DE2724524A1

DE2724524A1 - Behaelter zum heissverdichten von pulver

Info

Publication number: DE2724524A1
Application number: DE19772724524
Authority: DE
Inventors: Walter J Rozmus
Original assignee: Kelsey Hayes Co
Current assignee: Kelsey Hayes Co
Priority date: 1976-06-03
Filing date: 1977-05-31
Publication date: 1977-12-08
Also published as: JPS5625484B2; NO771945L; FR2400403A1; JPS5314109A; NO153558C; NO153558B; SE7706426L; GB1585583A; BR7703595A; CA1090623A; CH626550A5; SE440496B; FR2400403B1; DE2724524B2; IL52214A0; IL52214A; IT1126737B; MX145009A

Description

Pi,.i.!.,„ \V. DaWU M 31. Hai 1977

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Keleey-Hayes Company Romulus, Michigan, USA

"Behälter zum Heißverdichten von Pulver"

Die Erfindung betrifft das Feld der Pulvermetallurgie und ins besondere einen Behälter zum Heißverdichten von Pulver von metallischer und nichtmetallischer Zusammensetzung und Verbindungen davon sowie ein Verfahren zur Verwendung desselben.

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Das Heißverdichten τοη metallischen, intermetallischen und nichtmetallischen Pulvern und Verbindungen davon ist in der Industrie üblich. Sie Vorteile des Heißverdichtens gegenüber anderen Techniken zum Verdichten von Pulvern sind bekannt. In einigen Fällen ist die Heißverdichtung die einzige praktische pulvermetallurgische Technik zum Verdichten von gewissem Hochtemperaturwerkstoff. Zum Beispiel wird Heißverdichten umfassend für hohe Temperaturen-Hochdruckwerketoffe, wie Superlegierungen auf Nickelbasie (beispielsweise IN-100), verwendet.

Heißverdichten kann durch Anfüllen eines Behälters mit einem zu verdichtenden Pulver bewirkt werden. Der Behälter wird im allgemeinen vor dem Anfüllen evakuiert und dann hermetisch abgeschlossen. Hitze und Druck wirken dann auf den gelullten und dichten Behälter ein. Dies kann durch Verwendung eines Autoklaven bewirkt werden. Der in dem Autoklaven erzeugte Gasdruck erzeugt einen gleichmäßigen Druck über die Oberfläche des Behälters und bewirkt, daß dieser schrumpft oder gegen das Pulver einfällt. Wenn der Behälter schrumpft oder einfällt, wird das Pulver verdichtet. Mit anderen Worten, der Container wirkt bei erhöhten Temperaturen als ein druckübertragendes Medium, um das Pulver dem auf den Behälter einwirkenden Druck auszusetzen. |

Gleichzeitig bewirkt die Hitze, daß das Pulver durch Sintern ; verschmilzt. Dieses Verfahren zum Verdichten von Pulver be- ! zieht sich im allgemeinen auf heißes isostatisches Pressen. In kurzen Worten: die Kombination von Hitze und Druck bewirkt ein

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Verdichten des Pulvere in eine im wesentlichen völlig dichte und verschmolzene Masse, in der die einzelnen Pulverpartikel ihre Eigenart verloren haben.

Nach dem Verdichten wird der Behälter vom verdichteten Pulver* preßling entfernt. Der Preßling wird danach durch einen Schritt oder mehrere Schritte weiterbehandelt, beispielsweise durch Schmieden, spanabhebend Bearbeiten und/oder Wärmebehandeln, um ein fertiges Teil zu erhalten.

Sin extrem kritisches Element des HeißVerdichtungsverfahrens sind die Art und die Eigenschaften des Behfclters. Der Werkstoff, aus dem der Behälter hergestellt ist, muß in der Lage sein, als ein Druckübertragungsmedium bei Temperaturen zu wirken, die hoch genug sind, das Sintern des Pulvers zu bewirken, d.h. der Behälter muß flexibel oder verformbar sein und dennoch bei erhöhten Temperaturen die strukturelle Unversehrtheit behalten. Der Behälter muß nicht reaktiv oder nur wenig reaktiv bezüglich des in diesem enthaltenen Pulvers sein oder Schritte müssen unternommen werden, den Behälter vom Pulver abzuschirmen. Da der Behälter hermetisch abgeschlossen und in einigen Fällen evakuiert sein muß, muß dieser in der Lage sein, Hitze und Druck ohne Bruch zu widerstehen. Die Art des verwendeten Behälters wird darüber hinaus zu einem großen Umfang den Grad der Präzision bestimmen, mit dem der Preßling erzeugt werden kann. In anderen Worten: einige Arten von Behältern sind nur in der Lage,

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einfache Barrenlagerformen und rohe Vorformen herzustellen, die ein intensives anschließendes Schmieden oder Bearbeiten erforderlich machen, um einen fertigen Teil zu erzeugen.

Wegen der hohen Kosten des Rohwerkstoffes und der Schmiedekosten sind Anstrengungen gemacht worden, um Behälter zu entwickeln, die in der Lage sind, Preßlinge großer Präzision zu erzeugen, um dadurch die Werkstoffkosten und die Formkosten herabzusetzen. Solche Hochpräzisions-Preßlinge werden im allgemeinen ale "Nahe-Endformen¹* (near-net shapes) bezeichnet. Solche Präzisionspreßlinge machen nur ein spanabhebendes Bearbeiten oder zumindest einen geringen Schmiedevorgang erforderlich, um eine Endform zu erzeugen, wodurch intensive Zwischen-Schmiedeschritte in Fortfall kommen. Sie Erfindung ist auf einen Behälter zum Heißisostatischen Pressen gerichtet, der sowohl die Schmiedeerfordernisse erfüllt als auch die Eigenschaft besitzt, Nahe-Endformen herzustellen.

Es sind viele Arten von Behältern zum Heißverdichten von Pulver bekannt. Diese Behälter sind aus verschiedenen Werkstoffen, wie Netall, Glas und Keramik hergestellt. Die ersten, zum Heißverdichten von Pulver verwendeten Behälter und die den üblichen Industriepraktiken am besten widerstehenden Behälter bestehen aus Netall. Die günstigste Art von Netall, das für die Behälter verwendet wird, wird im allgemeinen im Hinblick auf die Zusammensetzung des zu verdichtenden Pulvers gewählt,

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d.h. die erforderlichen Verdichtungstemperaturen und Drücke und die Reaktivität des Pulvers werden in Betracht gezogen, wenn der Behälterwerkstoff bestimmt wird. Metallbehälter zum Heißverdichten von Superlegierungen auf Nickelbasis werden in allgemeinen aus korrosionsbeständigem Stahl hergestellt. Für Pulver anderer Zusammensetzung werden jedoch andere Metalle verwendet.

Beispiele von typischen Metallbehältern sind in den US-PS Nrn. 3 340 053 und 3 356 496 beschrieben. Es ist hervorzuheben, daß diese Metallbehälter von einfacher Gestalt und relativ dünnwandig sind. Der Grund_f daß dünnwandige Behälter verwendet wurden, besteht darin, daß man bemüht war, das Verhalten von flexiblen Gummisäcken so eng wie möglich zu kopieren, die zum isostatischen Pressen von Pulvern nahe der Raumtemperatur benutzt wurden. Solche Gummisäcke konnten in der Tat nicht für die erhöhten Temperaturen verwendet werden, die zum Heißverdichten erforderlich sind. Es war jedoch Theorie, daß ein dünnwandiger Metallbehälter sich bei erhöhten Temperaturen so verhalten würde, wie ein Gummisack bei Raumtemperatur. Man mußte feststellen, daß dies nicht der Fall war. Sie Wände eines dünnwandigen Behälters übertragen den Druck nicht gleichmäßig auf das Pulver wegen der Unterschiede in der strukturellen Festigkeit des Behälters. Infolgedessen neigen dünnwandige Behälter zum Ausbeulen oder Falten in weicheren Bereichen. Werden einfache Formen, wie Barren oder Schmiedevorformen hergestellt,

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können Oberflächenmängel, die durch Ausbeulen oder Falten von dünnwandigen Metallbehältern erzeugt werden, manchmal toleriert werden, da diese Mängel durch maschinelles Bearbeiten beseitigt werden können. Es ist jedoch sehr schwer, wenn nicht sogar unmöglich, kompliziertere Präzisionsformen unter Verwendung von dünnwandigen Metallbehältern herzustellen. Eine der größten Schwierigkeiten bei der Herstellung von Präzisionsformen unter Verwendung von dünnwandigen Metallbehältern besteht darin, daß der sich ergebende Preßling häufig wegen der nicht gleichmäßigen Reduktion der Gestalt des Behälters verworfen ist. Mit anderen Worten: die Gestalt des sich ergebenden Preßlinges unterscheidet eich nach dem Verdichten wesentlich von der Gestalt des Formhohlraumes, der anfänglich durch den dünnwandigen Behälter umschlossen war. Obwohl solche Verwerfungen in den meisten Fällen durch Herstellen eines Preßlinges mit großem Übermaß aufgefangen werden können, was jedoch ein kostspieliges, ausgiebiges Schmieden und/oder ein maschinelles Bearbeiten erforderlich macht und zu Werkstoffverlusten führt.

Zur Lösung der den dünnwandigen Behältern anhaftenden Probleme sind Anstrengungen unternommen worden, um einen Behälter zu schaffen, der in der Lage ist, Nahe-Endformen zu erzeugen. So beschreibt die GB-PS 1 339 669 ein Verfahren zum Verdichten von Metallpulver, bei dem ein relativ dickwandiger Behälter gebildet wird, in dem zwei Formhälften miteinander verbunden werden, die aus gesintertem Metallpulver hergestellt

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sind und durch !Anschließen dieser Formhälften von einer äußeren Netallschicht. Sie Formhälften sind aus gesintertem Metallpulver hergestellt, so daß die Porosität, oder Sichte der Wände der Formhälften annähernd gleich der Sichte (tap density) des Pulvers, das in dem durch die Formhälften gebildeten Hohlraum enthalten ist. Nach der Anwendung von Hitze und Sruck ist es beabsichtigt, daß die Sichte des Behälters und des darin enthaltenen Pulvers beide wesentlich gleichzeitig zu einem gleichmäßigen Preßling aus Pulver ohne Verwerfungen ansteigt. Eine andere Abweichung vom traditionellen dünnwandigen Metallbehälter ist in der US-PS 3 230 286 beschrieben. Ber in dieser Patentschrift beschriebene Behälter ist aus einem Metall, wie Cer, Wismuth, Caesium oder deren Verbindungen hergestellt, die eine abrupte Verdichtung oder Volumenreduktion bei einem vorbestimmten Sruck unterliegen. Sie abrupte Verdichtung oder Volumenreduktion erfolgt dank einer Neuordnung der Kristallgitteretruktur des Werkstoffes, die durch den aufgewendeten Sruck hervorgerufen wird.

In der Entwicklung von Behältern und Verfahren zum heißen isostatischen Pressen von Pulver bestanden die ersten Anstrengungen darin, einen flexiblen Gummisack zu simulieren. Aus diesem Grunde wurden dünnwandige Behälter benutzt. Danach wurden Anstrengungen gemacht, Behälter mit dickeren Wänden zu verwenden, jedoch wurden im Falle von Metallbehältern diese porös oder eine exotische Legierung wurde verwendet, die zu einer abrupten

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Verdichtung unter dem Einfluß von extremen Drücken in der Lage ist. Diese sehr komplizierten Maßnahmen wurden getroffen, weil im allgemeinen geglaubt wurde, daß ein dünnwandiger Behälter den Druck nicht wirkungsvoll genug auf das Pulver übertragen würde. Wenn andere Werkstoffe als Metalle benutzt wurden, wie Glas oder Keramik, wurden die Behälterwände ebenfalls relativ dünn gemacht. Waren sie nicht dünn, so war der Werkstoff von besonderer Form. Dies macht zusätzliche Schritte erforderlich, um den besonderen Werkstoff zu erhalten, beispielsweise die Verwendung eines Innen- und Außenbehälters, wie US-PS 3 700 zeigt. Ungeachtet all der Entwicklungsanstrenungen, die bis dahin aufgewandt wurden, ist kein kommerziell verwendbarer Behälter erhältlich, der in der Lage ist, Präzisionspreßlinge herzustellen.

Die Erfindung basiert auf einer Erkenntnis des Erfinders, daß ein hochwertiger Behälter für Heißverdichten von Pulver aus einem im wesentlich vollkommen dichten und inkompressiblem Werkstoff hergestellt werden kann, wenn der Werkstoff bei Presstemperaturen plastisch zu fließen und daß dann, wenn die Behälterwände dick genug sind, der Behälterwerkstoff beim Anwenden von Hitze und Druck wie ein Medium wirken wird, um einen hydrostatischen Druck auf das Pulver auszuüben. Mit anderen Worten: es ist nicht erforderlich, einen porösen Werkstoff, wie er in der GB-PS 1 399 669 und in der US-PS 3 700 435 beschrieben ist, oder einen Werkstoff, der einer abrupten Verdichtung

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unterliegt, wie dies in der US-PS 3 230 286 beschrieben ist. Es wurde vom Erfinder bestimmt, daß die Behälterwände dick genug sind, um in der vorbeschriebenen Art zu wirken, wenn die äußere Oberfläche der Behälterwände nicht genau der Kontur des Behälterhohlraumes folgt. In anderen Worten: die äußere Oberfläche der Wände des Behälters muß nicht der Kontur des Behälterhohlraumes folgen, wie beispielsweise dies die Wände eines Behälters tun, der in der US-PS 3 841 870 beschrieben ist. Es wird hervorgehoben, daß die äußere Oberfläche der Wände des Behälters, die in dieser Patentschrift beschrieben sind, eine Gestalt haben, die im wesentlichen der Gestalt des Containerhohlraumes entspricht. Dies ist typisch, für das, was mit einem ^Ndickwandigenⁿ-Behälter gemeint war.

Der erfindungsgemäße Behälter bildet eine radikale Abkehr von den allgemein für Behälter zum heißen Verdichten von Pulver angenommenen Grundsätzen. Die Tatsache, daß der Behälter in der Lage ist, hydrostatischen Druck auf das Pulver auszuüben, erleichtert ein gleichmäßiges Schrumpfen, ermöglicht eine dichtere Annäherung an die Enddimensionen und reduziert Verwerfungen. Auf diese Weise ist es möglich, Nahe-Endformen zu erzeugen. Um diese Resultate zu erreichen, wird ein Behälter verwendet, der aus einem im wesentlichenVollkommen dichten und inkompressiblen Werkstoff gefertigt ist. Die Wände des Behälters, die den pulveraufnehmenden Hohlraum umgeben, sind dicker als diejenigen, die nach dem Stande der Technik in der Lage waren, einen Druck

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zu übertragen. Alle bisher bekannten Behälter, die Wände von einer beträchtlichen Stärke haben, sind aus einem kompressiblen oder besonderem Werkstoff hergestellt worden. Der Erfinder hat nun festgestellt, daß die Stärke der Behälterwände die Verdichtung nicht behindert, sondern daß es im Gegenteil erwünscht und wesentlich zum Erzeugen eines hydrostatikartigen Druckes an der Zwischenfläche zwischen dem Behälterwerkstoff und dem im Behälterhohlraum befindlichen Pulver ist. Mit anderen Worten, ein dickwandiger Behälter dieser Art erzeugt bessere Resultate als dünnwandige Behälter wegen der Fähigkeit, hydrostatischen Druck auf den Behälter auszuüben.

Der erfindungsgemäße Behälter wurde insbesondere zum Verdichten von superlegiertem Pulver bestimmt, wie IN-100, das eine wohlbekannte Legierung auf Nickelbasis ist, die Legierungselemente von Aluminium, Titan, Tantal, Niob, Molybdän, Wolfram, Chrom und Kobalt enthält. IN-100 und andere Superlegierungen werden beispielsweise für Teile von Turbinen wegen der hohen Festigkeitscharakteristiken bei erhöhten Temperaturen verwendet. Diese hohen Festigkeitscharakteristiken machen Jedoch diese Legierungen schwer verarbeitbar. Übliche Formtechniken können nicht einfach verwendet werden, da die vielen Legierungselemente Ausscheidungsprobleme im geformten Objekt erzeugen. Zusätzlich macht die Festigkeit dieser Legierungen ein Schmieden bei hohen Temperaturen schwierig und kostspielig. Infolgedessen ist es erforderlich geworden, Jmlvermetallurgische Techniken zu

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benutzen, tun Superlegierte Teile herzustellen, die optimale physikalische Eigenschaften besitzen. Gerade bis jetzt machten die pulvermetallurgischen Techniken häufig ein mehrfaches Schmieden und Maschinenbearbeitungen erforderlich, um eine Endform zu erhalten. Aus diesem Grunde sind Anstrengungen gemacht worden, um Präzisionspulvermetallpreßlinge zu erzeugen, um die Schmiedearbeit zu verringern oder in Fortfall zu bringen und um die Menge an Werkstoff herabzusetzen, die durch maschinelle Arbeit abgehoben werden muß, um ein Fertigteil zu erzeugen. Der gemäß der Erfindung konstruierte Behälter erbringt diesen Vorteil.

Weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der Zeichnung in Einzelheiten näher erläutert. In diesen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Behälter zum heißen Verdichten von Pulver, der nach der Bfindung konstruiertest, wobei dessen Form vor dem heißen Verdichten in ausgezogenen Linien und nach dem heißen Verdichten mit strichpunktierten Linien dargestellt ist;

Fig. 2 ein Teilschnitt eines Teiles des in Fig. 1

dargestellten Behälters, aus dem die Kräfteverteilung ersichtlich ist, wenn auf den Behälter ein Druck ausgeübt wird;

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Pig. 3 einen Querschnitt auf eine andere Ausführung eines Behälters zum heißen Verdichten von Pulver, der gemäß der Erfindung konstruiert ist;

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen verdichteten Preßling nach dem heißen Verdichten in dem in Pig. 3 dargestellten Behälter;

Pig. 5 einen Querschnitt durch einen aus dem verdichteten in Pig. 4 dargestellten Preßling durch maschinelle Bearbeitung hergestellten fertigen Teil;

Pig. 6 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Behälters zum heißen Verdichten von Pulver, der insbesondere zum heißen Verdichten in einer Presse geeignet ist und

Fig. 7 einen Querschnitt durch eine obere und untere Preßform, zur Verwendung in Verbindung mit dem in Pig. 6 dargestellten Behälter.

In Pig. 1 der Zeichnung ist ein als Ganzes mit 10 bezeichneter, nach der Erfindung konstruierter Behälter dargestellt. Der Behälter 10 umfaßt einen oberen Formteil 12 und einen unteren

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Formteil 14. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Formteile 12 und 14 aus hohlem Stoffstahl, beispielsweise SAE 1008 bis 1015 hergestellt. Ein Stahl mit geringem Kohlenstoffanteil ist ein besonders geeigneter Werkstoff für die Behälter 10, da er relativ billig und leicht zu bearbeiten ist. Es ist klar, daß auch andere Metalle verwendet werden können und daß sogar andere Werkstoffe benutzbar sind, wie die Glas- oder Keiamikmaterialien, solange diese Werkstoffe die nachstehend aufgeführten Bedingungen erfüllen.

Zur Herstellung des in Fig. 1 dargestellten Behälters 10 werden zwei Stücke des besagten Kohlenstoffstahles maschinell bearbeitet unter Verwendung der üblichen spanabhebenden Techniken, um den oberen und den unteren Formteil 12 und 14 zu schaffen. Werden beide Formteile 12 und 14 längs ihrer einander zugewandten PaSflachen miteinander verbunden, bilden beide Formteile einen Formhohlraum 16, der die vorbestimmte Gestalt hat. Der in Fig. 1 dargestellte Behälter 10 dient zur Herstellung einer Turbi nenscheibe für eine Jetturbine. Für diese spezielle Turbinenscheibe umfaßt der Formhohlraum 16 einen Hauptbereich 18, der im wesentlichen scheibenförmig gestaltet ist, um den Körper der Turbinenscheibe zu bilden, und einen Ringbereich 20, 4ev-e4eh der sich vom scheibenförmig gestalteten Hauptbereich Su jeder Seite hin erstreckt.

Si· Abmessung und die Gestalt des Formhohlraumes ist im Hin-

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an

blick auf die Endform des zu erzeugenden Teiles bestimmt. Sa IN-100-Pulver eine tap-Dichte hat, die geringer als dessen theoretische Dichte, im allgemeinen 65 # der theoretischen Dichte ist, ist der Formhohlraum weit genug gestaltet, um eine Reduktion der Abmessungen bei Erreichung der annähernden theoretischen Dichte in dem verdichteten Preßling anzupassen. Darüber hinaus ist der Behälter so gestaltet, daß die Abmes sungen des verdichteten Preßlings nach dem Verdichten etwas größer «als das fertige Teil sind. Dieser zusätzliche Werkstoff wird durch maschinelle Bearbeitung abgehoben, um das fertige Teil zu bilden.

Bevor der obere Formteil mit den unteren verbunden wird, wird ein Loch 22 in einen 12 der Formteile gebohrt und ein Füllrohr 24 eingesetzt. Das Füllrohr 24 für den Behälter 10 ist ein kaltgezogenes nahtloses Stahlrohr. Das Füllrohr 24 ist mit dem oberen Formteil 12 durch Schweißen verbunden. Dabei ist dafür Sorge getragen, um sicherzustellen, daß die Schweißungen nicht lecken, da der völlig zusammengestellte Behälter vor dem Füllen auf ein Niveau von etwa 5 bis 10 Mikron evakuiert werden muß.

Nach dem Anbringen des Füllrohres 24 werden die beiden Form- 12 und 14 passend aufeinander gesetzt und miteinander verschweißt. Um das Schweißen zu vereinfachen, sind die äußeren Ränder der Formteile 12 und 14 etwa im Winkel von 45° angefast.

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Wenn die beiden Formteile 12 und 14 verbunden sind, bilden die angefasten Ränder eine Schweißrinne 26 zur Aufnahme des Schweißwerkstoffes 28. Auch bei dieser Schweißung ist Sorge getragen, daß eine hermetische Abdichtung erreicht wird, um ein Evakuieren zu ermöglichen.

Ee wird hervorgehoben, daß die Ausgangsstücke, aus denen die Formteile 12 und 14 hergestellt werden, eine ausreichende Abmessung haben, so daß nach der maschinellen Bearbeitung relativ dicke Wände verbleiben. Saß der Container dicke Wände umfaßt, wird dadurch klar, daß die äußere Gestalt des Behälters 10 in keinem Verhältnis zur Gestalt des Formhohlraumes 16 im Behälter steht. Ein Merkmal der getesteten dickwandigen Behälter ist, daß das Volumen des Formhohlraumes nicht größer als das Gesamtvolumen der Behälterwände ist. Wie später näher erläutert werden wird, reduziert die Verwendung von dicken Wänden die Verwerfungsprobleme, die dünnwandigen Behältern anhaften und ermöglicht die Produktion von Nahe-Endformen.

Obwohl zur Herstellung des Behälter 10 Kohlenstoffstahl geringen Kohlenstoffgehaltes benutzt wurde, können auch andere Werkstoffe verwendet werden. Ein geeigneter Behälterwerkstoff ist durch einige physikalische Eigenschaften gekennzeichnet. Wird z.B. der besagte Kohlenstoffstahl als Ausgangswerkstoff für den vorbeschriebenen Behälter 10 verwendet, so hat dieser Werkstoff eine fast vollkommene Dichte. Mit anderen Worten:

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unter Ignoration von Produktionsfehlern, wie zufällige Porosität oder dergleichen, ist der Stahl so dicht an seiner theoretischen Dichte, wie dies durch Standardherstellungsverfahren erreichbar ist. Kohlenstoffstahl geringen Kohlenstoffgehaltes ist ferner etwa inkompressibel, da sein Volumen nicht erheblich durch Anwendung von Druck reduziert werden kann. Der Behälterwerkstoff muß auch gasundurchlässig sein, wie dies dieser Stahl ist, um eine hermetische Abdichtung des Behälters zu ermöglichen. Diese Merkmale und physikalischen Eigenschaften unterscheiden den Behälterwerkstoff der Erfindung von den Werkstoffen, die bisher verwendet wurden. Weitere Unterscheidungsmerkmale sind diejenigen, daß die Behälterwände etwa gleichmäßigüber den Querschnitt von der äußeren Oberfläche zum Formhohlraum hin sind und daß die Behälterwände etwa gleichmäßige Dichte haben.

Darüber hinaus muß der Behälterwerkstoff als ein Druckübertragungsmedium bei der Temperatur und dem Druck sein, der zum Verdichten des Pulvers erforderlich ist. Um diese Resultate zu erreichen,muß der Behälterwerkstoff zum plastischen Fließen bei entsprechenden Preßtemperaturen geeignet sein. Spezifische Preßtemperaturen werden zum großen Teil durch die Zusammensetzung und die spezielle Art des zu verdichtenden Pulvers bestimmt. Ist die Preßtemperatur bestimmt, kann ein geeigneter Behälterwerkstoff ausgewählt werden, der in der Lage ist, bei dieser Temperatur plastisch zu fließen. Die meisten Metalle sind in der Lage, plastisch zu fließen, schon bei Raumtemperatur; aus diesem Grunde

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nuß auch der Größe des Druckes Beachtung geschenkt werden, die erforderlich ist, plastischen Fluß im Behälterwerkstoff bei der entsprechenden Preßtemperatur zu bewirken. Steigt die Temperatur an, so nimmt die Zugfestigkeit des Metalls ab, so daß geringere Drücke erforderlich sind, um einen bedeutsamen plastischen Fluß zu erzeugen. Mit anderen Worten, um ein gegebenes Pulver zu verdichten, müssen die Temperatur wie der Druck bestimmt sein. Sind diese beiden Parameter bestimmt, wird ein Containerwerkstoff ausgewählt, der plastisch ist, d.h. der eine tief genug liegende Zugfestigkeit bei der speziellen Temperatur hat, so daß er sich plastisch relativ leicht bei dem speziell verwendeten Druck deformieren wird. Im Falle von IN-100 liegen die Preßtemperaturen zwischen 1010° C und 1204° C Wie bekannt ist, ist der besagte Kohlenstoffstahl in der Lage zum plastischen Fließen unter Druck und diese Fähigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu. Bei Temperaturen von 1010° C bis 1204° C kann ein bemerkenswerter plastischer Fluß induziert werden durch die Anwendung von Drücken von 10000 bis 15000 psi. Obwohl diese Drücke allgemein in der Praxis verwendet werden, können tiefere oder höhere Drücke verwendet werden. In allen Ftllen hängt das Ausmaß des plastischen Flußes von der Zugfestigkeit des Werkstoffes bei der Preßtemperatur ab.

Eine weitere Bedeutsamkeit besteht darin, daß die strukturelle Unversehrtheit des Behälters während des heißen Yerdichtens aufrechterhalten bleiben muß. Die strukturelle Unversehrtheit

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des Metallbehälters ist so lange aufrechterhalten, wie die Verdichtungstemperatur nicht die Schmelztemperatur des Behälterwerkstoff es übersteigt. Genauer gesagt, die Temperatur sollte nicht die Schmelztemperatur irgendeiner Hauptfestsubstanz des Behälterwerkstoffes überschreiten. Wenn der Schmelzpunkt überschritten ist, wird der Behälterwerkstoff seine Scherfestigkeit verlieren. Dies würde zum Verfall des Behälters führen. Sa andere Potentiale Behälterwerkstoffe, beispielsweise Glas, aus einer supergekühlten Flüssigkeit bestehen, kann der Flüssigkeitsstatus nicht erreicht werden. Ein Glasbehälter, der gemäß der Erfindung geformt ist, würde ausreichende Festigkeit behalten, bis seine Viskosität so gering ist, daß das Glas fließt. Aus diesem Grunde muß als Regel angesehen werden, daß der Behälterwerkstoff eine ausreichende Festigkeit bei der Preßtemperatur behalten muß, um die strukturelle Unversehrtheit des Behälters zu gewährleisten.

Eine andere physikalische Eigenschaft des Behälterwerkstoffes, die in Betracht gezogen werden muß, ist die Größe des Ausdehx$ns und Zusammenziehens mit der Temperatur. Wenn komplizierte Formen erzeugt werden sollen, wie solche, die Hinterschneidungen oder dergleichen umfassen, wird angenommen, daß die thermische Auedehnung so eng wie möglich derjenigen des zu verdichtenden Werkstoffes entsprechen muß. Sind die thermischen Merkmale der beiden Werkstoffe stark unterschiedlich, werden sich Spannungen im Preßling, während des Erkaltens aus-

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bilden, die zu Brüchen führen können. Obwohl eine kritische Differenz nicht genau bestimmt wurde, ist es schließlich bekannt, daß die Differenz in thermischer Ausdehnung zwischen einem SAE 1010-Stahl und IN-100 nicht schädlich ist. Um den besten Behälterwerkstoff zur Verdichtung anderer Pulverarten zu bestimmen, kann es erforderlich sein, Teste vorab anzustellen, um sicherzustellen, daß die thermischen Eigenschaften der beiden Werkstoffe passend sind.

IN-100-Pulver und andere Superlegierungen werden im allgemeinen bei Temperaturen zwischen 1100° C und 1204° C und bei Drücken von 10000 bis 15000 psi verdichtet. Derartige Drücke können leicht in handelsüblichen Autoklaven erreicht werden. Bei Temperaturen zwischen 1010° C und 1204° C und Drücken von 10000 bis 15000 psi wirken die Wände eines dickwandigen Kohlenstoffstahlbehälters sehr stark als eine Flüssigkeit. Das heißt, das Metall kann unter Druck fließen. Dank des flüssigkeitsartigen Verhaltens der Behälterwände bei diesen Temperaturen und Drücken, wird ein hydrostatischer Druck auf das Pulver ausgeübt, das sich im Formhohlraum befindet. Wie hierin verwendet ist ein hydrostatischer Druck ein solcher, bei dem die Richtung der Kraft, die auf jede Oberfläche des Pulvers wirkt, senkrecht zur Oberfläche steht. Ein Hauptproblem mit dünnwandigen Behälter besteht darin, daß, obwohl einhydrostatischer Druck auf die äußere Oberfläche des Behälters ausgeübt wird, der Behälter nicht in der Lage ist, einen hydrostatischen Druck auf das Pulver zu

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übertragen. Die Anwendung eines hydrostatischen Druckes wird sicherstellen, daß etwa gleichmäßige Schrumpfung erfolgen wird.

Es wurde bestimmt, daß die Wände des Behälters dick genug sind, um dieses Ergebnis zu erzielen, d.h. einen hydrostatischen Druck, wenn die äußere Oberfläche der Behälterwände nicht genau der Kontur des Formhohlraumes folgt. Diese Definition ist am besten eine Annäherung an das, was als "dickwandiger" Behälter bezeichnet wird. Ein dickwandiger Behälter ist ein solcher, der Wände hat, die dick genug sind, einen hydrostatischen Druck auf das Pulver bei Anwendung von Hitze und Druck auszuüben. Beispielsweise tritt das größte Problem bei einem dünnwandigen Behälter auf, wenn das zu erzeugende Teil einen Ringbereich umfaßt, wie die ringartig gestalteten Vorsprünge des in Pig. 1 dargestellten Teiles. Ein typischer dünnwandiger Behälter umgibt drei Seiten des Vorsprunges, wie aus dem Querschnitt ersichtlich ist und läßt das innere Volumen leer. Diese Anordnung ergibt zahlreiche Verwerfungsprobleme während des heißen Verdichtens. Als ein Minimum muß die Stärke des Behälters in dem Bereich des Ringvorsprunges so ausreichend sein, um das innere Volumen im wesentlichen anzufüllen. Wird diese Tatsache erfüllt, kann nicht länger behauptet werden, daß die äußere Oberfläche des Behälters der Kontur des Formhohlraumes folgt.Das Ergebnis besteht darin, daß die Behälterwände die Seiten des Ringbereiches fest stützen, so daß praktisch gleichmäßiges unverworfenes Schrumpfen eintreten wird.

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Der Behälter 10 wurde in nachstehender Weise behandelt. Nachdem die Formteile 12 und 14 zusammengeschweißt waren, wurde eine Vakuumpumpe an das Füllrohr 24 angeschlossen und der Formhohlraum 16 evakuiert. Dieses Verfahren wurde im Falle von IN-100-Pulver durchgeführt, um Verunreinigungen durch atmosphärische Gase zu vermeiden, die unerwünschte Oxide und Nitride erzeugen würden, und um eine potentielle Quelle für Porosität im entstehenden Preßling zu beseitigen. Ferner erhöht ein Vakuum im Behälter den Druckunterschied zwischen dem äußeren und dem inneren Druck, um ein Pressen zu vereinfachen. Es wird jedoch darauf hingewiesen,daß diese Vorsichtsmaßregeln nicht für andere Arten von Pulver erforderlich sind. Nach dem Evakuieren wird der Behälter mit fein gepulvertem IN-100-Pulver angefüllt. Während des Füllvorganges war es erforderlich, alle Bereiche des Formhohlraumes anzufüllen und die höchste "tap^w-Dichte zu erreichen. Dies wurde durch Drehen des Behälters und durch Schlagen auf die Seiten des Behälters mit einem Holzhammer bewirkt. Se wird hervorgehoben, daß dieses Verfahren, obwohl es zum Sicherstellen eines kompletten Füllens und einer maximalen "tap"-Dichte erfolgreich ist, nur schwierig an einem dünnwandigen Metallbehälter ausgeführt werden kann, ohne die Wände einzubeulen und die Gestalt des Formhohlraumes zu verändern. Nachdem der Behälter 10 angefüllt war, wurde das Füllrohr 24 hermetisch abgedichtet, durch Abschließen und Zuschweißen. Der gefüllte und hermetisch abgedichtete Behälter 10 wurde dann in einen Argongasautoklaven eingesetzt. Der Autoklav wurde be—

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trieben, um den Behälter auf eine Temperatur von etwa 1060 C und einen Druck in der Größenordnung von 10000 bis 15000 psi über eine Zeit von etwa 2 Stunden zu bringen.

Der Druck in dem Autoklaven erzeugte einen isostatischen Druck auf die Oberfläche des Behälters. Bei der Preßtemperatur von 1066° C hat sich der besagte Kohlenstoffstahl zu einem Punkt erweicht, an dem dieser dem aufgewandten Druck (10000 bis 15000 psi) widerstehen konnte und ein plastisches Fließen erfolgte. Der angewandte Druck erzeugte die Antriebskraft zum Reduzieren der Gestalt des Formhohlraumes. Es ist möglich, die Gestalt des Formhohlraumes zu reduzieren, da der Formhohlraum mit einem kompressiblen Werkstoff angefüllt war, d.h., einem Pulver, das nicht völlig verdichtet war. Die Gestalt des Formhohlraumes schrumpft weiter bis das Pulver annähernd seine völlige Dichte erreicht. Ist das Pulver verdichtet, verschmilzt es durch Sintern, so daß der erzeugte Preßling völlig dicht war und eine feste Masse bildete.

Nach dem Verdichten wurde der Behälter 10 aus dem Autoklaven entnommen und gekühlt. Der Behälter wurde dann vom verdichteten Preßling durch Abbeizen in einer Salpetersäurelöeung entfernt« Ba IN-IOO korrosionsbeständig ist, greift die Salpetersäurelösung nur den Kohlenstoffstahlbehälter an. Der aufgelöste Behälter gibt den verdichteten IN-100-Preßling frei. Obwohl Salpetersäurelösung verwendet wurde, können andere Lösungen be-

nutzt werden. Der Behälter könnte auch durch maschinelle Behandlung oder eine Kombination von maschineller Vorbehandlung und anschließender Abbeizung entfernt werden.

Bevor der Behälter 10 von dem verdichteten Preßling entfernt wurde, wurde die äußere Gestalt des Behälters gemessen und aufgezeichnet. Nachdem der Behälter 10 entfernt war, wurden die Dimensionen des verdichteten Preßlings gemessen. Beim Vergleichen der Gestalt und Form des verdichteten Preßlings mit dem ursprünglichen Formhohlraum konnte die Größe und Art des Schrumpfens bestimmt werden. Die Dimensionen des Behälters nach dem Verdichten und die Dimensionen des verdichteten Rohlings sind in Fig. 1 der Zeichnung strichpunktiert dargestellt. Die strichpunktierte Linie 30 zeigt die Gestalt des verdichteten Rohlings, während die strichpunktierte Linie 32 die äußere Gestalt des Behälters 10 veranschaulicht.

Ss wurde festgestellt, daß überraschenderweise gleichmäßiges Schrumpfen erfolgt war. Darüber hinaus hatte die Wandstärke des Behälters zugenommen. Die Tatsache, daß Bereiche, wie bei 34 und 36 in der Wandstärke zugenommen hatten, während des heißen Verdichtens, zeigt, daß die Richtung der Kraft, die auf das Pulver eingewirkt hat, hydrostatisch war und nicht in einem Verhältnis zur Richtung der Kraft stand, die auf die Oberfläche des Behälters einwirkte. Dies ist schematisch in Fig. 2 veranschaulicht, die die wahrscheinlichen Richtungen der Kräfte illustriert, die auf das Pulver und den Behälter einwirkten«. _

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Die Richtung der Kraft, die auf die Oberfläche des Behälters einwirkt, ist durch die Pfeile 38 bezeichnet, die senkrecht zur Oberfläche des Behälters stehen. Die Richtung der Kräftewirkung auf das Pulver, die durch die Pfeile 40 angedeutet sind, ist im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Formhohlraumes. Die Richtung der Kräfte, die auf das Pulver einwirken, ist infolgedessen nicht parallel zu der Richtung der Krafteinwirkung auf die Behälteroberfläche. Dies ist charakteristisch für einen hydrostatischen Druck. Dies zeigt, daß die Behälterwände wie eine Flüssigkeit wirken, um einen hydrostatischen Druck auf das Pulver auszuüben. Das Ergebnis ist eine gleichmäßigere Reduktion der Gestalt des Formhohlraumes.

Für eine Anzahl von Gründen erscheint Kohlenstoffstahl geringen Kohlenstoffgehaltes als der beste kommerziell günstigste Werkstoff sowohl von wirtschaftlichen als auch erfahrenstechnischen Standpunkten zum Herstellen von Behältern zum heißen Verdichten von IN-100 und anderen Superlegierungspulvern. Der besagte Kohlenstoffstahl ist relativ billig imVergleich zu den Kosten pro Kilo von zu verdichtendem Pulver und ist leicht erhältlich. Der besagte Kohlenstoffstahl kann leicht maschinell bearbeitet und leicht geschweißt werden und der fertige Behälter kann schlechten Behandlungen widerstehen. Es wird Jedoch hervorgehoben, daß dickwandige Behälter gemäß der Erfindung aus anderen Metallen oder anderen Werkstoffen hergestellt werden können.

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Glas und Keramik sind Beispiele für solche Werkstoffe. Das hervorragende Ergebnis besteht darin, daß das plastische Fließen verbunden mit ausreichend dicken Behälternwänden einen hydrostatischen Druck auf das Pulver ausüben wird.

Bs wird ferner hervorgehoben, daß die Erfindung nicht auf die Herstellung eines Formhohlraumes durch maschinelle Bearbeitung begrenzt ist. Andere wohlbekannte Metallverarbeitungstechniken, wie Gießen oder Schmieden, können angewandt werden, um den Behälter herzustellen. Beispielsweise kann ein Gießbehälter unter Verwendung eines ausdehnbaren Kernes hergestellt werden, der die Gestalt des gewünschten Fomhohlraumes hat. Nachdem das Metall üb den ausdehnbaren Kern gegossen ist, wird dieser entfernt, beispielsweise durch Auslaugen. Ein zweiteiliger Behälter kann auch hergestellt werden in einem Schmiedevorgang. Der einzige Nachteil beim Schmieden besteht darin, daß Hinterschneidungen nicht so hergestellt werden, wie dies bei einer maschinellen Bearbeitung oder beim Formen der Fall ist.

Ein einsiges Verfahren zum Zusammenstellen eines Behälters zum Erzeugen eines Teiles von extrem komplizierter Gestalt ist in Fig. 3 bis 5 veranschaulicht. Der gewünschte Teil ist als Ganzes in Fig. 5 mit 42 bezeichnet. Es wird hervorgehoben, daß dies eine besonders komplizierte Turbinenscheibe ist, die eine Ansahl von Hinterschneidungen umfaßt. Um einen verdichteten Preßling herzustellen, der maschinell bearbeitet werden kann, um das Teil 42 zu erzeugen, das in Fig. 5 dargestellt ist, ist

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in einen dickwandigen Behälter, der eine aus Fig. 3 ersichtliche Gestalt hat, ein Formhohlraum eingeformt, der als Ganzes mit 44 bezeichnet ist. Es ist klar, daß es schwierig, wenn nicht sogar unmöglich sein würde, einen Formhohlraum solcher komplizierten Gestalt in einem zweiteiligen Behälter maschinell herzustellen, wie der vorbeschriebene und in Fig. 1 dargestellte. Um das in Fig. 5 dargestellte Teil herzustellen, umfaßt der Formhohlraum 44 einen etwa scheibenförmigen Bereich 46 und einen im wesentlichen ringförmig gestalteten Bereich 48, der sich seitlich vom scheibenförmigen Bereich 46 aus erstreckt. Ferner ist der ringförmig gestaltete Bereich 48 einwärts geneigt derart, daß es schwierig ist, diesen maschinell herzustellen. Aus diesem Grunde besteht der Behälter aus drei Teilen. Der Behälter umfaßt einen ersten Hauptteil 50, einen zweiten Hauptteil 52 und einen Zwischenteil 54. Der erste Hauptteil 50 und der Zwischenteil 54 umfassen Oberflächen 56 und 58, die im wesentlichen den scheibenförmigen Bereich 46 des Formhohlraumes 44 bilden. Der zweite Hauptteil 52 und der Zwischenteil 54 umfassen Oberflächen 60 und 62, die den ringförmig gestalteten Bereich 58 bilden. Diese drei Teile sind separat maschinell hergestellt und dann zusammengefügt, um den komplizierten Formhohlraum 44 zu bilden.

Wie auch beim ersten Ausführungsbeispiel des Behälters umfassen der erste und der zweite Hauptteil 50 und 52 «»einanderfügbare Paßflächen. Die äußeren Ränder dieser Oberflächen sind

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angefast, um eine Schweißrinne 64 zur Aufnahme des Schweißwerkstoffes 66 zu bilden. Ein Loch 68 ist in einen der Hauptteile gebohrt, in diesem Falle in den ersten Hauptteil 50 und dient der Aufnahme eines Füllrohres 70, das durch Schweißen befestigt ist. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß der Zwischenteil 54 zwischen dem ersten und dem zweiten Hauptteil 50 und 52 unter Zusammenwirken mit Paßmitteln getragen ist, die den Mittelteil 54 positionieren und tragen. Die zusammenwirkenden Faßmittel umfassen einen Vorsprung 72 des zylindrischen Bereiches des Zwischenteiles 54, der in eine zylindrische Ausnehmung 74 im zweiten Hauptteil 52 paßt, und einen Vorsprung 76 des zylindrischen Bereiches des ersten Hauptteiles 50, der in einer zylindrischen Aussparung 78 des Mittelteiles 54 sitzt.

Dieser Behälter wurde im wesentlichen in der gleichen Weise benutzt, wie der erste Behälter. Nach dem heißen Verdichten hat der erhaltene verdichtete Preßling die mit 80 in Fig. 4 bezeichnete Gestalt. Dieser verdichtete Preßling wurde dann maschinell zu der Endform bearbeitet, die in Fig. 5 dargestellt ist. Es wird besonders hervorgehoben, daß dieser Endteil 42 ohne einen Schmiedevorgang und mit minimalem Abfall hergestellt wurde.

Die beschriebenen Behälter wurden unter Verwendung eines Argongasautoklaven der Wärme und dem Druck ausgesetzt. Es ist klar, daß jedoch auch andere Mittel verwendet werden können, um Hitze

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2*

und Druck zu erzeugen. Ein Verfahren, das vom Erfinder entwickelt wurde, umfaßt das Fressen des Behälters zwischen den Preßstempeln einer Fresse.

Um das Pulver unter Verwendung einer Presse verdichten zu können, ist eine übliche mechanische oder hydraulische Presse mit einem oberen und unteren Formteil ausgestattet, das den oberen und unteren Formteilen 82 und 84 entspricht, die in Fig. 7 dargestellt sind. Das untere Formteil 84 umfaßt einen Formhohlraum zur Aufnahme eines vorerhitzten, pulvergefüllten Behälters. Der obere Formteil 82, der am Stempel der Presse angeordnet ist, umfaßt einen Vorsprung 88, der in einer Ausnehmung 86 eintritt, um Druck auf den Behälter auszuüben. Da der Behälterwerkstoff auf eine Temperatur vorerhitzt ist, bei dem ein plastisches Fließen relativ leicht erfolgt, und da der untere Formteil 84 den Behälter einsperrt, wird der Behälterwerkstoff wie eine Flüssigkeit wirken, um das Pulver einem hydrostatischen Druck auszusetzen. Da das Pulver in dem Behälter sich unterhalb der vollen Dichte befindet, wird der Druck auf den Behälterwerkstoff das Verdichten des Pulvers bewirken. Die Verdichtung wird fortschreiten, bis das Pulver seine volle Dichte erreicht. An diesem Punkte hat die gesamte Masse, d.h. der Behälterwerkstoff und das Pulver, seine völlige Dichte erreicht. Der Behälter wird dann aus dem unteren Formteil 84 entnommen und das Behältermaterial vom verdichteten Pulverpreßling entfernt.

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Ss wird darauf hingewiesen, daß die Seitenwände 90 der Aussparung 86 in dem unteren Formteil 84 geneigt sind und daß die Seiten des Behälters 96 in einem entsprechenden Winkel ausgebildet sind, um das Entfernen des Behälters aus dem unteren Formteil 84 nach dem Fressen zu erleichtern. Der obere Formteil 82 ist ebenfalls der Abschrägung des unteren Formteiles 84 entsprechend schräg ausgebildet. Wenn eine mechanische Presse verwendet wird, könnte eine Beschädigung der Presse hervorgerufen werden, wenn das Pulver seine volle Sichte erreicht, bevor der Stempel der Presse das Ende seiner Abwärtsbewegung erreicht, da der Stempel gegen die völlige dichte und nicht nicht komprimierbare Masse arbeitet. Dies würde ein Bruch der Pressenkurbelwelle oder zumindest eine Beschädigung der Presse bewirken. Dieses Problem tritt bei einer hydraulischen Presse nicht auf, da deren Pressenhub endet nach dem Erreichen des vorbestimmten Druckes.

um eine Beschädigung einer mechanischen Presse zu verhindern, sind die oberen und unteren Formteile 82 und 84 so gestaltet, daß sie ein gesteuertes Austreten von Behälterwerkstoff zwischen den Formteilen gestatten, wenn der Druck ein vorbestimmtes Maximum überschreitet. Mit anderen Worten: zwischen den Selten 90 der Aussparung 86 des unteren Formteiles und den Seiten 92 des Yorsprunges 88 des oberen Formteiles 82 ist ein Spalt vorgesehen, der die Bildung eines Austriebes bei überschüssigem Druck ermöglicht. Um sicherzustellen, daß der Druck, der vom

Behälter aufgenommen wird, genügend groß ist, um eine völlige

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Verdichtung des Pulvers zu gewährleisten, kann es erforderlich sein, um das ausfliesende Behältermetall zu zwingen« einem gewundenen Weg zu folgen. Beispielsweise können die Seiten 92 des oberen Formteiles 82 fortgesetzt sein, um eine gekrümmte Oberfläche 94 zu bilden, die dem FIuB des Behältermetalls widersteht, indem sie dessen Strömungsrichtung umkehrt, und damit den Weg des Werkstoffes verlängert. Die zusätzliche Oberfläche erhöht darüber hinaus den gesamten Reibungswiderstand, dem der Werkstoff ausgesetzt ist. Auf Jeden Fall sind die oberen und unteren Formteile so gestaltet, daß Oberdruck durch gesteuerten Abfluß von Behälterwerkstoff vermieden wird.

Sin Behälter, der insbesondere zur Verdichtung des Pulvere unter Verwendung einer Presse gestaltet ist, ist als Ganzes mit 96 in Fig. 6 bezeichnet. Der innere Formhohlraum des Behälters zeigt die ziemlich komplizierten Gestalten, welche nach diesem Verfahren hergestellt werden können. Es ist klar, daß Hahe-Bndformen leicht hergestellt werden können. Der Behälter 96 umfaßt einen oberen Teil 98 und einen unteren Teil 100, die maschinell aus Kohlenstoffstahl geringen Kc/hlenstoffgehaltes maschinell hergestellt sind. Ein Kern 102 ist aus dem gleichen Werkstoff ebenfalls maschinell hergestellt und zwischen den oberen Teil 98 und den unteren 100 eingepaßt. Wie bei den vorbeschriebenen Behältern ist der obere und der untere Teil an ihren Paßflachen durch eine Schweißüng 104 miteinander verschweißt. , -

709849/1157 " ³¹ "

Um den Formhohlraum, der durch die Wände des Behälters 96 gebildet ist, mit Puder zu füllen, ist der obere Teil 98 mit einem oder mehreren Kanälen 104 versehen, die in den Formhohlraum einmünden. Die Kanäle 104 erstrecken sich durch einen konisch gestalteten Bereich 106, der am oberen Teil 98 des Behälters ausgebildet ist und gehen in eine einzige öffnung 108 über. Ein Füllrohr 110 ist an den oberen Teil 98 des Behälters an dieser Öffnung 108 angeschweißt, um das Einfüllen von Pulver in die Kanäle 104 zu ermöglichen. Sas Füllrohr 110 wird ferner dazu benutzt, eine Vakuumpumpe an den Behälter 96 zum Evakuieren des Formhohlraumes vor dem Füllen mit Pulver anschließen zu können.

Nachdem der Behälter 96 evakuiert und mit Pulver gefüllt ist, wird das Füllrohr 110 durch Zusammendrücken geschlossen, wie dies bei 111 angedeutet ist.

Wenn das Pulver durch Pressen in einer Presse verdichtet werden soll, ist es erforderlich, das Füllrohr 110 gegen Beschädigung zu schützen. Da im Innern des Behälters 96 ein Vakuum herrscht, könnte die Beschädigung des Füllrohres 110 zu einem Leck führen, wodurch Verunreinigung des Pulvers auftreten könnte. Um ein Beschädigen des Füllrohres 110 zu verhindern, ist ein mit 112 bezeichneter Schutzschild am Behälter angeschweißt und umgibt das Füllrohr 110. Der Schutzschild 112 umfaßt eine Hülse 114, die über das Füllrohr 110 geschoben ist,

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und ist mit dem Behälter 96 verschweißt. Um eine zusätzliche Abstützung zu schaffen, ist der freie Raum in der Hülse 114 mit Pulver angefüllt. Ein Verschlußstopfen 116 ist danach in die Eingangsöffnung der Hülse 14 eingeschweißt.

Sie obere Form bzw. die obere Preßmatrize 82 hat eine speziell geformte Ausnehmung, die der äußeren Gestalt des Oberteiles des Behälters 96 entspricht. Diese umfaßt eine abgeschrägte Aussparung 118, die der Größe und der Gestalt des konischen Bereiches 106 des Behälters 96 entspricht. Eine Vertiefung 120 der abgeschrägten Aussparung ist ferner eingeformt, um den Schutzschild 112 aufnehmen zu können, der auf der Spitze des Behälters 96 angebracht ist. Es wird darauf hingewiesen, daß die Vertiefung 120 ebenfalls kegelstumpfartig ist, und daß der

mit Schutzschild 112 einem entsprechenden Neigungswinkel versehen ist, um das Trennen der oberen Form 82 vom Behälter 96 zu erleichtern.

Sb ist nicht wesentlich, daß der Behälter 96 einen kuppelartigen Bereich 106 umfaßt. Als Alternative könnte der Behälter auch die Gestalt haben, die durch strichpunktierte Linien 121 in Fig. 6 angedeutet ist. Sie dargestellte Behälterform erfordert jedoch wesentlich weniger Werkstoff, als die Alternativform und ist aus diesem Grunde vorzuziehen.

Ein typisches Verfahren zum Verdichten von Pulver unter Ver-

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Wendung einer Fresse umfaßt die folgenden Schritte. Nachdem der Behälter 96 hergestellt ist, wird eine Vakuumpumpe an das Füllrohr 110 angeschlossen und der Hohlraum des Behälters ausgepumpt bis su einem Niveau von etwa 10 Mikron. Nach der Evakuierung wird der Behälter mit Pulver angefüllt, wobei der Formhohlraum unter Vakuum gehalten wird. Dies kann durch die Verwendung einer T-förmigen Verbindung am Füllrohr 110 bewirkt werden, deren einer Zweig mit der Vakuumpumpe verbunden ist, während deren anderer Zweig mit der Pulverzuführung verbunden ist. Nach dem Füllen wird das Füllrohr 110 geschlossen. Dies kann durch Zusammendrücken des Füllrohres 110 und Verschweißen des zusammengedrückten Endes bewirkt werden.

Wie bereits beschrieben wurde, wird dann der Schutzschild 112 am Behälter .96 so befestigt, daß er das Füllrohr 110 umgibt. Der Behälter 96 wird dann in einem Ofen auf eine Temperatur erhitzt, bei der das Pulver verdichtet wird. Der Behälterwerkstoff ist so gewählt, daß bei der Verdichtungstemperatur der Behälterwerkstoff zu einem plastischen Fließen in der Lage ist, wenn er einem Druck ausgesetzt wird, der ausreichend ist, um die Verdichtung des Pulvers zu bewirken. Ss wurde festgestellt, daß der Behälter und das Pulver für die meisten Anwendungen auf eine Temperatur zwischen 927° C und 1160° C erhitzt werden. Die spezifische Temperatur wird im Hinblick auf die Legierungszusammensetzung des Pulvers gewählt, das verdichtet werden soll. Geeignete Verdichtungstemperaturen sind für übliche Legierungen

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allgemein bekannt. Innerhalb dieses Temperaturbereiches wird ein aus Kohlenstoffstahl geringen Kohlenstoffgehaltes bestehender Behälter seine strukturelle Unversehrtheit behalten, jedoch in der Lage sein, bei Drücken, die 5000 psi übersteigen, plastisch zu fließen. Der erhitzte Behälter wird dann zu einer Presse zum Verdichten des Pulvers überführt.

Mit Titanpulver wurde ein Versuch gemacht unter Verwendung eines Behälters, der die Gestalt des Behälters 96 hat, indem dieser auf eine Temperatur von etwa 954° C erwärmt und einem Druck von etwa 15000 psi durch eine übliche mechanische Presse ausgesetzt wurde, wobei Werkzeuge benutzt wurden, die den in Fig. 7 dargestellten entsprachen. Nach dem Erhitzen in dem Ofen i'ür eine Zeit, die ausreicht, um durch und durch eine gleiche Temperatur zu erlangen, wurde der Behälter zu einer Presse überführt, die mit Formen bzw. Matrizen versehen war, die die Gestalt der oberen undAinteren Formen 82 und 84 hatten. Die Presse führte dann einen einzigen Arbeitszyklus durch. Wie bereits beschrieben wurde, fließt der erhitzte Behälterwerkstoff, da der Behälter von der unteren Form 82 umgeben ist und setzt das Pulver einem hydrostatischen Druck aus, der dessen Verdichten bewirkt. Danach wird der Behälter 96 aus der unteren Form 82 entnommen und gekühlt. Der Behälter wird dann vom verdichteten PuIverpreßling entfernt.

Das Verdichten des Pulvers unter Verwendung einer Presse an-

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stelle eines Autoklaven ist vorteilhaft, da die Zykluszeit bei maximaler Temperatur wesentlich herabgesetzt werden kann. Die typische Zykluszeit in einem Autoklaven kann leicht vier Stunden vom Beladen bis zum Entladen übersteigen, während die Zykluszeit für eine Presse in Minuten meßbar ist. Darüber hinaus sind Autoklaven, die im Bereich von 15000 psi arbeiten, hoch entwickelte Einrichtungen und daher sehr teuer. Aus diesem Grunde vereinfacht die Verwendung von mechanischen oder hydraulischen Pressen den Verdichtungsprozeß wesentlich.

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Claims

272A524³¹· ^{Mai 1977}

Kelsey-Hayes Company
Romulus, Michigan, USA

Patentansprüche

(T. Behälter zum heißen Verdichten von Pulver aus metallischer und nichtmetallischer Zusammensetzung und Verbindungen davon durch die Anwendung von Hitze und Druck, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter aus einer Masse eines Behälterwerkstoffes besteht, die fast völlig dicht, inkompressibel und bei Preßtemperaturen in der Lage ist, plastisch zu fließen, daß in der Masse ein Formhohlraum vorbestimmter Gestalt zur Aufnahme einer Menge von Pulver ausgebildet ist, wobei die Masse um den Formhohlraum herum Wände solcher Dicke bildet, daß die äußere Oberfläche der Masse nicht eng der Kontur des Formhohlraumes folgt, und daß die Masse beim Einwirken von Hitze und Druck auf den Behälter als Flüssigkeit wirkt und einen hydrostatischen Druck auf das im Formhohlraum enthaltene Pulver ausübt.
2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennz e i c h η et , daß der Behälterwerkstoff ein Werkstoff auf Metallbasis ist.

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ORIGINAL
3. Behälter nach Anspruch 2, dadurch gekennz ei c h η e t , daß der Behälterwerkstoff in der Lage ist bei Temperaturen, die oberhalb von 260° C liegen, plastisch zu fließen ohne dabei die strukturelle Unversehrtheit des Behälters zu verlieren.
4. Behälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff auf Metallbasis ein Kohlenstoffstahl geringen Kohlenstoffgehaltes ist.
5. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälterwerkstoff gasundurchlässig ist.
6. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälterwände über einen Querschnittsbereich von der äußeren Oberfläche zum besagten Formhohlraum hin im wesentlichen gleichmäßig in Zusammensetzung sind.
7. Behälter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälterwände in ihrer Dichte gleichmäßig sind.
8. Behälter nach Anspruch 1, gekennzeichnet

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durch mehrere Behälterteile (50, 52, 54), die je einen Bereich des Formhohlraumes bilden.
9. Behälter nach Anspruch 8 mit einem kompliziert gestalteten Formhohlraum, der einen im wesentlichen scheibenförmigen Bereich und einen etwa ringförmig gestalteten Bereich umfaßt, der sich seitlich vom scheibenförmigen Bereich erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter einen ersten Hauptteil (50), einen zweiten Hauptteil (52) und einen Zwischenteil (54) umfaßt, der zwischen den beiden Hauptteilen angeordnet ist, daß der erste Hauptteil (50) und der Zwischenteil (54) Oberflächen umfaßt, die den scheibenförmigen Bereich bilden, und daß der zweite Hauptteil (52) und der Zwischenteil (54) Oberflächen umfassen, die den ringförmig gestalteten Bereich bilden.
10. Behälter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Hauptteil (50, 52) zusammenfügbare Faßflächen umfassen. ;
11. Behälter nach Anspruch 10, dadurch gekenn-

i zeichnet, daß die Behälterteile zusammenwirkende j ineinanderpassende Mittel zum lokalisieren und Tragen des Zwischenteiles (54) zwischen dem ersten und dem zweiten Hauptteil (50 und 52) aufweisen.

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12. Behälter nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Zugangsöffnung (68, 70), die mit dem Hohlraum (44) zum Pullen desselben mit Pulver in Verbindung steht.
13. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser mehrere Wände von nicht

gleichmäßiger Stärke umfaßt, die eine äußere und eine innere Oberfläche haben, wobei die innere Oberfläche einen Formhohlraum von vorbestimmter Gestalt zur Aufnahme des zu verdichtenden Pulvers umfaßt, daß die Wände aus einem Behälterwerkstoff bestehen, der fast völlig dicht und inkompressibel und bei Temperaturen oberhalb von 260° C zu einem plastischen Fließen in der Lage sind, ohne dabei die strukturelle Unversehrtheit zu verlieren, und daß die Wände eine Stärke haben, daß die äußere Oberfläche nicht der Kontur der den Formhohlraum bestimmenden inneren Oberfläche folgt.
14. Behälter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Formhohlraumes nicht größer als das Gesamtvolumen der Wände ist.
15. Verfahren zua heißen Verdichten von Pulver aus metallischer und nichtmetallischer Zusammensetzung und Verbindungen davon, zum Formen eines verdichteten PreßlInges, d a -

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durch gekennzeichnet, daß

a) ein Behälter durch Formen eines Formhohlraumes

geschaffen wird, der die Gestalt des zu erzeugenden Preßlinges hat, aus einem Behälterwerkstoff, der fast völlig dicht und inkompressibel und in der Lage zum plastischen Fließen bei erhöhten Temperaturen ist, wobei das Volumen des Behälterwerkstoffes groß gegenüber dem Volumen des Formhohlraumes ist, und Wände um diesen von ausreichender Stärke bildet, so daß die äußere Oberfläche der Wände nicht eng der Kontur des Formhohlraumes folgt,

b) daß der Formhohlraum mit einem zu verdichtenden Pulver angefüllt wird,

c) daß der Behälter hermetisch verschossen wird,

d) daß der Behälter und das Pulver auf eine Temperatur erhitzt wird, bei dem der Behälterwerkstoff zu einem plastischen Fließen in der Lage ist und das Pulver durch Sintern verschmilzt, und ein äußerer Druck auf den Behälter ausgeübt wird, durch den der Formhohlraum schrumpft, um

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das Pulver zu verdichten und einen Preüling zu formen und

e) daß der Behälter und der Preßling gekühlt und der Behälter vom Preßling entfernt wird.
16. Verfahren zum Herstellen eines Behälters zum heißen Verdichten von pulverßrmigem Werkstoff, dadurch gekennzeichnet,

a) daß Bereiche eines Formhohlraumes in Teilen aus Werkstoff geformt werden, wobei das Volumen der Teile wesentlich größer im Vergleich zum Gesamtvolumen des darin enthaltenen Formhohlraumes ist, wobei Wände um den Pormhohlraum herum von ausreichender Dicke so ausgebildet werden, daß die äußere Oberfläche der Wände nicht eng der Kontur des Formhohlraumes folgt,

b) daß diese Teile zur Bildung eines vollständigen Formhohlraumes zusammengefügt werden und

c) daß eine Möglichkeit zum Füllen des Formhohlraumes mit Pulverwerkstoff vorgesehen wird.

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17. Verfahren zum HeißverdicHten von Pulver aus metallischer und nichtmetallischer Zusammensetzung und Verbindungen davon zum Formen eines verdichteten Pulverpreßlings, dadurch gekennzeichnet,

a) daß eine Menge von Pulver in einen dickwandigen Metallbehälter eingeschlossen wird, dessen Wände fast völlig dicht und inkompressibel sowie zu einem plastischen Fließen bei vorbestimmten Temperaturen und Drücken in der Lage sind,

b) daß der Behälter und das Pulver auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der sich das Pulver verdichtet und

c) daß auf den erhitzten Behälter durch Pressen j

des Behälters zwischen die Matrizen einer Pres-

se Druck ausgeübt wird, wobei der Bebälter von ^!

den Matrizen umgeben ist und der aufgewendete ; Druck eine ausreichende Größe hat, um ein ; plastisches Fließen der Behälterwände zu bewirken und das Pulver einem hydrostatischen Druck auszusetzen, der dessen Verdichten bewirkt.

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18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein gesteuerter Ausfluß von Behälterwerkstoff aus den Preßmatrizen vorgesehen ist, um ein Zerstören der Presse zu verhindern, wenn der Preßdruck einen bestimmten Maximalwert überschreitet.
19. Verfahren zum Heißverdichten von Pulver zum Bilden eines verdichteten Pulverpreßlings, dadurch gekennzeichnet,

a) daß eine Menge von Pulver in einen dickwandigen Behälter aus Kohlenstoffstahl geringen Kohlenstoffgehaltes eingeschlossen wird, wobei die Wände des BetfiLters fast völlig dicht, inkompressibel und zu einem plastischen Fluß bei Temperaturen oberhalb von 538° und bei Drücken von mehr als 5000 psi in der Lage sind,

b) daß der Behälter und das Pulver auf eine Temperatur von höher als 538° erhitzt werden und

c) daß ein Druck von etwa 5000 psi auf den Behälter ausgeübt wird, indem dieser zwischen den Matrizen einer Presse gepreßt wird, wobei diese den Behälter umschließen, wodurch ein plastischer Fluß der Behälterwände erzeugt

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wird, der auf das Pulver einen hydrostatischen Druck ausübt und dieses verdichtet.
20. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Einbringen von Pulver in den Formhohlraum dienende Füllrohr von einem Schutzschild (112) umgeben ist.
21. Verfahren zum Einschließen von Pulver in einen Behälter vor dem heißen Verdichten durch ein Verfahren, bei dem ein Pulver-gefüllter vorerhitzter Behälter zwischen den Formmatrizen einer Presse gepreßt wird, dadurch gekennzeichnet,

a) daß ein Behälter geschaffen wird, der mehrere Wände aufweist, die einen Formhohlraum vorbestimmter Gestalt bilden, der mindestens einen mit dem Formhohlraum kommunizierenden Kanal zu dessen Füllung mit Pulver und ein Füllrohr umfaßt, das mit dem Behälter am Kanal zum Einbringen von Pulver verbunden ist,

b) Evakuieren des Formhohlraumes durch Verbinden des Füllrohres mit einer Vakuumpumpe,

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c) Füllen des Formhohlraumes mit Pulver unter Aufrechterhaltung des Vakuums,

d) Verschließen des Füllrohres und

e) Anbringen eines SchutzSchildes am Behälter, der das Füllrohr umgibt.

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