit einem Verhältnis Länge zu Wandstärke von mindestens 5:1 verpreßt wird.

6, Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekenn ζ eic h n e t , daß die Wandstärke der PulverschUttung beim radialen Pressen -um 20 bis 30# verringert wird.

To Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hohlform (10) mit einem axial angeordneten Kern (11), einen mit diesem verbundenen Preßdorn (12) und die Form (10) verschließende, den Kern umgebende Deckel (16, 18) aus verformbarem Werkstoff.

8, Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung der Form (10), der Kern (11) _aund der Preßdorn (12) einen kreisförmigen Querschnitt besitzen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der Preßdorn (12) mit einem zylindrischen Kalibrierdorn (13) verbunden ist, der denselben Durchmesser wie das benachbarte Ende des Preßdorns (12) besitzt*

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, d a d u rc h gekennzeichnet, daß die Deckel (16, 18) mittels Kappen (17, 19) an den

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Stirnseiten der Form (10) festgelegt sind.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (10) längsunterteilt ist und einen längsunterteilten Einsatz (21) besitzt.

12. Torrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (11) von einer radial verformbaren Hülse (22) umgeben ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Hülse einen Längsschlitz (23) besitzt.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichn et, daß der Kern (11) radial verlaufende Abstandsflossen (24) mit unteren Schneidkanten aufweist, deren Breite dem radialen Abstand von Kern (11) und Form (10) entspricht.

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