DE3206297A1 - Verfahren zum isolieren heisser metallgegenstaende - Google Patents

Verfahren zum isolieren heisser metallgegenstaende

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Description

Henkel, Kern, Feiler Cr tiänzel n Patentanwälte
* Registered Representatives
before the
European Patent Office
m!IE JAPAM STEEL WORKS, LTD.
NICHIAS CORPORATION
TOKIO. JAPAN
Möhlstraße 37 D-8000 München 80
Tel.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkl d Telegramme: ellipsoid
N26-27544HM/YO Dr. F/to
Verfahren zum Isolieren heißer
Metallgegenstände
3203297
BESCHREIBUNG
Verfahren zum Isolieren heißer Metallgegenstände
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Isolieren von Metallgegenständen, die zur Warmformgebung erwärmt wurden.
Bei der Warmformgebung metallischer Werkstoffe, z.B. von Stahl, kommt es aus dem heißen Metallgegenstand selbst während des Pormgebungsvorgangs zu einer spontanen Wärmeabgabe, was zu einer Abkühlung des metallischen Werkstoffs oder Gegenstandes führt. Dies hat eine Erhöhung der Verformungsspannung in dem metallischen Werkstoff zur Folge und
erschwert die Bearbeitung zunehmend. Zu diesem Zeitpunkt muß folglich der metallische Werkstoff wieder erwärmt werden.
Da der Energieverlust während der wiederholten Erwärmung und Bearbeitung groß ist, ist es aus Gründen einer Energieeinsparung zweckmäßig, die Wärmeabgabe während der Formgebung oder Bearbeitung zu verhindern, um den Bearbeitungsgrad bei lediglich einmaligem Erwärmen zu erhöhen.
Im Falle eines Materials, das bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur, bei der eine Warmformgebung erfolgt, eine Umwandlung erfährt, zum Beispiel bei Austenit, kommt es bei öfterem Wiedererwärmen zu einem Kristallwachstum,
wodurch die Qualität des metallischen Werkstoffs beein-35
trächtigt wird. Folglich ist es im Hinblick auf eine Quali-
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tätssicherung erforderlich, die Anzahl der Erwärmungsvorgänge durch Verhindern einer Wärmeabgabe während der Warmformgebung auf ein Mindestmaß zu senken.
Wenn darüber hinaus die Abkühlungsgeschwindigkeit groß ist, verläuft die Temperaturerniedrigung an den Kanten des metallischen Werkstücks oder Gegenstandes rascher ' als an den sonstigen Flächen. Dies führt zu einer raschen Verminderung der Biegsamkeit und folglich zu einer raschen Bildung von Sprüngen und Rissen während der Formgebung .
Es hat auoh nifht an Versuchen gefehlt, die Wärmeabgabe während der Warmformgebung zu steuern. Eine einschlägige Maßnahme besteht darin, in der zur Warmformgebung verwendeten Anlage als Teil derselben Isolierschichten vorzusehen. Bei einer anderen Maßnahme wird auf dem zu be-
arbeitenden heißen Metallgegenstand direkt ein isolierender überzug vorgesehen (vgl. JP-OS 94745/1980). Die gemäß ersterer Maßnahme vorgesehenen Isolierschichten besitzen jedoch lediglich eine schlechte Isolierwirkung. Letztere Maßnahme krankt daran, daß man je nach der Form
des zu bearbeitenden Werkstücks oder Gegenstandes eine Anzahl verschiedener Isolierüberzüge ausbilden muß und daß diese Isolierüberzüge die Warmformgebung des Werkstoffs stören.
Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, ein wirksames Verfahren zum Isolieren heißer Metallgegenstände oder -werkstücke anzugeben, das nicht mit den Nachteilen der bekannten Maßnahmen behaftet ist.
Gegenstand der Erfir^una ist somit ein Verfahren zum
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■ €.
Isolieren von zur Warmformgebung erwärmten heißen Metallgegenständen oder -werkstücken, welches dadurch
gekennzeichnet ist, daß man zur Ausbildung eines Iso-5
lierüberzugs auf die Oberfläche des heißen Metallgegenstandes oder -Werkstücks ein Gemisch aus 10 bis 75 Gew.-% eines sauren Aluminiumphosphats, 5 bis 70 Gew.-% eines pulverförmigen Oxids, Hydroxids,Silikats und/oder Carbonats eines mehrwertigen Metalls und 20 bis 80 Gew.-% Wasser appliziert und das applizierte Gemisch zur Umwandlung in ein poröses hartes Material sich durch die von dem heißen Metallgegenstand oder -werkstück abgegebene Wärme erwärmen läßt.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von
den bekannten Verfahren vollständig und insbesondere dadurch, daß direkt auf der Oberfläche eines heißen Metallgegenstandes oder -Werkstücks unmittelbar vor seiner nr. Bearbeitung ein isolierender überzug vorgesehen wird. Ferner sei auf die besondere Art der Ausbildung des Isolierüberzugs verwiesen.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren näher 2g erläutert.
Unter einem "saurem Aluminiumphosphat" ist ein wasserlösliches und saures Salz des Aluminiums und einer Phosphorsäure einer Oxidationszahl von 5, beispielsweise Orthophosphorsäure, Metaphosphorsäure und Polyphosphorsäure, zu verstehen. Das Aluminiumsalz solcher Phosphorsäuren enthält also noch ein ersetzbares Wasserstoffatom.
Saure Aluminiumsalze der Orthophosphorsäure sind ohne weiteres verfügbar und liefern gute Ergebnisse. Insbe-
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sondere werden saure Salze eines Molverhältnisses Al-CU/P-Oc- von 0,3:1 bis 0,5:1 bevorzugt.
Wenn das Molverhältnis Al3O3ZP2O5 unter 0,3;1 liegt,
verläuft die Reaktion zwischen dem sauren Aluminiumphosphat und der pulverförmigen mehrwertigen Metallverbindung auf den heißen Metallgegenständen oder -werkstücken zu raboh, weswegen die Reaktion ungleichmäßig
ablaufen kann. Dabei erhält man dann keinen gleichmäßig geschäumten und fest an den Metallgegenstand gebundenen Isolierüberzug. Wenn andererseits das Molverhältnis A12O3/P2O5 über 0,5:1, liegt, ist die Reaktionsfähigkeit des sauren Aluminiumphosphate mit der pulver-
förmigen mehrw «rtigen Metallverbindung schlecht, so daß man keinen Isolierüberzug ausreichender Isoliereigenschaften und guter Haftungsfestigkeit erhält.
Beispiele für in Kombination mit dem sauren Aluminiumphosphat verwendbare Oxide, Hydroxide, Silikate und/oder Carbonate mehrwertiger Metalle sind beispielsweise die Oxide, Hydroxide, Silikate und Carbonate von Zink, Magnesium, Aluminium, Beryllium, Titan, Barium, Calcium,
„,. Zinn, Kupfer, Kadmium, Nickel, Blei, Eisen und Zirkonium. Erfindungsgemäß können somit Pulver aus einem oder mehreren derartigen Oxid(en), Hydroxid(en), Silikat(en) und/oder Carbonat(en) solcher mehrwertiger Metalle oder Erzpulver aus haupsächlich (50% oder mehr) einem oder
3Q mehreren solcher Oxide, Hydroxide, Silikate und/oder Carbonate solcher mehrwertiger Metalle zum Einsatz gelangen. Besonders bevorzugt werden pulverförmiges Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid, Calciumsilikat, Zinkoxid Titanoxid, Siliziumoxid,Mulit, Kaolin, Bentonit, Wollastonit, Talkum, Kalkstein und/oder Dolomit. Vorzugsweise
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sollte die Korngröße des verwendeten Pulvers etwa 0,1 bis etwa 10 μτη betragen.
Der Mischung aus dem sauren Aluminiumphosphat und der pulverförmigen mehrwertigen Metallverbindung können nichtreaktionsfähige Hilfsstoffe zugesetzt werden. Beisoiele für solche nicht-reaktionsfähige Hilfsstoffe sind sich beim Erwärmen ausdehnende anorganische Substanzen, wie Perlit, Vermiculit, expandierbarer Graphit, faserförmige Verstärkungsmaterialien, beispielsweise Kaliumtitanaiwhiskers, und feine Keramikfasern, sowie Farbstoffe zum Färben. Darüber hinaus können auch noch zur .,- Schaumstabilisierung Natriumphosphat, Borsäure, Zitronensäure und/oder Oxalsäure in geringer Menge, insbesondere in einer Menge von höchstens 10%, mitverwendet werden.
Bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
2Q wird ein Gemisch aus 10 bis 75 Gew.-% des sauren Aluminiumphosphats, 5 bis 70 Gew.-% der pulverförmigen Metallverbindung und 20 bis 80 Gew.-% Wasser ( Aluminiumphosphat löst sich in Wasser) in einer gleichmäßiqen Stärke von etwa 1 bis 3 mm auf die Oberfläche des zur Warmformgebung erwärmten Metallgegenstandes oder -werksi&tücks appliziert. Die Applikation erfolgt durch Aufsprühen, Tauchen oder Walzenauftrag. Wenn das Gemisch mit dem heißen Metallgegenstand oder -Werkstück in Berührung gelangt und durch diesen erwärmt wird, erfolgt augenblicklich eine Reaktion.
Vermutlich nimmt das vorhandene Wasser teilweise an der Reaktion teil. Mit fortschreitender Reaktion verdampft das Wasser. Wenn beim Erwärmen sich ausdehnende Hilfsstoffe, beispielsweise Perlit, mitverwendet werden, erfolgt gleichzeitig eine Ausdehnung. Dies führt zur BiI-dung eines hochviskosen geschäumten Materials und letztlich eines porösen und harten schichtförmigen, hauptsäch-
lieh aus Phosphat bestehenden Überzugs auf der Oberfläche des heißen Metallgegenstandes oder -Werkstücks.
Lediglich bei Einhaltung des angegebenen Mischungsverhältnisses von saurem Aluminiumphosphat, pulverförmiger mehrwertiger Metallverbindung und Wasser kommt es zur Bildung eines härten schichtförmigen Überzugs ausreichender Porosität und fester Bindung an den heißen Metallgegenstand. Darüber hinaus verläuft auch die überzugsbildung nur innerhalb des angegebenen Mischungsverhältnisses glatt. Da jedoch das optimale Mischungsverhältnis von der Art der verwendeten Komponenten abhängt, wird es zweckmäßiger-
weise für jeden Einzelfall durch einfache Vorversuche ermittelt.
Nachdem sich auf der Oberfläche des heißen Metallgegenstandes oder -Werkstücks einmal ein poröser schichtförmiger
überzug gebildet hat, erfährt er über längere Zeit hinweg trotz geringfügiger Temperatüränderung keine Schrumpfung oder Ablösung infolge Beeinträchtigung der physikalischen Eigenschaften. Somit zeigt der poröse schichtförmige
überzug während der gesamten Warmformgebung von Metallge-25
genständen oder -werkstücken ausgezeichnete Isoliereigenschaften.
Der erfindungsgemäß ausgebildete poröse schichtförmige
überzug verhindert eine merkliche Temperaturerniedrigung 30
eines Stahlmatertals infolge Wärmeabgabe nicht nur vor der Warmvorgebung, sondern auch während der Warmformgebung da er seine Isolierwirkung trotz Zusammenpressen zu einer flachen Schicht bei der Warmformgebung behält.
Neben den bereits geschilderten Vorteilen bietet das er-
. /ίο.
findungsgemäße Verfahren noch folgende zusätzliche Vorteile:
1. Es ist nicht auf irgendwelche Größen und Formen von
Metallgegenständen oder -werkstücken beschränkt.
2. Da der schichtförmige Überzug in enger Berührung mit
jQ dem Metallgegenstand gebildet wird, ist der Temperaturisoliergrad sehr groß.
3. Der schichtförmige überzug stört die Warmformgebung nicht, so daß man bereits vorhandene Anlagen nicht zu ändern braucht.
Bei der Warmformgebung von Metallgegenständen oder -werkstücken stellt somit das erfindungsgemäße Verfahren eine Energieeinsparung sicher, vermindert die Anzahl der erforderlichen Bearbeitungsstufen, verkürzt die erforderliche Bearbeitungsdauer und erhöht die Qualität der warmverformten Produkte.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher veranschaulichen.
Bei spiel 1
Ein aus Kohlenstoffstahl bestehendes Teil eines Durchmessers von 600 mm und einer Länge von 3000 mm wird in einem Ofen auf 12500C erwärmt und dann aus dem Ofen herausgenommen. Unmittelbar anschließend werden mittels einer Sprühpistole auf das heiße Kohlenstoffstahlteil 3 kg/m3 eines Gemischs aus 35 Gew.-% Aluminiumhydrogenorthophosphat
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2O3/P2O5 : 0,33), 5 Gew.-% Aluininiumoxidpulver einer durchschnittlichen Korngröße von 2,5 μπι, 8 Gew.-% eines
superfeinen Siliziumoxidpulvers einer durchschnittlichen 5
Korngröße von 0,2 μηι, 2 Gew.-% ungebrannten Vermiculits einer durchschnittlichen Korngröße von 0,3 mm, 5 Gew.-% Kaliumtitanatfasern, 0,5 Gew.-% Titanoxid und 44,5 Gew.-% Wasser appliziert. Das auf das heiße Kohlenstoffstahlteil aufgesprühte Gemisch dehnt sich aus und bildet in 1 min einen harten porösen schichtförmigen überzug einer Stärke von etwa 10 mm.
Das Kohlenstoffstahlteil mit dem darauf befindlichen
porösen schichtförmigen überzug wird 1 h lang abkühlen 15
gelassen, worau die Temperatur des Kohlenstoffstahlteils 20 mm unterhalb seiner Oberfläche gemessen wird. Sie beträgt 98O0C.
Zu Vergleichszwecken wird dasselbe, auf 125O0C erwärmte Kohlen-
stoffstahlteil unter entsprechenden Bedingungen, jedoch ohne Applikation des Isolierüberzugs, abkühlen gelassen. Eine Messung der Temperatur des Kohlenstoffstahlteils 20 mm unterhalb seiner Oberfläche ergibt einen Wert von 7900C.
Ein in der geschilderten Weise auf 12500C erwärmtes und ■ mit einem Isolierüberzug versehenes Kohlenstoffstahlteil wird unmittelbar anschließend durch Schmieden einer Durchmesser reduzierung auf 500 mm unterworfen. Obwohl der schichtförmige überzug hierbei flachgeschlagen wird, löst er sich nicht von dem Metallgegenstand ab, so daß man die Warmformgebung in isoliertem Zustand fortsetzen kann.
Beispiel 2
Ein 450 nun χ 450 mm χ 5000 mm großes Teil aus rostfreiem
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SUS 304-Stahl wird in einem Ofen auf 11000C erhitzt und danach aus dem Ofen entnommen. Sofort danach werden
_ auf das heiße Teil aus rostfreiem Stahl mit Hilfe einer b
Walzenauftragsvorrichtung 2,5 kg/m2 eines Gemischs aus 35 Gew.-% Aluminiumhydrogenorthophosphat (Al2O3ZP2O5:0,45) 6 Gew.-% Aluminiumhydroxidpulver einer durchschnittlichen Korngröße von 1,4 μπι, 30 Gew.-% superfeinen Mulitpulvers einer durchschnittlichen Korncröße von 0,3 um, 4 Gew.-% eines sich beim Erwärmen ausdehnenden Graphits(einer durchschnittlichen Korngröße von 0,2 mm), 1 Gew.-% Oxalsäure, 1 Gew.-% Zinkweiß und 23 Gew.-% Wasser aufgetragen Das auf das heiße Teil aus rostfreiem Stahl aufgetragene
■^5 Gemisch expandiert und härtet in einer Minute zu einem harten porösen schichtförmigen Überzug einer Stärke von etwa 12 mm.
Das heiße Teil aus rostfreiem Stahl mit dem darauf be-2Q findlichen porösen schichtförmigen überzug wird 1 h lang abkühlen gelassen. Danach wird die Temperatur des Teils aus rostfreiem Stahl 20 mm unterhalb der Oberfläche gemessen. Die Temperatur beträgt an dieser Stelle 9250C.
Zu Vergleichszwecken wird dasselbe Teil aus rostreiem Stahl auf 11000C erwärmt und danach unter den angegebenen Bedingungen abkühlen gelassen, ohne daß es vorher einer Isolierbehandlung unterworfen wurde. Eine Messung der Temperatur des Teils aus rostfreiem Stahl 20 mm unterhalb seiner Oberfläche ergibt einen Wert von 7200C.
Ein weiteres entsprechendes Teil aus dem rostfreien Stahl wird in der geschilderten Weise auf 11000C erwärmt und einer Isolierbehandlung unterworfen. Unmittelbar an-
schließend wird das Teil aus eiern rostfreiem Stahl durch Schmieden einer " Dlckenreduzierunq von 450 mm auf 400 mm unterworfen. Trotz Zusammenpressen zu einer flachen Schicht löst sich der schichtförmige überzug nicht ab, so daß die Warmformgebung in isoliertem Zustand fortgesetzt werden kann.

Claims (7)

Patentansprüche
1. Verfahren zum Isolieren heißer Metallgegenstände, dadurch gekennzeichnet, daB man zur Ausbildung eines schichtförmiaen Isolierüberzugs auf die Oberfläche ctes heißen Metallgegenstandes ein Gemisch aus 10 bis 75 Gew.-% sauren Aluminiumphosphats, 5 bis 70 Gew.-% eines Oxids, Hydroxids, Silikats oder Carbonats eines mehrwertigen Metalls in Pulverform und 20 bis 80 Gew.-% Wasser appliziert und das applizierte Gemisch sich durch die von dem heißen Metallgegenstand abgegebene Wärme zur Umwandlung in ein poröses hartes Material erwärmen läßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als saures Aluminiumphosphat ein Aluminiumhydrogenorthophosphat eines Molverhältnises Al3O /P-O5 von 0,3:1 bis 0,5:1 verwendet.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemisch verwendet, das zusätzlich ein
beim Erwärmen ausdehnungsfähiges, nicht-reaktionsfähiges anorganisches Material in Form von Perlit, Vermiculit, expandierbarem Graphit und/oder faserförmigen Verstärkungsmittel enthält.
30
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemisch verwendet, das zusätzlich ein die Schaumbildung stabilisierendes Mittel in Form von Natriumphosphat, Borsäure, Zitronensäure und/oder Oxalsäure enthält.
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5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemisch verwendet, das ein die Schaumbildung stabilisierendes Mittel in Form von Natriumphosphat, Borsäure, Zitronensäure und/oder Oxalsäure enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Pulver Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid,
1^ Calciumsilikat, Zinkoxid, Titanoxid, Siliziumoxid, Mulit, Kaolin, Bentonit, Wollastonit, Talkum, Kalkstein und/oder Dolomit verwendet.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine pulverförmige mehrwertige Metallverbindung einer Teilchengröße von etwa 0,1 bis etwa 1 0 μΐη verwendet.
DE3206297A 1981-02-23 1982-02-22 Verfahren zum Isolieren heißer Metallgegenstände Expired DE3206297C2 (de)

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