DE2724524B2

DE2724524B2 - Behalter zum Heißpressen von Formkörpern verwickelter Gestalt aus Pulver

Info

Publication number: DE2724524B2
Application number: DE2724524A
Authority: DE
Inventors: Walter J. Birmingham Mich. Rozmus (V.St.A.)
Original assignee: Kelsey Hayes Co
Current assignee: Kelsey Hayes Co
Priority date: 1976-06-03
Filing date: 1977-05-31
Publication date: 1979-04-05
Also published as: MX145009A; FR2400403A1; CH626550A5; JPS5625484B2; NO153558C; JPS5314109A; FR2400403B1; DE2724524A1; NO771945L; IT1126737B; CA1090623A; BR7703595A; NO153558B; IL52214A0; GB1585583A; IL52214A; SE440496B; SE7706426L

Description

Die Erfindung betrifft einen Behälter zum Heißpressen von Pulver von metallischer und nichtmetallischer Zusammensetzung und Verbindungen davon sowie ein Verfahren zur Verwendung desselben.

Das Heißpressen von metallischen, intermetallischen und nichtmetallischen Pulvern und Verbindungen davon ist in der Industrie üblich. Die Vorteile des Heißpressen gegenüber anderen Techniken zum Verdichten von Pulvern sind bekannt In einigen Fällen ist das Heißpressen die einzige praktische pulvermetallhirgische Technik zum Verdichten von gewissem Hochtemperaturwerkstoff. Zum Beispiel wird es für Superlegierungen auf Nickelbasis, beispielsweise IN-100, ver wendet

Der Behälter wird im allgemeinen vor dem Anfüllen evakuiert und dann hermetisch abgeschlossen. Hitze und Druck wirken dann auf den gefüllten und dichten Behälter ein. Dies kann in einem 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. Gleichzeitig bewirkt die Hitze, daß das Pulver zusammensintert Dieses Verfahren zum Verdichten von Pulver bezieht sich im allgemeinen auf das isostatische Heißpressen. In kurzen Worten: die Kombination von Hitze und Druck bewirkt ein Verdichten des Pulvers in eine im wesentlichen völlig dichte Masse, in der die einzelnen Pulverpartikel ihre Eigenart verloren haben.

Nach dem Heißpressen wird der Behälter vom Sinterkörper entfernt Dieser kann danach weiterbehandelt werden, beispielsweise durch Schmieden, spanabhebendes Bearbeiten und/oder Wärmebehandein, um ein fertiges Teil zu erhalten.

Ein extrem kritisches Element des Heißpressens sind die Art und die Eigenschaften des Behälters. 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 darf nicht oder nur wenig mit dem in ihm enthaltenen Pulver reagieren oder Schritte müssen unternommen werden, den Behälter vom Pulver abzuschirmen. Da der Behälter hermetisch abgeschlossen und in einigen Fällen evakuiert sein muß, muß er 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 Sinterkörper erzeugt

werden kann. In anderen Worten: mit einigen Arten von Behältern ist man nur in der Lage, einfache Barrenformen und rohe Verformen herzustellen, die ein intensives anschließendes Bearbeiten erforderlich machen, um ein fertiges Teil zu erzeugen.

Wegen der hohen Kosten des Wefkstoffes und der Bearbeitung wurden Anstrengungen gemacht, um Behälter zu entwickeln, die in der Lage sind, Sinterkörper großer Präzision zu erzeugen. Solche Körper werden im allgemeinen als Beinah-Endform« bezeichnet; sie machen nur ein spanabhebendes Bearbeiten oder einen geringen Schmiedevorgang erforderlich, um die Endform zu erzeugen. Die Erfindung betrifft nuß einen Behälter zum Heißpressen von Beinah-Endformen. Die bekannten Behälter sind aus verschiedenen Werkstoffen hergestellt worden. Die den üblichen Industriepraktiken am besten widerstehenden Behälter bestehen aus Metall. Der günstigste metallische Werkstoff für den Behälter wird im allgemeinen im Hinblick auf die Zusammensetzung des zu verdichtenden Pulvers gewählt.

Metallbehälter zum Heißpressen von Superlegierungen auf Nickelbasis werden im allgemeinen aus korrosionsbeständigem Stahl hergestellt

Beispiele von typischen Metallbehältern sind in den US-PS 3340053 und 33 56496 beschrieben. Es ist hervorzuheben, daß diese Metallbehälter von einfacher Gestalt und relativ dünnwandig sind. Der Grund für die Verwendung dünnwandiger Behälter besteht in dem Bemühen, das Verhalten von flexiblen Gummisäcken so eng wie möglich zu kopieren, die zum isostatischen Pressen von Pulvern nahe Raumtemperatur benutzt wurden. Solche Gummisäcke konnten in der Tat nicht für die erhöhten Temperaturen verwendet werden, die zum Heißpressen 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. Die 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 zu Faltenbildung in weicheren Bereichen. Werden einfache Formen, wie Barren oder Schmiedevorformen hergestellt, können solche Oberflächenmängel manchmal toleriert werden, da diese Mangel 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 Sinterkörper häufig wegen der nicht gleichmäßigen Reduktion der Gestalt des Behälters verworfen ist Mit anderen Worten: die Gestalt des Sinterkörpers unterscheidet sich 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 Sinterkörpers mit großem Obermaß aufgefangen werden können, was jedoch ein 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, Beinah-Endformen zu erzeugen. So beschreibt die GB-PS 13 39 669 ein Verfahren zum Verdichten von Metallpulver, bei dem ein relativ dickwandiger Behälter gebildet wird, in dem zwei Fonnhälften miteinander verbanden werden, die aus gesintertem Metallpulver hergestellt sind und durch Umschließen dieser Formhälften von einer äußeren Metallschicht Die Formhälften sind aus gesintertem Metallpulver hergestellt, so daß die Dichte der Wände der Formhälften annähernd gleich der Dichte des Pulvers ist, das in dem durch die Formhälften gebildeten Hohlraum enthalten ist Nach der Anwendung von Hitze und Druck soll die Dichte des Behälters und des darin enthaltenen Pulvers gleichzeitig zu einem gleichmäßigen Sinterkörper aus Pulver ohne Verw erfungen ansteigen. Eine andere Abweichung vom traditionellen dünnwandigen Metallbehälter ist in der US-PS 3230 286 beschrieben. Der in dieser Patentschrift beschriebene Behälter ist aus einem Metall, wie Cer, Wismut, Caesium oder deren Verbindungen hergestellt, die einer abrupten Volumenreduktion bei einem vorbestimmten Druck unterliegen. Die abrupte Volumenreduktion erfolgt dank einer Neuordnung des Kristallgitters des Werkstoffes, die durch den aufgewendeten Druck hervorgerufen wird.

Es ist auch ein Verfuhren (US-PS 38 66 303 bekannt, bei dem dickwandige Behälter zum Verdichten eines in diese eingefüllten Metallpulvers im offenen Walzenspalt verformt werden. Dabei erfolgt keine allseitige Kompression, sondern ein Zusammendrücken des Metallpulvers in dem Behälter zwischen den beiden Walzen unter gleichzeitiger starker seitlicher Breitung. Beim isostatischen Heißpressen hingegen erfolgt keine seitliche Breitung, sondern eine allseitige Kompression und damit eine Verringerung aller Dimensionen des Preßkörpers, so daß dieser die Beinah-Endform erreicht Wenn andere Werkstoffe als Metalle benutzt wurden, wie Glas oder Keramik, wurden die Behälter-Wände ebenfalls relativ dünn gemacht Waren sie nicht dünn, so war der Behälter von besonderer Form, beispielsweise aus einem Innen- und Außenbehälter, wie US-PS 37 00 435 zeigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Behälter zu schaffen, mit dem Präzisionssinterkörper hergestellt werden können, und der darüber hinaus so beschaffen sein soll, daß das Heißpressen ohne Verwendung eines Autoklaven in einem Pressengesenk mittels einer üblichen Presse erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Behälter aus einem metallischen Werkstoff besteht und Wände solcher Dicke besitzt, daß die Außenfläche des Behälters nicht eng der Kontur des Formhohlraumes folgen, sondern — im Falle eines Heißpressens in einer Presse — das Innere eines Pressengesenkes optimal ausfüllen, wobei die Wände des Behälters während des Heißpressens als Flüssigkeit wirken und einen hydrostatischen Druck auf das im Formhohlraum enthaltene Pulver ausüben. Mit anderen Worten: Es ist nicht erforderlich, als Behälterwerkstoff ein Glas zu verwenden (DE-PS 19 01766), um im erhitzten Zustand unter Druck einen fließfähigen Behälter zu haben, oder einen porösen Werkstoff (GB-PS 13 99 669, US-PS 37 00435) oder einen Werkstoff, der einer abrupten Schrumpfung unterliegt (US-PS 32 30 286). Die Ausübung eines hydrostatischen Druckes auf das im Fonnhohlraum enthaltene Pulver wird durch die große Dicke der Wände des Behälters bewirkt. Zwischen dem zu verdichtenden Pulver und die Innenwände eines Pressengesenkes ist ein großes

Volumen eines bei Hitze und Druck fließfähigen metallischen Werkstoffes geschaltet, so daß die dem Pulver benachbarte Oberfläche des Werkstoffes allseitig auf das Pulver einen gleichmäßigen Druck ausübt und damit ein gleichmäßiges Verdichten ermöglicht.

Der erfindungsgemäße Behälter bildet eine radikale Abkehr von den allgemein für Behälter zum Heißverdichten von Pulver angenommenen Grundsätzen. Die Tatsache, daß der Behälter in der Lage ist, einen hydrostatischen Druck auf das Pulver auszuüben, erleichtert ein gleichmäßiges Verdichten, ermöglicht eine dichtere Annäherung an die Endabmessungen und reduziert Verwerfungen. Damit ist es möglich, Beinah-Endformen zu erzeugen. Der Werkstoff des Behälters ist im wesentlichen vollkommen dicht und inkompressibel. Die Wände des Behälters, die den Formhohlraum umgeben, sind dicker als diejenigen, die nach dem Stande der Technik in der Lage waren, einen Druck zu übertragen. Alle bisher bekannten Behälter, die Wände von einer beträchtlichen Dicke haben, sind aus einem kompressiblen oder besonderem Werkstoff hergestellt worden. Der Erfinder hat nun festgestellt, daß die Dicke der Behälterwände die Verdichtung nicht behindert, sondern daß es im Gegenteil erwünscht und wesentlich zum Erzeugen eines hydrostatischen Druckes an der Zwischenfläche zwischen dem Behälterwerkstoff und dem im Behälterhohlraum befindlichen Pulver ist

Der erfindungsgemäße Behälter wurde insbesondere zum Verdichten von Superlegierungspulver bestimmt, wie IN-100, das die Legierungselemente Aluminium, Titan, Tantal, Niob, Molybdän, Wolfram, Chrom und Kobalt enthält IN-100 und andere Superlegierungen werden beispielsweise für Teile von Turbinen wegen ihrer hohen Festigkeit bei erhöhten Temperaturen verwendet Diese sind jedoch schwer verarbeitbar. Übliche Formtechniken können nicht einfach verwendet werden, da die vielen Legierungselemente Ausscheidungsprobleme erzeugen. Zusätzlich macht die Festigkeit dieser Legierungen ein Schmieden bei hohen Temperaturen schwierig und kostspielig. Infolgedessen ist es erforderlich geworden, pulvermetallurgische Techniken zu benutzen. Bis heute machten die pulvermetallurgischen Techniken häufig ein mehrfaches Schmieden und spanendes Bearbeiten erforderlich, um eine Endform zu erhalten. Aus diesem Grunde sind Anstrengungen gemacht worden, für Präzisionskorper die Schmiedearbeit zu verringern oder in Fortfall zu bringen und die Menge an Werkstoff herabzusetzen, die durch maschinelles Bearbeiten entfernt werden muß, um ein Fertigteil zu erzeugen. Der gemäß der Erfindung konstruierte Behälter erbringt diesen Vorteil.

Weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert In diesen Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Behälter zum Heißpressen von Pulver, wobei dessen Form von dem Heißpressen in ausgezogenen Linien und nach dem Heißpressen mit strichpunktierten Linien dargestellt ist;

Fig.2 einen Teflschnitt des in Fig. 1 dargestellten Behälters, aus dem die Kräfteverteilung ersichtlich ist, wenn auf den Behälter ein Druck ausgeübt wird;

F i g. 3 einen anderen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Behälters;

Fig.4 einen Querschnitt durch einen Sinterkörper aus dem in F i g. 3 dargestellten Behälter;

Fig.5 einen Querschnitt durch ein bearbeitetes Fertigteil aus dem Sinterkörper nach F i g. 4;

F i g. 6 einen Querschnitt durch einen Behälter, der

insbesondere zum Heißpressen in einer Presse geeignet ist, und

Fig.7 einen Querschnitt durch einen oberen und unteren Formteil zur Verwendung in Verbindung mit dem in F i g. 6 dargestellten Behälter.

In F i g. 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 Formteil 14. Bei dem in

to der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Formteile 12 und 14 aus Kohlenstoffstahl, 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

Werden beide Formteile 12 und 14 längs ihrer einander zugewandten Paßflächen miteinander verbunden, bilden beide Formteile einen Formhohlraum 16, der die vorbestimmte Gestalt hat Der in F i g. 1 dargestellte Behälter 10 dient zur Herstellung einer Turbinenscheibe für eine Jetturbine. Für diese spezielle Turbinenscheibe umfaßt der Formhohlraum 16 einen Hauptbereich 18.

Die Abmessung und die Gestalt des Formhohlraumes ist im Hinblick auf die bearbeitete Endform des zu erzeugenden Teiles mit entsprechendem Übermaß gewählt

Bevor der obere Formteil mit den unteren verbunden wird, wird ein Loch 22 in einen 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 vakuumdichte Schweißnähte verbunden.

Nach dem Anbringen des Füllrohres 24 werden die beiden Formteile 12 und 14 passend aufeinander gesetzt und vakuumdicht miteinander verschweißt Um das Schweißen zu vereinfachen, sind die äußeren Ränder der Formteile 12 und 14 etwa im Winkel von 45° angefast Wenn die beiden Formteile 12 und 14 verbunden sind, bilden die angefasten Ränder eine Schweißrinne 26 zur Aufnahme des Schweißwerkstoffes 28.

Ein Merkmal der dickwandigen Behälter ist daß das Volumen des Formhohiraumes 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 Beinah-Endformen. Obwohl zur Herstellung des Behälters 10 ein Stahl mit

geringem Kohlenstoffgehalt benutzt wurde, können auch andere Werkstoffe verwendet werden. Ein geeigneter Behälterwerkstoff ist durch einige physikalische Eigenschaften gekennzeichnet Der besagte Kohlenstoffstahl als Werkstoff für den Behälter 10 hat eine fast vollkommene Dichte, soweit dies durch Standardherstellungsverfahren erreichbar ist Dieser Stahl ist ferner fast inkompressibel, da sein Volumen nicht erheblich durch Anwendung von Druck reduziert werden kann. Der Behälterwerkstoff muß auch gasundurchlässig sein. Diese physikalischen Eigenschaften unterscheiden den Behälterwerkstoff der Erfindung von den Werkstoffen, die bisher verwendet wurden. Weitere Unterscheidungsmerkmale sind diejenigen, daß die Behälterwände etwa gleichmäßig über den Querschnitt von der äußeren Oberfläche zum Formhohlraum hin sind und daß die Behälterwände etwa gleichmäßige Dichte haben.
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, schon bei Raumtemperatur plastisch zu fließen; aus diesem Grunde muß auch der Größe des Druckes Beachtung geschenkt werden, die erforderlich ist, ein plastisches Fließen im Behälterwerkstoff bei der entsprechenden Preßtemperatur zu bewirken. Sind Druck und Temperatur bestimmt, wird ein Behälterwerkstoff ausgewählt, der plastisch ist Im Falle von IN-100 liegen die Preßtemperaturen zwischen 1010⁰C und 1204⁰C. Bei Temperaturen von 1010⁰C bis 1204⁰C kann ein bemerkenswertes plastisches Fließen induziert werden durch die Anwendung von Drücken von 70 bis 105 N/mm². Obwohl diese Drücke allgemein in der Praxis verwendet werden, können tiefere oder höhere Drücke verwendet werden. In allen Fällen hängt das Ausmaß des plastischen Flusses von der Zugfestigkeit des Werkstoffes bei der Preßtemperatur ab.

Ein wichtiges Merkmal ist die strukturelle Unversehrtheit des Behälters während des Heißpressens.

Eine andere wichtige physikalische Eigenschaft des Behälterwerkstoffes ist ein Ausdehnungskoeffizient Wenn komplizierte Formen mit Hinterschneidungen oder dergleichen hergestellt werden muß, daß die thermische Ausdehnung so eng wie möglich derjenigen des zu verdichtenden Werkstoffes entsprechen.

Obwohl eine kritische Differenz nicht genau bestimmt wurde, ist es bekannt, daß die Differenz der thermischen Ausdehnung zwischen einem SAE 1010-Stahl und IN-100 nicht schädlich ist Um den besten Behälterwerkstoff zur Verdichtung anderer Pulverarten zu bestimmen, können Proben erforderlich sein.

IN-100-Pulver und andere Superlegierungen werden im allgemeinen bei Temperaturen zwischen 1100" C und 1204⁰C und bei Drücken von 70 bis 105 N/mm² verdichtet Derartige Drücke können leicht in handelsüblichen Autoklaven erreicht werden. Unter solchen Bedingungen wirken die Wände eines dickwandigen Kohlenstoffstahl-Behälters wie eine Flüssigkeit Das heißt, das Metall kann unter Druck fließen. Ein Hauptproblem mit dünnwandigen Behälter besteht darin, daß, obwohl ein hydrostatischer Druck auf die äußere Oberfläche des Behälters ausgeübt wird, der Behälter nicht in der Lage ist, einen hydrostatischen Druck auf das Pulver zu übertragen.

Ein dickwandiger Behälter hat Wände, 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 Fig. 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 Heißpressens. Als ein Minimum muß die' Dicke des Behälters in dem Bereich des Ringvorsprunges so ausreichend sein, um das innere Volumen im wesentlichen anzufüllen. Wird diese Tatsache erfüllt, kann die äußere Oberfläche des Behälters der Kontur des Formhohlraumes nicht folgen. Im Ergebnis stutzen die Behälterwände die Seiten des Ringbereiches so fest, daß praktisch gleichmäßiges Schrumpfen ohne Verwerfungen eintreten wird.

Der Behälter 10 wurde in nachstehender Weise behandelt Nachdem die Fonnteile 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 Sinterkörper zu beseitigen. Ferner erhöht ein Vakuum im Behälter den Druckunterschied zwischen dem äußeren und dem

ίο inneren Druck. 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 Klopfdichte zu erreichen. Dies wurde durch Drehen des Behälters und durch Schlagen auf die Seiten des Behälters mit einem Holzhammer bewirkt. Dieses Verfahren kann nur schwierig an einem dünnwandigen Metallbehälter ausgeführt werden, ohne die Wände einzubeulen und die Gestalt des Formhohlraumes zu verändern. Nachdem der Behälter 10 angefüllt war, wurde das Füllrohr 24 hermetisch abgedichtet. Der gefüllte und hermetisch abgedichtete Behälter 10 wurde dann in einen Argongas-Autoklaven eingesetzt. Dort wurde der Behälter auf eine Temperatur von etwa 1060⁰C und einen Druck in der Größenordnung von 70 bis 105 N/mm² während etwa 2 Stunden gebracht.

Nach dem Verdichten wurde der Behälter 10 aus dem

Autoklaven entnommen und gekühlt. Der Behälter wurde dann vom Sinterkörper durch Abbeizen in einer Salpetersäurelösung entfernt Da IN-100 korrosionsbeständig ist greift die Salpetersäurelösung nur den Behälterwerkstoff an. Es können auch andere Lösungen benutzt 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 Sinterkörper entfernt

♦o wurde, wurde die äußere Gestalt des Behälters gemessen und aufgezeichnet. Nachdem der Behälter 10 entfernt war, wurden die Dimensionen des Sinterkörpers gemessen. Die Dimensionen des Behälters nach dem Heißpressen und die Dimensionen des Sinterkörpers sind in F i g. 1 der Zeichnung strichpunktiert dargestellt

Es wurde festgestellt, daß gleichmäßiges Schrumpfen erfolgt war. Darüber hinaus hatte die Wanddicke des Behälters stellenweise zugenommen. Die Tatsache, daß Bereiche, wie bei 34 und 36, in der Wanddicke zugenommen hatten, zeigt daß die 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 mit Pfeilen veranschaulicht, die die wahrscheinlichen Richtungen der Kräfte illustrieren, ' die auf das Pulver und den Behälter einwirkten.

Die Richtung der Kräfte, die auf das Pulver einwirken, ist demnach 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 und einen hydrostatischen Druck auf das Pulver ausüben.

Wegen einer Anzahl von Gründen erscheint Stahl mit einem geringen Kohlenstoffgehalt als der verfahrenstechnisch und kommerziell günstigste Werkstoff zum Herstellen von Behältern zum Heißpressen von IN-100

und anderen Superlegierungspulvern. Der benagte Kohlenstoffstahl ist relativ billig im Vergleich zu den Kosten pro Kilo von zu verdichtendem Pulver und ist leicht erhältlich; er kann leicht maschinell bearbeitet und leicht geschweißt werden; der fertige Behälter kann rauher Behandlung widerstehen.

Es 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 gegossener Behälter unter Verwendung eines ausdehnbaren Kernes hergestellt werden, der die Gestalt des gewünschten Formhohlraumes hat Nachdem das Metall um 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 Verfahren zum Zusammenstellen eines Behälters zum Erzeugen eines Teiles von extrem komplizierter Gestalt ist in F i g. 3 bis 5 veranschaulicht Das feil ist als Ganzes in Fig.5 mit 42 bezeichnet; es ist dies eine besonders komplizierte Turbinenscheibe mit einer Anzahl von Hinterschneidungen.

In einen dickwandigen Behälter, der eine aus F i g. 3 ersichtliche Gestalt hat, ist 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 F i g. 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 umfassen der erste und der zweite Hauptteil 50 und 52 aneinanderfügbare Paßflächen. Die äußeren Ränder dieser Oberflächen sind 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 1st 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 Paßmittel 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 Heißpressen hat der erhaltene Sinterkörper die mit 80 in F i g. 4 bezeichnete Gestalt Dieser wurde dann maschinell zu der Endform bearbeitet die in F i g. 5

ίο dargestellt ist. Es wird besonders hervorgehoben, daß dieses Endteil 42 ohnen einen Schmiedevorgang und mit minimalem Abfall hergestellt wurde.

Die beschriebenen Behälter wurden unter Verwendung eines Argongasautoklaven der Wärme und dem

is Druck ausgesetzt Es ist klar, daß jedoch auch andere Mittel verwendet werden können, um Hitze und Druck zu erzeugen. Ein Verfahren, das vom Erfinder entwickelt wurde, umfaßt das Pressen des Behälters zwischen den Preßstempeln einer Presse.

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 F i g. 7 dargestellt sind. Das untere Formteil 84 umfaßt einen Formhohlraum zur Aufnahme eines vorerhitzten, pulvergefüllten Behälters. Der obere Formteil 82, der ain Stempel der Presse angeordnet ist hat 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 wirkt der Behälterwerkstoff wie eine Flüssigkeit auf das Pulver. 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 Sinterkörper entfernt

Die Seitenwände 90 der Aussparung 86 in dem

unteren Formteil 84 sind geneigt und die Seiten des Behälters 96 in einem entsprechenden Winkel ausgebildet um das Entfernen des Behälters aus dem unteren Formteil 84 nach dem Pressen zu erleichtern. Der obere Formteil 82 ist ebenfalls der Abschrägung des unteren

so Formteiles 84 entsprechend schräg ausgebildet Wenn eine mechanische Presse verwendet wird, könnte eine Beschädigung der Presse hervorgerufen werden, wenn das Pulver seine volle Dichte erreicht bevor der Stempel der Presse das Ende seiner Abwärtsbewegung erreicht, da der Stempel gegen die völlige dichte und nicht mehr 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 nach dem Erreichen des vorbestimmten Druckes endet

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 Seiten 90 der Aussparung 86 des unteren Formteiles und den .

Seiten 92 des Vorsprunges 88 des oberen Formteiles 82 ist ein Spalt vorgesehen, der als Sicherheitsventil wirkt. Um sicherzustellen, daß der Druck, der vom Behälter aufgenommen wird, genügend groß ist, um eine völlige Verdichtung des Pulvers zu gewährleisten, kann es erforderlich sein, das ausfließende 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 Fluß des Behältermetalls länger 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

Ein Behälter, der insbesondere zur Verdichtung des Pulvers unter Verwendung einer Presse gestaltet ist, ist als Ganzes mit 96 in Fig.6 bezeichnet Der innere Formhohlraum des Behälters zeigt die komplizierten Formen, welche nach diesem Verfahren hergestellt werden können. Es ist klar, daß Beinah-Endformen leicht hergestellt werden können. Der Behälter 96 umfaßt einen oberen Teil 98 und einen unteren Teil 100, die 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 sind der obere und der untere Teil an ihren Paßflächen durch eine Schweißung 104 miteinander verbunden.

Um den Formhohlraum, der durch die Wände des Behälters 96 gebildet ist, mit Pulver 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. Das Füllrohr HO 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 Zusammendrükken geschlossen, wie dies bei 111 angedeutet ist

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

Das obere Formteil 82 hat eine speziell geformte Ausnehmung, die der äußeren Gestalt des Oberteiles des Behälters 96 entspricht Diese umfaßt eine abgeschrägte Aussparung 118, entsprechend der Größe und Gestalt des konischen Bereiches 106 des Behälters

96. Eine Vertiefung 120 der abgeschrägten Aussparung ist ferner eingefomit, um den Schutzschild 112 aufnehmen zu können, der auf der Spitze des Behälters 96 angebracht ist Die Vertiefung 120 ist ebenfalls kegelstumpfartig und der Schutzschild 112 mit einem entsprechenden Neigungswinkel versehen, um das Trennen des oberen Formteils 82 vom Behälter 96 zu erleichtern.

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

Ein typisches Verfahren zum Verdichten von Pulver unter Verwendung einer Presse umfaßt die folgenden Schritte: Nachdem der Behälter 96 hergestellt ist, wird eine Vakuumpumpe an das Füllrohr 110 angeschlossen und der Hohlraum ausgepumpt 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 HO 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 HO geschlossen. Dies kann durch Zusammendrücken des Füllrohres HO 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 HO umgibt Der Behälter 96 wird dann in einem Ofen auf eine Temperatur erhitzt, bei der das Pulver verdichtet wird. Der Behälter und das Pulver sind für die meisten Anwendungen auf eine Temperatur zwischen 927-C und 1160⁰C zu erhitzen. Die spezifische Temperatur wird im Hinblick auf die Legierungszusammesetzung des Pulvers gewählt

Mit Titanpulver wurde ein Versuch gemacht, unter Verwendung eines Behälters, der die Gestalt des Behälters 86 hat, indem dieser auf eine Temperatur von etwa 954°C erwärmt und einem Druck von etwa 105 N/mm² durch eine übliche mechanische Presse ausgesetzt wurde, wobei Werkzeuge benutzt wurden, die den in F i g. 7 dargestellten entsprachen. Nach dem Erhitzen während einer Zeit die ausreicht, um durchgehend eine gleichmäßige Temperatur zu erlangen, wurde der Behälter zu einer Presse überführt, die mit Formen versehen war, die die Gestalt der oberen und unteren Formteile 82 und 84 hatten. Es wurde weiter verfahren, wie bereits beschrieben.

Das Verdichten des Pulvers unter Verwendung einer Presse anstelle eines Autoklaven ist vorteilhaft, da die Zykluszeit bei maximaler Temperatur wesentlich herabgesetzt werden kana Die typische Zykluszeit in einem Autoklaven kaiin 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 105 N/mm² arbeiten, hoch entwickelte Einrichtungen und daher sehr teuer. Aus diesem Grunde vereinfacht die Verwendung von mechanischen oder hydraulischen Pressen den Verdichtungsprozeß wesentlich.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

ratentanspruche:

t. Behälter zum Heißpressen von Formkörpern verwickelter Gestalt aus Pulver metallischer oder nichtmetallischer Zusammensetzung aus einem dichten, bei Heißpreßtemperatur plastischen Behälterwerkstoff mit einem Formhohlraum bestimmter Gestalt zur Aufnahme des Pulvers, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (10) aus einem metallischen Werkstoff besteht und Wände ίο solcher Dicke besitzt, daß die Außenflächen des Behälters nicht eng der Kontur des Formhohlraumes folgen, sondern — im Falle eines Heißpressen in einer Presse — das Innere eines Pressengesenkes optimal ausfüllen, wobei die Wände des Behälters während des Heißpressen als Flüssigkeit wirken und einen hydrostatischen Druck auf das im Forrahohlraum (16) enthaltene Pulver ausüben.
2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälterwerkstoff in der Lage ist, bei Temperaturen, die oberhalb von 260⁰C liegen, plastisch zu fließen, ohne dabei die strukturelle Unversehrtheit des Behälters zu verlieren.
3. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Werkstoff ein Kohlenstoffstahl geringen Kohlenstoffgehaltes ist
4. Behälter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere Behälterteile (50,52,54), die je einen Bereich des Formhohlraumes (44) bilden.
5. Behälter nach Anspruch 4 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 Hauptteilen (50,52) angeordnet ist, daß der erste Hauptteil (50) und der Zwischenteil (54) Oberflächen umfassen, die den scheibenförmigen Bereich bilden, und daß der zweite Hauptteil und der Zwischenteil (54) Oberflächen umfassen, die den ringförmig gestalteten Bereich bilden.
6. Behälter nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Hauptteil (50, 52) zusammenfügbare Paßflächen umfassen.
7. Behälter nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Behälterteile zusammenwirkende, ineinanderpassende Einrichtungen zum Lokalisieren und Tragen des Zwischenteiles (54) zwischen dem ersten und dem zweiten Hauptteil (50 und 52) aufweisen.
8. Behälter nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Zugangsöffnung (68, 70), die mit dem Formhohlraum (44) zum Füllen desselben mit Pulver in Verbindung steht
9. Behälter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Eindringen von Pulver in den Formhohlraum dienende Füllrohr (110) von einem Schutzschild (112) umgeben ist.
10. Behälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das VoIumen des Formhohlraumes nicht größer als das Gesamtvolumen der Wände ist.
11. Behälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß zwischen dem oberen Formteil (82) und dem unteren Formteil (84) ein Luftspalt zum Zwecke eines gesteuerten Ausflusses von Behälterwerkstoff aus dem Pressen_{gesenk vorhanden} ^ ^ _der preßdruck einen

bestimmten Maximalwert überschreitet
12. Verfahren zum Heißpressen von Formkörpern verwickelter Gestalt aus Pulver metallischer oder nichtmetallischer Zusammensetzung unter Verweadung eines Behälters nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der das Pulver enthaltende Behälter im Pressengesenk einer Presse verdichtet wird.