DE2354991A1

DE2354991A1 - Metallring und verfahren zu dessen herstellung

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Publication number: DE2354991A1
Application number: DE19732354991
Authority: DE
Inventors: Harbhajan S Nayar
Original assignee: Airco Inc
Current assignee: Airco Inc
Priority date: 1972-11-02
Filing date: 1973-11-02
Publication date: 1974-05-16
Also published as: DE2354991B2; US3834003A; GB1405223A; FR2205384A1; FR2205384B1; DE2354991C3

Description

DR. MÜLLER-BOR!= DIPL.-PHYS. DR. MANiTZ DIPL-CHEM. DR. DEUFEL DIPL.-ING. FINSTERWÄLD DiPL. ING. PATENTANWÄLTE

München _s den f HI/St - it 2335

150 East 42nd Street , Few Tork 1?_s.

USA

Metallring und Verfahren zu dessen Herstellung

Es sind Teilchen- oder Pulver-=Metallurgie~(PM)~Prozesse für die Herstellung und Bearbeitung von Metallteilen und Metallprodukten hauptsächlich wegen der möglichen wirtschaftlichen und gewünschten charakteristischen Eigenschaften des Produktes vorgeschlagen worden» Es ist bei-. spielsweise vorgeschlagen .worden₉ Oxide enthaltendes pulverformiges Kupfer in einem langgestreckten Stahlbehälter einzukapseln und die Einheit warmzuwalzen.« Während dieses Prozesses werden die Oxide gespalten (broken down) und Sauerstoff wird von dem einkapselnden Eisenmantel absorbierte Bas Endprodukt ist nach dem Entfernen des Mantels ein deoxidierter Kupfergreifen. Bisher ist es gedoch nicht bekannt, daß PM-Techniken erfolgreich benutzt worden sind, um große ringförmige Stücke, insbesondere aus Aluminium, Nickel und anderen legierungen zusammengesetzte Ringe her- · zustellen. 4Ö982Q7Q823

Dr. Müller-Bore Dr. Manitz · Dr. Deufel · Dipl.-Ing. Finsterwald Dipl.-Ing. Grämkow

Braunschweig, Am Bürgerpark 8 8 München TZ. Rbbert-Koch-StraSe 1 7 Sfuttgart-Bad Cannstatt, Marktstraße

Telefon (0531) 73887 Telefon (0811)293845, Telex 5-22050 mbpat Telefon (0711) 587261

Bank: Zentralkasse Bayer. Voltcsbanken, München! Kto.-Nr.S822 Postscheck: München 8S4S5

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Ringe bilden, eine der grundlegendsten und ^!©!faltigsten industriellen Gestalten^ Metallringe Kit flachen od.er konturierten Oberflächen werden kommerziell hergestellt für viele industrielle Anwendungsfälle Hält Größen in Be<reichen bis zu einem Durchmesser YQn etwa 4₉5Q si (up to 15 feet diameter) und einer Breite won Ms zu 60 cw (2 feet in width). Eine wesentliche Anwendung dos» Erfindung₉ insbesondere von Ringen mit Legierungs-ZtisaffliBensetsung sind Raum~ fahrt-Anwendungsfälle« Ein wesentliches Erfordernis hierbei ist, daß der Ring seine mechanisch© Festigkeit und. Zähigkeit. bzw. Härte beibehält₈ wenn er hohen BttKlsfestemperatureß. ausgesetzt ist.

Üblicherweise benutzte Yerfaliron am? Einstellung großer Metallringe umfassen das Gießen» das Bingschmieden und das Ringwalzen. Das Gießen wird erfolgreich angewendet . bei vielen Metallen und einfachen Legierungen'! wenn Jedoch die Legierungs-ZusammensetsTing komplex ist, sind große Stücke Defekten an den loragrensen, einer Hich-fc— Homogenität und anderen Problemen ausgesetzt₉ die zu einer verringerten Zähigkeit bswo Härte und Festigkeit, Kriechfestigkeit und dem Auftreten eines beginnenden Schmelzens bei Temperaturen weit unter der erwarteten F.estigkeitstemperatur (solidus temperature) für die legierung führen. Guß-Aluminium-Legierungsringe sind beispielsweise einer groben Makro-Segregation bzw» Makro-Kristallabscheidung ausgesetzte

Bei dem Ring-Schmiede verfahr en wird ein perforierter ringförmiger Rohling aus einem Block hergestellt und der Rohling wird warmgesehmiedet, während er auf dem Dorn einer Presse oder eines Schmiedehammers manuell gedreht wird» Obgleich bei dem Ringschmieden komplexer Legierungen ein Hing hergestellt wird, dessen Qualität höher als die gleicher gegossener Ringe ist, ist das Verfahren aufwendig und bein-

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haltet einen beachtlichen Materialverlust bei der

Eingwalz@n -. ist häufig das b©for-zugte ¥erf ahren H?. die Hingherstellung , da die Ringe'zu einem eng gesteuerten. Prof il gewalzt werden können_s während di® .Materialverluste klein und das Yer» fahren wirkungsvoll und wirtschaftlich ist© Is ist j.edoch ein Arbeiten in einem ©ngdti: ~!2*3&i§@r-a-tu?b@r@iOh für jegliches Warm-Hing-Walzen bei holier feap@ratiir. ton hochfesten Superiegierungön (sup©i? alloys). ®r£@fd#2iieko line ^©seatlickfe Temperaturmbweiehuag von den. ges@t&ti>a §s@ns@n fülart-^a ©ia©^ Bißbildung-(obere Seite bzw·: über" "dkl?- ©bsrsn. -Grenz«) od«2?.-©ia®3?'übermäßigen Härte £üa* das Arbeiten. (unter© Seite) _o ,linig© £®gi@ning@n neigen iffl hohen Maße dazu^ wateenä-d©s Ringwalzen^^:--zu "reißen" aufgrund äsr in-'dem. Malaenspalt^- äöiio ■ zwischen der intriebswalze und d©m Born .srzeugttn iioheii Biege- bzw« Zugbeanspruchungen. In solchen Fällen wird sowohl Mmb Eingsehmiede- als auch das Eingwalzen-¥erfähren beide benutzt, d»h» vor dem Singwalzen liird ein getrennter. Eingseötoiedarbe-itsgang" für ein anfängliches Ausdehnen des Hinges angewendet.· . . .... :

herkömmliche Siägwälsp^ö^eß beinhaltet einen beachtlichen Anteil an Barren-Tests ttod #®nn Gußfehler festgestellt werden, müssen sie entfernt öder.repariert werdes_ö Gußstücke von äußerst komplexen ·Super!egierungen sind unhoiaogen aufgrund der Segregation bzw* Abtrennung vofi." Carbiden- und intermetallischen Phasen* Biese !Inhomogenität führt zu ©inem anfänglichen Schmelzes, und #iner erhöhten Anzahl von tfelzstufen und dazwischenliegenden Sf iederauf wärmstuf en $ ebenfalls engt die prnhomqgenitäi; den erlaubten Temperaturbereich ein, der oben für die Warmbearbeitung erwähnt worden ist* Infolgedessen ist die gesamte Zeit, die für die Herstellung von schwer herzustellenden, weiter entwickelten Superlegierungs-Singen (superalloy rings) mittels des herkömmlichen Eingwalsens benötigt wird, hoch und wirkt sich nachteilig "in/den Arbeitskosten aus. Dies trifft im verstärkten Maße zu, wenn die Quersehnittsgesta£§ des Ringes, komplex isi;.

" . 4Ö9t20/'0.823 " "-

Zusammengefaßt sind die bekannten Yerfahren zur Herstellung von Metallringen, insbesondere von Ringen aus komplexen Legierungen im allgemeinen unangemessen, aufwendig oder kompliziert und zeitraubend.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Metallrings und eines Verfahrens zu dessen Herstellung, der bzw. das wirtschaftlicher ist und höhere Qualitäten gewährleistet.

Bei dem erfindungsgemäßen Yerfahren wird ein Werkstück ringgewalzt, das in einem toroidförmigen oder ringröhrenförmigen Metallbehälter eingekapselte Metallpartikel bzw. Metallteilchen umfaßt. Während des Walzens wird das Werkstück expandiert, um einen Metallring mit dem gewünschten Durehmesser und der gewünschten Dicke und Konfiguration zu formen.

Mehr im einzelnen wird ein toroidförmiges Einkapsel-Blechgefäß bzw. eine solche Böse mit gewählter Größe und ausgewähltem Material hergestellt, wobei das obere Side offengelassen wird. Der Hinghohlraum wird mit Metallteilchen der gewünschten Zusammensetzung, ,entweder vermischt (blended) oder vorlegiert (pre-alloyed)5 gefüllt. Die Teilchen können in dem Blechgefäß verdichtet oder anders behandelt werden, um die Dichte der Teilchenmasse zu erhöhen^ worauf folgend aus dem Blechgefäß Gas evakuiert (oder in dieses ein inertes Gas eingefüllt) wird. Es wird dann abgedeckt und abgedichtet. Erforderlichenfalls kann das abgedichtete Bleei^fäß für eine Wärmeverdichtung unter Druck vor dem Hingwalzen erhitzt werden. ,Das Blechgefäß, das jetzt ein ringförmiges Werkstück bildet, wird bei einer geeigneten 2?emperatiar in einer oder mehreren Stufen ringgewalzt, um einen dienten Ring (sound ring) der gewünschten Größe und Gestalt herzustellen·

Das erfindungsgemäß© Verfahren, wenn es unter den nachfolgend beschriebenen vorgewählten Bedingtingen ausgeführt wird, ist

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wirtschaftlich, wirkungsvoll und führt zu einem dichten Produktring mit überragenden mechanischen Eigenschaften bei gewöhnlichen Ärbeitstemperaturen_a

Erfindungsgemäß ist also vorteilhafterweise ein Verfahren zum Herstellen von Metallringen mit großem Durehmesser vorgesehen, bei dem'Teilchen-Metallurgie-Techniken benutzt werden, wobei Metallteilchen gewünschter Zusammensetzung in dem ringförmigen Hohlraum eines toröidähnlichen Metallbehälters eingekapselt und in dem Behälter .warmringgewalzt werden, um einen Ring mit vorb.estimmter Größe und Konfiguration herzustellen* Dabei können -gemischte oder vorlegierte Metallteilchen in einem ringförmigen Behälter eingekapselt, verdichtet und warmringgewalzt werden,, um einen integralen Metallring . herzustellens der die physikalischen bzw» körperlichen Eigenschaften der Festigkeit und Dichte sowie Fehlerfreiheit unter vergleichsweise hohen Ärbeitstemperaturen beibehält»

Erfindungsgemäß ist es möglich₈ in einem ringförmigen Behälter eingekapselte Metallteilchen bei Temperaturen warmringzuwälzen, die über und unter der Festtemperatur (solidus temperature) der Metallteilchen liegen_e

Außerdem besteht ein Vorteil der Erfindung darin, daß eine Mischung aus Pulvern von feuerfesten Metallcarbiden und eine Metallmatrix der Eisengruppe (irongroup metal matrix) ringgewalzt werden kann.

Erfindung^pmäß wird also ein Ringraum in. einem Metall-Dosengefäß vom Ringröhren-Typ mit Metallteilchen gefüllt, das Gefäß dicht verschlossen, um ein ringförmiges Werkstück zu bilden, und das Werkstück für eine Expansion zu einem integrierten Metallring mit vergleichsweise großem Durchmesser warmringgewalzt. .

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise beschriebenj in dieser zeigts

Pig. 1 eine erläuternde perspektivische Ansicht eines toroidförmigen-Metallbehälters vor dessen Füllen mit Metallteilchen,

!Fig. 2 eine Querschnitts ansicht des mit Teilchen gefüllten Behälters mit dicht aufgesetzter Abdeckung,

Pig. 3 eine vereinfachte Ansicht eines Kingwalzwerkes mit dem Behälter und dem eingekapselt©b Pulver während des Ringwalzens,

Fig.3A eine vergrößertes teilweise schematlsche Ansicht des Walzenspaltbereiches in Figo 3 während eines Walaschrittes,

Fig. 4· eine Ansicht eines erfindungsgemäß hergestellten Super-Iiegierungs-Ringes, wobei ein konturiertes Profil an einem Testschnitt in dem Ring dargestellt ist und

Fig. 5 eine vergrößerte Schnitt ansicht des in Fig. 4· dargestellten Hinges,

Anhand der Fig. 1 und 2 werden zuerst die wesentliche Struktur und die Technik zur Herstellung einer toroidförmigen Dose bzw. eines Toroidzylinders (ringförmiges Werkstück) beschriebene Nach Fig. 1 umfaßt das teilweise zusammengesetzte Werkstück-Blechgefäß 10 konzentrisch angeordnete Innere und äußere Metallzylinder 12 und 14,Me Zylinder weisen verschiedene Durchmesser auf, um zwischen sich einen ringförmigen Zxiischenraum oder Hohlraum 16 zu definieren bzwo begrenzen^ dessen Oberseite und Bodenseite normalerweise durch Metallringplatten 18 bzw. 20 verschlossen ist«, In Fig„ 1 Ist die Ringplatte 18 für

/08

ein nachfolgendes-"Verschließen, der Oberseite des Hohlraumes dargestellt, während die untere Platte 20 den Boden des Hohlraumes verschließend gezeigt isto Nach Figo 2 ist die untere Yerschlußplatte 20 umfangsmäßig an beide Zylinder bei 22 und 24· angeschweißt ο Der Hohlraum 16 ist dann mit Metallteilchen 26 gefüllt worden« Die Teilchen können₉ wie es nachfolgend beschrieben wird, in der Zusammensetzung und in den physikalischen bzw. körperlichen Eigenschaften beachtlich variieren und füllen bevorzugt im wesentlichen den Ringraum aus» Die Teilchen können entweder in loser oder gegossener bzw*, gespritzter Form, wie es bevorzugt ist, vorgesehen sein.,. um den Hingraum zu füllen bzw. auszufüllen«

Nachdem ein Komprimieren oder auf andere Weise ein Erhöhen, wie es erforderlich ist? der Dichte der Teilchenmasse vor dem abschließenden Abdichten vorgenommen worden ist, wird die obere Platte 18 auf die Zylinderenden bei 28 und 30 in der gleichen Weise wie die Platte 20 angeschweißt, um die Oberseite des Hohlraums abzusehließen und abzudichten. Die Stirnplatte 18 ist mit einer Öffnung 34 und einem Rohr 32 vorgesehen_s die die Evakuierung der .Gase aus dem Blechgefäß (can) und/oder den Austausch eines inerten Gases für diese vor dem abschließenden Abdichten ermöglichen. Infolgedessen ist das abgedichtete ringförmige Werkstück, das in der Substanz bzw. im wesentlichen eine ringförmige Masse von Metallteilchen bildets die in einem toroidförmigen Metallmantel eingekapselt sind, in der nachfolgend beschriebenen Weise geeignet, auf den Dorn eines Ringwalzwerkes_s wie -es inFigo 3 gezeigt ist, aufgesetzt zu werden, um in der nachfolgenden Weise gerollt bzw. gewalzt und expandiert, zu werden« . ;

Nach den Fig. 1 und 2 sind die Konfiguration des toroidähnliehen Werkstückes oder Biechgefäßes und das bei dessen Konstruktion benutzte Material sehr wesentlich"-bei "der erfolgreichen Ausführung der Erfindung«, Bei der Auslegung der an-

' "^: ' . _; 40.9820/0823 .'"■■'- -

fänaj-ichen Blechgefaßkonfiguration sind die wesentlicheren Faktoren (i) die Blechgefäß-Wandstärke und der Gesamtdurch- ■ messer, (ii) die Spannungsverteilung während der Formung und (iii) die Dicke der inneren und äußeren Felgen bzw. Kanten bzw. Bordränder des Blechgefäßes.

Die wesentlichste Werkstück-Abmessungs-Betrachtung besteht darin, daß das Verhältnis des Innendurchmessers des Toroids zu dessen Dicke so groß wie möglich ist. Das Experiment hat gezeigt, daß dieses Verhältnis so klein wie 1:2 sein kann, wenn mit duktilen Materialien gearbeitet wird. Wenn jedoch spröde Materialien, wie Superlegierungen (superalloys) benutzt werden, sollte das minimale Verhältnis 1:1 betragen.

Die Spannungsverteilung in der Partikelmasee sollte vorteilhafterweise so gleichförmig wie möglich gehalten werden, um einen vollständig verteilten,(fully diversified) Ring durch dessen Querschnitt zu erhalten· Die Dicke und Gestalt der Stirnplatten 18 und 20 ebenso wie die Schweißauslegung bzw. Schweißkonstruktion sind wesentliche Faktoren, um dieses Ergebnis zu erhalten. Wenn diese Platten dick sind, neigen sie dazu, den Druckkräften zu widerstehen, die während des Ringwalzarbeitsganges aufgebracht werden. Es wird angenommen, daß die Stirnplatten vorteilhafterweise von dem Ring nach außen gebogen odergekrümmt, d.h. konvex sein können, um irgendeine Behinderung der Pulverkonsolidierung bzw. Pulververdichtung bzw. Pulververschmelzung auf ein Minimum herabzusetzen.

Das Verhältnis der Dicke der inneren Zylinderwand 12 zu der der äußeren Zylinderwand 14 ist ebenfalls von Bedeutung. Da der innere Zylinder gewöhnlicherweise während des Arbeitsganges eine größere Deformation als der äußere erfährt, muß er anfänglich dicker sein, wenn der fertiggestellte Ring eine Wand-Material-Haut von gleichen Dicken auf seiner inneren Ober-

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fläche und seiner äußeren Oberfläche aufweisen soll. Es kann leicht gezeigt werden, daß das Verhältnis in der folgenden Weise aussehen soll:

Anfängliche ' Anfänglicher Toroid-

Innenwanddicke /^j, Auß endur chme ss er ν- Κ Anfängliche Anfänglicher Toroid-

Außenwanddicke Innendurchmesser

die Konstante K ist normalerweise eine Einheit bzw. beträgt normalerweise 1, jedoch in den Fällen, in denen es erwünscht ist, ein. Endprodukt mit Häuten verschiedener Dicken zu erreichen, wird sie geändert. K kann in Abhängigkeit von den endgültigen Ringparametern in der folgenden Weise ausgedrückt werden:

_K _ Gewünschte Innendurchmesser-Hautdicke Gewünschte Außendurchmesser-Hautdicke

Es ist infolgedessen erwünscht, daß das Verhältnis der Dicke des· inneren Zylinders zu der Dicke des äußeren Zylinders gleich dem Verhältnis des Gesamt-Außendurchmessers zum Innendurchmesser ist, wenn die Jeweiligen endgültigen Hautdicken im wesentlichen gleich sein sollen. Das Blechgefäßmaterial bzw. .Dosenmaterial sollte die folgenden Erfordernisse so eng wie möglich erfüllen:

Wärmeisolierung^ Die Wärmeleitfähigkeit des Dosenmaterials sollte so gering wie praktisch möglich sein» Bevorzugt übersteigt die Wärmeleitfähigkeit des Dosenmaterials nicht 0,06 Kalorien/cm /^oG/sec. Beispielsweise weist ein vergleichsweise gut wärmehaltendes Material, rostfreier Stahl "304'· eine Wärmeleitfähigkeitsziffer von etwa 0,036 Kalorien/im Vergleich zu 0,178 Kalorien für kohlenstoffarmes Eisen (Flußeisen bzw. Weicheisen). Dies ermöglicht eine Steuerung der Warmbearbeitungs- bzw. Warmverformungstemperaturen in dem schmalen optimalen Bereich. Dies ist sehr erwünscht bei der Herstellung von Ringen aus Legierungen (beispielsweise IN-100),

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die nur in einem sehr schmalen Temperaturbereich hergestellt bzw. bearbeitet werden können. Ein weiterer Vorteil wirddadurch erreicht, daß weniger Dosenmaterial erforderlich ist.

Ausdehnungskoeffizient: Da die endgültigen Ringdurchmesser üblicherweise groß sind (beispielsweise größer als 60 cm (2 ft.)), führen große Unterschiede in den Ausdehnungskoeffizienten zu relativ großen Wärmespannungen. In einigen Fällen können diese Spannungen eine Trennung des Dosenmaterials von der Teilchenmasse hervorrufen. Es ist ebenfalls möglich, daß eine innere Riß- bzw. Sprung-Nukleation bzw. -Bildung und -Ausbreitung in der Teilchenmasee auftreten kann. Es ist im allgemeinen erwünscht, Materialien mit ähnlichen bzw. gleichen Ausdehnungskoeffizienten zu wählen. Ideal ist es, wenn der Ausdehnungskoeffizient des Außenzylindermaterials größer als der der Teilchenmasse ist, während der der Teilchenmasse größer als der des Innenzylindermaterials ist. Dadurch werden erwünschte Kompressions-Wärmespannungen während des Abkühlens nach dem Ringwalzen sichergestellt.

Schweißfähigkeit: Es ist erwünscht, daß das Blechgefäß bzw. die Dose leicht geschweißt werden kann, wobei- die Festigkeit der Schweißungen an den Stirnplatten ausreicht, um die Möglichkeit von Schweißungsrissen bzw. -brächen während der Ringexpansion und Herstellung zu eliminieren.

ffließfestigkeit: Die Fließfestigkeit des Dosenmaterials ist bevorzugt näherungsweise gleich der Fließfestigkeit der voll verdichteten Teilchenmasse bei den Ringwalztemperaturen. Dadurch wird die Gefahr eines Öffnens oder Reißens der Dose während des Warm-Ringwalzens auf ein Minimum herabgesetzt und die Übertragung von angelegten Kräften auf die -Teilchenmasse wirksamer erreicht.

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Oxidationswiderstand bzw» ,Qxidationsf estig;keit: Diese Eigenschaft ist wesentlich, um den Metallverlust während des Heizens in gasgefeuerten Öfen beispielsweise ohne die Benutzung von hochschützenden Muffeln bzw. Rollkloben (highly protective muffles) auf ein Minimum herabzusetzen. Es ist ebenfalls erwünscht, daß das Dosenmaterial Oxidationsfest ist, um das Erfosternis für-Schutzatmosphären zu vermeiden,

Kosten: Das Dosenmaterial sollte leicht erhältlich und wenig aufwendig sein.

Beim Auswählen der Metallteilchen sind die folgenden Faktoren zu beachten:

Gestalt, Größe und Verteilung;: Wenn möglich, sollten die Teilchen unregelmäßig oder winklig (kies- bzw. schrotförmig) in der Gestalt sein. Solche Teilchen sind kompressibler und können leichter gesintert werden als sphärische Teilehen. Weiterhin sollte durch die Teilchengröße, die Größenverteilung und die Gestalt eine maximale Packungsdichte mit oder ohne Zusammendrückung bzw. Verdichtung vorgesehen sein. In dieser Beziehung weisen winklige und sphärische Teilchen etwa die gleiche Anwendungsfähigkeit auf .

Zusammensetzung^ Vorlegierte (pre-alloyed) Teilchen sind in der Regel bevorzugt. In bestimmten -Fällen sind jedoch vermischte (blended) Teilchen verschiedener Zusammensetzungen erwünschter, da sie üblicherweise kompressibler, wirtschaftlicher und leichter zu den gewünschten Dichte- und Festigkeitspegeln bzw. -werten sinterbar sind. Während des Ringwalzens ist ein beachtlicher Betrag an Wärmeverformung vjrhanden und als Folge dessen kann eine Homogenisierung stattfinden. Das Vormisehen (Blending) ermöglicht ebenfalls den -Weg, vielphasige, zusammengesetzte Ringe mit einem weiten Bereich von physikalischen bzw. körperlichen und mechanischen Eigenschaften herzustellen. .

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Innenreibungskoeffizient bzw. Eigenreibungskoeffizient: Ein hoher Innenreibungskoeffizient bzw. Eigenreibungskoeffi- ' zient der Teilchenmasse erhöht die Massenkonsοlidierungs- bzw. Massenverschmelzungsrate bzw. -geschwindigkeit während des Ringwalzens durch Begrenzung der Bewegung (Beweglichkeit) der Teilchen. Die Eigenreibung wird im allgemeinen erhöht durch, die Benutzung von gemischten Zusammensetzungen, bei denen die Teilchen unregelmäßige Gestalten und eine hohe gesinterte Festigkeit bw. Sinterfestigkeit aufweisen, und ebenfalls durch die Benutzung hoher Ringwalztemperaturen.

Behandlung bzw. Bearbeitung vor dem Ringwalzen: Das in Fig. 2 dargestellte zusammengesetzte Werkstück kann in Abhängigkeit von den in dem Werkstück benutzten Materialien und den gewünschten Eigenschaften des Produktringes ebenso wie anderer Faktoren einem oder mehreren Bearbeitungsschritten vor dem Warm-Ringwalzen unterworfen werden. Beispielsweise können Gase in dem mit Teilchen gefüllten Hohlraum, wenn es erwünscht ist, mjbbels einer nicht gezeigten Vakuumpumpe durch das Rohr 3? und die Entlüftungsöffnung 34- in der oberen Ringplatte 18 entfernt werden. Das Entlüftungsrohr wirdnach der Evakuierung in geeigneter Weise abgedichtet. Gewünschtenfalls kann ein inertes Gas in die Teilchenmasse vor dem Abdichten des Entlüftungsrohres eingeführt werden.

Eine gewisse Verdichtung der Teilchenmasse ist im allgemeinen erwünscht vor dem Ringwalzen, um der gesinterten Teilchenmasse eine gewisse Biegungsfestigkeit bzw. Bruchfestigkeit bzw. einen gewissen Verformungswiderstand zu geben. Die minimale Biegungsfestigkeit bzw. der minimale Verformungswiderstand sollte zumindest gleich den Dehnungsspannungen bzw. Zugbeanspruchungen sein, die in dem Walzspalt während des Ringwalzens erzeugt werden. Einige der weicheren und leichter sinterbaren Materialien, wie beispielsweise Kupfer benötigen keinerlei Vorverdichtung und durch ein direktes Sintern wird eine genügende Verdichtung

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"bzw. Verschmelzung vor dem Warm-Ringwalzen erreicht. Wenn jedoch die Teilchen nicht leicht sinterbar sind, kann ein Verdichtungsschritt erforderlich sein. Irgendeine der bekannten Warm- oder Kalt-Verdichtungstechniken kann benutzt werden, um der Teilchenmasse die zusätzliche Biegungsfestigkeit bzw. Zugfestigkeit zu geben.

Teilchen-Ringwalz- (PRR)-Kriterien werden jetzt erläutert. In Fig. 3 ist eine herkömmliche Form einer einfachen Ringwalzmühle bzw. eines einfachen Ringwalzwerkes dargestellt, bei der bzw. dem das Werkstück 10 zwischen, dem Dorn und der angetriebenen Antriebsrolle, wie es durch die Richtungspfeile angegeben ist, gewalzt wird, um das Werkstück 10 in einen Ring zu expandieren. Bei der Ausführung.der Erfindung ist das Verfahren anfänglich im allgemeinen das gleiche wie beim herkömmlichen Ringwalzen; die Erfindung unterscheidet sich jedoch wesentlich von dem herkömmlichen Ringwalzeii dadurch, daß eine Teilchenmasse anstatt eines festen Gegenstandes bearbeitet wird.

Die in Fig. 3 gezeigte Ringwalzmühle ist nur beispielsweise dargestellt und es können andere Ausführung formen bekannter Ringwalzausrüstungen wie mit freien Walzen, Schleusenaufbauten (trap set-ups)_Λmehreren Walzen, usw. benutzt werden, wenn sie für die Ausführung der Erfindung geeignet sind.

Bei dem Schritt des Ringwalzens bei dem Herstellungsverfahren müssen die maximal möglichen Kompressionsspannungen bzw. Beanspruchungen mit minimal möglichen resultierenden Zugspannungen und bei einer Temperatur angelegt werden, die mit den Eigenschaften des verwendeten besonderen Teilchen- und Dosenmaterials kompatibel ist. Die Biege- bzw. Zugbeanspruchungen,'die während des Ringwalzens toleriert werden können, hangen im starken Maße ab von der Zugfestigkeit bzw. Biegungsfestigkeit der eingekapselten gesinterten Teilchenmasse. . >

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Die Zugbeanspruchungen hängen unter anderem von dem Dorndurchmesser und der Ringdicke der Teilchenmasse ab. Je größer der Durchmesser des Dorns und je kleiner die Teilchenringdicke ist, je kleiner ist die resultierende Biegungs- bzw. Zugbeanspruchung in dem Walzenspalt während des Ringwalzens. Dies bedeutet ebenfalls ein höheres Verhältnis der Druckbeanspruchung zu der resultierenden Zugbeanspruchung. Unter solchen Bedingungen kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, daß es sich dem Extrusions- bzw. Strangpressprozeß nähert, bei dem Druckspannungen dominieren.

Die Zugfestigkeit bzw. Biegungsfestigkeit der gesinterten Teilchenmasse hängt von der Teilchengröße, Gestalt, Zusammensetzung und der Teilchenveraichtung und den Sinterarbeitsgängen ab, wenn die letzteren vor dem Ringwalzen angewendet werden. Je höher die Zugfestigkeit bzw. Biegungsfestigkeit der gesintertenTeilcnenmasse ist, umso weniger zwingend sind die kritischen Erfordernisse in bezug auf die Ringwalζ-Variablen. Anders ausgedrückt bedeutet dies, je enger bzw. genauer die Einkapselungs-Dosen-Auslegung und die Walz-Variablen gesteuert werden, umso geringer ist das Erfordernis für eine Verdichtung vor dem Ringwalzen.

Im folgenden erfolgt eine qualitative Analyse primär für den Zweck, um die Haupt-Verfahrensmerkmale für das Ringwalzen einer toroidförmigen Partikelmasse oder eines toroidförmigen Werkstückes, die bzw. das im wesentlichen aus sinterbaren Teilchen zusammengesetzt ist, herauszustellen.

Nach den Fig. 3 und 3A ergibt sich bei einer Untersuchung des Walzenspaltes zwischen dem Dorn und der Antriebswalze, daß die Länge Ii der Berührung zwischen dem Ring und dem Dorn nach dem Diagramm in Fig. 3A näherungsweise beträgt:

L = j/aD (t_o-t_f) ^v (Gleichung I),

wobei bedeutet:

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D= Dorndürchmesser

t_Q= Ringdicke vor dem Walzendurchgang t~= Ringdicke nach dem Walzendurchgang und

a = eine Arbeitskonstante, die von dem Verhältnis^ des Durchmessers der Antriebswalze zu dem des Dorns abhängt .

In der Praxis liegt die Eonstante a in dem· Bereich zwischen 0,5 und 1,0, wobei der erstere Wert gültig ist, wenn die Durchmesser der Antriebswalze und des Dorns gleich sind und der Innendurchmesser des Ringes (Werkstückes) wesentlich größer als der des Dornes ist. Wenn jedoch der Walzendurchmesser wesentlich größer als der des Dornes ist, was üblicherweise der Fall ist, nähert sich die Konstante a 1,0. .

Es soll jetzt vorausgesetzt werden, daß die Dicken der äußeren und inneren Wand des Werkstückes merklich kleiner als t sind, so daß das ^:Einfassungsmaterial nur einfach die Funktion eines Trägers der Teil-chenmasse in den Walzenspalt hat. Die Teilchenmasse wird somit an den Punkten A und B in den Walzenspalt gezogen, um progressiv durch verschiedene Verdichtungsstufen hindurchzugehen. Eine entsprechende Reduzierung der Dicke des Werkstückes findet sisbt, wobei die Dicke t_f an dem Ende des Walzendurchgangs vorliegt.

Die Teilchen entlang der Linie AB werden keinem Verdichtungsdruck unterworfen, bis sie durch die Linie A¹GB¹ hindurchgehen, die sich, gemessen vom Mittelpunkt der Linie AB aus in einem Abstand χ von dieser befindet. Es kann gezeigt werden, daß der näherungsweise Wert von χ lautet:

t ' ■

^{x =} (Gleichung II)

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Offensichtlich erfordert das Verdichten während des Walzens daß

■χ*-~~Ζ. L ist, so daß aus den Gleichungen I und II folgt

2 tan'4
oder

^D *~~"~ ° (Gleichung III),

^το 4a At tarT 'f

wobei gilt A t = t - t-, und

y = 4-5° + ac (Gleichung IV)

wobei oc der Winkel der inneren Reibung bzw. Eigenreibung der Teilchenmasse ist.

Typische Werte für ob sind in der folgenden Weise gegeben:

Fall I: . 10° bis 20° für harte, unverdichtete, sphärische und freifließende Pulverteilchen, wie Superlegierungen (superalloys),
. Fall H: 40 bis 60° für unregelmäßige, unverdichtete

Pulverteilchen aus duktilen Metallen und Legierungen von Al, Ni, Cu, 3fe, usw. und

Fall III: 60° bis 80° für eine hochvorverdichtete Masse von duktilen Metallen und Legierungen aus Al, Ni, Cu, Fe, usw..

Wenn angenommen wird, daß (1) eine praktische Arbeitskonstante a = 0,75 ist und (2) die angegebenen Fall-Mittelwerte für den Winkel oc in der Gleichung IV genommen werden, so daß ψ für die Fälle I, II und III 52,5°, 70° bzw. 80° wird, dann kann jetzt in Abhängigkeit von der Gleichung III das Verhältnis des Dorndurchmessers zu der Ringdicke vor dem Walzen (+—) im Vergleichenden Sinne in der folgenden Weise angegeben werden:

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Fall	I:	D
Fall	II:	D t
Fall	III:	D

< (Gleichung T),

^to (Gleichung VI), und

22"St

^ (Gleichung VII).

___ _o At

Beispielsweise zeigen bei einem besonderen Ringwalzdurchgang, bei dem ο .=^10 ist (beispielsweise t = 5 cm (2,0 in.) und At

=. 5i mm (0,2 inch)), die Gleichungen V, VI und VII, dass ■£ für

I O

die Fälle I bis III die Werte 2,0, 0,45 bzw. 0,06 übersteigt.

Bei einer Verallgemeinerung typischer Ringwalz-Arbeitsgange der oben beschriebenen Art variiert __o zwischen 5 und 10. -r- fällt

Α
dann näherungsweise in den Bereich von 1 bis 4 für den Fall I,

0,2 bis 1,0 für den Fall II und 0,03 bis 0,2 für den Fall III.

Die oben angegebenen Verhältnisse χ— repräsentieren absolute

ο
minimale Werte für die beschriebenen Fall-Voraussetzungen. Der optimale Wert für -r-^ hängt bei einem gegebenen Arbeiten ab von

"^o
dem gewünschten Verdichtungsgrad pro Walzendurchgang und der Zug- bzw. Biegungsfestigkeit, der Pörengröße und dem Volumen, der Partikelgröße und Gestalt und von dem Fließwiderstand der Teilchenmasse in dem einkapselnden Ring. · ,

Für eine Teilchenmasse, die aus relativ weichen, unregelmäßigen, feinen Tind verdichteten Teilchen (beispielsweise Kupfer) hergestellt ist und eine hohe Duktilität und einen großen Winkel ac aufweist und bei hohen Temperaturen leicht verformbar ist, d.h.

D t

für den Fall III, ist das optimale minimale Verhältnis II— Jedoch

geringfügig größer als das in dem Beispiel für die· Gleichung VII angegebene Verhältnis» Empirisch wurde ein Wert von 0,2 für χ—

:....■■ · ; ^uo

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als angemessen für den lall gefunden, "bei dem t 5 cm (2 in.) und Δι 5 mm (0,2 in.) beträgt.

Für weniger ideale Teilchen, wie Super-Legierungs-Pulver (super-alloy powders), die hart, bei Raumtemperatur nicht verdichtbar und sphärisch sind, kann der optimale Wert von. ■£— notwendigerweise über 5 für die oben gegebenen Beispiele für t und L·^ liegen. Für solche Teilchen hat das Experiment gezeigt, daß ein Warm-Verdichtungsschritt im hohen Maße erwünscht ist, um die Biegungs- bzw. Zugfestigkeit und den Winkel oc der Masse vor dem Warmwalzen zu erhöhen; dadurch wird das Verhältnis von -τ— auf näherungsweise 2 oder um 2 liegend gebracht. Während d§s Warmwalzens ist ein min±aler Wärmeverlust durch das Kannenmaterial bzw. Dosenmaterial und eine effektive Spannungsübertragung zu der Teilchenmasse sehr erwünscht; ebenfalls umfassen vorteilhafte Techniken,., die hierbei benutzt werden können, daß Einfangs-Ringwalζen (trap ring-rolling) mit konturiertem Antriebsrad und Dorn oder die übliche Vierwalzen-Maschine für eine zusätzliche Verdichtung nahe den¹Kanten des Ringes.

Das Grundverfahren gemäS der Erfindung umfaßt zusammen mit den optimalen Schritten, die erforderlichenfalls hinzugefügt werden können, die folgenden Schritte:

a) Vorbereiten eines toroidförmigen oder ringröhrenförmigen Blechgefäßes bzw. einer solchen Dose aus geeignetem Material mit einem offenen Ende,

b) Füllen des Ringraumes oder Hohlraumes der Dose mit Metallteilchen der gewünschten Zusammensetzung entweder in loser oder in vorgeformter (pre-molded) Form,

c) Einfangen, Verdichten, Sintern und/oder Refinen der Teilchenmasse in der Dose,

d) Dichtes Verschließen der Dose mit oder ohne vorherige Gas-Evakuierung oder Füllung mit einem inerten Gas als Schutzatmosphäre,

4098 20/082 3

e) wahlweise Warmverdichten der Teilchenmasse in der Dose vor oder nach deren dichten Verschließen,

f) Ringwalzen der gefüllten und dicht verschlossenen Dose bei einer geeigneten Temperatur in einer oder mehreren Stufen, um einen dichten Ring (sound ring) der gewünschten Größe, Konfiguration und Mikrostruktur zu erzeugen,

g) gewünschtenfalls eine Wärmebehandlung des Ringes, um dessen Eigenschaften zu optimieren, und \

h) gewünschtenfalls Entfernen des Dosenmaterials durch maschinelle Bearbeitung, Oxidation, Abbeizen oder andere.Methoden vor der abschließenden 'maschinellen Bearbeitung.

Alles Erhitzen und Bearbeiten des Werkstückes wird ausgeführt, während sich das Teilchenmaterial in dem Blechgefäß bzw. der Dose befindet. Es ist somit gegen eine atmosphärische Verschmutzung bei hohen Temperaturen während der Ringhers'tellung geschützt. Weiterhin tendiert das Dosenmetall· dazu, eine metallurgische Bindung mit der konsolidierten Teilchenmasse während des Ringwalzens zu entwickeln, was seinerseits dazu führt, die Nukleation bzw. Kernbildung- und Ausbreitung von Oberflächenrissen während des Walzens zu verringern. .

Es wurde eine Anzahl von Ringen gemäß.der Erfindung hergestellt, wobei verschiedene Materialien angewendet wurden, wie es nachfolgend beschrieben ist.

Aluminium

Mehrere Ringe wurden mit Teilchen aus Aluminium und der Aluminiumlegierung (2219) hergestellt^ wobei die letzteren einen großen Erstarrungsbereich aufwiesen. Fünf toroidförmige,, die Partikel bzw. Teilchen enthaltende Blechgefäße bzw. Behälter wurden in der Weise konstruiert und präpariert, wie es in der nachfolgenden Tabelle I dargestellte ist; die Behälter wurden nachfolgend, ringgewalzt mit den in der Tabelle II dargestellten Ergebnissen.

40 98 20/082 3

Die Tabelle I beschreibt die fünf Behälter, die aus Rohren und Platten der Aluminiumlegierung 6061 Al hergestellt worden sind und alle etwa 6 mm (1/4 in.) dick bzw. stark waren. Zum Schweißen wurde ein Draht vom Typ 404-3 benutzt. Die Abmessungen aller Behälter betrugen vor dem Füllen mLt Pulvern 12,7 cm (5 in.) Innendurchmesser (ID), 3o,5 cm Außendurchmesser (OD), 8,9 cm (3 1/2 in.) Wandstärke (V/T) und 17,8 cm (7 in.) Höhe (H). Alle wurden bei Raumtemperatur verdichtet. Die ersten vier Behälter wurden bei etwa 43O⁰G (800⁰F) ringgeschmiedet

vor dem Ringwalzen.

TABELLE I

Behäl
ter
Nr.

Pulverzusammensetzung

Pulvermischung

Theoret. ■ Alcan-4bmessungen in cm

verdichte-(in.) nach dem Schmieden ter bei 43O°C (800⁰P)
Dichtewert

ID OD H

Al Alcoa 130 (5030

129 (35$) 1202 (15$)

80 %

21,3 34,0 18,3

(8,4) (13,4) (7,2)

Al Alcoa-6+2Ö(40$)

130 (30$)

-129 (20JO)

1202 (10$)

83 $ 21,8 34,5 18,8" (8,6) (13,6) (7,4)

3	Al	Alcoa 129(100$)	78	$	20,8 (8,2)	33,5 (13,2)	18, (7,	3 2)
4	2219	Reynold -6+20 Alcan (25$) .	78	$	15,8 (6,2)	31,5 _N (12,2)	18, (7,	3 2)
5	2219	Alcan (100$)	72	$

Es ist folgendes zu bemerken: Die Probe 1 platzte nicht auf noch riß irgendeine Schweißnaht; von den Proben 2 und 3 wies jede einen Querriß auf und bei der Probe 4 öffnete sich, die Bodenschweißung an drei Punkten.

*) Al-Behälter

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	Anfangs- temperatur in ⁶G	Stau chung auf cm (in.)	- 2Ί - TABELLE II	Zusammen-; gewalzt, •zu einer . Wandstärke (WT) cm (in,	2354991
Pro ben Hr.	427-441' (800-825)	17,0 (6,7)	Einfangen - (trap) wäh rend des Walzens be —■ nutzt	5 (2)	Bemerkungen
3	427-441 (800-825)	17,0 (6,7)	da	5 (2)	Drei breite Quer risse
2	454-469 (850-875)	17,0 (6,7)	da	5,6 (2,2)	Zwei breite ^uer- risse
1	454-469 (850-875)	17,0 (6,7)	da	4,1 (1,6)	Keine Risse .
•	454-469 (850-875)	keine	da	2,5 (1,0)
	400 (750)	keine	nein	6,4 (2,5)	Sehr gut
4	400 (750)	keine	nein	6,4 (2,5)	Schweißnaht geöff net _ -
5		nein	innere Schweißnaht geöffnet

Es ist folgendes zu bemerken: Ein 17,8 cm (7 in.)-Dorn wurde durchgehend -verwendet mit Ausnahme bei der Probe 5, hei der ein 1.0,8 cm (4 1/4 in.)-Dorn benutzt wurde. ."".-.

Das Ringwalzen wurde in einem herkömmlichen Ringwalzwerk ausgeführt, wie es oben beschrieben worden ist. Wie angegeben worden ist,,ließ sich die Probe ITr. 1 am besten ringvialzen. Ihre Endabmessungenbetrugen: 79,3 cm (31,2 in.) ID, 84,3 cm (33 »2 in.) Außendurchmesser, 2,5 cm (i in*) Wandstärke und 17,8 cm (7 in.) Höhe. Der Ring erzeugte den typischen metallischen Tön von Aluminium, wenn er geschlagen wurde und eine Ultraschallprüfung zeigte keinen Einriß bzw. Sprung bzw. keinen Fehler. Der Ring wurde maschinell bearbeitet, poliert und mit dem Auge auf Hohlräume oder Porosität untersucht. Es wurde nichts gefunden. Die Proben 2 und 3 waren die nächstbesten gefolgt von den Proben und 5.in. dieser Reihenfolge. Die letzteren Prcten mit legierten Pulvern (Tabelle I) hätten verbessert werden können, indem die oben angeführten bevorzugten Verfahrensschritte enger befolgt worden wären, d.h. indem insbesondere die Schweißnaht fester, vorher eine gleichförmige Verdichtung ausgeführt, eine höhere Ringwalztemperatur benutzt und ein größerer Dorndurchmesser oder

,. .. . - 4O98-20/0823

eine kleinere Wandstärke vor dem Ringwalzen, d.h. ein größeres

τ— - Verhältnis (siehe Fig. 3A) benutzt worden wären. ο ' ■

Ein zusätzlicher Behälter, der in einer V/eise ähnlich der Probe 1 bearbeitet worden war, wurde in Sektionen bzw. Abschnitte geschnitten und-maschinell gearbeitet, um Spannungs- bzw. Zugbeanspruchungs-Proben mit einer Strecklänge (gauge length) von 1,2 cm (1/2 in.) und einem Durchmesser von 3,2 mm (i/8 in.) zu erhalten. Die mechanischen Eigenschaften des warmgewalzten Stückes und mehreren äquivalenten üblichen gehämmerten Aluminiumstücken sind in der nachfolgenden Tabelle Ha wiedergegeben.

TABELLE Ha

Vergleichbare Eigenschaften 'eines xmrmgewalzten Aluminium-Teilchen-Streifens und von gehämmertem Aluminium

Warmge- Gehämmer- Gehämmer- Gehämmer- Gehämmerwalzt aus tes 1060- tes 1060- tes 1100- tes 1100-Aluminium-Al Al Al Al Pulvern (H-O) (H-18) (H-O) (H-14)

Bruchfestigkeit

bzw. Zugfestig- 1300 700 1340 915 1270 keit in kg/cm^ (18400) (10 000) (19 000) (1^000) (18000) (psi)

Streckung 30$ 43$ 6$ 35$ 9$

Es zeigt sich somit, daß die Eigenschaften des heißgewalzten Aluminium-Teilchen-Produktes ebenso gut sind wie die des entsprechenden gehämmerten Produktes; ebenfalls zeigen die beschriebenen Probentests klar, daß der PRR-Prozeß bzw. -Verfalirensablauf wirtschaftlich und technisch praktikabel bei der Produktion von Aluminium-Bas is-Ringen ist.

Nickel

Der P3E-Verfahrensablauf wurde als ebenso gut bei Nickellegierungen verwendbar gezeigt* Es wurden Nickelringe aus zwei.verschiedenen Nickeloulvern, nämlich Inco 125 und ilcan MD101 hergestellt. *) Teilchenringwalz-

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Inco' .123 ist ein feines (4-7 Mikron Größe) Garbonylnickelpulver mit einer Fülldichte von etwa 2,5 g/cm . Alcan MDIOI weist relativ grobe (-100 Mesh) Nickelteilchen mit einer Fülldichte von etwa 4 g/cm^ auf. Die die Teilchen enthaltenden Probenbehälter wurden aus nahtlosen Rohren aus 1018 Stahl mit einer Wandstärke von etwa 1,2 cm,. (i/2 in.) und etwa 1,2 cm (i/2 in.) dicken Platten aus 1O25 Stahl hergestellt, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.

Die Wickelteilchen wurden verdichtet, um die Dichte und den Berührungsbereich zwischen den Teilchen zu erhöhen, und dann erhitzt, um eine gexvisse gesinterte Bruchfestigkeit bzw. Zugfestigkeit vor dem Ringwalzen zu entwickeln. Die Behälter wurden vor dem dichten Verschließen evakuiert.

Die relevanten Daten für die zwei Probenbehälter sind in der Tabelle III wiedergegeben und die Einzelheiten des Aufheizens und Ringwalzens sind nachfolgend in der Tabelle V wiedergegeben. Die Behälter wurden auf eine Temperatur von 1175⁰G (2150 F) für eine Stunde vor dem Ringwalzen aufgeheizt. Ein Frei-Walzen'-Aufbau mit einem Dorn mit einem Durchmesser von 11,1 cm (4 3/8 in. diameter mandrel) wurde benutzt. Bei der ersten Walzstufe wurde die Behälterdicke von 6,4 cm (2 1/2 in.) auf etwa 3,8 cm (about 1 1/2 in.) vermindert und der Innendurchmesser von 12,7 cm (5 in.) auf etwa 25,4 cm (1O in.) erhöht. Die Ringe wurden wieder für einige Minuten auf 1175°C (2150⁰F) aufgeheizt und ein zweites Mal unter Verwendung eines 11 cm (4 3/8 in.) - Dorns bis zu den in Tabelle IV dargestellten Abmessungen ringgewalzt. Beide Ringe ließen sich Ohne Schwierigkeiten walzen.

TABELLE III

Ring	Nickel-	Stahlbehäl	in cm	ID	Gewicht	Verdich-	Verdich	Verdich
Nr.	pulver	terabmessun	(in.)	12,7	in kg	tungs-	teter	teter
	Bes chceibung	gen	OD	(5)	(lbs)	drucko	Dichte-	Dichte
			.25,4	12.7		kg/cm	wert^in	wert in
		H	do)'	(55		(TSI)	g/cnr	% (theor.)
1	Inco 123	17,5	25_?4	42,6	2380	5,1	57
		.(6,9)	(10)	(94)	(17) ;
2	Alcan's	17,5		.44,9	2380	6,0	67
	MD 101	(6,9)		(99)-	(17)

	Ringwalzen	Zeit	TABELLE	IV	Endabmessungen in	2354991
	Anfangs-	(h)		von Nickelteilclien
	tempera		Zahl
Ring	tur/ in ⁰O		der		cm (in.)
Nr. '	C -ß/		WaIz-	OD ' ID
		1	TOr-	65,5 62,2
	1175		g-änge	(25,8) (24,5)
	(2150)	1	2	56,1 52,8	H
1	1175			(22,1) (20,0)	16,5
	(2150)		2	(6,5)
2		18,8
	(7,4)

Ein Teil des Nickelrings 1 wurde für ein mechanisches Testen abgeschnitten. Die mechanischen Eigenschaften wurden an runden Spannungs-Prüflingen mit einer Abmessung von 2,5 cm (1 in.) in Meßlänge und 6,4 mm (0.252 in.) im Durchmesser gemessen. Die Eigenschaften sind in der Tabelle IVa nachfolgend zusammen mit denen von gehämmerten Nickelprodukten gleicher Zusammensetzung wiedergegeben.

Zugfestigkeit
(Ultimate Tensile
Strength)

Streckgrenze
(Yield Strength)

(mit einer Versetzung von 0,2)

((0.2 Offset))

TABELLE IVa

Ringg ewalζt es Partikel-Nickel

Gehämmertes Nickel (Mittel aus 200,201,205) angelassene, heißgewalzte Stange

4506 kg/cm (64 080 psi)

1750 kg/cm' (24848 psi)

4430 kg/cm (63 000 psi)

1410 kg/cm' (20 000 psi)

Streckung

Bei dem gleichen Streckungsbetrag zeigt das gemäß dem PRR-Verfahren behandelte Nickel geringfügig höhere Werte für die Zugfestigkeit und die Streckgrenze. Die guten Ergebnisse beim Ring walzen von Nickelteilchen, stellen in enger Beziehung mit den fol genden Faktoren:

409820/0823

ä) Die Nickelteilchen waren relativ fein und un^elmäßig und so verdichtet, daß sie eine Dichte, zwischen 57 und 67$ aufwiesen und ein großer Berührungsbereich zwischen den Teilchen gegeben war.- Es wird angenommen, daß das Heizen der Nickelteilchen in dem Behälter bzw. Heißhalten auf 1175°° (2150⁰F) für eine Stunde.eine beachtliche Zugfestigkeit der gesinterten Teilchenmasse gibt. Mit anderen Worten, der innere Reibungswinkel für die- gesinterte Teilchenmasse ist sehr hoch, es ist Fall III: zu beachten. Das minimale -r- - Verhältnis ist

■■■■"■ ' ■■ · ■■■'■'■' ° "■■■'■

hier ziemlich niedrig, d.h. es liegt um'etwa 0,2 oder weniger.

Jedoch bei diesem Ringwalz-Beispiel liegt -p- bei etwa 2,9» d.h.

- "■ ■ . ο '

weit über dem minimalen Wert.

b) Die in dem-Walzenspalt erzeugten Zugspannungen bzw. Zugbeanspruchungen waren niedriger als die. Zugbeanspruchung der gesinterten Teilchenmasse aufgrund des Fließens von Nickel bei 1175⁰O (2150⁰F).

c) Bei dem abschließenden Ringwalzschritt bei 1175°C (2150⁰F) nahm

das -rr- - Verhältnis auf "etwa 7 zu, wodurch die Qualität des

ο
Ringes weiter gesteigert wurde.

Inconel 71.8 '_ . ' ■ .

Es wurden zahlreiche Superlegierungs-Ringe hergestellt unter der Verwendung von vorlegierten Teilchen aus Inconel 718 (nachfolgend manchmal als "Ihco" bezeichnet), die von der Whittaker Corp. hergestellt werden. Inconel 718 weist die folgende Zusammensetzung auf: Ni^=52,5^, Cr=i9,4$, Fe=18$, Cb+Ta=5,1#, Mo=3#, Ti=O,9#, Al=O,6# und C=O,08%. Die Teilchen wiesen eine Abmessung von -35 + 325 mesh auf und waren nahezu perfekt sphärisch. Die offensichtliche Dichte beträgt 4,94. g/cnr. Es, wurden keine Binder bzw. Klebstoffe irgendeiner Sorte in Verbindung mit den Teilchen benutzt, die extrem hart waren und eine Verdichtung bei Raumtemperatur war infolgedessen nicht möglich.

409820/0823¹

Diese Inco-Teilchen sind nicht nur bei Raumtemperatur, sondern ebenfalls bei erhöhter Temperatur hart und da sie s'oharisch sind, lassen^sie sich nicht leicht sintern. Sie kennzeichnen sich weiterhin durch eine hohe Fließfestigkeit (selbst bei erhöhten Temperaturen), Beweglichkeit, ein hohes minimales -r— Verhältnis und eine niedrige gesinterte Zugfestigkeit.

Die Daten beim Einfassen in den Behälter (canning) und Ringschmieden vor dem Ringwalzen der Inco-Teilchen sind nachfolgend in Tabelle V wiedergegeben'.

TABELEE V ' - '

Pro- Pulver- % Pulver- Anzahl Abmessungen nach dem Ringben gewicht Packungs- des schmieden in cm Nr. in kg dichte Ring- ■ (in.) (Ib) (theor.) Schmiedens H OD ID WT

1	18,7 (41,2)	1-5:	66_t2	0	17,0 (6,7)	43,2 (17) ■	38,1 (15)	2,5 . (1,0)
2	18,7 (41,2)	6:	66,2	0	17,0 (6,)	' 31,0 (12,2)	22,5 (8,8)	4,3 (1,7)
3	19,1 (42,0)	67,3	3
4	19,1 (42,0)	66,5	2
5	19,1 (42,0)	66,5	0	Behälterabmessungen·	betrugen	in cm	(in.):
6	15,1 (33,3)	69,2	0		25,4 (10)	12.7 (53	6,4 (2,5)
Die anfänglichen			25,4 (10)	16,5 (6,5)	4,3 (1,7)
Proben
Probe
17,5 (6,9)
14,0 (5,5)

Die Auslegung bzw. Abmessungen, Vorbereitung und das 3?üllen der ersten fünf Probenbehälter mit Inco 718-Teilchen' sind im allgemeinen vergleichbar mit den bei den Nickelteilchen getroffenen Maßnahmen mit der Ausnahme, daß keine Räumtemperatur-

4098 2 0/0823

Verdichtung erfolgte. Das Gesamtgewicht Jedes gefüllten Behälters betrug, näherungsweise 43 kg (95 lbs)_? d.h. 24 kg (53 lbs) an Stahl-Behälter-Material (1018 oder 1025 Stahl mit 1,2 cm (i/2") Dicke) und 19 kg (42 lbs) an Inco 718*.

Die Behälter 3 "und 4 wurden bei einer Temperatur von 1205 G (2200⁰J¹) ringgeschmiedet, um den Effekt der Heiß verdichtung vor dem Ringwalzen zu bestimmen. Die Probe 3 wurde in drei Stufen ringgeschmiedet und auf die in Tabelle V angegebenen Endmaße reduziert. Aufgrund des verlängerten Heizens in einer nicht-, schützenden Atmosphäre wurde 12% des Stahls durch Oxidation verloren. Die Probe 4 wurde in zwei Stufen in einem geringeren Ausmaß ringgeschmiedet und auf /die Endabmessungen reduziert, · die ebenfalls in der Tabelle Y aufgeführt sind. Der Stahlverlust betrug etwa 6 °p« ...:'■

Der Behälter 6 war aus einer 6 mm (1/4") dicken Platte aus Inconel 718 mit einem Verhältnis des Gesamt-Innendurchmessers zur Wandstärke, das größer als das der Stahlbehälter-Proben ist, hergestellt. Der Behälter wurde- evakuiert-und mit einer Inco-JTüllerstange zugeschweißt. Inco wurde ebenfalls als Behältermaterial benutzt, um festzustellen, ob dessen höhere Festigkeit hilfreich ist bei der Übertragung der angelegten Spannung auf die Teilchenmasse während des Ringwalzens~ ■ . · .

Die Daten für das Ringwalzen von Inconel 718 Teilchen sind nachfolgend in Tabelle VI angegeben. ·

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TABELLE VI Teilchen-Ringwalzen von Inconel7i8 Teilchen

Pro- Anfangs- Anzahl ben temperatur der Nr. in^ ⁰G Ring-( F) walzvor—

Abmessungen des fertiggestellten Ringes in cm (in.)

"Beobachtungen
während des
Walzens

OD

1150 (2100)

1193 (2180)

(2180-2120)

1193-1150 (2180-2100)

4 4 2

3 3

1205-1150 (2200-2100)

18,3 63,7

,5 73,1 (5,7) (28,8)

17,5. 56,3

18,3

15,8 (6,2)

64

(7,2)(26,5) (25,2)

68,6 (27,0)

52,1

C6,9) (22,2) (20,5)

17,5 64,8 61,0 (6,9) (25,5) (24,0)

88,9 86,4 (7,2) 05,0) (34,0)

7_n 57,2 5) (22,5)

Behälter sah ausgezeichnet aus

Nebengeräusch bzw. Knistergeräusch.. ■ Längsweise gerissen.

Sah ausgezeichnet aus, bis er längsweise aufriß.

Sah auszeichnet
aus.

Anfangs ausgezeichnet, bis er an einem Punkt in Längsrichtung aufriß.

Alle Proben wurden in einem gasgefeuerten Ofen erhitzt. Die
Temperatur wurde zwischen 1150° und 12O5°C (between 2100 and 2200°F) variiert.-Die Zeit auf der Temperatur betrug für die ersten drei Proben eine Stunde und für die letzten in Tabelle VI dargestellten drei Proben zwei Stunden. Die Probe 2 wurde zu einem KonturprofüVringgewalzt. Alle anderen wurden flachringgewalzt.

Das gesamte freie Ringwalzen wuocfe mit einem Dorn mit einem
Durchmesser von 12 cm (4 3/4 in.) ausgeführt. Wenn eine Einfangeinrichtung (trap) benutzt wurde, wie es bei den Proben
3 und 4 der Fall war, betrug der Dorndurchmesser 20 cm (8 in.). Jede Probe in Tabelle VI wurde in 2 bis 4 Stufen ringgewalzt mit dazwischenliegenden kurzen Durchwärmungsperioden (bei den angegebenen Temperaturen), bevor die endgültigen Abmessungen erreicht wurden. Es wurden die folgenden Beobachtungen gemacht:

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. ■ ■. ■ ■ - 29 -

Probe 1: Unter Berücksichtigung der sehr begrenzten Dufchwärmungszeit und Temperatur (1 Stunde bei II50 C) vor der ersten Ringwalzstufe war die Festigkeit der Partikelmasse unter einem solchen milden Sintern in entsprechender Weise sehr niedrig. Die Durchwärmungszeit zwischen den nachfolgenden drei Walzstufen war ebenfalls sehr niedrig und betrug nie mehr als 5 Minuten bei 1150⁰C (2"70O⁰F). Der Dorndurchmesser betrug 11 cm (4,75 "in.). Das Verhältnis q—- betrug anfänglich etwa 5

und wurde>allmählich auf etwa 9 nähe dem Ende der vierten und letzten Walzstufe angehoben. Als der Ring durchgesägt und nach dem abschließenden Walzen geprüft wurdej waren die Teilchen lose, zeigten wenig Kohäsdonsfestigkeit und sehr geringe Deformation. Für einen solchen Fall wird erwartet, daß ein minimales D_2 Ver-

hältnis von zumindest 5 zu. Beginn des Ringwalzens gegeben ist und allmählich bis auf 15 oder um diesen Wert nahe dem Ende des Ringwalzens angehoben wird. Der Stahlbehälter entwickelte keine Risse und die Behälter-Schweißnähte waren intakt.

Probe 2; Diese Probe wurde ebenso wie die Probe 1 ringgewalzt mit der Ausnahme eines Konturierens während der vierten und letzten_Walzstufe. Ihr Aussehen nach dem Walzen war gut; es ,waren keine sichtbaren Risse weder in der Stahlhülle noch in den Schweißnähten sichtbar. Das Profil ließ sich leicht konturieren. Der. gewalzte Ring (aufgeschnitten) und das konturierte Profil sind in Fig. 4 bzw» 5 dargestellt. Die RingWandstärke beträgt etwa 2,3 cm (0,9 in.) auf den Rücken bzw. Erhebungen und etwa 0,9 cm (0.J6 in.) in den zwei dazwischenliegenden Abschnitten, , wie es in Fig.5 dargestellt ist.

Eine mefellographische Prüfung der Ringabschnitte 1 bis 5 in Fig.5 zeigte, daß die Inco-Teilchenmasse in den Abschnitten 2 und 4 am dichtesten, im Abschnitt 3 weniger dicht und in den Abschnitten und 5 am wenigsten dicht war. ,Die Variationen in den Abschnitt-Dichten werden in der folgenden Weise erklärt: .

409820/08

Anfänglich beträgt das -r— - Verhältnis näherungsweise 3. Das

ο
Verhältnis wächst allmählich auf etwa 6 zu der Zeit an, zu der die dritte Ringwalzstufe beendet wird. Die Probe 1 zeigt, daß mit aller Wahrscheinlichkeit keine bedeutende Verdichtung insoweit stattgefunden hat. Während der vierten Ringwalzstufe war auf die Antriebsrolle ein konturierter Ring aufgezogen, um den in Fig. 5 dargestellten Querschnitt zu erhalten. Als die Konturierungs-Ringwalz-Stufe abgeschlossen war, betrug das X Verhältnis bei den Abschnitten 2 und 4 näherungsweise 30,

während das Verhältnis bei den Abschnitten 1,3 und 5 nur etwa 10 betrug. Das höhere -r— - Verhältnis bei den Abschnitten 2 und

erklärt die größere Verdichtung.

Die Abschnitte 1 und 5 weisen das gleiche -r— - Verhältnis wie

^to der Abschnitt 3 auf; jedoch sind die angelegten Spannungen, die zu den Teilchenmassen in den Abschnitten 1 und 5 übertragen werden, wahrscheinlich wesentlich geringer als die, die zu der Masse im Abschnitt 3 übertragen werden, da Stahl-Stirnplatten vorhanden sind. Dies würde erklären, warum die Dichten in den Abschnitten 1 und 5 geringer als im Abschnitt 3 sind.

Dadurch wird nahegelegt, die Behälterplatten auf der Oberseite und der Bodenseite dünner und nach außen gebogen vorzusehen; durch diese Konfiguration wurden die Spannungen gleichförmiger und" wirksamer zu der Teilchenmasse übertragen. Ebenfalls könnte durch die Benutzung eines Vier-Walzen-Werkes eine gleichförmigere Verdichtung erreicht werden, d.h. könnten die Dichten an der Oberseite und 3odenseite des Ringes gesteigert v/erden. Für ein 'Konturieren und komplexes Gestalten des Ringes ist es erwünscht, daß die inneren und äußeren Umfangswände des Behälters der Gestalt des endgültig gewalzten Querschnittes vernünftig nahekommen.

4 09820/0823

- 31 - -■ ■ -

Probe $s Wie es in Tabelle V dargestellt ist, wurde diese Probe· in einem beachtlichen Ausmaß ringgeschiaiedet, um den Effekt einer Heißverdichtung vor dem Ringwalzen festzustellen* Der Ringwal zarbeitsgang wurde bei einer Anfangstemperatür von 1190 G (2180⁰F) ausgeführt. Nach einem relativ kurzen Malzen öffnete sich der Stahlbehälter an mehreren Punkten entlang der Länge des Ringes. Das Ausfallen bzw. Versagen stand in direkter Beziehung mit schwachen Bereichen in dem Behälter, die durch einen Gewichtsverlust von näherungsweise 20 °/a in der Stahlhülle während des Heizens vor dem Ringschmieden und dem Ringwalzen aufgrund von Oxidation verursacht waren·, nicht gleichförmige Dicken der Stahlhülle bzw« des Stahlmantels entwickelten sich während des Ringschmiedens und eine nicht gleichförmige Verdichtung der Inconel- Teilchenmasse entwickelte sich aufgrund eines ungeeigneten bzw. unrichtigen Ringschmiedens.

Es waren jedoch zahlreiche Bereiche in dem Ring vorhanden, die eine zufriedenstellende Verdichtung der Inconel 718 Teilchen zeigten, was anzeigt, daß eine weitere Verbesserung des Heiß-Verdichtungs-Schrittes zu einem gewalzten Ring mit einer durchgehend hohen Dichte führen würde. .

Probe 4-i Diese Probe verhielt sich ähnlich der Probe 3 mit der Ausnahme, daß sich die Behälterhülle in Längsrichtung in einem geringeren Ausmaß und dann nur während der letzten Stufe des Ringwalzens öffnete'. Die Probe 4- war beachtlich weniger ringgeschmiedet als die Probe 3« Dies führte zu einem geringeren Gewichtsverlust in der Stahlhülle aufgrund von Oxidation; außerdem blieb die Behälterhüllen-Dicke gleichförmiger.» Nach dem Walzen zeigte eine Prüfung eine Verdichtung in zahlreichen Bereichen des Ringes.

409 8 20/08

Probe 5: Diese Probe wurde in der gleichen Weise wie die Probe gewalzt. Der Behälter wurde vor dem Ringwalzen nicht ringgeschmiedet. Die Durchwärmtemperatur.wurde auf 1160 G (2120⁰F) während der -nachfolgenden zwei Walzstufen gesenkt. Der Stahlbehälter und die Schweißnähte blieben durch die Bearbeitung hindurch intakt, obgleich der fertiggestellte Ring einen Innendurchmesser von 85 cm (^4- in.) aufwies, also beachtlich größer als der irgendeines der anderen gewalzten Ringe war. Dies zeigt deutlich, daß der Stahlmantel Temperaturen von zumindest bis zu 1160 C (2120 Ή¹) widerstehen bzw. solche Temperaturen aushalten kann. Der gewalzte Hing wurde durchgesägt und auf die Verdichtung der Inco-Teilchen hin untersucht. Die Verdichtung war gering, sehr wahrscheinlich aufgrund der niedrigen Temperatur (1160⁰C bzw. 2120⁰F) in den letzten zwei Walzstufen und aufgrund eines geringen -rr- - Verhältnisses. Anfänglich betrug +—

⁰ D

nur etwa 5. Nur nahe der letzten Stufe erreichte ·=— 12, was

¹⁷O

wahrscheinlich zu niedrig für die niedrigere Durchwärmtemperatur war.

Probe 6; Bei dieser Probe war der Behältermantel aus einer Inconel 718 Platte anstatt 'aus Kohlenstoffstahl hergestellt worden. Die Manteldicke betrug 6 mm anstatt 12 mm (1/4·" instead of i/2")» wie bei den anderen Behältern. Die GesamtWandstärke war kleiner und das -r— - Verhältnis.(näherungsweise 15) war während der

letzten Walzstufe höher. Sie wurde bei höheren mittleren Temperaturen als die anderen Proben ringgewalzt. Nur während der letzten der vier Ringwalζstufen riß der Ring an einem Punkt in Längsrichtung. In bezug auf die Gesamtverdichtung war diese Probe die beste. Eine metallographische Prüfung des Querschnittes zeigte, daß die Dichte der Incö-Teilchenmasse nahezu 1OO# im Mittelabschnitt betrug und allmählich mit zunehmendem Abstand von dem Zentrum abnahm. Die größere Wärmeisolierung des Inco-Mantel-Materials und die verbesserte Spannungsübertragung zu dem Pulver durch den relativ dünnen Mantel trug gekoppelt mit den höheren mittleren Ringwalztemperaturen zu dem größeren Erfolg bei dieser Probe bei. Aus

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dem obigen ist ersichtlich:, daß durch, ein Vergrößern des Dorndurchmessers während der letzten Walzstufen ein Ring mit iOO#iger Dichte durch und durch hätte erreicht werden können.

Es wird jetzt das 'Teilchen-Ringwalzen von feuerfesten Metall-" carbiden in einer Gruppe VIII A-Metall-Matrix beschrieben. Ringe, die aus fein verteilten Carbidteilchen der feuerfesten Metalle (refractory metals), d.h. aus Titan, Wolfram.und Vanadium bestehen, die durch ein Metall der Gruppe VIII A, Eisengruppe, d.h. Eisen, Nickel und Kobalt miteinander verbunden sind, sind wirtschaftlich erwünschte Produkte.

Ein aus TiC in einer Eisenmatrix bestehender Ring wurde erhalten, indem ein Toroid ringgewalzt wurde, der ein vorlegiertes TiC-P.ulver und ein Stahlpulver enthielt.

Der Toroid oder ringröhrenförmige Behälter wurde in der folgenden Weise hergestellt;

Behältermaterial: Inconel - ■ , .

Behälterabmessungen:H - 14.,35 cm (5^85"), O.D. - 27,9 cm (11"),

' I.D. - 15,2 cm (6") ,

Pulvergewicht: ca, 12,0 kg (25,9 lbs) Verdichtungsdruck: etwa 450 kg/cm- (3.1 tons/in )

Verdichteter . ^

Dichtewert: 3,11 g/cm-⁵ oder 4? % Gesamtgewicht 32 kg (70.25 lbs)

(Pulver und Behälter) / '

Es werden jetzt die Pulvereigenschaften beschrieben. Das zur Herstellung dieses Ringes benutzte Pulver wurde von der Sintercast Division der Chromalloy American Corporation hergestellt und wird unter dem Handelsnamen 5¹ERRO-TiC, GMe C verkauft. Dieses Pulver war ein Gemisch von 45$ (Volumen) Titancarbid und milrtellegiertem Werkzeugstahl (medium alloy tool steel).

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Vor dem Verdichten in dem Behälter wurde das gemischte Pulver, wie es empfangen worden war, bei einer Temperatur von 1175 C (2150⁰E¹) für 4-0 Minuten wasserstoff behandelt, um den Sauerstoffpegel abzusenken. Die Pegel von Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff nach dieser .Behandlung betrugen S,.83$, 0,706$ bzw.

0,0079$.

Kachdem das Pulver verdichtet xirorden war, wurde der freiliegende ringförmige Abschnitt des Behälters abgedeckt, indem ein Deckel aus rostfreiem Stahl auf den Körper des Behälters geschweißt wurde.

Der ringförmige Innenraum des Behälters wurde dann evakuiert und gleichzeitig für näherungsweise 6 bis 8 Stunden auf 290 G (550^oF) gehalten.

Der dicht verschlossene Behälter wurde in der folgenden Weise ringgewalzt mit 105 cm (4-2") -Antriebswalze und keiner Einfangeinrichtung (trap):

Walz- Do rn-όγο- durchmesser in cm (in.)

gramm

Temperatur Abmessungen in cm in C (in.)

(E¹) OD .ID H

Bemerkungen

1.
2.

3-4.
5-

14,0 (5 1/2)

17,8 (73

17,8 (75

20 3

(5

1180 (2160)

geringfügig geändert

29,85 22,2 15,2 (11 3/4) (8 3/4) (6)

Walzen zufriedenstellend

38
(15)

33,0 (13)

15,9 (6

44,5 40,6 (17 1/2) (16)

15,9

(6 1/4-)

52,1 48,3 (20 1/2) (19)

Nach/dem Walzen wurde der bis 10 Minuten aufgeheizt

16,5 Behälter begann (6 1/2)zu reißen und die Schweißnähte öffneten sich

Ring wieder auf 118O°O (2160⁰S¹) für

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Produktauswertung;

Härte: R 50; Dichtes 6,1 g/cm'' oder zumindest 92,5$ theoretische Dichte; metallographische Untersuchung: (a) TiO-Teilchen - fein und gleichförmig verteilt durch die Matrix hindurch; (b) Mikrostruktur erscheint dicht und gut konsolidiert; und (c) die Garbidteilchen waren zufriedenstellend durch die Eisenmatrix (farous matrix) "benetzt".("wetted").

Diese Eigenschaften zeigen, daß ein zufriedenstellendes Produkt erhalten worden war«. Das Produkt hat einen erwünschten Härtewert und Gleichheitsgrad erreicht».

Der oben beschriebene Ring wurde erhalten, indem ein sorgfältig vorbereiteter Behälter in dem festen Zustand, άΛ« bei einer Temperatur unter der Verfestigungstemperatur bzw. Solidustemperatur des Metall-Matrix-Materials ringgewalzt worden ist. Dieser Ring hätte ebenfalls erhalten werden können, indem der Behälter bei einer Temperatur über der Solidus-Temperatur des Metall-Matrix-Materials ringgewalzt worden wäre» Ein Ringwalzen, das bei einer Temperatur ausgeführt wird, bei der das Matrix-Material sich zumindest teilweise in flüssigem Zustand befindet, bietet die folgenden Vorteile gegenüber einem Ringwalzen eines gleichen Behälters in festem Zustand: (a) es ist \ireniger Kraft fli? die Deformation erforderlich und infolgedessen möglich, größere Ringe zu walzen, und (b) ein zufriedenstellendes "Benetzen" ("wetting") der TiC-Teilchen*durch die !"erro- bzw. Eisen-Basis-Matrix ist sichergestellte Dadurch wird eine erhöhte Bindung an der Carbid-Metall-Matrix-Zwischenfläche eneicht»

Es wird jetzt das Teilchen-Ringwalzen von Teilchen auf Ti-Basis beschrieben. Das Ringwalzen von Ti-Teilchen oder Teilchen auf Ti-Basis bereitet keine technischen Schwierigkeiten«, Anders als bei den Superlegierungs-(superalloy)-Pulvern sind die Ti-Teilchen und Teilchen auf Ti-Basis bei Raumtemperatur komprimierbar■> Die für das Ringwalzen von Al= und Ni-Teilchen entwickelten Verfahrensmaßnahmen, die oben beschrieben worden sind, werden als voll-

ständig angemessen angesehen zur Herstellung von Ti- und Ti-Legierungs-Ringen unter Anwendung des erfindungsgemäßen PRR-Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist für viele andere Kombinationen von Teilchenmaterialien und Einkapselungsbehältern zur Herstellung von SDezialringen gut geeignet einschließlich der folgenden:

NiTiNol-Teilchen in einem Ti-Behälter

Nach dem Ringwalzen bleibt das Ti außerhalb mit der NiTiNoI-Teilchenmasse im Inneren. Dadurch werden die Korrosionsfestigkeit des Ti und die "Speicher" ("memory")-Eigenschaften des NiTiNoI im Inneren vorgesehen. Das den Behälter füllende NiTiNoI-Material kann in der Form von gemischten oder vorlegierten Teilchen vorgesehen sein.

Ti-Be-Teilchen in einem Ti-Behälter

Ti auf der Außenseite liefert Korrosionsfestigkeit. Der Ti-Be-Verbund bzw. die Ti-Be-Mischung (bei dem bzw. der das Verhältnis von Be zu Ti höher als bei den herkömmlichen Ti-Be-Zusammensetzungen sein kann) sieht das hohe Verhältnis von Festigkeit zu Dichte vor. Diese Kombination weist einzigartige Eigenschaften bei der Herstellung von Ringen für Hochgeschwindigkeits-Luftfahrzeuge auf.

Gu-Teilchen in einem Ti-Behälter

Diese Kombination sieht die optimale Kombination von Korrosionsfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit vor. In Abhängigkeit von der Fabrikationsweise sind unterschiedliche Größen und Gestalten möglich.

Schwierige Superlegierüngs-Ringe

Einige der Superlegierungen auf Basis von Nickel und/oder Kobalt wie IN 100, Wasploy, Rene 41 und Udimet 700 werden als schwierig verarbeitbar mittels herkömmlicher Methoden angesehen. Der erfindungsgemäße PRR-Prozeß ist insbesondere für solche schwerigen Legierungen geeignet. Die Teilchen können legiert oder gemischt sein.

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Wenn gemischte Teilchen benutzt werden, tritt die Homogenisie- rung während der Verarbeitung ein. Konturierte Ringe können ebenfalls durch geeignete Auslegung des ringförmigen Behälters hergestellt werden.

Die Erfindung ist ebenfalls anwendbar auf Superlegierungs-Ringe, die kritischen Betriebsbedingungen.unterworfen sind, wie solche Ringe, die in Triebwerks-Strukturen für Hochgeschwindigkeits--Luftfahrzeuge benutzt werden. Solche Ringe erfordern eine hohe mechanische "Festigkeit bei Betriebstemperaturen, die wesentlich höher als 820°C (1500⁰E) liegen. Da Superlegierungs-Teilchen gewöhnlicherweise,Produkte mit einer .sehr feinen Korngröße ergeben, ist deren mechanische Festigkeit bei hohen Tenraeraturen geringer als die von Gußlegierungs (cast-alloy)-Produkten beispielsweise, bei denen das Kornwachstum die Liochtemperatur-]?estigkeit gesteigert hat. Aufgrund der komplexen Beschaffenheit vieler Superlegierungen kann eine angemessene Korngröße durch herkömmliche Wärmebehandlungen unter der Solidus-Temperatur nicht erreicht werden.

Wenn legierte Teilchen .benutzt werden, wird das Werkstück auf eine Temperatur aufgeheizt, die der Solidus-Temperatur (zum Sintern der. Teilchenmasse) angenähert ist, und dann ringge- . " walzt, um die Dichte der gesinterten Masse zu steigern. Nachdem vorläufigen Ringwalzen wird:der Ring auf.einen Punkt über die Solidustemperatur aufgeheizt, wobei die 'Temperaturgrenze mit zunehmender Dichte der Tei^e-henmasse höher ist. Das Ringwalzen wird an diesem Punkt begonnen und fortgesetzt, bis die Ringtemperatür sich ausreichend (well below) unter der Solidus-Temperatur befindet. Die nachteiligen Effekte irgendwelcher Gußstrukturen in dem Ring können, eliminiert werden, indem mit einer geringen Deformationsrate bzw. Deformationsgeschwindigkeit bzw. geringen Deformation pro Durchgang gewalzt' .wird. Das Aufheizen und Ringwalzen, wie es oben beschrieben ist, wird durch den Solidus-Temperatur-Bereich wiederholt. Der Ring wird einer abschließenden Wärmebehandlung, unterzogen, um die Korngröße und Gestalt zu stabilisieren.

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\i±e oben beschrieben worden ist, eignet sich das erfindungs— gemäße Verfahren bei der Produktion eines strukturell dichten Ringes (structurally sound ring) dazu, die Korngröße des SuOerlegierungsringes zu erhöhen, um eine Hochtemperatur!*gfcigkeit zu erreichen.

Die Ergebnisse der Texlchen-Rxngwalz-iLrbext an den Basismetall-, Legierungs- und Superlegierungs-Testproben, wie sie oben beschrieben worden sind, zeigen, daß dichte Metallringe (sound metal rings) sowohl mit einfachen als auch mit gestalteten Querschnitten gemäß der Erfindung' hergestellt werden können und daß die Eigenschaften der so hergestellten Ringe einschließlich der Superlegierungsringe gleich oder besser als die entsprechenden Eigenschaften von Ringen sind, die durch andere Prozeße hergestellt worden sind.

Die Ringe mit komplexeren Querschnittsgestalten können leichter hergestellt werden, da (a) die Einkap se lungs bebiilt er nit vorgeformten Gestalten ausgelegt werden können, (b) die ooröse Struktur der Teilchenmasse in dem Behälter eine größere Formbarkeit als eine feste J?orra aufweist und (c) höhere Walztemperaturen aufgrund der homogeneren Mikrostruktur angewendet werden können.

Der erwartete Materialverlust bei der Herstellung von Ringen genülß der' Erfindung ist geringer als 20 -fo selbst bei komplex gestalteten Ringen aus fortgeschrittenen bzw. schwierigen Legierungen. Im Gegensatz dazu liegt in Abhängigkeit von der Schwierigkeit und Komplexität des Arbeitens und Walzens der Laterialverlust bei dem herkömmlichen Verfahren, wenn die geschmiedete Platte in den unbearbeiteten Ring umgeformt wird, zwischen ZO und ;.;0>J (vor dem abschließenden m'aschinellen Bearbeiten). Der Materialverlust nähert sich dem V/ert von ^0>j bei Ringen, die aus den schwieriger zu bearbeitenden ou^erlegicrungen (beisoielsweise Rene 41, Udimet 700, Wasploy und IN 100 etc.) hergestellt werden, und bei Ringen mit komplexem Querschnitt.

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Hit daa. erfindungsgemäßen PRR-Verfahren. werden sowohl teclmische als auch ökonomische Vorteile erreicht. Beispielsweise können Legierungeni.t breiten Erstarrungsbereichen, wie beispielsweise Aluminium, in Ringe gearbeitet werden, wobei Arbeit und Material gespart wird,^v ebenfalls erlaubt das Mischen von Metallteilchen einen weiteren Bereich von Zusammensetzungen und Eigenschaften, als sie mit anderen Ringherstellungsve'rfdren erreichbar sind. Einer der bedeutenderen Vorteile ist die erhöhte Homogenität χϊι Metallringen, insbesondere Superlegierungsringen, die durch das Teilchen-Ringwalzen erreicht wird. Diese Homogenität ist aufgrund dessen gegeben, daß jedes SuDeriegierungs-Teilchen einen im hohen Maße homogenen Mikro-Block (micro-ingot) bildet. Eine Segregation bzw. Absonderung von Carbiden und zwischenmetallische Phasen des Typs, wie sie üblicherweise bei gegossenen Superlegierungen gefunden werden, sind bei Superlegierungs-Teilchen.in einem sehr feinen Maßstab (on a very fine scale) vorhanden. Somit ist ein hohes Maß an Homogenität in aus Superlegierungs-Teilchen hergestellten Ringen vorhanden: das führt zu einer stark verbesserten Heißbearbeitbarkeit über einen weiten und höheren Bereich von Temperaturen während der Ringherstellung mit offensichtlichen Einsparungen an Arbeitskosten.

Ein weiterer· Vorteil bestellt in der Benutzung des Verfahrens als ein Entwicklungswerkzeug oder eine Entwicklungstechnik. Beispielsweise wird durch Eliminieren der G-uß- und Heißschmiede-Probleme, die jedesmal, wenn eine neue Zusammensetzung bzw. ein neuer Verbund-entwickelt wird, gelöst werden müssen, gemäß der Erfindung der Aufwand für die Entwicklung von neuen komplexen Superlegierungen· in Ringform vereinfacht und verringert.

Die Erfindung-umfaßt also die Herstellung durch Teilchen-Ringwalzen von zusammengesetzten, mehrphasigeil (gemischten Teilchen) Ringen mit einfachen oder konturierten-Querschnitten mit verschiedenen' Dichten und einem weiten Bereich von Struktur-, Korrosions- und Hochtemperätur-Eigenschaften. . ■ ■ ■

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Der Begriff "Superlegierung" bezeichnet eine Legierung auf Nickel- und/oder Kobalt-Basis, die für Hochtemperatur-Beanspruchung benutzt wird, bei der relativ hone Beanspruchungen bzw. Spannungen. (Zug- bzw. Bruch-, Wärme-, Vibrations- und Stoßbeaiispruchuiigen) angetroffen werden und häufig Oxidationsfe&igkeit erforderlich ist. Diese Superlegierungen enthalten intermetallische Former (Ti, Al, etc.) und Mischkristallbzw. Verbun&werks tof f -Vers tärkungs -Ho clat emperaturmetalle (solid solution- strengthening refractory metals) wie Cb, Mo, W, Ta, etc.. Der größere Anteil an der Verstärkung bei hohen Temperaturen ist ,jedoch aufgrund der Ausfällung der sogenannten "Gamma Strich" ("gamma prime")-Phase, die im allgemeinen als Ni-^(Al, Ti) bezeichnet wird, vorhanden. Chrom ist vorhanden, um zusammen mit dem zusätzlichen Erhöhen der Festigkeit die Oxidationsfestigkeit vorzusehen. Zirkonium und Bor werden hinzugeigt zur Steigerung der Formbarkeit bzw. Verwalzbarkeit und/oder des Kochtemperatur-Kriechwiderstandes.

- Patentansprüche -

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Claims

-LLA-

Patentansprüche

1. "Verfahren zum Herstellen eines Rings in einem Metall-Bearbeitungssystem mit einer Einrichtung zum Ringwalzen eines ringförmigen Werkstückes, dadurch g e k e η η zeichne t, daß ein toroidförmiger Einkapselungs-Metallbehälter mit-einem ringförmigen Hohlraum hergestellt· wird, daß der ringförmige Hohlraum mit sinterbaren Teilchen zur Ausbildung eines Werkstückes gefüllt wird und daß das Werkstück zur Formung eines langes der gewünschten Konfiguration, Gestalt und Mikrostruktur heißringgewalzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i ohne t, daß der ringförmige Hohlraum des Behälters geschlos-. sen und abgedichtet wird.

5>. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge k e η η zeichnet, daß das Verhältnis des Innendurchmessers des Behälters zu dessen Wandstärke von einem Minimum von etwa 1 bis 2 bis zu dem praktischen Maxiraum reicht.

4-, Verfahren nach einem der Ansprüche Λ bis 3j dadurch g e k e η η ζ e i c -h η e t, daß der toroidförmige Behälter im wesentlichen zwei konzentrische Zylinder umfaßt, die radial mit Abstand voneinander zur Bildung des ringförmigen Hohlraumes angeordnet sind und daß das Verhältnis der Wandstärke des inneren Zylinders zu der Wandstärke des äußeren Zylinders vor dem Ringwalzen im wesentlichen gleich dem Verhältnis des Gesamt-Außendurchmessers 'des Behälters zu dessen Innendurchmesser-ist, wenn die fertiggewalzten Wandstärken im wesentlichen gleich sein sollen.

= Verfahren nach einem der Ansprüche i bis 4-, dadurch ge k e η η ζ e i c h η e t, daß die sinterbaren Teilchen in einen vergleichsweise engen TemOeraturbereich bearbeitet

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werden und daß die iVärmelextfähxgkeiij des Metallbehältermaterials 0,06 Kalorien/cm / C/sec nicht übersteigt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g- e kennzeichnet, daß die Ausdehnungskoeffizienten der äußeren Metallwand des toroidförmigen Behälters, der χeilchen-Zusammensetzung bzw. der inneren Metallwand des Behälters in einer solchen absteigenden Folge oder Größenordnung vorgesehen sind, daß die resultierenden Wärmespannungen, die in dem Werkstück während und nach dem Ringwalzen aufgebaut v/erden, in radialer Richtung kompressiv wirken.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e ke nnz e i chn e t, daß der Metallbehälter an seinen entgegengesetzten Enden durch Ringplatten verschlossen wird und jede Platte mit einer nach außen gebogenen konvexen Oberfläche in bezug auf den Radius des Ringes ausgebildet ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbehälter aus Stahl aufgebaut ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch, gekennzeichnet, daß die Teilchen vorlegiert sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus einer Mischung von verschiedenen Metallen bestehen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen Superlegierungs-Metallteilchen umfassen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen in dem Behälter vor dem Ringwalzen verdichtet werden.

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13". Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen in dem Behälter vor dem Ringwalzen gesintert werden.

14·. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t_s daß die Teilchen in dem Behälter heißverdichtet werden,

15· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14-, dadurch g e k ennzeichn e t, daß die Teilchen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen bestehen.

16. Verfahren nach Anspruch 15? dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter aus Aluminium aufgebaut ist. ,

17« Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14-, dadurch gekennzeichnet, daß die. Teilchen aus Nickel oder Nickellegierungen bestehen.

ο Verfahren nach Anspruch 17? dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter aus Stahl aufgebaut ist., ^ ^

19· Verfahren nach Anspruch 11, dadurch g e k en η ζ e ic h net, daß der Einkapselungsbehälter aus dem gleichen Material wie die Matrix der Teilchen aufgebaut ist.

20. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t,· daß die Teilchen aus Inconel 718 bestehen.

21. Verfahren nach Anspruch 11_s dadurch gekennzeichnet, daß das Hingwalzen bei einer Teilchentemperatur begonnen wird, die sich über deren Verfestig-ungstemperatur bzw,. Solidus-Temperatur' befindet, und fortgesetzt wird bis zu einer Teilchentemperatur, die sich sicher unter der Solidus-Temperatur befindet»

22. Verfahren zum Herstellen eines Superlegierungs-Metallringes in einem Metall-Bearbeitungssystem mit einer Einrichtung zum Ringwalzen eines ringförmigen Werkstückes, dadurch ge-kennzeichnet, daß ein toroidförmiger Metallbehälter 'mit einem ringförmigen Hohlraum hergestellt wird, daß der Hohlraum mit Metallteilchen gefüllt wird, die eine Gesamt-Superlegierungs-Zusammensetzung aufweisen, daß der Behälterhohlraum zur Bildung eines Werkstückes verschlossen wird, daß das Werkstück bei einer Temperatur über der SoIidus-Temperatur heißringgewalzt wird, daß das Ringwalzen fortgesetzt wird, bis sich die Teilchenmasse unter der Soliduslemperatur befindet, und daß die Arbeitstemperatur des Ringwalzens auf einen vergleichsweise schmalen. Bereich über und unter der Solidus-Temperatur begrenzt wird.

27). Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen eine Pulvermischung umfassen.

24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen vorlegiert sind.

25· Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ■ gekennzeichnet, daß der Ring zwischen einem Dorn und einer Antriebswalze, die einen größeren Durchmesser als der Dorn aufweist, gewalzt wird und daß das Verhältnis des Dorndurchmessers D zu der Dicke des Ringes vor einem Walzdurchgang t für ein optimales Arbeiten in Abhängigkeit zu der erhöhten Duktilität und Verdichtung der bearbeiteten sinterbaren Teilchen herabgesetzt wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25» dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis τ— minimale Werte von näherungs-

o
1 bis 4 aufweist, wenn die sinterbaren Teilchen aus

Superlegierungs-Zusammensetzungen bestehen

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27· Verfahren nach. Anspruch 25, dadurch g e k e η η ζ e i c h net, daß das Verhältnis ψ-- minimale Werte von· näherungs-

ο
weise 0,2 bis 1,0 aufweist, wenn die sinterbaren Teilchen unregelmäßige, unverdient et e Pulver, aus duktilen Metallen und Legierungen aus Aluminium^ Nickel, Kupfer und. Eisen sind·.

28. Metallring, dadurch g e k e η η ze i c h η e t_s daß er

im wesentlichen aus einer Masse von Metallteilchen zusammen-" gesetzt ist, die zur Erreichung einer vollständigen Verdichtung heißringgewalzt sindο

29. Ring nach Anspruch 28, dadurch g e k e η η ζ el c h η et, .daß die Teilchenmasse sich in einer Metallhülle befindet, die eine metallurgische Bindung mit der Masse aufweist.

JOo Ring nach Anspruch 29, dadurch gek e nn ζ e i chn e t, daß die Hülle bzw. die Teilchen Aluminium oder Aluminiumlegierungen aufweisen» " ■ . ·

31. Ring nach Anspruch 299 dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die Hülle bzw. Teilchen Eisen, Nickel oder Nickellegierungen aufweisen,

32. Ring nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchenmasse aus einer Superlegierung zusammengesetzt ist.

33· Ring nach Anspruch 32, dadurch g e k e η η ζ e ic h η e t, daß die Superlegierung Inconel 7Ί3 ist. ·

34·. Ring nach den Ansprüchen 29 und 33» dadurch ge k e η η zeichnet, daß die Hülle aus Stahl besteht.

35° Ring nach den Ansprüchen 29 und52, dadurch g e k e η η •zeichne f, daß die Hülle aus Inconel 718 besteht.

Ring nach Anspruch 29, dadurch g e k e n-n.z e i c h η e t, daß die Dicke der Hülle an dem inneren und äußeren Umfang des

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Ringes im wesentlichen gleichförmig ist.

37· Verfahren zum Herstellen eines Ringes in einem Metall— bearbeitungssystem mit einer Einrichtung zum Ringwalzen eines ringförmigen Werkstückes, dadurch gekennzeichnet, daß ein toroidförmiger Metallbehälter mit einem ringförmigen Hohlraum gebildet wird, daß der Hohlraum mit einem gemischten Pulver gefüllt x«/ird, daß ein feuerfestes Metallcarbid von Titan, Wolfram oder Vanadium und ein Metall wie Eisen, Nickel oder Kobalt umfaßt, und ckß das Werkstück zur Bildung eines Ringes der gewünschten Konfiguration, Größe und Mikrοstruktur heißringgewalzt wird.

38. Verfahren nach Anspruch 37» dadurch, gekennzeichnet, daß das Werkstück bei einer Temperatur über der Solidus-Temperatur des gemischten Pulvers heißringgewalzt wird.

359· Verfahren nach Anspruch 37? dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück bei einer Temperatur unter der Solidus-Temperatur des gemischten Pulvers heißringgewalzt wird.

40. Verfahren nach Anspruch 37» dadurch gekennzeichnet, daß das gemischte Pulver Titancarbidteilchen und ein Eisenpulver umfaßt.

41. Metallring, dadurch gekennz eichnet, daß er

im wesentlichen aus Titancarbidteilchen zusammengesetzt ist,. die von einer Eisenmatrix umgeben sind, die zur Erreichung einer vollständigen Verdichtung heißringgewalzt ist.

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