DE2422344A1

DE2422344A1 - Verfahren und vorrichtung zum schnellen isostatischen pressen

Info

Publication number: DE2422344A1
Application number: DE2422344A
Authority: DE
Inventors: Donald Eli Witkin
Original assignee: National Forge Co
Current assignee: National Forge Co
Priority date: 1973-05-11
Filing date: 1974-05-08
Publication date: 1974-11-21
Also published as: DE2422344B2; GB1409410A; BE814654A; IT1017588B; FR2228563A1; FR2228563B1; JPS5030707A; JPS524243B2

Description

Dr. F. Zumsteln sen. - Dr. E. Assmann Dr. R. Koenigsberger - Dipl.-Phys. R. Holzbauer - Dr. F. Zumstefn jun.

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NATIONAL FORGE COMPANY, IRVINE, WARRENCOUNTY,

PA., USA

Verfahren und Vorrichtung zum schnellen isostatischen Pressen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum isostatischen Pressen eines porösen Körpers und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, wobei das Druckmedium eine Flüssigkeit ist.

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Die Verwendung eines Inertgases, wie Stickstoff, Helium oder Argon,als Druckmedium zum isostatischen Zusammenpressen einer Pulverfüllung innerhalb eines isostatischen Druckbehälters ist "bekannt.

Es wurde ebenfalls schon vorgeschlagen, eine Flüssigkeit als Druckmedium zu verwenden. Beispielsweise wurden in einer flexiblen Form enthalten.-e Pulverteilchen direkt dem Druck ausgesetzt, der durch ein flüssiges Druckmedium für ein kaltes isostatisches Pressen der Pulverteilchen in der Form erzeugt wurde. Die beim warmen isostatischen Pressen von Pulvern auftretenden Probleme, mit denen die Erfindung befasst ist, sind völlig verschieden von den Problemen beim kalten Pressen. Da beispielsweise die Pulver in einer Gummiform nicht vorgewärmt und deshalb "kalt" sind, so kann das flüssige Druckmedium unmittelbarin direkten Kontakt mit dem Formbehälter gebracht werden. Auf der anderen Seite ist ein direkter Kontakt eines flüssigen Druckmediums mit einer heissen Pulverfüllung beim warmen isostatischen Pressen unerwünscht, da die Temperatur der Füllung auf ein Niveau verringert würde, bei dem eine Verdichtung auf den theoretischen Verdichtungswert nicht mehrjerzielt werden kann, wenn die erwärmte Pulverfüllung auf unpassende Weise dem flüssigen Druckmedium ausgesetzt wird.

Aufgrund der obigen Zusammenhänge und um das Verdichten des Pulverkörpers mit einem Druckmedium zu beschleunigen und wirtschaftlicher zu machen, ist in-Übereinstimmung mit der Erfindung ein Verfahren zum isostatischen Pressen eines porösen Körpers, bestehend aus dem Erwärmen des Körpers auf eine gewählte Temperatur, die oberhalb derjenigen Temperatur

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liegt, bei der er isostatisch zusammengepresst wird aber unterhalb der Schmelztemperatur des Körpers, aus dem Einsetzen des erwärmten Körpers in einen Druckbehälter, der anschliessend geschlossen und abgedichtet wird, dem Setzen des Körpers innerhalb des Druckbehälters unter einen isostatischen Druck zum Verdichten des Presslings, und dem Entfernen des verdichteten Körpers vom Druckbehälter nach ' · Ablassen des Drucks im Druckbehälter vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verdichten des Körpers ein flüssiges Druckmedium schnell in den Druckbehälter eingepumpt wird, um diesen aufzufüllen, während eine Berührung des Mediums mit dem erwärmten Körper vermieden wird, bis der Druckbehälter im wesentlichen mit dem flüssigen Medium angefüllt ist, und wobei anschliessend der Druck im Behälter schnell auf einen vorgewählten Wert anwächst, der zum Verdichten des Körpers durch fortgesetztes Pumpen des Druckmediums in den Druckbehälter, bis der vorgewählte Druck erreicht ist, ausreicht, wobei der vorgewählte Druck grosser ist als der kritische Druck des flüssigen Mediums.

Erfindungsgemäss ist ebenfalls eine Vorrichtung zum Verdichten eines erwärmten porösen Körpers durch isostatisches Warmpressen des Körpers mit einem Druckbehälter, in den der erwärmte Körper einführbar ist ,einer Einrichtung zum Schliessen und Abdichtendes Druckbehälters, einer Einrichtung zur Druckausübung auf den Behälter mit einem Druckmedium, :iund einer Einrichtung zum Ablassen des Druckes vomBehälter nach Beendigung eines isostatischen Druckvorgangs, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, um eine Berührung des Druckmediums mit dem Körper zu vermeiden, bis der Druckbehälter

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im wesentlichen mit dem Druckmedium angefüllt ist, und dass die Einrichtung für die Druckausübung auf den Behältereine Flüssigkeitszufuhr für das rasche Anwachsen des Druckes des flüssigen Mediums auf den Druck enthält, bei dem der Druckbehälter im wesentlichen mit dem Druckmedium angefüllt ist, vorgesehen.

Aus Gründen, die später klar werden, kann eine Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, auf überraschende Weise als Druckmedium benützt werden, ungeachtet dessen, dass die Pulverfüllung auf eine Temperatur deutlich über dem Siedepunkt des Wassers vorgewärmt wird, beispielsweise auf eine Temperatur von 1200 C. Dies wurde durch Begrenzen des Betrags der Flüssigkeit, die mit dem erwärmten Werkstück in Berührung kommt, möglich, während die Anlage unter niedrigem Druck steht, und durch ein Verringern des Wärmeverlusts infolge des Phasenwechsels . der auftritt, wenn die Flüsigkeit beim Berühren der auf hohe Temperatur erwärmten Pulver in Dampf umgewandelt wird, indem die Anlage schnell unter Druck gesetzt wird, um den Druck über den kritischen Druck anzuheben.

Die Verwendung eines flüssigen Druckmediums ergibt einige Vorteile über bekannte isostatische Warmpresstechniken. Beispielsweise können äusserst kurze Zykluszeiten erzielt werden, die eine beträchtliche Betriebskosteneinsparung mit sich bringen. Bei Benützung der Erfindung können Zykluszeiten (von der Einführung der erwärmten Pulverfüllung in den Druckbehälter bis zu ihrer Entfernung in völlig verdichtetem Zustand) in der GrÖssenordnung von 1 bis 2 Minuten verwirklicht werden, verglichen mit Stunden, die beim konventionellenGaspressen erforderlich sind. Dadurch werden die Verarbeitungskosten

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von teueren Pulverteilen, wie die aus "exotischen" Metallen, Superlegierung und Werkzegstählen erheblich billiger und ermöglicht deren allgemeinere Verwendung. Darüber hinaus rechtfertigen diese kurzen Zykluszeiten und die verringerten Kosten die Verwendung von isostatischen Warmpresstechniken bei billigeren Pulver-Materialien.

Die Verwendung eines flüssigen anstelle, eines gasförmigen Druckmediums ergibt eine erhebliche Einsparung an Anlagekosten . während die Gesamtenergie für die Anhebung des Drucks einer Flüssigkeit auf einen bestimmten Wert innerhalb eines Druckbehälters ungefö.hr demjenigen gleich ist, der für die Anhebung des Drucks eines Gases auf denselben Wert nötig ist, sind die Kosten eines Gaskompressors zur Durchführung der Aufgabe erheblich höher als die Kosten einer Flüssigkeitspumpe. Dies ergibt sichlinfolge der Volumenunterschiede des Fluids, welche die entsprechenden Einrichtungen verarbeiten müssen. Bei gleicher Masse und atmosphärischen Bedingungen ist das Volumenverhältnis eines Gases, wie Argon, zu einer Flüssigkeit, wie Wasser, annähernd 500 : 1. Falls daher die gleiche Masse jedes der beiden Medien in der gleichen Zeitdauer auf den gleichen Wert gedrückt werden soll, so ist ein Gaskompressor notwendig,der 500 mal so gross ist, als eine Flüssigkeitspumpe. Der Bedienungs- und Wartungsaufwand für eine solche Einritt tung liegt auf der Hand, und der für die Unterbringung eines massiven Gaskompressors notwendige Raum ist beträchtlich. Wegen der Kompressibilitätseigenschaften des verwendeten Fluids machen Gaskompressoren, wie oben aufgezeigt, mehrere Arbeitsvorgänge notwendig um eine vernünftige Leistungsfähigkeit zu erzielen Dadurch wird ein Gaskompressor komplexer als eine Flüssigkeitspumpe und wegen der

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mehreren Arbeitsvorgänge weniger zuverlässig. Zusammengefasst hat die Verwendung euer einfachen Flüssigkeitspumpe anstelle eines komplexen Gaskompressors wegen der erheblich verringerten Investitionskosten und der grösseren Zuverlässigkeit bei' der erfolgreichen Durchführung der Produktionsabläufe eine grosse Tragweite.

Ein anderer Vorteil der Verwendung einer Flüssigkeit, wie Wasser,anstelle eines Inertgases, wieArgon, als Druckmedium in einer isostatischen Druckanlage besteht in dem deutlichen Anwachsen des Sicherheitsfaktors. Bei allen Hochdruckanlagen ist . der Betrag der gespeicherten Energie ein . wichtiger Gesichtspunkt, der. das Ausmass eines möglichen Unfalls darstellt. Wegen seiner hohen Kompressibilität weist ein gasförmiges Medium einen viel höheren Betrag an gespeicherter Energie auf als ein flüssiges Medium, wenn es zusammengepresst wird. Daher überträgt ein stark zusammengepresstes gasförmiges Medium im Falle des Ausfalls der Anlage mehr Energie (d.h. hohe Geschwindigkeit) auf die zerbrochenen Anlageteile, als eine unter Druck stehende Flüssigkeit, wodurch das Risiko einer ernsthaften Verletzung von Menschen oder einer Zerstörung von Eigentum anwächst. Diese erhöhte Gefahr wurde durch die Überwachungsorgane dadurch berücksichtigt, dass sie höhere Sicherheitsfaktoren und strengere Überwachungskriterien für gasgefüllte Behälter als für flüssigkeitsgefüllteBehälter verlangen.

Als weiterer Vorteil der Verwendung eines flüssigen anstelle eines gasförmigen Druckmediums kann die Prozess-Steuerung leichter und mit einer einfacheren und billigeren Einrichtung

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durchgeführt werden. Bei Verwendung eines flüssigen Druckmediums wird die für die Verdichtung erforderliche Kombination Druck/Temperatur durch Begrenzen des Maximaldrucks, i-ⁿ~. folge der Verwendung einer bekannten automatischen Druckablesevorrichtung hergestellt. Die Pumpgeschwindigkeit der Flüssigkeit kann zeitmässig eingestellt werden, damit sie zur Geschwindigkeit der Temperaturabnahme des Werkstückes " ' passt/ so dass in dem Augenblick, in welchem das Werkstück die optimale Verdichtungstemperatur hat, der maximale Druck herrscht.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines flüssigen anstelle eines gasförmigen Druckmediums, ist die Einsparung bei den Kosten für das Medium. Wenn das Druckmedium Wasser ist, sind die Kosten praktisch Null, wogegen die Kosten bei der Verwendung eines Inertgases, wie Argon, Stickstoff oder Helium, beträchtlich sein können.

Bei Verwendung des Ausdrucks "trockener" isostatischer Druckbehälter, ist ein Druckbehälter gemeint, in welchem keine Flüssigkeit innerhalb des Behälters im Zeitpunkt der Einführung des erwärmten Körpers in den Behälter mit diesem in Berührung kommt. Die Berührung der Flüssigkeit mit dem vorgewärmten Körper zu diesem Zeitpunkt würde eine Verdampfung der Flüssigkeit zur Folge haben und einen unerwünschten Wärmeverlust das Körpers infolge der Verdampfungswärme ergeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitteines Hochdruckbehälters und eines bei der Anwendung der Erfindung benützten Schutz-

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behälters in schematischer Darstellung. Das Werkstück ist in einer Anordnung innerhalb, des Schutzbehälters, der in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung benützt wird, gezeigt.

Fig. 2A - 2K zeigen in schematischer Darstellung die verschiedenen Arbeitsvorgänge bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 2L zeigt das verdichtete Werkstück nach der Entfernung aus dem Druckbehälter.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Flüssigkeits-Druckanlage, die bei der Anwendung der Erfindung benützt wird.

Fig. 4 ist ein Temperatur-Zeit-Diagramm, das in schematischer Form die-beim Betrieb der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auftretenden Zeiten und annähernden Oberflächentemperaturen des Werkstückes während ~*--· des Verarbeitungszyklus zeigt.

Fig. 5 zeigt in schematischer Form den Querschnitt eines Hochdruckbehälters, eines Schutzbehälters und eines Wärmeblechs , das. bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird. Das Werkstück ist innerhalb des Wärmeblechs und des Schutzbehälters gezeigt.

Fig. 6 ist einDiagramm, ähnlich dem in Fig. 4 gezeigten, das annähernd die Zeit-Temperatur-Verhältnisse bei

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Verwendung der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung darstellt.

Fig. 7 zeigt in schematischer Form einen Vertikalschnitt einer abgeänderten Einrichtung zum Einlassen der Flüssigkeit bei einem erfindungsgemässen Druckbehälter.

Fig. 8 ist ein Querschnitt längs der Linie VIII-VIII von Fig.

Fig. 9 zeigt in schematischer Darstellung einen Vertikalschnitt einer weiteren Ausführungsform des Druckbehälters der bei der Anwendung der Erfindung benützt wird.

Fig. 1 zeigt eine Hochdruckbehälter anordnung 10 mit einem isolierten zylindrischen Hohlkörper 12, der oben offen ist, um einen Schraubschnellverschluss aufzunehmen, der durch einen Hebel 15 gedreht werden kann. Der Druckbehälter kann eine isostatische Standardkaltpresse mit unterbrochenem Verschlussgewinde 16 sein. Ein Verschluss von dieser Art kann schnell in den Druckbehälter eingeführt werden, der durch eine Drehung um 1/8 verschlossen, abgedichtet und blockiert wird. Dabei kann ein üblicher Abdichtungsring 18 Verwendung finden. Obwohl in der Zeichnung ein Druckbehälter mit einer oberen Öffnung gezeigt ist, kann erfindungsgemäss durch Fachleute natürlich auch ein Druckbehälter mit einer unteren Öffnung benützt werden.

Der Druckbehälter ist an der Durchtrittsöffnung 20 mit einer Pumpanlage, wie schematisch in Fig. 3 gezeigt, verbunden _f

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die eine sehr grosse Menge an Flüssigkeit, wie Wasser, in den Druckbehälter zu pumpen vermag, und damit den Druck der Flüssigkeit im Druckbehälter rasch auf den gewünschten Verdichtungswert anzuheben vermag. In dem in Fig. 3 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine einzelne Pumpe 22 gezeigt. Für Fachleute ist es klar, dass die Pumpanlage eine Stufe mit grossem Volumen und niedrigem Druck (bei^- spielsweise weniger als 100 Atmosphären.) enthalten kann, um den Druckbehälter sehr rasch anzufüllen, und eine Hochdruckstufe mit der notwendigen Volumenkapazität, um die Flüssigkeit im Druckbehälter auf dengewünschten hohen Verdichtungswert innerhalb kurzer Zeit zusammenzupressen. Die Pumpe 22 ist mit einem Flüssigkeitsbehälter verbunden. Die Durchtrittsöffnung 20 ist im oder nahe dem Boden 21 des Druckbehälters 12 angeordnet und mit einem Schnellverschluss-Ablassventil 26 verbunden (Fig. 3). Das Ablassventil hat eine Grosse, die einen schnellen Abfluss der Flüssigkeit aus dem Druckbehälter zum Sammelbehälter 28 ermöglicht. Wenn das Ablassventil 26 geschlossen ist, kann die Flüssigkeit von dem Flüssigkeitsbehälter 24 über eine Hochdruckleitung 30 und die Durchtrittsöffnung 20 in den Druckbehälter gepumpt werden. Wenn der Pumpvorgang der Pumpe 22 abgeschlossen ist und das Ablassventil 26 g eöffnet wird, so wird Flüssigkeit aus dem Druckbehälter 12 über die Durchtrittsöffnung 20, das Hochdruckleitungsrohr 30, das Ablassventil 26 und das Rohr 32 in den Sammelbehälter 28 abgezogen.

Obwohl nur eine Einlass-Auslass-Durchtrittsöffnung 20 gezeigt ist, könnte die Pumpe natürlich auch über eine Durchtrittsöffnung mit dem Inneren des Druckbehälters verbunden werden und das Ablassventil könnte über eine getrennte Durchtrittsöffnung Verbundenwerden.

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Das Innere des Druckbehälters 12 ist ebenfalls über eine Durchtrittsöffnung 34 nahe dem oberen Ende des Druckbehälters mit einer Druckablasseinrichtung 36 verbunden. Die Druckablasseinrichtung 36 kann eine zerbrechliche Scheibenanordnung von bekannter Bauweise oder alternativ ein schnelllösendes Ventil oder ähnliches sein. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird eine zerbrechliche oder sogenannte "Bruch-" Scheibenanordnung" mit einem vorgewählten Brechdruck verwendet. Bei dieser Art von Anordnung wird die Bruchscheibe brechen/ wenn der Druck innerhalb des Druckbehälters einen vorge-

wählten Druck erreicht, beispielsweise 2000 kg/cm . Natürlich können auch höhere oder niedrigere Drucke gewählt werden. Die Durchtrittsöffnung 34 und dieDruckablasseinrichtung sollten eine Grosse (d.h. Durchmesser) aufweisen, die für den raschen Abfluss irgendeines innerhalb des Druckbehälters gebildeten . Dampfes ausreicht, wie später näher im Detail beschrieben wird.

Obwohl nur eine einzige Druckablasseinrichtung 36 gezeigt ist, können zusätzliche zerbrechliche Scheibeneinrichtungen, welche Drücken oberhalb der Einstellung an der Druckablasseinrichtung 36, aber unterhalb eines sicheren Grenzwertes für den Druckbehälter, angeordnet werden. Diese zusätzlichen Anordnungen können so gewählt werden, dass sie bei anwachsenden Drucken zerbrechen, um nachejhanderfolgend die Ablassöffnungen im Falle eines unvorhergesehenen Druckanstieges zu erhöhen.

Eine dynamische Druckfühlereinrichtung (nicht gezeigt) wie ein Wandler mit einem Dehnungsmess-Streifen, kann mit dem Druckbehälter und einem Aufzeichnungsgerät verbunden werden, falls gewünscht, um eine dauernde Aufzeichnung der im Druck-

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behälter herrschenden Drücke zu erzielen.

Im Druckbehälter ist ein innerer oder Schutzbehälter 38 von zylindrischer Form angeordnet, der aus relativ dünnem Metall gebildet ist. Der Druckbehälter 38 ist am oberen Ende 40 offen, weist einen wasserdichten Boden 42 auf und ist in einem Abstand vom Boden 21 des Druckbehälters 12 - ■ durch Stützen 44 angeordnet. Die zylindrische Seitenwand des Schutzbehälters 38 ist radial von der Innenwand des Druckbehälters 12 in eiremAbstand angeordnet.

Innerhalb des inneren oder Schutzbehälters 38 und auf dem wasserdichten Boden 42 aufliegend, ist ein Werkstück 46 gezeigt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Werkstück zylindrisch und enthält Pulverteilchen 48 in einem Behälter 50, der über ein abgedichtetes Vakuumrohr 51 evakuiert wurde. Alternativ kann das Werkstück ohne Behälter sein, d.h. es kann ein selbsttragender, zu einem Teil verdichteter und gesinterter Körper aus Pulverteilchen ohne umgebende oder schützende Hülle sein. Es muss nicht zylindrisch sein, sondern kann jede, in den Behälter 38 passende Form aufweisen, wie unten beschrieben. Wenn ein Behälter benützt wird, sollte er aus einem Material bestehen, das der hohen Temperatur standhält, damit beim gewählten Druck ein Pressling mit hoher Dichte erreicht werden kann, d.h. das Material des Behälters 50 sollte nicht geschmolzen werden, sondern ausreichend plastisch bleiben, um die gewünschte Verdichtung der Teilchen im Schutzbehälter 38 zu ermöglichen. Zusätzlich sollte das Material des Behälters 50 chemisch mit den pulverförmigen Teilchen verträglich sein, um ein Zusammenkleben der Pulverteilchen oder die Bildung von eutektischen Verbindungen mit

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unerwünscht niedrigen Schmelzpunkten zu vermeiden.

Der innere oder Schutzbehälter 38 und das Werkstück 46 sollten so dimensioniert werden, dass eine relativ enge Passung entsteht. Es sollte jedoch genügend freier Raum zwischen den Wänden des Behälters 3 8 und dem Werkstück sein, damit das Werkstück leicht und schnell in den Schutzbehälter 38 eingeführt werden kann. Wie in der Zeichnung gezeigt, erstreckt sich die zylindrische Wand des Schutzbehälters 38 über das obere Ende des Werkstückes hinaus und ist an der Wand des Druckbehälters und vom Boden des Druckbehälters durch Stützfüsse 44 in einem derartigen Abstand angeordnet, dass eine zu hohe Wärmeübertragung vom Werkstück auf den Druckbehälter vermieden wird. Für die meisten Fälle ist ein Abstand von 10 bis 25 mm ausreichend.

Der Schutzbehälter 38 ist sowohl vcn der Innenwand des Druckgefässes 12 als auch von der äusseren Oberfläche des Werkstückes in einem Abstand angeordnet, wobei ein erster ringförmiger Zwischenraum 52 im Druckbehälter zwischen Druckbehälter und Schutzbehälter, und ein zweiter Zwischenraum 54 im Druckbehälter zwischen Schutzbehälter und Werkstück entsteht. Wenn das Werkstück zylindrisch, wie in Fig. 1 gezeigt, ist, istlder zweite Zwischenraum natürlich ebenfalls ringförmig.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Volumen des ringförmigen Zwischenraumes 52 zwischen der zylindrischen Wand des Druckbehälters 12 und dem Schutzbehälter 38 annähernd zehnmal sojgross wie das Volumen des ring-

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formigen Zwischenraums 54 zwischen Werkstück 46 und Schutzbehälter 38.

Der Schutzbehälter 38 ist innerhalb des Druckbehälters 12 und im Verhältnis zum Werkstück derart angeordnet, dass durch die Eintrittsöffnung 20 in den Druckbehälter eintretende Flüssigkeit im wesentlichen den gesamten ringförmigen Zwi- ^ schenraum 52 zwischen Schutzbehälter und Druckbehälterwand füllt, bevor die Flüssigkeit über das offene obere Ende 40 des Schutzbehälters 3 8 überquillt und damit in Berührung mit dem Werkstück 46 kommt.

Die Fig. 2A bis 2K zeigen in schematischer Form die verschiedenen Arbeitsgänge bei der Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens. In Fig. 2Awird das Werkstück (entweder ein mit pulverförmigem Material angefüllter Behälter, der anschliessend evakuiert und abgedichtet wird oder ein zum Teil verdichteter und gesinterter Pulverkörper) für eine genügend lange Zeit, um isothermische Bedingungen innerhalb des Behälters zu erzeugen und den Inhalt auf eine Temperatur über die gewünschte Verdichtungstemperatur, aber unterhalb der Schmelztemperatur der Pulverteilchen zu erwärmen, in einen üblichen Wärmeofen eingebracht. Das Vorwärmen des Werkstückes auf eine Temperatur über der Verdichtungstemperatur erlaubt einigen Wärmeverlust vom Werkstück beim übertragen und Einführen in den Druckbehälter, sowie beim Pressvorgang. Die Vorwärmtemperatur sollte ausreichend hoch liegen, so dass die Temperatur des Werkstückes die gewünschte Verdichtungstemperatur ist, wenn der vorgewählte Verdichtungsdruck erreicht ist, wie später beschrieben wird.

Beim Verdichten entweder von Pulverteilchen auf Eisenbasis

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oder auf Nickelbasis wurde festgestellt, dass eine Erhitzung d<
lend ist.

hitzung des Werkstückes auf ungefähr 1200 C zufriedenstel-

Das erwärmte Werkstück wird vom Ofen (Fig. 2B) erwärmt und im Inneren oder Schutzbehälter 38 des isostatischen Druckbehälters 12 (Fig. 2C) angeordnet. " '

Der Druckbehälter wird dann geschlossen, blockiert und abgedichtet (Fig. 2D). Dann wird die Pumpe 22 (Fig. 3) betätigt, um Flüssigkeit (in Fig. 2E als waagrechte Striche dargestellt) schnell in den ringförmigen Zwischenraum 52 zwischen Schutzbehälter 38 und Wand des Druckbehälters zu pumpen. Bei diesem Arbeitsgang ist es notwendig, dass der Druckbehälter im wesentlichen vollständig mit Flüssigkeit angefüllt ist, bevor die Flüssigkeit in Berührung mit dem erwärmten Werkstück 46 treten kann.

Bei der bevorzugten Ausführungsform wird Wasser als Flüssigkeit verwendet, die in den Behälter gepumpt wird, obwohl natürlich auch andere Flüssigkeiten, wie natürliche und synthetische Kohlenwasserstofe, synthetische hydraulische Fluide, wie Phosphatester, verschiedene Glycerine und Glykole als Druckmedium verwendet werden können. Jede Flüssigkeit kann als Druckmedium bei der Anwendung der Erfindung benutzt werden, die bei Raumtemperatur flüssig und bei der auftretenden Temperatur und dem auftretenden Druck mit dem Werkstück und dem Material, aus dem der innere oder Schutzbehälter 38 besteht, verträglich ist.

Es dürfte klar sein, dass da, wo einsFlüssigkeit mit einem

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auf eine Temperatur vonungefähr 1200⁰C erhitzten Werkstück in Berührung kommt, grosse Mengen an Dampf erzeugt werden. Aus diesem Grund muss die Berührung der Flüssigkeit mit dem erwärmten Werkstück vermieden werden, bis der Behälter im wesentlichen völlig aufgefüllt ist. Es wurde gefunden, dass die Gefahr, zu hohe Mengen an Dapf zu erzeugen dann vermieden ist, wenn das Verhältnis des ringförmigen Zwischenraums 52 zum ringförmigen Zwischenraum 54 mindestens ungefähr 10 : beträgt. Natürlich ist die Menge des erzeugten Dampfes auch eine Funktion der Geschwindigkeit, mit der der Druckbehälter vollständig aufgefüllt wird, ebenso wie eine Funktion der Zeitdauer, in der der Druck im Behälter auf einen Druck oberhalb des kritischen Drucks des verwendeten Flüssigkeitdruckmediums ansteigt. Deshalb ist die Geschwindigkeit, mit der die Flüssigkeit in den Druckbehälter gepumpt wird, von Bedeutung .

Wie in Fig. 2F gezeigt, wird die Flüssigkeit, sobald der Pegel des flüssigen Druckmediums im Behälter das obere Ende des Schutzbehälters 38 erreicht, wasserfallartig auf .das Werkstück herunterfallen, wobei bei den bei der warmen isostatischen Verdichtung auftretendei Temperaturen die mit dem Werkstück in Berührung kommende Flüssigkeit verdampft wird. Der Wechsel von der flüssigen zur Dampfphase erfordert eine erhebliche Menge an Wärme, die normalerweise eine starke Kühlung (Abschreckung) des Werkstückes hervorruft. Es ist deshalb wünschenswert, diesen Abschreckungseffekt entweder zu verhindern oder zumindest auf ein Minimum herabzusetzen. Um dies zu erreichen, wird das schnelle Pumpen der Flüssigkeit in den Behälter fortgesetzt, bis der gewünschte Verdichtungsdruck erreicht ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der gewählte

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Verdichtungsdruck ca. 2000 kg/cm . Dieser Druck liegt deut-

2 lieh über dem kritischen Druck des Wassers (226 kg/cm ). Der kritische Druck einer flüssigen Substanz ist der Punkt, oberhalb dessen seine flüssige Phase nicht in seine Dampfphase umgewandelt werden kann. So verursacht also die rasche Druckzuführung des flüssigen Mediums in den Druckbehälter, dass das flüssige Medium seinen kritischen Druck überschreitet und dadurch den Wärmeverlust des Werkstückes, der sonst durch den Wechsel von der flüssigen in die Dampfphase auftritt, ausschaltet. Die Geschwindigkeit der Druckerhöhung im Behälter sollte hoch genug sein, um die Bildung von Dampf im Behälter in genügendem Ausmass zu verhindern, welche die Temperatur des erwärmten Werkstückes vor seiner gewünschten Verdichtung erheblich verringern würde.

Fig. 2G zeigt jenen Teil des Prozesses, wo die Flüssigkeit kontinuierlich in den Druckbehälter gepumpt wird. Weil der Druck des flüssigen Mediums im Druckbehälterjäen kritischen Druck überschreitet, findet kein übergang von der flüssigen in die Dampfphase statt.

Fig. 2H zeigt den Punkt im Zyklus wo der gewünschte vorgewählte Verdichtungsdruck erreicht ist, und die Druckablasseinrichtung (in der bevorzugten Ausführungsform eine zerbrechliche Scheibe, die bei einem Druck von 2000. kg/cm bricht) in Betrieb gesetzt ist, bzw. die.Scheibe geplatzt ist. Das Werkstück ist jetzt voll zu einer Dichte zusammengepresst, die dem theoretischen Wert von 100 % nahe kommt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Pumpen der Flüssigkeit in den Druckbehälter unterbrochen, das Ablassventil 26 (Fig. 3) wird geöffnet und der Druck wird rasch abgelassen. Das Druckmedium wird dann aus dem Druckbehälter (Fig. 2J)

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abgelassen, wobei die Flüssigkeit sowohl über die obere Durchtrittsöffnung 34 als auch über die untere Durchtrittsöffnung 2O abgelassen wird. Wenn der Flüssigkeitspegel im Druckbehälter unter den offenen oberen Teil 40 des Schutzbehälters abgesunken ist, so fliesst die Flüssigkeit weiterhin über die untere Durchtrittsöffnung 2O ab (Fig. 2K). Das flüssige Druckmedium, das das Werkstück 46 im Schutzbehälter-38 umgibt, verdampft (der Druck in der Anlage ist im wesentlichen gleichzeitig mit der Betätigung der Druckablasseinrichtung deutlich unter denkritischen Druck abgesunken) und der Dampf tritt fortwährend durch die obere Durchtrittsöffnung 34 und eventuell auch durch die untere Durchtrittsöffnung 20 aus.

Der Druckbehälter wird dann durch Entfernung des Schraubverschlusses 14 geöffnet und das verdichtete Werkstück 46 aus dem Druckbehälter herausgenommen.

Ein schnelles Ablassen des Druckes und ein Abführen der Flüssigkeit vom Druckgefäss ist erwünscht, um das verdichtete Werkstück von dem Druckgefäss herauszuziehen, bevor es erheblich abgekühlt ist. Viele Materialien, die für gewöhnlich durch wärme isostatische Verdichtung verarbeitet werden, beispielsweise Verbindungen auf Nickelbasis, sind für ein Kracken empfänglich, wenn zu schnell eine Abkühlung auf ungefähr 650 bis 85O°C stattfindet. Wenn deshalb das Werkstück vom Druckbehälter bei einer Temperatur oberhalb 93O°C entfernt wird, soll es unmittelbar für eine weitere Abkühlung zur Raumtemperatur in eine kontrollierte Ofenatmosphäre gebracht werden.

Wenn das Werkstück 46 vom Druckbehälter entfernt ist, kann

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ein anderes erwärmtes Werkstück eingeführt werden und der in Verbindung mit den Fig. 2D bis 2L beschriebene Zyklus kann wiederholt werden.

Fig. 4 ist ein Zeit-Temperatur-Diagramm, das in schematischer Form die Zeit zeigt, die für ein heisses isostatisches. Pressen eines mit Pulverteilchen in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wie in den Fig. 2A bis 2L gezeigt, notwendig ist. Eben-falls ist die ungefähre Oberflächentemperatur des Werkstückes während des Prozesszyklus dargestellt. Es ist bekannt, dass die Oberflächentemperatur des Werkstückes 1200⁰C beträgt, wenn es vom Ofen 56 herausgezogen wird und dass seine Oberflächentemperatur ungefähr 95O°C beträgt, wenn das Werkstück vom Druckbehälter in voll verdichtetem Zustand ungefähr 90 Sekunden später herausgezogen wird. Die bei den gestrichelten Linien der Fig. 4 gezeigten Oberflächentemperaturen sind nur Näherungswerte. Wie im Diagramm gezeigt, liegt die Oberflächentemperatur des Werkstückes zu der Zeit, zu der der vorgewählte Verdichtungsdruck erreicht ist - ungefähr 35 Sekunden, nachdem das Werkstück vom Ofen 56 entfernt wurde - zwischen 1050 und 1150⁰C.

Durch die folgenden speziellen Beispiele wird die Erfindung weiter erläutert:

Zwei, in einem Behälter eingeschlossene Metallpulverproben mit ca. 5 cm Durchmesser und einer Länge von ca. 18 cm, sowie einem Volumen (V..). von 386 cm wurden unter Verwendung von Wasser als Druckmedium isostatisch warmgepresst. Die Probe Nr. 1 war ein Pulver auf Eisenbasis und die Probe Nr. 2 war

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ein Pulver auf Nickelbasis. Ein isostatischer Standard-Kaltdruckbehälter mit einem inneren zylindrischen Hohlraum, der im geschlossenen und abgedichteten Zustand ca. 23 cm lang (hoch) ist und ca. 8 cm Durchmesser aufweist, wurde benutzt. Der Druckbehälter wurde über eine Hochdruck-Rohrleitung mit einer Hochdruck-Flüssigkeitspumpevom Typ

Kobe Company, Grosse Nr. 3, mit einer Kapazität von 2000 kg/cm und einer Zufuhrleistung von 11,2 l/Min, verbunden. Ein trockener zylindrischer innerer oder Schutzbehälter aus unlegiertem Stahl mit einem äusseren Durchmesser von ca. 6 cm, einem inneren Durchmesser von ca. 5 cm und einer Höhe über alles von ca. 20 cm war im Druckbehälter angeordnet. Der Schutzbehälter war am oberen Ende offen und am Boden wasserdicht.

Bei jedem Lauf wurde die in dem Behälter liegende Probe auf 1200 C in einem getrennten elektrischen Ofen erhitzt und schnell in einem isolierten Eimer vom Ofen in den Druckbehälter transportiert, wobei die Probe im Schutzbehälter untergebracht wurde, wie in den Fig. 1 und 2C gezeigt. Der Druckbehälter wurde verschlossen, abgedichtet und blockiert. Wasser wurde schnell in den Druckbehälter über die untere Durchtrittsöffnung 20 gepumpt, wie vorher beschrieben, bis die Druckablasseinrichtung (eine zerbrechliche Scheibe), die auf einen Bruch-

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druck von ca. 2000 kg/cm eingestellt war, in Tätigkeit trat. Die Pumpe wurde unmittelbar angehalten und das Ablassventil 26 geöffnet, um den Druckbehälter rasch zu entleeren. Der Druckbehälter wurde dann geöffnet und dievollständig verdichtete Probe unmittelbar aus dem Druckbehälter entnommen.

Es folgt eine Aufzeichnung der während der zwei Läufe aufgezeichneten Zeiten:

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Zeit-Sekunden vom Start

Probe Nr. 1 Probe Nr. 2

Entfernen der Probe aus dem Ofen

Probe xm isolierten Eimer	3	2
Probe im Druckbehälter	23	21
Druckbehälter geschlossen	30	25
Bruchscheibe zerbrochen	41	35
Probe vom Behälter entfernt	nicht aufgezeich net	75
Tempratur der Probe 9SO⁰C	nicht aufgezeich net	90

Die Druckzeit nach dem Zeitpunkt der Pumpenfüllung betrug ungefähr 6 Sekunden.

Nach der Entfernung des Werkstückes vom Druckbehälter wurde dieses gemessen und das Verdichtungsverhältnis wie folgt festgestellt:

Probe Nr. 1 Probe Nr. 2

Mittlerer	Durchmesser	4	,6	cm	4	,65	cm
Länge		17	,5	cm	17	,7	cm

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~²²~ 2422944

Volumen (V₂) 282 cm³ 303 cm³

Verdichtungsverhältnis

) 1,37 1,28

Obwohl unsere Erfindung insbesondere bei einem isostatischen "Kalt"-Druckbehälter, d.h. bei einem Druckbehälter, in welchem sich keine von aussen gesteuerte Wärmeeinrichtung, wie eine Widerstandsheizung, befindet, nützlich 'ist, so ist sie auch bei einem Druckbehälter mit im Behälter angeordneten Wärmeeinrichtungen verwendbar.

Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung entspricht im wesentlichen, mit einem wichtigen Unterschied, der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung. In Fig. 5 ist zwischen Werkstück 46a und Schutzbehälter 38a ein zylindrisches Wärmeblech 58 angeordnet.

Der Zweck des Wärmebleches ist das übertragen einer vorherbestimmten Wärmemenge an ein teilweise vorgewärmtes Werkstück, nachdem das Werkstück in den Druckbehälter eingebracht wurde. Bei Verwendung eines Wärmebleches braucht das Werkstück nicht auf eine so hohe Anfangstemperatur, wie im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, aufgewärmt zu werden, tatsächlich muss es nur auf eine Temperatur unterhalb der gewünschten Verdichtungstemperatur aufgewärmt werden. Wenn das Werkstück einem Wärmeblech ausgesetzt ist, so erhöht der Wärmeübergang vom Wärmeblech zum Werkstück die Temperatur des Werkstückes auf die gewünschte Verdichtungstemperatur. Dies gestattet eine Verdichtung vieler empfindlicher Materialien ohne das Risiko

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ORIGINAL INSPECTED

einer überhitzung und möglichen Zerstörung des Werkstückes vor seiner Einführung iriden?. so statischen Druckbehälter. Auch die Überführungsvorgänge des Werkstückes zwischen dem Vorwärmofen _unci dem Druckbehälter, sind damit weniger kritisch.

Die Menge der vom Wärmeblech auf das Werkstück übertragenen Wärme kann vorherbestimmt werden und hängt von den entsprechenden Temperaturen des Wärmeblechs und des Werkstückes, deren relativen Massen und der für den Wärmeübergang zulässigen Zeit ab.

Das Wärmeblech sollte genügend Masse haben, um die Temperatur des Werkstückes durch Wärmeübertragung auf die erforderliche Verdichtungstemperatur anzuheben, wenn das Werkstück in das Wärmeblech eingeführt wird. Die innere Bohrung des Wärmeblechs hat einen Durchmesser, der geringfügig grosser ist als derjenige des Werkstückes, wobei ein schneller Wärmeübergang erreicht wird, aber genügend Zwischenraum vorhanden ist, um ein leichtes und schnelles Einführen des Werkstückes zu ermöglichen.

In Fig. 5 ist der Schutzbehälter 38a im Druckbehälter angeordnet und bildet mit der Wand des Druckbehälters einen ringförmigen -Zwischenraum 60. Das Wärmeblech 38 ist seinerseits im Behälter 38a angeordnet und bildet damit einen ringförmigen Zwischenraum 62. Das Werkstück 46a ist im Wärmeblech 58 angeordnet und bildet einen dritten ringförmigen Zwischenraum 64 damit. Die zylindrische Wand des Wärmeblechs erstreckt sich über das obere Ende des Werkstücks und zu einem geringeren Betrag über die zylindrische Wand des Schutzbehälters hinaus.

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Der Schutzbehälter 38a ist aus relativ dünnem Metall hergestellt. Der innere Durchmesser des Behälters 38a ist geringfügig grosser als der äussere Durchmesser des Wärmeblechs 58, wobei ein leichtes und schnelles Einfügen desWärmeblechs in den Schutzbehälter ermöglicht wird. Der Schutzbehälter 38a ist an seinem oberen Ende offen und am Boden wasserdicht. Er steht auf Stützfüssen 44 im Druckbehälter und hat vom Boden unter der zylindrischen Wand des Druckbehälters 12 genügend Abstand, dass kein zu hoher Wärmeübergang zwischen Schutzbehälter und Druckbehälter stattfindet. In den meisten Fällen ist ein Abstand von 10 bis 25 mm ausreichend.

Das Volumen des ringförmigen Zwischenraums 60 zwischen Druckbehälterwand und Schutzbehälter 38a ist mindestens zehnmal so gross wie das Volumen der ringförmigen Zwischenräume 62 und 64 zusammen.

Das Wärmeblech ist vorzugsweise aus einem Metall, das den Temperaturen standhält, bei denen die Anlage arbeitet. Beispielsweise kann bei Betriebstemperaturen unter 1200⁰C das Wärmeblech aus Kupfer sein, über 1200°C Stahl rostfreier Stahl, Molybdän, Wolfram oder Metall oder Legierungen mit einer hohen Festigkeit bei den hohen Temperaturen. Das Wärmeblech ist am oberen Ende offen und am Boden wasserdicht und liegt mit dem wasserdichten Boden am Schutzbehälter 38a auf.

Bei der Anwendung des in den Fig. 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiels der Erfindung sind zwei alternative Verfahren möglich. Beim ersten Verfahren wird ein Werkstück in einen üblichen Wärmeofen auf eine vorgewählte Temperatur aufgewärmt. In einem getrennten Ofen (nicht gezeigt) wird das Wärmeblech

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auf eine vorgewählte Temperatur, die höher ist als die Temperatur, auf welche das Werkstück erwärmt wird, aufgewärmt. Das Wärmeblech wird dann in den Druckbehälter auf die oben beschriebene Weise eingeführt und anschliessend wird das Werkstück in das Wärmeblech eingeführt. Beim anderen Verfahren wird das Werkstück in das Wärmeblech ausserhalb des Druckbehälters eingeführt, und Wärmeblech und Werkstück zusammen - · anschliessend in den Schutzbehälter 38a im Druckbehälter eingeführt. Der Druckbehälter wird dann verschlossen und ein flüssiges Druckmedium, wie Wasser, wird schnell in den Druckbehälter auf derartige Weise eingepumpt, dass eine direkte Berührung der Flüssigkeit mit dem Werkstück vermieden wird, bis der Druckbehälter im wesentlichen voll aufgefüllt ist. Das Pumpen des flüssigen Druckmediums wird mit hoher Geschwindigkeit fortgesetzt, bis der vorgewählte Verdichtungsdruck erreicht ist, wobei zu diesem Zeitpunkt eine Druckablasseinrichtung vom oben beschriebenen Typ betätigt wird, das Pumpen unterbrochen wird, und das Druckmedium vom Druckbehälter herausgezogen wird.

Wenn man, wie in Fig. 6 beschrieben, beispielsweise dem ersten oben beschriebenen Verfahren folgt, so nimmt die Oberflächentemperatur des Werkstückes während der Zeit, in welcher es vom Wärmeofen entfernt und in den Druckbehälter eingeführt wird, ab. Wenn das Werkstück dem Wärmeblech ausgesetzt ist, beginnt seine Temperatur anzusteigen (wobei der Druckbehälter geschlossen und unter Druck gesetzt ist) und wächst solange an, bis der gewünschte vorgewählte Verdichtungsdruck erreicht ist, bei welchem der Druck im Druckbehälter abgelassen wird. Weil der Druck im Druckbehälter schnell auf einen Wert oberhalb des kritischen Drucks des flüsigen Druckmediums anwächst,

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wird wenig oder kein Wärmeverlust infolge einer Phasenumwandlung vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand auftreten.

Wie in Fig. 6 gezeigt, beträgt die Oberflächentemperatur des Werkstückes zu der Zeit, wo es vom Ofen entfernt wird, etwas weniger als 12OO°C. Wenn das Werkstück zum isostatischen Druckbehälter übertragen ist, hat diese Temperatur auf ungefähr 1180 C abgenommen. Beim Einführen des Werkstückes in das Wärmeblech steigt seine Temperatur auf ca. 1200°C wieder an, die im dargestellten Fall die gewünschte Verdichtungstemperatur ist. Bei Abfall des Druckes beginnt die Temperatur des verdichteten Teiles abzunehmen.

Bei der Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens ist es für Fachleute klar, dass es wichtig ist, dass der Druckbehälter im wesentlichen voll ist, bevor das flüssige Druckmedium die Möglichkeit erhält, mit dem Werkstück oder dem Wärmeblech in Berührung zu kommen. Wir haben eine Einrichtung dargestellt, um dies zu gewährleisten, namentlich, um den ringförmigen Zwischenraum zwischen Druckbehälter und innerem oder Schutzbehälter vollständig aufzufüllen, bevor die Flüssigkeit über das offene Ende des Schutzbehälters überquellen kann, um entweder mit dem Wärmeblech oder dem Werkstück in Berührung zu treten. Natürlich sind andere Einrichtungen zur Erreichung dieses Zieles möglich.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine abgeänderte Form einer Vorrichtung, die bei der Anwendung der Erfindung verwendet werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel, das wir als "schraubenförmige Füllung" bezeichnen, wird das erwärmte Werkstück von den inneren Oberflächen des Druckbehälters durch einen im

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allgemeinen ringförmigen Zwischenraum getrennt, und das flüssige Druckmedium wird bei hoher Geschwindigkeit tangential zu den inneren Oberflächen des Druckgefässes in den Zwischenraum eingepumpt/ um eine schraubenlinienförmige Flüssigkeitsströmung zu bilden, während sich der Druckbehälter auffüllt, wobei eine direkte Berührung zwischen Druckmedium und erwärmtem Werkstück verhindert wird, bis der - · Druckbehälter im wesentlichen vollständig mit dem Druckmedium aufgefüllt ist.

In den Fig. 7 und 8 hat der Druckbehälter 70 an einem Ende eine Abdeckung und eine zylinderförmige Innenwand 71 mit' einer Flüssigkeitseinlass- oder Durchtrittsöffnung 72 an seinem unteren Teil. Die Durchtrittsöffnung 72 ist mit einer Flüssigkeitspumpe mit hoher Volumenkapazität (nicht gezeigt) verbunden und in bezug auf die Druckbehälterwand so angeordnet, um Flüssigkeit ins Behälterinnere tangential längs seiner Innenwand einzuführen.

Ein Strömungsleitkörper und Werkstückträger 74 ist am Boden 84 des Druckbehälters angeordnet. Die äussere Oberfläche des Teils 74 ist im allgemeinen zylinderförmig und' bildet mit der inneren zylindrischen Seite 71 des Druckbehälters in der Gegend der Flussigkeitsdurchtrittsöffnung 72 einen ringförmigen Zwischenraum 76. Der Berührungsbereich 90 zwischen innerer Zylinderwand 71 und Boden 84 des Druckbehälters ist abgerundet, um eine kantenfreie Oberfläche zu erhalten. Das Teil 74 weist einen nach oben vorstehenden Rand 78 auf, um das Werkstück 80 in zentraler Lage in der Druckkammer aufzunehmen und zu lagern, wobei die zentrale Achse des Druckbehälters mit der Achse des Werkstückes zusammenfällt. Wenn das Werkstück in

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den Druckbehälter eingeführt ist, wird es von der inneren zylinderförmigen Wand des Druckbehälters durch einen im allgemeinen ringförmigen Zwischenraum getrennt. Der ringförmige Zwischenraum 76 ist kleiner als der ringförmige Zwischenraum zwischen Werkstück 80 und Druckbehälterwand 71.

Der Boden des Teils 74 weist eine zylinderförmige Vertiefung.-aüf, so dass nach unten ein ringförmiger Rand 82 gebildet wird, der den Boden 84 des Druckbehälters berührt. Die Berührungsfläche des Teils 74 mit dem Boden 84 des Druckbehälters wird daher möglichst gering gehalten, wodurch die Wärmeübertragung vom Werkstück 80 über das Teil 74 zum Druckgefäss 70 verringert wird.

Ein radial angeordneter Auslassdurchtritt oder Auslassöffnung 86 ist nahe am oberen Ende des Druckbehälters 70 vorgesehen. Eine Druckablasseinrichtung 88 vom vorher beschriebenen Typ ist mit dem Durchtritt 86 verbunden.

Die Einlassöffnung 72 ist über ein Ventil (nicht gezeigt) mit einem Ablassrohr verbunden, um den Druckbehälter zu entlasten, wie in Verbindung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 3 beschrieben, dargestellt wurde.

Beim Betrieb wird das aufgewärmte Werkstück in den Druckbehälter eingeführt und letzterer geschlossen, abgedichtet und blockiert. Ein flüssiges Druckmedium wird in den ringförmigen Zwischenraum 76 des Druckbehälters mit hoher Geschwindigkeit über den Einlass 72 eingeführt. Die Flüssigkeit wird bei ihrer Zuführung gegen die Wand des Druckbehälters und das Teil 74 in eine schraubenförmige'Strömung gezwungen, und bildet

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so einen Flüssigkeitsfilm oder -schicht, die sich längs der Wand 71 des Druckbehälters nach oben bewegt. Wenn das Werkstück im Zentrum der schrauberilinienförmigen Strömung und in einem Abstand von der Seite des Druckbehälters angeordnet ist, so steht es mit keinem nennenswerten Betrag der Flüssigkeit in Verbindung, bis der Druckbehälter im we- ■ sentlichen vollständig aufgefüllt ist. Wenn das Pumpen der Flüssigkeit in den Druckbehälter fortgesetzt wird, so steigt die Dicke der Flüssigkeitsschicht allmählich an und nur dann, wenn der Druckbehälter im wesentlichen voll mit Flüssigkeit angefüllt ist, ergibt sich eine wesentliche Berührung zwischen Flüssigkeit und Werkstück. Wenn der Druckbehälter vollständig angefüllt ist, so wird eine rasche Druckanhebung der Flüssigkeit auf den gewünschten vorgewählten Verdichtungsdruck durchgeführt, wie vorher beschrieben.

Wenn im bevorzugten Ausführungsbeispiel die Druckablasseinrichtung in Tätigkeit tritt, sobald der vorgewählte Verdichtungsdruck erreicht ist, wird das Pumpen von Flüssigkeit in den Druckbehälter unterbrochen, und die Flüssigkeit wird vom Druckbehälter abgezogen. Das vollständig verdichtete Teil wird anschliessend vom Druckbehälter entfernt.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, die bei der Anwendung der Erfindung genützt werden kann. Bei dieser Anordnung wird das vorerwärmte Werkstück ebenfalls von den inneren Oberflächen des Druckbehälters durch einen im allgemeinen ringförmigen Zwischenraum abgetrennt. Ein flüssiges Druckmedium wird in den Druckbehälter gepumpt, um den Zwischenraum aufzufüllen und der Druckbehälter wird schnell in seine vertikale Achse während des Füllvorgangs gedreht. Die dadurch

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erzeugte Zentrifugalkraft treibt das flüssige Druckmedium vom Rotationsζentrum heraus, wobei eine Berührung zwischen Druckmedium und Werkstück vermieden wird, bis der Druckbehälter im wesentlichen vollständig mit dem Medium angefüllt ist.

Wie gezeigt, weist der zylindrische Druckbehälter 92 an einem Ende eine Abdeckung und am gegenüberliegenden Ende einen drehbaren Anschluss 94 auf, der eine flüssigkeitsdichte Abdichtung 96 aufweist. Das drehbare Anschluss-Stück 94 enthält einen Flüssigkeitseinlass oder -durchtritt 98, dessen Achse mit der Symmetrieachse des Druckbehälters zusammenfällt. Der Einlass 98 ist mit einer Hochvolumen-Flüssigkeitspumpe (nicht gezeigt) verbunden und so angeordnet, um die Flüssigkeit ins Innere des Druckbehälters zu befördern.

Die Innenwand 100 des Druckbehälters ist zylinderförmig. Ein zylinderförmiges Werkstückauflager und ein Strömungsleitkörper 102 sind durch einen nach unten ragenden Rand 104 am Boden des Druckbehälters befestigt. Der Rand 104 hat Durchtrittsöffnungen 106, durch welche die Flüssigkeit zwischen dem Einlass 98 und dem zwischen Innenwand 100 des Druckbehälters und Teil 1O2 gebildeten ringförmigen Zwischenraum hindurchtreten kann. Das Teil 102 ist^Orgesehen, um die aus axialer Richtung ankommende Flüssigkeit beim Durchtritt durch den Einlass 98 in eine im allgemeinen radiale Richtung nach aussen durch die Durchtrittsöffnungen 106 abzulenken, wodurch ein Flüssigkeitsfluss radial zur Druckbehälterwand und eine dieser Flüssigkeitsströmung überlagerte Rotationsgeschwindigkeit verursacht werden.

Das Teil 102 hat einen nach oben ragenden Rand 108, der eine

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Auflager-Oberfläche 110 für das Werkstück 112 bildet. Nach der Einführung in den Druckbehälter fällt die Symmetrieachse des Werkstückes im wesentlichen mit der Symmetrieachse des Druckbehälters zusammen, und zwischen Werkstück und Innenwand 100 des Druckbehälters besteht ein im allgemeinen ringförmiger Zwischenraum.

Der Druckbehälter ist mit einer Druckablasseinrichtung 114 und über den Einlass 98 mit einer Einrichtung (nicht gezeigt) versehen, um den Druckbehälter zu entlasten, wenn die Druckablasseinrichtung in Tätigkeit getreten ist, im wesentlichen wie in Verbindung mit unserem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben.

Der Druckbehälter 92 ist an Auflagern 116 befestigt_/damit eine Drehung des Druckbehälters um seine Symmetrieachse möglich wird. Der Druckbehälter ist mit einem Rotationsantrieb 118, beispielsweise einem Vee-Band, einer Kette, Zahnrädern oder ähnlichen Einrichtungen ausgestattet, damit der Motcr 120 den Druckbehälter um seine Achse drehen kann.

Beim Betrieb der in Fig. 9 gezeigten Vorrichtung wird das erwärmte Werkstück 112 in den Druckbehälter 9 ^'eingebracht und' dieser verschlossen, abgedichtet und blockiert. Der Druckbehälter wird über einen Motor 120 und einen Rotationsantrieb 118 mit einer genügend hohen Geschwindigkeit gedreht, damit die erzeugte Zentrifugalkraft auf die Druckflüssigkeit einwirkt und diese vom Rotationszentrum des Druckkessels nach aussen wegbewegt, über den Einlass 98 und durch Durchtrittsöffnungen 106 in dem ringförmigen Zwischenraum zwischen Wand

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100 und dem Teil 102 wird Flüssigkeit in den Druckbehälter eingeführt. Die durch das,Drehen des Druckbehälters erzeugte Zentrifugalkraft hat zur Folge, dass die Flüssigkeit eine Schicht oder einenFilm an der Wand des drehenden Druckbehälters bildet. Bei fortgesetztem Pumpen der Flüssigkeit in den Druckbehälter wächst die Dicke dieser Schicht an. Weil das Werkstück im sich drehenden Druckbehälter zentrisch gelagert ist, so findet eine minimale Berührung zwischen Flüssigkeit und Werkstück statt, bis der Druckbehälter im wesentlichen vollständig mit Flüssigkeit angefüllt ist. Wenn der Druckbehälter vollständig angefüllt ist, wird das Pumpen mit hoher Geschwindigkeit fortgesetzt, bis der vorgewählte Verdichtungsdruck erreicht ist, bei welchem der Druck abgelassen wird, die Druckflüssigkeit vom Druckbehälter abgeführt wird, und das vollständig verdichtete Teil vom Druckbehälter entfernt wird, wie vorher beschrieben.

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Claims

Patentansprüche

J Verfahren zum isostatischen Pressen eines porösen ^—' Körpers, bestehend aus dem Erwärmen^ des Körpers -.auf eine gewählte Temperatur, die oberhalb derjenigen Temperatur liegt, bei der er isostatisch zusammengepresst wird aber unterhalb der Schmelztemperatur des Körpers, aus dem Einsetzen des erwärmten Körpers in einen Druckbehälter, der anschliessend geschlossen und abgedichtet wird, dem Setzen des Körpers innerhalb des Druckbehälters unter einen isostatischen Druck zum Verdichten des Presslings, und dem Entfernen des verdichteten Körpers vom Druckbehälter nach Ablassen des Drucks im Druckbehälter, dadurch gekennzeichnet , dass zum Verdichten des Körpers ein flüssiges Druckmedium schnell in den Druckbehälter eingepumpt wird, um diesen aufzufüllen, während eine Berührung des Mediums mit dem erwärmten Körper vermieden wird, bis der Druckbehälter im wesentlichen mit dem flüssigen Medium angefüllt ist, und wobei anschliessend der Druck im Behälter schnell auf einen vorgewählten Wert anwächst, der zum Verdichten des Körpers durch fortgesetztes Pumpen des Druckmediums in den Druckbehälter, bis der vorgewählte Druck erreicht ist, ausreicht, wobei der vorgewählte Druck grosser ist als der kritische Druck des flüssigen Mediums.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass dem Körper nach dem Einführen in den Druckbehälter zusätzliche Wärme zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die gewählte Temperatur, auf welche der Körper erwärmt wird, genügend. hoch ist für eine ausreichende Bindung und Verdichtung des erwärmten Körpers, dadurch ge'kennzeichn e t , dass die Geschwindigkeit der Druckerhöhung, wenn der Druck innerhalb des Behälters rasch anwächst,, so bemessen wird, dass die Dampfbildung im Druckbehälter geringstmöglich ist, wenn das flüssige Medium den Körper berührt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Körper innerhalb desBehälters in einem Abstand von der Innenwand des Behälters, in einem Schutzbehälter mit einem offenen Ende angeordnet! st, wobei das flüssige Druckmedium, wenn es in den Zwischenraum gepumpt wird, durch den Schutzbehälter an einer direkten Berührung des erwärmten Körpers gehindert wird, bis der Druckbehälter bis zum offenen Ende des Schutzbehälters mit dem Medium angefüllt ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass der erwärmte Körper in den. Druckbehälter . das in einem Abstand von der umgebenden Wand des Behälters angeordnet ist, eingeführt wird; wobei das flüssige Druckmedium mit hoher Geschwindigkeit in den Zwischenraum tangential zur Behälterwand

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gepumpt wird, um eine schraubenförmige Flüssigkeitsströmung innerhalb des Zwischenraums zu bilden, während sich derselbe auffüllt, wobei die Berührung zwischen dem Medium und dem erwärmten Körper nur dann stattfindet, wenn der Druckbehälter im wesentlichen vollständig mit dem Medium aufgefüllt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass dass flüssige Druckmedium in den Behälter durch einen tangential zur Druckbehälterwand angeordneten Einlass eingeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass der erwärmte Körper in den Druckbehälter in einem Abstand von der umgebenden Wand des Druckbehälters eingeführt wird, wobei das flüssige Druckmedium in daiZwischenraum eingepumpt wird, um diesen aufzufüllen, während sich der Druckbehälter rasch dreht, wobei die so erzeugten Zentrifugalkräfte auf das Medium während des Auffüllens einwirken, um eine direkte Berührung zwischen dem flüssigen Medium urd dem erwärmten Körper zu verhindern, bis der Druckbehälter im wesentlichen vollständig mit dem Medium aufgefüllt ist.

8. Verfahren nachjeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass ein Metallpulverkörper in einem Ofen auf eine Temperatur von ungefähr 1200⁰C vorgewärmt wird und nach dem Einsetzen des vorgewärmten Körpers in den Druckbehälter und dem Schliessen und Abdichten desselben der Verdichtungsdruck im Behälter durch Einpumpen ναι Wasser in das Gefäss auf ungefähr 2000 kg/cm anwächst.

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9. Vorrichtung zum Verdichten eines erwärmten porösen Körpers durch isostatisches Warmpressen des Körpers mit einem Druckbehälter, in den der erwärmte Körper einführbar ist, einer Einrichtung zum Schliessen und Abdichten des Druckbehälters, einer Einrichtung zur Druckausübung auf den Behälter mit einem Druckmedium, und.einer Einrichtung zum Ablassen des Druckes vom Behälter nach Beendigung eines isostatischen Druckvorgangs, dadurch gekennzeichnet , dass eine Einrichtung (38·oder 72, 74 oder 98, 102, 106, 118, 120) vorgesehen ist, um eine Berührung des Druckmediums mit dem Körperzu vermeiden, bis der Druckbehälter im wesentlichen mit dem Druckmedium angefüllt ist, und dass-die Einrichtung für die Druckausübung auf den Druckbehälter eine Flüssigkeifezufuhr (20, 21, 22) für das rasche Anwachsen des Druckes des flüssigen Mediums auf den Druck enthält, bei dem der Druckbehälter im wesentlichen mit dem Druckmedium angefüllt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , dass der Druckbehälter ein kalter, trockener Druckbehälter (10, 70, 92) ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , dass die Flüssigkeitszufuhr eine Pumpe (22) enthält.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, g e kennzeichnet durch eine Bruchscheibenanordnung (36, 88,114) mit einem vorgewählten Bruchdruck für das automatische Ablassen des Druckes im Behälter, wenn der Druck ein vorbestimmtes Niveau erreicht.

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13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekenn ζ ;e i chne t , dass die die Berührung verhindernde Einrichtung (38) ein Schutzbehälter (38) ist, der den Körper (48) umgibt und in einem Abstand sowohl von der Innenwand des Druckbehälters

(10) als auch der Aussenseite des Körpers angeordnet ist, um einen ersten Zwischenraum (52) im Druckbehälter zwischen dem Druckbehälter und dem Körper und einen zweiten Zwischenraum (54) im Druckbehälter zwischen dem Behälter (38) und dem Körper (48) zu bilden, wobei der Behälter eine Seitenwand und eine offene Oberseite (40) aufweist, die Seitenwand sich über den Körper hin erstreckt, und das flüssige Druckmedium im wesentlichen den ersten Zwischenraum auffüllt, wenn es in diesen eingeführt wird, bevor es in den zweiten Zwischenraum eintritt und in Berührung mit dem Körper kommt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , dass das Volumen des ersten Zwischenraums (52) mindestens etwa zehnmal so gross ist wie das Volumen des zweiten Zwischenraums (54).

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet , dass sie eine Einrichtung (58) innerhalb des Behälters für das Zuführen von Wärme zum Körper enthält.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , dass die wärmezuführende Einrichtung ein Wärmeblech " ist.

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17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet , dass der Schutzbehälter zusätzlich zur Seitenwand und der offenen Oberseite einen flüssigkeitsdichten Boden (42) aufweist, wobei der Körper (46) im Behälter auf dem flüssigkeitsdichten Boden aufliegt, der Boden des Behälters in einem Abstand vom Boden des Druckbehälters durch Stütz- - · einrichtungen (44) zum Verringern des Wärmeübergangs vom Körper an den Druckbehälter angeordnet ist, die Seitenwand des Behälters sich über den Körper hinaus erstreckt, die Flüssigkeit nachdem Einfüllen in den ersten ringförmigen Zwischenraum (52) im wesentlichen diesen auffüllt, bevor sie in denzweiten Zwischenraum eintritt und in Berührung mit dem Körper kommt.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet , dass die Einrichtung zum Verhindern der Berührung einen zylindrischen Strömungsleitkörper (74) im Druckbehälter enthält, der zusammen mit der Behälterwand einen ringförmigen Zwischenraum bildet, dass sie weiterhin einen Flüssigkeitseinlass (72) zum Einführen des Druckmediums in den Zwischenraum mit hoher Geschwindigkeit, tangential zu dieser Wand[enthält, wobei der Strömungsleitkörper im Weg des Druckmediums angeordnet ist, damit im Druckbehälter während des Auffüllens eine schraubenlinienförmige Flüssigkeitsströmung erzeugt wird.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet , dass die Einrichtung zum Verhindern der'Berührung eine Einrichtung (118,

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120) enthält, damit der Druckbehälter um seine Achse drehbar ist, weiterhin einen zylindrischen Strömungsleitkörper (102) innerhalb des Druckbehälters (92) , der mit der Behälterwand einen ringförmigen Zwischenraum bildet,sowie einen beim Strö.mungsleitkörper angeordneten Flüssigkeitseinlass (98) zum Einführen des flüssigen Druckme-

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diums in den Zwischenraum),—Tnfobei die auf die Flüssigkeit einwirkende Zentrifugalkraft die Bildung einer Flüssigkeitsschicht an der Wand verursacht, wenn Flüssigkeit in den Behälter eingeführt wird, während sich dieser dreht*« -aufweis tv

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