DE2752603A1

DE2752603A1 - Vorrichtung zum heisspressen von formteilen mit einem stuetzdruck senkrecht zur heisspressvorrichtung

Info

Publication number: DE2752603A1
Application number: DE19772752603
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Goettenauer; Ekkehard Lange; Norbert Dipl Phys Dr Mueller
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1977-11-25
Filing date: 1977-11-25
Publication date: 1979-06-07

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Heißpressen
von Formteilen mit niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten unter einem StUtzdruck senkrecht zur Heißpreßrichtung, insbesondere zur Herstellung von Gasturbinenrotoren aus Siliziumnitrid. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus den Preßstempeln und einer Matrize.
Beim Heißpressen von Formteilen tritt häufig das Problem einer ausreichenden seitlichen Abstützung auf. Insbesondere bei Heißpreßtemperaturen über 10000C sind die natürlichen Durchmesseränderungen der Matrize und des heißzupressenden Formteils durch die Wärmeausdehnung der Materialien scho so groß, daß normalerweise nur bei aufeinander abgestiamten Wärmeausdehnungskoeffizienten noch die gewünschte Abstützwirkung senkrecht zur Preßrichtung erzielt werden kann.
Heißpreßanlagen mit Temperaturen über 10000C arbeiten meistens mit Graphit-Matrizen, wegen deren relativ hohen Warmfestigkeit. Je nach der Graphit-Qualität liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) von kommerziell erhältlichen Sorten zwischen 3,5 und 6 10-6 oC~1 .
Will man nun Formteile heiß verpressen, die einen seitlichen Stützdruck benötigen, um sich nicht unerwtinscht zu verformen bzw. zu reißen, sollten die WAK-Werte des Formteilwerkstoffs oberhalb denen des verwendeten Matrizenmaterials liegen. Liegen die WA-Werte des Formteilwerkstoffs niedriger, können diese Körper in der Regel nicht zufriedenstellend heißgepreßt werden.
Dies ist beispielsweise bei der Herstellung von Gasturbinen-Rotoren aus Siliziumnitrid durch Heißpressen in Graphit-Matrizen der Fall.
Siliziumnitrid hat einen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 2,8 und 3,2 # 10-6 # °C-1, liegt also deutlich unter den für einen festen Graphit üblichen Werten um 5 # 10-6 # °C-1.
Werden Siliziumnitrid-Körper in solchen Graphitmatrizen heißgepreßt, besitzen sie wegen der fehlenden seitlichen Abstützung keine Formtreue und zeigen häufig auch Risse, da die Bruchdehnung bei diesem Material sehr gering ist.
Aus der DT-OS 26 17 337 ist eine spezielle Abstütztechnik bekannt, die auf keilförmigen Graphitsegmenten auf der Innenseite einer Graphitmatrize basiert. Diese keilförmigen Segmente werden nun durch ein spezielles Preß-System axial so bewegt, daß ein radialer Stützdruck auf den außenliegenden Schaufelkranz eines Turbinenrotors aus Siliziumnitrid erzeugt wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß einmal zur Realisieru.ng des radialen Stützdrucks zwei getrermt steuerbare, hydraulisch wirkende axiale Preß-Systeme notwendig sind und zum anderen die Umlenkung einer axialen Schiebekraft auf die gewünschte radial wirkende Stützkraft Ueber Keile nur unvollkommen möglich ist. Bei diesem Verfahren wirken daher häufig noch Diegekräfte auf das Formteil ein, die das Teil schädigen oder zumindest die Höhe des Stützdruckes wesentlich begrenzen.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Heißpressen von Formkörpern mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten unter einem Stützdruck senkrecht zur Heißpreßrichtung zu schaffen, die einfach gebaut ist und bei der durch Kraftumlenkung keine Biegekräfte auf das Formteil einwirken. Insbesondere sollte die Vorrichtung zur Herstellung von Gasturbinenrotoren aus Siliziumnitrid geeignet sein und im wesentlichen aus Preßstempeln und Matrize bestehen.
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man eine Matrize verwendet, die aus einem äußeren ringförmigen Teil mit nur geringer Ausdehnung beim Erwärmen und einem inneren Teil aus mehreren radialsymmetrischen Segmenten mit höherer Ausdehnung beim Erwärmen besteht, wobei diese Segmente an der Innenseite des äußeren ringförmigen Teils anliegen und die Zwischenräume zwischen den Segmenten so groß sind, daß die Segmente bei der Erwärmung sich ungestört nach innen ausdehnen können.
Die Abbildung zeigt schematisch eine beispielhafte AusfUhrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Matrize besteht aus einem äußeren starren Matrizenring (1) und einem inneren Teil (2) mit radial verschiebbaren Matrizen-Segmenten (3), die an der Innenseite des äußeren Ringes (1) anliegen. Die Stützwirkung auf das heißzupressende Formteil (4) wird dadurch erreicht, daß sich die Segmente (3) stärker als der Ring (1) beim Erwärmen ausdehnen. Die Vergrößerung des Ringes (1) wird dadurch zumindest teilweise ausgeglichen. Die Zwischen räume (5) zwischen den Segmenten (3) müssen dabei so groß sein, daß die Segmente (3) sich beim Erwärmen ungestört nach innen ausdehnen können.
Die geringe Ausdehnung des äußeren ringförmigen Matrizenteils (1) kann man vorteilhafterweise dadurch erreichen, daß man den äußeren Matrizenring (1) mit einer KUhlvorrichtung (6) speziell kühlt, so daß dessen Wärmeausdehnung beim Heißpressen relativ gering bleibt. Vorzugsweise hält man den äußeren Matrizenring (1) durch Kühlung auf Temperaturen unterhalb 2OO9C. Die wärmeren, innenliegenden Segmente (3) werden sich dann, unabhängig von dem Verhältnis der Ausdehnungskoeffizienten beider Materialien nach innen ausdehnen und auf ein mit Paßsitz eingesetztes Formteil (4) einen gewissen radialen Stützdruck ausüben. Der äußere Matrizenring (1) kann beispielsweise aus einem Ublichen Matrizenwerkstoff wie Warmarbeitsstahl bestehen, der flüssigkeitsgekühlt wird. Vorzugsweise verwendet man hierfür Wasser. Die Segmente (3) stellt man bei Heißpreßtemperaturen > 1000°C vorzugsweise aus Graphit her.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in der Verwendung unterschiedlicher Graphitsorten für den äußeren Ring (1) und die Segmente (3), unter Verzicht auf eie intensive Ringktihlung.
Beispielsweise ist es möglich, den Matrizenring aus einem Werkstoff mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 10-6 zu10-6 . 0C1 und die Segmente mit einem solchen von >6 . 10-6 °C 1 herzustellen. Bei passender geometrischer Auslegung kann auf diese Weise auch ohne nennenswerte KUhlung des Matrizenringes in der Heißpresse die gewünschte abstützende Wirkung auf das Formteil erreicht werden.
Will man eine intensive Ring-Kühlung vermeiden, so kann man auch eine größere Temperaturdifferenz zwischen dem äußeren Ring (1) und den Segmenten (3) durch eine thermische Isolierschicht (7) zwischen diesen boriden Matrizenteilen erreichen. Man verwendet z.B. Wärme-Isolierfolien aus Graphit, die senkrecht zur Folienebene eine extrem niedrige Wärmeleitung haben.

Claims

Vorrichtung zum Heißpressen von Fornteilen mit einem StUtzdruck senkrecht zur Heißpreßrichtung Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Heißpressen von Formkörpern mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten unter einem Stützdruck senkrecht zur Heißpreßrichtung, ir.sbesondere zur Herstellung von Gasturbinenrotoren aus Siliziumnitrid, im wesentlichen bestehend aus PreB-stempeln und Matrize, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize aus einem äußeren ringförmigen Teil (1) mit nur geringer Ausdehnung beim Erwärmen und einem inneren Teil (2) aus mehreren radialsymwetrischen Segmenten (3) mit höherer Ausdehnung beim Erwärmen besteht, wobei diese Segmente (3) auf der Innenseite des äußeren ringförmigen Teils (1) anliegen und die Zwischenräuute (5) zwischen den Segmenten (3) so groß sind, daß sich die Segmente (3) bei der Erwärmung ungestört nach innen ausdehnen können.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere ringförmige Teil (1) mit einer KUhlvorrichtung (6) gekühlt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere ringförmige Teil (1) aus Metall und die inneren Matrizensegmente (3) aus Graphit bestehen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung des äußeren ringförmigen Teils (1) mit Wasser erfolgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere ringförmige Teil (i) aus einem Material mit einem wesentlich geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht als der des Materials für die inneren Segmente (3).
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere iingförmige Teil (1) aus einem Graphit mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner als 4 # 10-6 # °C-1 und die inneren Segmente (3) aus einem Graphit mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten größer als 6 10-6 10-6 °C 1 bestehen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem äußeren ringförmigen Teil (1) und den inneren Segmenten (3) eine wärmeisolierende Schicht (7) eingebracht wird.