DE3319580A1

DE3319580A1 - Verfahren zur herstellung eines extrudierten aluminium-hohlkoerpers

Info

Publication number: DE3319580A1
Application number: DE19833319580
Authority: DE
Inventors: Hajime Ibaraki Ishimaru; Shigeru Sakai Osaka Nishizaki
Original assignee: Showa Aluminum Corp
Current assignee: Showa Aluminum Can Corp
Priority date: 1981-11-04
Filing date: 1983-05-30
Publication date: 1984-12-06
Also published as: GB2140340B; JPS5877712A; GB8314339D0; JPS5919769B2; US4578973A; GB2140340A; CH663915A5; FR2547217A1

Description

Showa Aluminium Corporation_r 224, 6-cho, Kaizan-cho, Sakai, Osaka, Japan

Verfahren zur Herstellung eines extrudierten Aluminium-Hohlkörpers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines extrudierten Aluminium-Hohlkörpers für die Verwendung im Vakuum, insbesondere Hochvakuum, wie beispielsweise Tei lchenbesch leunigerrohre für Synchrotrons und dergleichen Beschleuniger. Der Begriff "Aluminium" umfaßt dabei sowohl Reinaluminium als auch Aluminiumlegierungen.

Rohre für die Beschleunigung von Teilchen wurden' bisher hauptsächlich aus rostfreiem Stahl hergestellt. Seit kurzem hat man jedoch gefunden, daß auch Aluminiumrohre für diese Verwendung geeignet sind. Sie werden eingesetzt, weil Aluminium Vorteile gegenüber rostfreiem Stahl hat. Beispielsweise induziert Aluminium weniger Radioaktivität und läßt einmal induzierte Radioaktivität schneller abschwächen. Weiterhin hat es eine bessere thermische und elektrische Leitfähigkeit, eine Oberfläche mit einer geringeren Entgasungsrate und ist leichter und einfacher

zu handhaben. Das Innere eines Teilchenbesch leunigerrohrs, durch das die Teilchen mit hoher Geschwindigkeit hindurchgehen, muß in einem Hochvakuum gehalten werden. Es ist deshalb eine wichtige Aufgabe, wie ein solches Rohr mit einem solch hohen Vakuum versehen werden kann.

Um Teilchenbeschleunigerrohre zu evakuieren, wird gewöhnlich die innere Oberfläche des Rohres mit einem organischen Lösungsmittel oder ähnlichem entfettet und anschließend wiederholt einer Entgasungsbehandlung unterworden, die bei 15o°C über 24 Stunden durchgeführt wird. In Kombination mit dieser Behandlung wird die innere Rohroberfläche auch einer Reinigungsbehandlung in Wasserstoff-, Argon-, Sauerstoff- oder ähnlichem Gas unterworfen. Nachteilig dabei ist, daß dieses Verfahren zeit- und kostenaufwendig ist und daß der Evakuierungsgrad immer noch verbesserungswürdig ist.

Für die Erzielung eines hohen Vakuums innerhalb von Teilchenbesch leunigerrohren ist es entscheidend, die Gasmengen, die von der Innenwandung des Rohrs nach seiner Fertigstellung herausgelöst werden, zu verringern. Hinsichtlich dieses Problems sind Forschungsexperimente durchgeführt worden, bei denen die Erkenntnis gewonnen worden ist, daß die Eigenschaften bzw. der Zustand der Beschichtung auf der inneren Oberfläche der Aluminiumrohre sehr wesentlich den Evakuierungsgrad beeinflußt.

Bekanntlich ist Aluminium sehr anfällig gegen Oxidation. Es entsteht beim Kontakt mit Sauerstoff sofort eine Oxidschicht auf der Oberfläche. In Gegenwart von Wasser oder Feuchtigkeit bildet sich ein wasserhaltiger Oxidfilm auf der Oberfläche. Je höher die Temperatur der Reaktion zur Ausbildung des wasserhaltigen Oxidfilms ist, desto ausgeprägter ist die Entstehung dieses Films. Bei hoher Tempe-

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ratur entsteht ein boemite, b.i a Li ti erter (bialite) oder ähnlich gearteter wasserhaltiger Oxidfilm. Im Vergleich zu der Aluminiumoxidschicht, die in Abwesenheit von Wasser entsteht, ist der wasserhaltige Oxidfilm sehr rauh und porös mit Poren komplizierter Formgebungen. Des weiteren ist dieser Film relativ dick.

Werden Aluminiumrohre mittels des üblichen Extrusionsverfahrens hergestellt, so bildet sich an der inneren Oberfläche des Rohrs ein wasserhaltiger Oxidfilm, wenn die Oberfläche Kontakt mit einer feuchten .Atmosphäre erhält. Der Film bzw. die Schicht hat eine vergrößerte Dicke, weil das Aluminium während der Extrudierung hohen Temperaturen ausgesetzt ist, die die Reaktion zur Ausbildung des wasserhaltigen Oxidfilms beschleunigen.

Ein solcher Oxidfilm adsorbiert aufgrund der vorgenannten Eigenschaften eine vergleichsweise große Menge Wasser. Da diese Schicht nicht dicht ist, adsorbiert sie neben dem Wasser auch Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid, Kohlenmonoxyd und ähnliche Substanzen, die in der Atmosphäre enthalten sind und die eine Reduzierung des Evakuierungsgrades bewirken." Diese Substanzen werden nicht vollständig durch die obengenannte Reinigungsbehandlung in einem Gas oder bei der Evakuierung entfernt, sondern verbleiben teilweise in der Schicht adsorbiert. Die wasserhaltige Oxidschicht adsorbiert diese Substanzen nicht nur, sondern schließt sie aufgrund der vorgenannten Charakteristiken dieser Schicht ein mit der Folge, daß sie selbst durch Evakuierung nur schwierig zu entfernen sind. Auf diese Weise verhindern diese Substanzen die Erzielung eines Hochvakuums innerhalb eines Teilchenbeschleunigerrohrs.

Ferner ist darauf hinzuweisen, daß Aluminiumrohre beim Extrudieren sehr stark erhitzen und anschließend zur

Härtung in Wasser oder Luft gekühlt werden, wodurch eine verbesserte mechanische Festigkeit erreicht wird. Aufgrund dieser Behandlung wird die wasserhaltige Oxidschicht noch weiter vergrößert, während die das Vakuum reduzierenden Substanzen in der Schicht nach ihrer Adsorption eingeschlossen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von extrudierten Aluminium-Hohlkörpern für die Verwendung im Vakuum zu finden, bei dem die vorstehenden Probleme nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das vordere Ende des Aluminium-Hohlkörpers unmittelbar nach seiner Extrudierung dicht verschlossen wird, daß der Aluminium-Hohlkörper nach Extrudierung einer bestimmten Länge abgeschnitten und dabei gleichzeitig dicht verschlossen wird und daß die geschlossenen Enden ansehtiessend weggeschnitten werden.

Bei diesem Verfahren kommt die innere Oberfläche des Hohlkörpers während der Extrudierung praktisch nicht in Kon-* takt mit der · Atmosphäre, wodurch die Bildung einer unerwünschten wasserhaltigen Oxidschicht auf der Innenoberfläche verhindert wird, andererseits jedoch die Entstehung einer Oxidschicht erlaubt wird. Diese Oxidschicht ist sehr dicht und dünn und ist deshalb sehr viel weniger aufnahmefähig für die Adsorption oder die Einschließung von das Vakuum beeinträchtigenden Substanzen als eine wasserhaltige Oxidschicht. Selbst wenn solche Substanzen adsorbiert oder eingeschlossen werden, sind sie durch eine Entgasungsbehandlung leicht zu entfernen. Entsprechend kann der Hohlkörper auf einem hohen Evakuierungsgrad gehalten werden. Die Menge der dabei noch auf der Innenseite des Rohrs herausgelösten Substanzen ist wesentlich

reduziert. Hierdurch kann das Cumbersome-Verfahren, das normalerweise für die Erzielung eines hohen Vakuums erforderlich ist, wegfallen oder sein Aufwand reduziert werden. Die extrudierten Hohlkörper, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten werden, sind nicht nur für Tei I chenbeschleunigerrohre geeignet, sondern auch als Formstücke, die unter hohem Vakuum gehalten werden.

Nach Verschließen des vorderen offenen Endes des Hohlkörpers ist es zweckmäßig, den Hohlkörper zugleich mit der Extrudierung zu evakuieren. Statt der Evakuierung kann auch ein Inert-Gas allein oder in einer Mischung mit Sauerstoff in den Hohlkörpern eingeführt werden, und zwar mit Beginn der Extrudierung. Im letzteren Fall sind geeignete Mischungsverhältnisse o,5 bis 3o Vol.%, vorzugsweise 1 bis 1o Vol.% Sauerstoff und der Rest Inert-Gas. Brauchbare Inert-Gase sind gewöhnlich Argon und Helium. Im Hinblick auf die Extrudierung und die mechanische Festigkeit sind bevorzugte Materialien AA6061, AA6063 (Japanische Industrienorm) und ähnliche Aluminium-Magnesiurn-Si Iieium-Legierungen. Die geschlossenen Enden des Aluminium-Hoh Ikö-rpers können aufgeschnitten werden, bevor oder nachdem sie zu dem Ort transportiert werden, wo:sie verwendet werden. Falls der Hohlkörper während der Extrudierung nicht evakuiert oder kein Inert-Gas eingeleitet wird, so fließt eine geringe Menge Luft in den Hohlraum, bevor er an seinem vorderen Ende verschlossen wird. Der fertiggestellte Hohlkörper hat jedoch im Inneren praktisch ein Vakuum. Selbst wenn der Hohlkörper evakuiert oder ein Inert-Gas eingeleitet wird, enthält er immer noch eine solche Menge Sauerstoff, um eine dichte Oxidschicht zu bilden.

Wenn eine Mischung von Sauerstoff und Inert-Gas in dem vorgenannten Mischungsverhältnis in den Hohlkörper einge-

Leitet wird, so bildet sich eine Oxidschicht mit einer Dicke von 2 ο bis 3o A. Sofern die anderen Verfahren angewendet werden, so ist die Schichtdicke kleiner. In den Fällen, in denen der extrudierte Hohlkörper längere Zeit mit aufgeschnittenen Enden der Atmosphäre ausgesetzt . wird, bildet sich eine Oxidschicht,bis sich mit der atmosphärischen Umgebung ein Gleichgewicht eingestellt hat. Auf diese Weise entsteht eine grobe, wasserhaltige Oxidschicht über der dichten Oxidschicht, die sich in der nicht oxidierenden Umgebung gebildet hat. Aufgrund der gleichzeitigen Anwesenheit von zwei Schichten ist die Eignung für die Verwendung im Vakuum leicht beeinträchtigt. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, das Verfahren anzuwenden, bei dem die vorgenannte Gasmischung dem Hohlkörper zugeführt wird.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Extrudier-

vorrichtung mit einem extrudierten Aluminium-Hohlkörper während der Herstellung;

Figur 2 einen vergrößerten Querschnitt entlang

* der Linie H-II in Figur 1;

Figur 3 einen Querschnitt durch einen anderen Alu

minium-Hohlkörper und

Figur 4 einen Längsschnitt durch den in Figur 1

dargestellten Aluminium-Hohlkörper mit beiden Enden dicht abgeschlossen.

Figur 1 zeigt eine Extrudiervorrichtung normaler Bauart, auch Strangpresse genannt. Sie weist einen Aufnehmer 1,

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eine Preßscheibe 2, einen StempeL 3, ein Innenwerkzeug 4, ein Außenwerkzeug 5, einen HaLter 6 und eine FrontpLatte

7 auf. Das Innenwerkzeug 4 ist mittig mit einem GasauLaß

8 versehen. Von einem GaseinLaß 9 am unteren Ende des

Halters 6 erstreckt sich ein Gaskanal 1o zum Gasauslaß
8, wobei dieser Gaskanal 1o in das Innenwerkzeug 4 und
den Halter 6 eingeformt ist. Ein Gasbehälter 11 ist über einen Schlauch 12 mit dem Gaseinlaß 9 verbunden.

In den Figuren 2 und 3 sind im Querschnitt extrudierte
Hohlkörper 13, 14 für die Herstellung eines Teilchenbeschleunigerrohrs dargestellt, die mittels der Extrudier-Vorrichtung hergestellt worden sind. Die Werkzeuge zur
Herstellung dieser Hohlkörper 13, 14 sind seLbstverständlieh jeweils an deren Querschnitt angepaßt. Solche Hohlkörper 13, 14 bestimmter Länge werden nacheinander abwechselnd zu einem endlosen Rohr zur Beschleunigung von
Teilchen miteinander verbunden.

Die Hohlkörper 13, 14 haben jeweils Hohlkanäle 15, 16

mit etwa elliptischem Querschnitt für das Hindurch lei ten der Teilchen. Der in Figur 2 dargestellte Hohlkörper 13
weist benachbart zu dem Hohlkanal 15 einen Evakuierungshohlkanal 17 auf, wobei die Hohlkanäle 15, 17 durch eine Trennwand 27 voneinander getrennt sind. Diese Trennwand hat jedoch in bestimmten Abständen hier nicht näher dargestellte Verbindungsöffnungen. Der Hohlkörper 13 "hat
des weiteren zwei KühLwasserkanäIe 18 auf einer Seite des HohLkanals 15 für die Teilchen. Demgegenüber hat der in

Figur 3 dargestellte Hohlkörper 16 einen Kühlwasserkanal 19 auf einer Seite des Hohlkanals 16. Die Küh IwasserkanäLe 18, 19 haben einen kleinen Kreisquerschnitt. Der in Figur 2 gezeigte Hohlkörper 13 weist des weiteren Nuten 2o, 21 zum Einsetzen eines ummantelten Heizdrahtes für das Entgasen des Hohlkörpers 13, wobei die eine Nut 2o zwischen

den zwei KühLwasserkanaLen 18 und die Nut 21 auf der einen Seite des EvakuierungshohLkanaLs 17 angeordnet sind. Der in Figur 3 gezeigte HohLkörper 14 hat eine ähnLiche Nut 22 auf der anderen Seite des HohLkanaLs 16.

Der HohLkörper 13 wird mittels foLgender Verfahrensschritte hergestellt. Zunächst werden die Werkzeuge 4, 5 mit einem BeizmitteL gereinigt. Dann wird ein BLock 23 aus AA6063 (Japanische Industrienorm), der zuvor bei 560 C über drei Stunden homogenisiert worden ist, bei einer Temperatur von 500 C mit einer Geschwindigkeit von 10 Metern pro Minute ohne Verwendung eines Schmiermittels extrudiert. Gleichzeitig wird ein Gasgemisch 24 mit 7 VoL.% Sauerstoff und dem Rest Argon mit einem Druck von 2 bis 3 kg/cm während des Extrudiervorgangs in den Hohlraum des Hohlkörpers 13 eingeleitet, und zwar vom Gasbehälter 11 über den Schlauch 12, den Gaskanal 1o und den Gasauslaß 8. Nach der Extrudierung eines kurzen Stücks des HohLkörpers 13 wird das vordere offene Ende mittels einer Presse hermetisch dicht verschlossen, wodurch der in Figur 1 dargestellte geschlossene .Endberei ch 25 entsteht.

Nachdem eine bestimmte Länge unter fortlaufender Zuführung des Gasgemischs 24 extrudiert worden ist, wird der' Hohlkörper 13 mittels einer Schervorrichtung abgeschnitten, wobei gleichzeitig das abgeschnittene Ende hermetisch dicht verschlossen wird, so daß das in Figur 4 dargestellte Ende 26 entsteht. Anschließend wird der HohLkörper 13 an der Luft gesteuert auf 250°C abgekühlt, wobei die Gasmischung 24 in ihm eingeschlossen ist. Dann wird er spontan abgekühlt und daraufhin einer Zugspannung zur Korrektur unterworden. Es folgt dann eine AI terungsbehandLung bei 180 C über 6 Stunden. Schließlich werden die geschlossenen

Enden 25, 26 des Hohlkörpers 13 weggeschnitten, ohne daß ein öl- oder Luftstrom verwendet wird, so daß ein Hohlkörper bestimmter Länge erhalten wird. Der andere Hohlkörper 14 (Figur 3) wird in der gleichen Weise hergestellt, nur daß unterschiedliche Werkzeuge verwendet wer den .

Die Hohlkörper 13, 14 haben dann eine dichte und dünne Oxidschicht an ihrer inneren Oberfläche. Nach einer Entgasungsbehandlung über 24 Stunden bei 15O⁰C und einer anschließenden überprüfung des Vakuums wurde eine Entga-

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sungsrate bis zu 10 torr*l/s"cm erreicht. Dies kann nur einem völlig unerwarteten Phänomen zugeschrieben werden, d. h. der Charakteristik der inneren Oxidschicht, bei der diese Schicht als eine Art Vakuumpumpe funktioniert, die die im Innern des Hohlkörpers verbliebenen Gase adsorbi ert.

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Claims

Ansprüche:

M-J Verfahren zur Herstellung eines extrudierten Aluminium-Ιο Hohlkörpers für die Verwendung im Vakuum, insbesondere Hochvakuum, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere Ende des Aluminium-Hohlkörpers unmittelbar nach seiner Extrudierung dicht verschlossen wird, der Aluminium-Hohlkörper nach Extrudierung einer bestimmte Länge·abgeschnitten und dabei gleichzeitig dicht verschlossen wird und die geschlossenen Enden anschließend weggeschnitten werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminium-Hohlkörper während der Extrudierung im Anschluß an das Verschließen des vorderen Endes einem Vakuum ausgesetzt wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Innen raum des Aluminium-Hohlkörpers vom Beginn

der Extrudierung ein Inert-Gas eingeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung eines Inert-Gases mit Sauerstoff eingeführtwird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung o,5 bis 3o VoL.% Sauerstoff und
den Rest Inert-Gas enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung 1 bis 1o VoL.% Sauerstoff und den Rest Inert-Gas enthält.