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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.
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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.
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Die auf diese Weise hergestellten Körper werden dann zur endgültig
gewünschten Gestalt und Grösse maschinell bearbeitet.
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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.
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spanabhebende Bearbeitung aus einem festen gepressten Berylliumblock
langwierig, kostspielig und schwierig ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 %.
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Heisspressen (50000 psi) (44000 psi) (Erfindung)
Mit
dem erfindungsgemässen Verfahren können die verschiedensten Körper, wie beispielsweise
Scheiben, Zylinder, Hohlzylinder und Hohlkonen hergestellt werden.
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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.
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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.