DE2740312C3

DE2740312C3 - Verfahren zur Herstellung einer korrosionsbeständigen Spinndüse

Info

Publication number: DE2740312C3
Application number: DE2740312A
Authority: DE
Inventors: Gary Lee Midlothian Va. Jones
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1976-09-07
Filing date: 1977-09-07
Publication date: 1986-01-02
Also published as: NL7709801A; NL171075B; NL171075C; DE2740312A1; US4137032A; GB1587914A; US4054468A; DE2740312B2; JPS5335012A; FR2363403A1; FR2363403B1; JPS6014843B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer korrosionsbeständigen Spinndüse nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei einem aus dem DE-GM 17 46 137, Fig. 7, bekannten Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist die Reihenfolge der bei der Herstellung der Spinndüse vorzunehmenden Verfahrensschritte nicht im einzelnen angegeben.

Ein ähnliches Verfahren ist aus der DE-OS 21 65 581 bekannt, wobei allerdings für die Austrittsflächenschicht Gold, Platin, Silber, Iridium, Ruthenium, Titan, Zirkon, Nickel, Monel oder Legierungen daraus als korrosionsfestes Metall verwendet werden. Die Dicke der Austrittsflächenschicht soll mehr als 0,05 mm betragen, wobei aus Kostengründen diese Mindestdicke nicht wesentlich überschritten werden dürfte. Die Spinnkapillare wird durch die Austrittsflächenschicht gestanzt, woraus sich ergibt, daß sich die Schulterbohrung nur durch die Trägerplatte erstreckt. Über die Querschnittsfläche der Spinn-Kapillaren wird in der Druckschrift nichts ausgesagt. Die Länge der Spinn-Kapillare dürfte 0,05 mm nicht wesentlich übersteigen, da sie im wesentlichen der Dicke der Austrittsflächenschicht entspricht. Die bekannte Spinndüse ist nicht für Spinn-Kapillaren mit einem hohen Verhältnis von Länge zu Durchmesser geeignet, da sich die Spinn-Kapillaren wegen der dünnen Austrittsflächenschicht in die Trägerplatte erstrecken würden.

Tantal ist als geeignetes Material für Spinndüsen allgemein bekannt Bei der Verwendung von Tantal für Spinndüsen ergeben sich jedoch besondere Schwierigketten dadurch, daß nicht wärmebehandeltes Tantal so hart ist, daß Spinndüsenlöcher nach üblichen Verfahren nicht gebohrt werden können. Durch Wärmebehandlung kann Tantal zwar weich gemacht werden, die Streckfestigkeit ist dann jedoch so gering, daß im

ίο Betrieb aufgrund der Spinndrücke eine Verformung eintritt Oberflächenhärten der Spinndüse nach der Bearbeitung behebt diese Schwierigkeiten nicht vollständig, da die Qualität der Spinndurchlässe dadurch verschlechtert wird und diese im Betrieb relativ rasch blockieren. Es ist auch nicht möglich, die geringe Streckfestigkeit von wärmebehandeltem Tantal durch eine Erhöhung der Dicke der Spinnplatte zu kompensieren, außerdem werden dadurch die Spinndurchlässe länger als notwendig.

2ö Das Explosionsplattieren zur Herstellung von Spinndüsen ist im Zusammenhang mit Legierungen, die hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit und Druckfestigkeit mit Tantal vergleichbar sind, bekannt Bei Tantal ergaben sich jedoch Schwierigkeiten; wurden die Spinn-Kapillaren vor dem Explosionsplattieren ausgebildet so ergaben sich aufgrund der beim Explosionsplattieren zwangsläufig auftretenden Verformungen unter der zur Behebung dieser Verformungen durchgeführten Nachbearbeitung Spinn-Kapillaren unterschiedlieber Länge. Wurden andererseits die Spinn-Kapillaren erst nach dem Explosionsplattieren gestanzt so stellten sich Bearbeitungsschwierigkeiten ein, da die Streckfestigkeit des Tantals durch das Explosionsplattieren auf über 2070 bar erhöht wurde.

Aus der US-PS 37 67 756 ist es bekannt, daß man zum Erspinnen von Fäden aus Poly-(p-phenylenterephthalamid) besonders hoher Festigkeit Spinnkanäle mit geringem Durchmesser wA eirvirv hohen Verhältnis von Länge zu Durchmesser benötigt Es ist in dieser Druckschrift jedoch nicht angegeben, wie dafür geeignete Spinndüsen hergestellt werden können.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines technisch und wirtschaftlich praktikablen Verfahrens zur Herstellung einer korrosionsbeständigen Spinndüse aus einem Laminat, das aus einer Trägerplatte aus einer Tantallegierung oder rostfreiem Stahl und einer Austrittsflächenschicht aus handelsreinem Tantal gebildet ist, wobei die Spinn-Kapillaren ein hohes Verhältnis von Länge zu Durchmesser besitzen sollen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Anspruches 2.

Es ist überraschend, daß die mit der Verwendung von Tantal für Spinndüsen verbundenen Schwierigkeiten dadurch behoben werden konnten daß die Dicke der Tantalschicht vergrößert wurde. An sich wäre zu erwarten gewesen, daß bei einer dicken Tantalschicht die Bearbeitungsschwierigkeiten entsprechend größer sind. Die Verwendung einer dünnen Tantalschicht mußte auch deshalb zweckmäßig erscheinen, da dann für die Trägerplatte eine größere Dicke gewählt werden kann, die der Spinndüse eine höhere Festigkeit verleiht. Bei einer dünnen Tantalschicht sind außerdem die beim Explosionsplattieren erforderlichen Detonationsdrücke kleiner, wodurch weniger Verformungen des Laminats

auftreten.

Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere in der Möglichkeit, Fäden besonders hoher Festigkeit aus Poly-(p-phenylenterephthalamid) und verwandten vollaromatischen Poly- amiden, sogenannten Aramiden, durch Spinnen einer viskosen Lösung des Polymeren in 98 bis 100%iger Schwefelsäure, Chlorschwefelsäure oder Fluorschwefelsäure herzuste"t*L

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 im Schnitt eine runde, napfförmige Spinndüse; F i g. 2 in einer stark vergrößerten Schnittansicht von F i g. 1 eine einzelne Spinnöffnung.

Die Spinndüse 10 wird von einer Trägerplatte 12 und einer Austrittsflächenschicht 14 gebildet Die Trägerplatte wird aus Tantallegierung oder rostfreiem Stahl hergestellt. Die Austrittsflächenschicht 14 besteht aus handelsreinem Tantal. Wie in Fig.2 gezeigt, ist die Austrittsflächenschicht durch Explosionsplattieren an M die Trägerplatte gebunden worden, wobei sich eine wellenartige Zwischen- oder Grenzfläche 2L· ausbildet, an der sich die Metalle ineinander gemengt haben. Von der Eintrittsfläche 18 zur Austrittsfläche 20 der Spinndüse erstrecken sich Spinnöffnungen 16. Die beiden Rächen sind eben und parallel zueinander. Gewöhnlich wird eine größere Zahl von Spinnöffnungen als in der Zeichnung gezeigt vorliegen. Eine Spinnöffnung umfaßt eine zylindrische Schulterbohrung 24. die durch die Trägerplatte und zum Teil in die Austrittsflächenschicht hinein gebohrt wird (gestrichelte Linie 30), eine konische Verjüngung 26 zu deren Bildung man in den Boden der Schulterbohrung 24 eine Einstanzung auf eine Tiefe vornimmt, die die gestrichelte Linie 32 zeigt, und eine Spinn-Kapillare 28, die durch J5 die verbleibende Dicke der Austrittsflächenschicht hindurch gebildet wird. Die hier gezeigte Spinn-Kapillare 28 hat eine Länge gleich etwa dem Dreifachen ihres Durchmessers. Die Austrittsflächenschicht 14 muß genügend dick sein, um die konische Verjüngung 26 und die Spinn-Kapillare 28 voll aufzunehmen; sie hat etwa eine Dicke in der Größenordnung von 0,6 bis 1,0 mm. Die Trägerplatte hat in dem Bereich mit Spinnöffnungen gewöhnlich eine etwas größere Dicke als die Austrittsflächenschicht, ist aber vorzugsweise nicht dikker als es zur Vermeidung eines Ausbauchens der Spinnciiisenfläche bei Spinndrücken, die sich im Einsatz ergeben werden, ausreicht

Derartige Spinndüsen eignen sich besonders zum Spinnen von Polyamidfäden ungewöhnlich hoher Festigkeit, wie es in US-PS 37 67 756 beschrieben ist Der Prozeß erfordert den Einsatz hochkorrosiver Lösungsmittel, wie von 98%iger Schwefelsäure, von Chlorschwefelsäure oder Fluorschwefelsäure oder von deren Mischungen. Darüber hinaus haben die Polymerlösungen eine solche Rheologie, daß bevorzugte Zugfestigkeitseigenschaften erhalten werden, wenn man mit Spinn-Kapillaren geringen Durchmesser (D) und hoher Verhältnisse von Länge zu Durchmesser (L/D) arbeitet Typische Kapillar-Durchmesser sind 0,05 bis 0,10 mm w bei L/D-Verhältnissen von mindestens etwa 2,5. Die Spinnkapillare 28 hat eine Länge von mehr als etwa 0,13 mm. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der Schulterbohrung 24 das 6- bis 12- oder mehrfache desjenigen der Spinn-Kapillare 28 und vorzugsweise beträgt die Länge der Schulterbohrung 24 (einschließlich der konischen Verjüngung, welche die Schulterbohrung mit der SDinn-Kaoillare 28 verbindet) das etwa 2- bis 8fache des Durchmessers der Schulterbohrung 24. Diese Bemessungen erfordern, in Verbindung mit den hohen FKeßviscositätswerten, hohe Spinndrücke.

Laminierte Spinndüsen Für diesen Zweck können dem Plattentyp, Scheibentyp oder Napf- bzw. Bechertyp mit flachem Boden und mit die Austrittsfläche 20 senkrecht durchsetzenden Spinn-Kapillaren 28 von rundem oder unrundem Querschnitt angehören. Die Trägerplatte wird von Metall gebildet, das eine Streckfestigkeit im geglühten Zustand bei 0,2% bleibender Dehnung von mindestens 5516 bar, eine Dehnung bei £54 cm Meßlänge von nicht unter 10% und eine Korrosionsrate von nicht über 0,025 mm/Jahr hat Die Austrittsflächenschicht wird von einem Metall gebildet das eine Streckfestigkeit im geglühten Zustand bei 0,2% bleibender Dehnung von unter 2070 bar, eine Dehnung bei 2^4 cm Meßlänge von nicht unier 20% und eine Korrosionsrate von nicht über 0,025 mm/Jahr hat Die Zugfestigkeit und die Dehnung werden nach ASTM-Prüfnorm E8-69 unter Verwendung ies rechteckigen Zugfestigkeitstestprüfiings (»Rectangaiä' Tension Test Specimen«) bestimmt Die Korrosionsrate wird mit der 168-Stunden-Tauchprüfung nach ASTM-Prüfnorm G31-72 unter Anwendung von Schwefelsäure-Konzentrationen von bis zu 100% bei Temperaturen von 0 bis 100° C bestimmt

Das bevorzugte Material für die Trägerplatte 12 ist mit 2 bis 3% Wolfram legiertes Tantal. Legierungen dieser Art, die auch ein Kornfeinungsrnittel, wie Niob, enthalten, sind weniger erwünscht da die spanende Bearbeitung schwieriger ist Tantallegierungen mit einem Gehalt von bis zu 15Gew.% an Wolfram sind verwendbar, aber schwierig spanend zu bearbeiten, und beim Bohren der Schulterbohrungen stellt sich ein hoher Werkzeugverschleiß ein. Rostfreie Stähle mit der benötigten Streckfestigkeit, Dehnung und Korrosionsbeständigkeit sind ebenfalls verwendbar.

Das Material für die Austrittsflächenschicht 14 ist handelsreines Tantal. Seine Streckfestigkeit beträgt nach dem Plattieren über 2070 bar und die Ausbildung vow Spinn-Kapillaren hoher iyZJ-Verhältnisse ist technisch nicht gangbar. Wenn man dieses Material aber in Tantalfolie eingehüllt unter Vakuum bei etwa 982° C glüht, wird seine Streckfestigkeit auf unter 2070 bar reduziert, und man kann im technischen Rahmen Spinn-Kapillaren von hohen UD-Verhältnissen unter sorgfältigem Arbeiten bilden. Die Austrittsflächenschicht trägt, da ihre Streckfestigkeit nahe 2070 bar liegt, auch zur Beständigkeit der Spinndüse gegen Verformung unter Druck bei. Darüber hinaus wird ihre Oberfläche im Sinne einer besseren Beständigkeit gegen Verkratzung im Einsatz oberflächlich gehärtet indem -ran genügende Zeit (gewöhnlich etwa 1 Stunde) in einer Stickstoffatmosphäre bei etwa 890° C erhitzt.

Das Explosionsplattieren kann vorzugsweise in der in US-PS 3137 937 beschriebene Weise durchgeführt werden. Man ordnet die beiden zu bindenden Schichten duktilen Metalls so an, daß sie parallel liegen und mindestens 0,025 inm voneinander getrennt sind, gibt gleichmäßig über eine Außenfläche einen Explosivstoff mit einer Detonationsgeschwindigkeit von. über 1200 m/s, aber unter 120% der Schallgeschwindigkeit in dem Metall und läßt die Detonation sich, vom einen Rand der explosivstofftragenden Schicht ausgehend, parallel zu den Schichten fortpflanzen. Dabei fällt eine kontinuierliche, metallurgische Bindung an der Grenzfläche an, für die eine wellenartige ineinandermengung der beiden Metalle charakteristisch ist.

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Ein unvermeidbares Ergebnis des Explosionsplattie- fertiggestellte Spinndüse soll daher soweit wie möglich rens ist eine gewisse plastische Deformation des gehärtet werden. Bei den meisten Materialien wird Laminats. Das spanende Arbeiten des Laminats hierzu in an sich bekannter Weise auf eine Temperatur erfordert daher als Minimum ein Schleifen und Polieren nahe der Glühtemperatur erhitzt und darauf langsam der Austritts- und Eintrittsflächen, um diese eben und 5 abgekühlt. Tantal wird vorzugsweise durch etwa parallel zu machen. Normalerweise ist auch ein einstündiges Erhitzen in einer Stickstoffatmosphäre bei spanendes, präzises Bearbeiten des Umfangs zur 890° C oberflächengehärtet.

Ausbildung der Form und Größe eines Spinndüsen-

Rohlings notwendig. Häufig wird man beim spanenden Hierzu 1 Blatt Zeichnuncen

Bearbeiten das Laminat in einen napfförmigen Spinndü- io ungc

sen-Rohling der in F i g. 1 erläuterten Art überführen.

In dem zur Bildung von Spinndurchlässen gewählten

Bereich des Spinndüsen-Rohlings wird in an sich bekannter Weise für jede Spinndöffnung eine Schulterbohrung gebohrt. Man kann in diesem Stadium auch is Ausgangsverjüngungen mit relativ großen, eingeschlossenen, Winkejn_bohren. Jedes der. anfallenden Lochen soll sich über eine gleichmäßige Entfernung von der Eintrittsfläche des Spinndüsen-Rohlings auf eine Tiefe erstrecken, bei der die im allgemeinen horizontalen M Bodenflächen des Lochs vollständig in der Plattierschicht liegen. Dann wird die Endverjüngung (mit dem kleinsten eingeschlossenen Winkel) am Boden jedes Lochs durch Stanzen ausgebildet Wenn sich das gebohrte Loch nicht in die Plattierschicht erstreckt, wird durch das Stanzen der Endverjüngung Metall von der Unterlageplatte längs der Wandungen der Verjüngung prägeartig eingezogen und auf diese Weise ein Hartwerden der Wandungen erzeugt und ein Bruch von Stanzwerkzeugen verursacht, die anschließend zur M Bildung von Spinn-Kapillaren eingesetzt werden. Falls irgendeine dieser Arbeiten zur Bildung von Vorsprüngen auf der Austrittsfläche führt, soll die Austrittsflächc zu einem ebenen Zustand poliert werden, bevor man weiterarbeitet.

Vor der Bildung von Spinn-Kapillaren in dem plattierten Fiächenmetaü soii der Spinndüsen-Rohling durch Glühen weichgemacht werden, um einen Bruch von Werkzeugen zur Kapillarbildung zu minimieren. Das Material der Plattierschicht soll eine Streckfestigkeit im geglühten Zustand von unter 2070 bar haben, um einen Bruch der Bildungswerkzeuge, insbesondere beim Ausbilden von Kapillaren mit L/D-Verhältnissen von mindestens etwa 2,5 zu vermeiden. Zeit- und Temperatur-Bedingungen zum Glühen der Plattiermaterialien sind bekannt. Beim Glühen des bevorzugten Tantals in Gegenwart von Sauerstoff stellen sich harte, oxidierte und verfärbte Oberflächen ein. Zur Vermeidung dieser Mangel wird ein Spinndüsen-Rohling mit Tantalplattierschicht zuerst ens; in Tantalmetallfolie eingehüllt bzw. -wickelt und dann in einem Vakuum bei etwa 982°C geglüht. In dem geglühten Rohling wird durch die verbliebene Dicke der Plattierschicht hindurch am Boden jedes Lochs eine Spinn-Kapillare der jeweils gewünschten Querschnittsform ausgebildet Zur Entfernung entstandener Vorsprünge wird die Austrittsfläche dann poliert

Die Bildung von Spinn-Kapillaren erfolgt mit einem Stanzwerkzeug, das an seinem Ende eine kleine Verlängerung aufweist, die langer als die gewünschte Spinn-Kapillare ist, aber genau den gleichen Querschnitt wie diese hat Die Verlängerung des Stanzwerkzeugs wird durch die Dicke der Spinndüsenplatte, die zwischen deren Austrittsfläche und dem Boden eines vorgebildeten Schuiterbohrungsiochs verblieb, bindurchgestoßen.

Je weicher das Material der Plattierschicht ist, desto leichter wird des bei der Handhabung beschädigt Die

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer korrosionsbeständigen Spinndüse, wobei ein plattiertes Laminat aus einer Trägerplatte aus einer Tantallegierung oder rostfreiem Stahl und eüner Schicht aus handelsreinem Tantal spanend zu einem Spinndüsen-Rohling gearbeitet wird, am Ort jeder Spinndüsenöffnung durch die Trägerplatte eine Schulterbohrung gebohrt wird, am Boden jeder Schulterbohrung ein sich konisch verjüngender Abschnitt ausgebildet wird, eine axial fluchtende Spinn-KapUlare von der Spitze jeder konischen Verjüngung durch die Tantal-Austrittsflächenschicht zur Austrittsfläche des Spinndüsen-Rohlings gebildet wird und durch Polieren der Spinndüsen-Austrittsfläche durch die Kapillarbildearbeit gebildete Vorsprünge entfernt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die AustrittgfSchenschicht (14) eine Dicke von etwa 0,6 bis 1 mm besitzt, die Schulterbohrung (24) zum Teil auch in die Austrittsflächenschicht gebohrt wird, nach dem Ausbilden des sich konisch verjüngenden Abschnittes der Spinndüsen-Rohling in Tantalmetallfolie eingehüllt wird und zur Bildung einer weichgeglühten Tantalschicht im Vakuum bei etwa 980 bis HOO⁹C wärmebehandelt wird, darauf die Ausbildung der Spinn-Kapillaren (28) mit einer Querschnittsfläche von etwa 0,002 bis 0,008 mm² erfolgt und die Austrittsfläche durch Wärmebehandeln der Spinndüse in Stickstoff bei 870 bis 930° C gehärtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laminat verwendet wird, daß durch Explosionsplattierung der Schicht aus handeisreinem Tantal auf eine Platte aus Tantal, das mit 2 bis 3% seines Gewichts an Wolfram legiert ist, hergestellt worden ist