DE2209096A1 - Verfahren zur pulvermetallurgischen herstellung von formstuecken aus beryllium - Google Patents

Verfahren zur pulvermetallurgischen herstellung von formstuecken aus beryllium

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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C1/00Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/0408Light metal alloys

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Description

  • Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Formstücken aus Beryllium Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Formstücken aus Beryllium oder Berylilumlegierungen, bei dem in einer ersten Stufe aus dem Metallpulver ein Formstück gewonnen und dieses in einer weiteren Stufe weiter behandelt wird.
  • Das im weitesten Umfang wirtschaftlich genutzte bekannte Verfahren zur Herstellung von Berylliumkörpern besteht darin, Beryllium-Gussknüppel zu Pulver zu mahlen, dieses in eine Form einzubringen und in dieser unter Druck und erhöhten Temperaturen im Vakuum zu sintern, wobei shezu die theoretisch erzielbare Dichte erreicht wird.
  • Die auf diese Weise hergestellten Körper werden dann zur endgültig gewünschten Gestalt und Grösse maschinell bearbeitet.
  • Ziel dieses bekannten Verfahrens ist, Beryllium feinkörniger Struktur zu erhalten, da beim gegenwärtigen Stand der Technik grobkörniges Beryllium extrem spröde und nicht für konstruktive Anwendungen geeignet. Dieses Verfahren der Umwandlung grobkörniger Knüppel in feines Pulver und Sintern desselben unter Druck und Hitze resultiert in einem Berylliumprodukt gleichmässig feiner Kornstruktur. Dennoch ist diese Methode mit dem in der Praxis bekannten Nachteil behaftet, dass die von vielen Faktoren abhängige Bearbeitungszeit genau eingehalten werden muss, weil eine verlängerte Sinterungsstufe zu einer Eornvergröberung führen kann, die die mechanischen Eigenschaften des Berylliums verschlechtert. Es ist ferner bekannt, dass das Herausarbeiten der Formstücke durch maschinelle, z.B.
  • spanabhebende Bearbeitung aus einem festen gepressten Berylliumblock langwierig, kostspielig und schwierig ist.
  • Da Beryllium als Metall teuer ist, lag ein Bedürfnis für einen wirtschaftlichen Prozess zur Herstellung von Beryllium-Formstücken vor, was zu einem anderen Herstellungsverfahren geführt hat.
  • Dieses andere weitere bekannte Verfahren besteht darin, zunächst das Metallpulver mechanisch oder hydrostatisch zu Formstücken zu pressen und dann diese drucklos bei erhöhten Temperaturen im Vakuum oder inerter Umgebung zu sintern. Diese Methode führt jedoch nicht zu einem völlig dichten Material, noch hat dieses Material optimale mechanische Eigenschaften.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt bei einem Verfahren der eingangs definierten Art dagegen vor, zunächst bei Rauratemperatur unter Anwendung entweder der Technik isostatischer Druckaufbringung oder konventioneller mechanischer Verdichtungsverfahren die Formstücke kalt zu pressen und anschliessend die so gewonnenen Formstücke mechanisch auf die Enddillensionen bei gleichzeitiger Erhitzung zu pressen0 Dadurcn kann man z.B. die wirtschaftlichen Vorteile der Anwendung der isostatischen Drucktechnik in Anspruch nehmen und gleichzeitig die mit bekannten Verfahren verbundenen Scnwierigkeiten überwinden. Der erste Pressvorgang des Berylliumpulvers bringt dieses dabei auf etwa 60 bis 95 GXo der theoretisch erreichbaren Dichte, während man mit der zweiten Presstufe auf 99 % oder mehr der rechnerischen Dichte kommt. Dabei erhält man gieichzeitig ein material, das eine verbesserte Zugfestigkeit und Fliessgrenze sowie eine verbesserte Dennung im Vernältnis zu konventionellen Pressmethoden hat0 Das Verfahren nach der Erfindung erlaubt auch eine einfache, zerstörungsfreie Kontrolle und die Vornahme von Versuchen vor der weiteren Presstufeo Es gestattet ferner, Schäden bei laufendem Verfahren zu beheben und die Herausnahme beschädigter Teile.
  • Die gegenüber vorbekannten methoden ermöglichte Anwendung geringerer Verdichtungsdrücke zur Erzielung gleicher Dichtwerte bei eichen Grössenordnungen bezüglich der erforderlichen Temperaturen bietet wirtschaftliche Vorteile hinsichtlich der Pressformeinheiten und Anlagengrösse. Sie erlaubt auch das Verdichten bei geringeren Temperaturen, wobei, wie vorstehend ausgeführt, bessere mechanische Eigenschaften infolge des reduzierten Kornwachstums erzielt werden. So führt dieses Verfahren von selbst zu der Möglichkeit der Herstellung von Form stücken komplizierter äusserer Gestaltung. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass während der zweiten Verdichtungsstufe die Materialbewegung im Verhältnis zu der bei vorbekannten Methoden unverhältnismässig stark herabgesetzt ist, und demzufolge die herzustellenden Teile weitmehr der endgültig verlangten Gestalt bei geringer innerer und Formwandreibung angeglichen werden können.
  • Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, Formstücke mit einem grösseren Länge-Durchmesser-Verhältnis herstellen zu können, durch welches vorbekannte pulvermetallurgische Methoden weitgehend eingeschränkt werden.
  • Es wurde gefunden, dass diese Verdichtungsmethode wegen des sehr geringen Kornwachstums in einer guten Dehnung (oder Formbarkeit) bei hoher Zugfestigkeit und Streckgrenze resultiert. Es ist ausserdem wirtschaftlicher, um einen Berylliumkörper der theoretischen Dichte zu erzielen.
  • Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, ein Beryllium-Formstück theoretischer Dichte mit erhöhter Zugefestigkeit, Streckgrenze und Dehnung herzustellen, wobei gleichzeitig die Wirtschafxlichkeit des Gesamtverfahrens infolge verringerten Materialaufwandes und anschliessenden Bearbeitungsaufwandes für die Endgestaltung erhöht wird.
  • Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, eine Methode für die Herstellung von Pormkörpern gewünschter Gestalt aus Beryllium oder einer Berylliumlegierung erhöhter Festigkeit und theoretischer Dichte durch Kaltpressen von Berylliumpulver auf 60 bis 95 %0 seiner theoretischen Dichte und anschliessendes mechanisches Pressen bei gleichzeitiger Anwendung von Hitze im Vakuum oder inerter Umgebung zu schaffen.
  • Die erste Stufe des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von Formstücken aus Beryllium besteht darin, zunächst aus dem Metallpulver bei Raumtemperatur entweder durch Anwendung der Technik isostatischer Druckaufbringung oder konventioneller mechanischer Verdichtungsmethoden dieses Formstück kalt zu pressen. Das isostatische Pressen ist eine Methode, bei der gleichzeitig und gleichmässig in allen Richtungen Druck ausgeübt wird.
  • Hierzu wird Berylliwspulver in einen als Pressform dienenden und gegen irgendein mögliches Becken abgedichteten Behälter aus (tutwii, PVO, Kunstharz oder einem anderen geeigneten Material eingefüllt. Der Behälter bzw. die Pressform wird dann in das Innere eines Druckgefässes eingebracht, dieses abgedichtet: und dann hydrostatischer Druck auf alle Flächen des zu pressenden Stückes aufgebracht. Nachdem dann der Druck weggenommen und der gepresste Teil aus dem Raum des Druckgefässes herausgenommen wird, erhält man ein Produkt gleichmässiger Festigkeit, das zwischen 60 und 95 der theoretisch erzielbaren Dichte aufweist. Ein solches Presstück kann einfach gehandhabt, der endgültig gewünschten Grösse durch maschinelle Bearbeitung angepasst und vor der weiteren Behandlung geprüft und begutachtet werden. Ein zufriedenstellendes Resultat in Gestalt eines kaltgepressten Formstückes aus Beryllium wird z03. bei isostatischer Verdichtung unter Anwendung eines Druckes von 2000 kg/cm2 ( = 30 000 psi) ohne Begrenzung nach oben erzielt. Der Druck kann bis auf etwa 6300 kg/cm2 (= 90 000 psi) oder darüber ansteigen, jedoch liegt der bevorzugte Bereich zwischen 2800 und 4500 kg/cm2 (= 40 000 und 65 000 psi). Unter 2000 kg/cm2 (= 30 000 psi) muss ein Bindematerial verwendet werden, das die Handhabung des Formstückes erlaubt.
  • Nach dem Kaltpressen wird für die weitere Verdichtung des Formstückes als zweite Verfahrensstufe eine Umprägung durch die gleichzeitige Anwendung von Druck und Hitze vorgenommen9 Da man bei erfindungsgemäss herzustellenden Stücken diesen Verfahrensschritt mit verhältnismässig honer Dichte beginnt, werden geringere Temperaturen und Drücke zur erzielung der endgültig gewüncten Dichte benötigt. Dies resultiert, wie bereits ausgeführt, in einem laterial geringerer Korngrösse als bei einem L)ro dukt, das direkt aus Pulver mittels bekannter Methoden einen Block gepresst wurde und bringt verbesserte mechanische Eigenschaften mit sich.
  • Je höher für die zweite Verfahrensstufe die Temperatur gewählt wird, ein desto geringerer Druck wird benötigt, um die höchstmögliche Dichte zu erzielen und umgekehrt. Es wurde gefunden, dass rGemperaturen zwischen 7600 und 117500 (= 1400 und 2150°F) verfahrensgerecht sind. Der optimale oder bevorzugte Bereich liegt jedoch zwischen 815 und 1040°C (1500 und 1900°F). Die folgende Tabelle gibt die angewendeten Drücke und Temperaturen für das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung in Verhältnis zu Drücken und Temperaturen, wie sie für vorbekannte methoden eingesetzt wurden, an.
  • In dieser Tabelle bedeuten: "pt = Presstemperatur; "p (99) - StdT" = benötigter Druck(Effektivdruck auf das Metall)zur Erzielung von 99 % Dichte bei bekannten Verfahren; "p (99) - Erfdg" = benötigter Druck (Effektivdruck auf das Metall) zur Erzielung von 99 % Dichte bei den Verfahren nach der Erfindung und "dv" = Verhältnis der erforderlichen Drüde nach dem Stand der Technik bzw. der Erfindung.
  • Tabelle I pt 1093 1066 1038 982 927 871 : OC (2000) (1950) (1900) (1800) (1700) (1600): (Op) p(99) 56 63 70 87 keine Angaben: kg/cm2 StdT (800) (900) (1000) (1240) - - : (psi) p(99) 14 17 21 29.5 56 126.5 : kg/cm² Erfdg. (200) (240) (300) (420) (800) (1800) : (psi) dv 4:1 3.75:1 3.33:1 2.95:1 - -Nach Anwendung der in Tabelle I angegebenen Temperaturen und Drücke wurden die nachfolgend aufgeführten mechanischen Eigenschaften an Formstücken aus Beryllium ermittelt: Tabelle II Typische mechanische Eigenschaften von nach verschiedenen Verfahren hergestellten Formstücken aus Beryllium.
  • Zugfestig- Streck Verfahren Dichte keit grenze Dehnung Heisspressen 99 a/0 3090 kg/cm2 2320 kg/cm2 1.5 % (StdT) (44000 psi) (33000 psi) Kaltpressen 94 % 2250 kg/cm² 2040 kg/cm² 0.5 % und Sintern (32000 psi) (29000 psi) (StdT) Kaltpressen u. 99 O/o 3520 kg/cm2 3090 kg/cm2 2.0 %.
  • Heisspressen (50000 psi) (44000 psi) (Erfindung) Mit dem erfindungsgemässen Verfahren können die verschiedensten Körper, wie beispielsweise Scheiben, Zylinder, Hohlzylinder und Hohlkonen hergestellt werden.
  • Wie vorstehend ausgeführt, offenbart die vorliegende Erfindung ein neues Verfahren für die Herstellung von Formstücken aus Beryllium erhöhter Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung, die die theoretisch erreichbare Dichte und ein sehr feines Korn aufweisen. Dieses Verfahren ist bedeutend wirtschaftlicher als vorbekannte und erlaubt es, Beryllium-Formstücke endgültig gewünschter Dimensionen herzustellen und beseitigt damit das Erfordernis langwieriger maschineller Bearbeitungen und gestattet es infolge niedriger,Kornwachstum verhindernder Temperaturen gleichzeitig, Stücke mit besseren mechanischen Eigenschaften herzustellen.
  • Da die vorliegende Erfindung mit ihren wesentlichen Merkmalen in den verschiedensten Variationen anwendbar ist, kann die beschriebene Durchführungsvariante nur beispielsweise und nicht beschränkend aufgefasst werden.

Claims (5)

Patentansprüche
1. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von mindestens 99 % der theoretisch erreichbaren Dichte aufweisenden Formstücken aus Beryllium, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das Berylliumpulver zuerst bei Raumtemperatur und Drücken zwischen 2000 und 6300 kg/cm2 kaltverdichtet und danach die so gewonnenen Stücke bei Drücken zwischen 7 und 700 kg/cm2 und Temperaturen zwischen 760 und 12000C weiter verdichtet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , dass für die erste Stufe des Verdichten9 bei Raumtemperatur die Technik isostatischer Druckaufbringung angewendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, daduroh g e k e n n -z e i o h n e t , dass für die erste Stufe der Verdichtung bei Raumtemperatur eine mechanische Pressung angewendet wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass mit der ersten Stufe des Verdichtens bei Raumtemperatur ein Formstück einer theoretischen Dichte zwischen 60 und 95 * hergestellt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, das in der ersten Stufe der Verdichtung bei Raumtemperatur Drücke zwischen 2800 und 4500 kg/cm² angewendet werden.
6O Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass in der zweiten Verfahrensstufe Temperaturen zwischen 840 und 104000 angewendet werden.
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