DE2307383C2

DE2307383C2 - Verfahren zur ermittlung der optimalen sprengbedingungen beim explosivverdichten verschiedener metallischer und keramischer pulver

Info

Publication number: DE2307383C2
Application number: DE19732307383
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Pruemmer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1973-02-15
Filing date: 1973-02-15
Publication date: 1977-02-24
Also published as: DE2307383B1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der optimalen Sprengbedingungen beim Explosivverdichten verschiedener metallischer und keramischer Pulver in einem Metallrohr vermittels eines um dieses angeordneten Sprengstoffs, dessen an der Oberseite über den Rohrumfang gleichzeitig eingeleitete Detonation in Achsrichtung über das Rohr hinwegläuft. Dabei wurden üblicherweise hochbrisante Sprengstoffe verwendet, da mit den dadurch auftretenden höchsten Drücken die besten Verdichtungen erwartet wurden. Diese Arbeitsweise ergab aber Produkte, die entweder rissig oder von ungleichmäßiger Dichte über dem Querschnitt waren. Man ging daher zu niedrigeren Detonationsgeschwindigkeiten von 2000 bis 3000 m/sec über, weil man sich davon bessere Ergebnisse versprach. Die damit hergestellten Produkte waren aber auch unbefriedigend, weil sie allenfalls nur zufällig zu brauchbaren Ergebnissen führten- Dies scheint bereits darauf hinzudeuten, daß bei den bisherigen einschlägigen Versuchen wesentliche Punkte nicht erkannt worden sind. Eingehende und langwierige Versuche haben in der Tat ergeben, daß sich Resultate erzielen lassen, die man bisher kaum für möglich gehalten hätte, die aber dennoch mit der gewüascüten Präzision erreichbar sind. Naturgemäß ist es bei dem Umfang des Gebietes und der Fülle von Problemen nicht möglich, in kurzer Zeit eine völlige theoretische Aufklärung und technische Durcharbeitung aller Einzelheiten zu erzielen. Fest steht bis jetzt nur, daß sich hinreichende Bedingungen für die Arbeitsweise angeben lassen, um zum gewünschten Ziel zu kommen.

Demgemäß war es Aufgabe der Erfindung, die genannten Mangel zu beseitigen. Erfindungsgemäß geschieht das in der Weise, daß zur Erzielung einer optimalen gleichmäßigen Verdichtung über den Querschnitt zunächst die Kurve des dafür günstigsten Gewichtsverhältnisses von Sprengstoff zu Pulver für das jeweilige Pulver in Abhängigkeit vom Quadrat der Detonationsgeschwindigkeit aus einer Reihe von unter verschiedenen Sprengbedingungen hergestellten Proben experimentell ermittelt und dann die zugeordnete Dichtekurve aufgestellt wird, mit deren Hilfe schließlich die der optimalen gleichmäßigen Dichte entsprechenden Parameter Detonationsgeschwindigkeit und Sprengstoffgewicht zu Pulvergewicht bestimmt werden, die dem genau über dem Maximum der Dichtekurve liegenden Punkt der Kurve der Gewichtsverhältnisse entsprechen, mit denen dann das Pulver verdichtet wird.

Der Vorteil dieses Verfahrens liegt vor allem in der erzielten opumalen gleichmäßigen Dichte, die ohne großen apparativen Aufwand erreicht werden kann. Wegen des hohen und relativ kurzzeitig einwirkenden Druckes sind an die Teilchenform und -größe des zu verdichtenden Pulvers keine speziellen Anforderungen gestellt. Spröde Pulver lassen sich allerdings in spratziger Form besser verdichten als in Kugelform. Beschränkungen ergeben sich in bezug auf die Form des zu erstellenden Teiles.

F i g. 1 zeigt die Kurven 1 und 2 in beispielsweiser Ausführung für Wolframpulver. Im Bereich oberhalb der Kurve 1 (Pfeil o) liegen Proben, die keine gleichmäßige Dichte zeigen, sondern innen rissig und zum Teil sogar hohl sind; unterhalb der Kuive 1 (Pfeil b) liegen solche Proben, die innen porös sind, also auch keine gleichmäßige Verdichtung erfahren haben. Dieser Zusammenhang ist insofern interessant, als das Quadrat der Detonationsgeschwindigkeit ein Maß für den Druck und das Verhältnis aus Sprengstoffgewicht zu Pulvergewicht ein Maß für die Druckdauer ist.

Die Tabelle und der untere Teil der F i g. 2 geben die an verschiedenen Werkstoffen erzielten optimalen Dichten wieder. Sie liegen stets höher als 95% der theoretischen Dichte. Aluminium als duktiles Material läßt sich sehr leicht verdichten. Die aufzuwendenden Sprengstoffmengen sind daher gering. Ebenso wird ein Optimum der Dichte bei relativ geringen Detonationsgeschwindigkeiten erzielt. Ein hochlegiertes Stahlpulver bedarf aber größerer Mengen eines brisanten Sprengstoffs. Ganz allgemein kann man sagen, daß zur Erzielung einer gleichmäßigen optimalen Verdichtung für jedes Material ein bestimmter Sprengstoff mit ausgewählter Detonationsgeschwindigkeit und dieser in einer ganz bestimmten Menge erforderlich ist, wobei unter optimaler, gleichmäßiger Verdichtung die höchste

erreichbare gleichmäßige Verdichtung zu verstehen ist.

Aus dem Gesagten ergibt sich, daß zur Optimierung der Qualität der explosiv erzeugten Preß.cörper sowohl die WaM des geeigneten Sprengstoff als auch dessen Menge vöq entscheidender Bedeutung sind. Wird ein Sprengstoff ungeeigneter Brisanz verwendet, dann kann eine Steigerung der Sprengstoffmenge keine Verbesserung der Dichte erbringen. Wird andererseits die Sprengstoffmenge falsch dosiert, wird keine homogene Verdichtung erzielt.

Es ist bekannt, Wolframdrähte für die Glühlampenindustrie in der Weise herzustellen, daß zunächst Wolframpulver in hydraulischen Pressen zu Stäben vorgepreßt wird. Die erzielte Dichte liegt bei 60% der theoretischen Dichte. Die Stäbe werden dann bei ~ 1150⁰C in Wasserstoff-Atmosphäre gesintert. Danach erfolgt eine Endsinterung im dl/ekten Stromdurchgang etwa 30 Minuten lang wiederum unter Wasserstoff, davon 10 Minuten bei 3000⁰C. Hierbei werden etwa 90% der theoretisch erreichbaren Dichte ao erzielt. Die Vierkantstäbe werden nun rundgeschmiedet und dann durch Ziehen durch Diamantdüsen zu Drähten verarbeitet, wobei allmählich eine Dichte von 97 bis 100% der theoretischen Dichte erreicht wird.

Im Gegensatz dazu erfolgt das Verdichten des »5 Wolframpulvers nach der Erfindung auf explosivem Wege in einem Eisenrohr, das innen mit einer Zinkfolie ausgekleidet sein kann. Nach Entfernen de* Eisenrohres wird der Stab gesintert, wobei jedoch Sintertemperatur und -dauer ganz wesentlich reduziert werden können, weil der Wolframstab durch das Explosiwerdichten bereits eine Dichte von 97% der theoretischen hat, eine Dichte also, die bei dem bekannten Verfahren erst während des Ziehens erreicht wird, so daß das Material schon jetzt praktisch porenfrei ist. Vor dem Sintern ist eine spanabhebende Bearbeitung des Werkstückes ohne weiteres möglich, da die hohe Festigkeit sich erst nach dem praktisch schrumpffreien Sintern einstellt. Diese Feststellung gilt auch für andere Materialien.

Daraus sieht man, daß die Herstellung von Wolframstäben nach der Erfindung einfacher und schneller durchgeführt werden kann. Darüber hinaus ergibt sich aus der mit der höheren Dichte des Vormaterials zusammenhängenden höheren Festigkeit, daß der anschließende Ziehvorgang zur Herstellung von Drähten beschleunigt durchgeführt werden kann. Nicht unbeachtlich ist auch der Umstand, daß durch die Möglichkeit der Herstellung von fast beliebig langen Wolframstangen sich eine erhebliche Einsparung von Nebenzeiten ergibt, weil gleiche Mengen weniger häufig in die Ziehmaschine und die Haspel eingespannt werden müssen als bisher. Auch für die Endverarbeitung der Drähte im Glühlampenautomaten ergeben sich ähnliche Vorteile durch bedeutend längere Drahtrollen.

Ein weiteres Beispiel für die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ist die Herstellung von Sinterwerkstoffen, die insbesondere als elektrische Kontaktwerkstoffe gebraucht werden. Bisher wurden diese in der Weise hergestellt, daß vorgepreßtes Wolframpulver bei etwa 60% seiner theoretischen Dichte mit flüssigem Silber oder Gold getränkt wurde. Bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ist dem Wolframgehalt keine obere Grenze gesetzt. Eine entsprechende Pulvermenge, z. B. 90% Wolfram und 10% Silber, wird in einem Mischer vorgemischt und das Gemenge in einem Eisenrohr explosiv verdichtet. Ein anschließender Sinterprozeß führt praktisch ohne Schrumpfung zu einer hohen Festigkeit. Das Eisenrohr kann entweder abgeschält oder abgedreht werden.

Vorzüglich eignet sich das Verfahren nach der Erfindung zur Herstellung von Hartkernen für Geschosse. Eine Pulvermischung von beispielsweise 90% Wolfram, 7 % Nickel und 3 % Eisen wird in einem Eisenrohr zu einem zylindrischen Stab explosiv verdichtet. Die Geschoßform kann durch Drehen hergestellt werden. Anschließend erfolgt das Sintern ohne Schrumpfung, da die Dichte des Preßkörpers etwa 97 % der theoretischen Dichte beträgt. Mit dem Sinterprozeß wird eine derartige Festigkeit erzielt, daß eine spanabhebende Bearbeitung nicht mehr möglich ist.

Es ist auch möglich, Turbinenschaufeln aus SiU-ziumnitrid (Si₃N₄), gegebenenfalls unter Verwendung von Bindemitteln, nach der Erfindung herzustellen. Unter Bindemitteln im erfindungsgemäßen Sinn sind auch solche Substanzen zu verstehen, die während einer auf das Explosivverdichten folgenden Sinterung mit dem Basismaterial eine sogenannte Mischkeramik bilden. Hierbei können auch Metallfolien oder Metallfasern als verfestigende Einlagen verwendet werden.

Explosivverdichtete Pulver

Stoff

	Dichte ρ	Rütteldichte	% von ρ	Dichte nach dem	/«von
Teilchengröße	(g/cm³)	(g/cm³)	45,6	Explosiwerdichten	97,4
(μηι)	19,3	8,76	57,0	(g/cm^J)	99,9
2 bis 10	2,69	1,54	59,0	18,80	99,8
10 bis 160	2,69	1,59	44,0	2,708	98,7
10 bis 2000	7,86	3,45	55,8	2,69	95,6
1	6,55	3,65	59,0	7,76	95,5
3	3,94	2,32	53,0	6,26	98,0
5	5,4	2,85	52,3	3,75	96,3
5	3,18	1.66	62,4	5,3	97,7
3	2,51	1,56	70.0	3,06	99,6
0 bis 90	2,51	1,75	76,4	2,45	99,4
0 bis 300	8,00	6,11		2,50
30 bis 1000		2 Blatt Zeichnungen	7,95
Hierzu

Wolfram

Aluminium

Aluminium (Grieß)

Eisen

Ferrotic

Al₂O₃

ZrO₂ + CaO

Oc-Si₃N₄ + 2< MgO

B₄C

legierter Stahl

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ermittlung der optimalen Sprengbedingungen beim ExplosiwerdichteE verschiedener metallischer und keramischer Pulver in einem Metallrohr vermittels eines um dieses angeordneten, in Achsrichtung abzubrennenden Sprengstoffs, dessen an der Oberseite über den Rohrumfang gleichzeitig eingeleitete Detonation über das Rohr hinwegläuft, dadurch gekenn zeielmet^dli? zur Erzielung einer optimalen gleichmäßigen Verdichtung über den Querschnitt zunächst die: Kurve (1) des für eine gleichmäßige Verdichtung notwendigen Gewichts-Verhältnisses Sprengstoff zu jeweiligem Pulver in Abhängigkeit vom Quadrat der Detonations- ' geschwindigkeit ermittelt wird, indem eine Schar von Proben unter verschiedenen Sprengbedingungen hergestellt, diese sodann durchschnitten, »° ihre Dichte über den Querschnitt gemessen und die die Kurve (1) darstellenden Proben mit gleichmäßiger Dichte ausgewählt werden, und daß dann die zugehörige Dichtekurve (2) aufgestellt wird, mit deren Hilfe die der Kurve (1) zu entnehmenden optimalen gleichmäßigen Dichte entsprechenden Parameter Detonationsgeschwindigkeit und Sprengstoffschicht zu Pulvergewicht bestimmt werden, die dem genau über dem Maximum der Dichtekurve (2) liegenden Punkt der Kurve (1) entsprechen, mit denen dann das Pulver verdichtet wird.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf die Herstellung von Sinterwerkstoffen, insbesondere für elektrische Kontakte und Halbzeug für Glühlampenfäden.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf die Herstellung von Hartkernen für Geschosse.

4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf die Herstellung von Turbinenschaufeln aus 4°i Siliziumnitrid (Si₃N₄), gegebenenfalls mit Bindemitteln.

5. Anwendung nach Anspruch 4 unter Verwendung von Metallfolien oder Metallfasern als verfestigende Einlagen.