DE3447557A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines hohlzylinders durch zerstaeuben einer metallschmelze - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines hohlzylinders durch zerstaeuben einer metallschmelze

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlzylinders durch Zerstäuben einer Metallschmelze und Auffangen der Zerstäubungspartikel auf einem Dorn in Form einer zusammenhängenden festen Ablagerung und betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Hohl zylinder aus metallischen Werkstoffen werden für viele Verwendungszwecke benötigt, z.B. in Form von dickwandigen Hohlblöcken als Halbzeuge (Rohrluppen) für die Rohrherstellung. Die Hohl blöcke werden im allgemeinen durch Gießen, sehr oft verbunden mit anschließendem Verformen, hergestellt.
Es ist auch bekannt, Hohl zylinder unterschiedlicher Wanddicken dadurch herzustellen, daß eine Metallschmelze in kleine Tröpfchen
I1J zerstäubt wird und die Zerstäubungspartikel auf einem drehbaren und in Längsrichtung verschiebbaren zylindrischen Dorn aufgefangen werden (GB-PS 1 599 392). Die Dicke der aufgesprühten Schicht, d.h. die Wanddicke des Hohl Zylinders ist von der pro Zeiteinheit zerstäubten Schmelzenmenge und von der Geschwindigkeit der Dreh- und Längsbewegung des Dornes abhängig. Die relative Dichte der gesprühten Schicht kann 100 % betragen oder aber auch kleiner sein. Die so hergestellten Hohl zylinder sind für die Warmverarbeitung (z.B. Strangpressen) oder - bei voller Dichte - direkt für die Kaltverarbeitung (z.B. Kaltpilgern) geeignet.
Das Verfahren bietet gegenüber dem üblichen Weg über das Gießen insbesondere folgende Vorteile:
- keine Sei gerungen und Entmischungen, 30
- weniger Verformungsschritte erforderlich (Energie- und Werkstoffersparni s),
- kein Gußgefüge (bessere Verformbarkeit),
- Herstellung "exotischer" Legierungen möglich.
- 6 - r
Das bisher bekannte Sprühverfahren hat jedoch einen wesentlichen Nachteil: Der dreh- und längsverschiebbare Dorn muß eine Oberfläche aufweisen, an der die aufgesprühten Partikel haften, damit sie während der Drehbewegung nicht vom Dorn herunterfallen. Dies hat aber '> zur Folge, daß der Dorn nach dem Sprühvorgang aus dem Hohl zylinder, der beim Erkalten außerdem noch aufgeschrumpft ist, nicht herausgezogen werden kann. Besteht der Dorn aus einem spröden Werkstoff, z.B. Keramik, muß er zertrümmert und müssen seine Bruchstücke restlos entfernt werden, was mit erheblichem Aufwand verbunden ist. Wenn der Dorn aus z.B. Stahlblech gebildet ist, besteht die Gefahr, daß er sich durch die hohe Temperatur der auftreffenden Schmelzenpartikel verzieht. Auch hierbei ist seine unbedingt notwendige Entfernung vor der Endbearbeitung eine aufwendige Angelegenheit.
1'> Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist.es, diese Nachteile zu vermeiden.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, wobei vorteilhafte Weiterbil-0 düngen dieses Verfahrens in den Unteransprüchen 2-8 angegeben sind. Eine für die Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung ist im Anspruch 9 gekennzeichnet und in den Ansprüchen 10 - 17 mit ihren vorteilhaften Weiterbildungen dargestellt.
21^ Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, daß der Dorn, auf den die Metallschmelze in Form feiner Tröpfchen aufgesprüht wird, im Prinzip ortsfest gehalten wird und sich auch nicht (vollständig) um seine Längsachse dreht. Die für das Sprühverfahren erforderliche relative Dreh- und Längsbewegung zwischen dem Sprühstrahl und der erzeugten Ablagerung wird allein durch die Bewegung der Ablagerung selbst erzeugt, d.h. der Dorn, auf den die Schmelze aufgesprüht wird, wird nicht in gleicher Weise mit der Ablagerung bewegt.
Das Augenmerk ist also von vornherein darauf gerichtet, ein Anhaften der Zerstäubungspartikel an der Oberfläche des Domes zu vermeiden.
Ausgehend von der an sich bekannten Gaszerstäubung einer Metallschmelze wird das Verfahren in der Weise durchgeführt, daß die Zerstäubungspartikel auf einen Dorn aufgesprüht werden, der lediglich im Bereich der Auftreffzone des Zerstäubungsstrahles eine zylindrische Außenkontur aufweist. In den übrigen Bereichen des als Form für das Sprühen benutzten Teiles dieses Domes besitzt er eine Oberfläche, die innerhalb des gedachten Zylinders liegt. Das bedeutet, daß der Dorn insgesamt kleiner ausgeführt ist, als der der ZyI inderteil mantel fläche zugeordnete geometrische Zylinder. Dieser gedachte Zylinder entspricht mit seinem Durchmesser dem gewünschten
\b Innendurchmesser des zu erzeugenden metallischen Hohl Zylinders. Während der Zerstäubungsstrahl auf den zylindrischen Teil des Domes trifft, wird die bereits gebildete Ablagerung in einer kontinuierlichen Abzugsbewegung entfernt, wobei diese Abzugsbe-
■;| wegung schraubenlinienförmig durchgeführt wird. Die Ablagerung wird
T 2 0 also nicht nur in Längsbewegung von dem Dorn abgezogen, sondern dabei gleichzeitig auch um die Längsachse des Domes gedreht. Auf diese Weise wird ein beständiges "Wachsen" des metallischen Hohlzylinders gewährleistet, weil der Sprühstrahl stets auf den bereits erstarrten Kopfteil der Ablagerung auftrifft und sich mit diesem
2l> verbindet. Um das Anfahren des Prozesses zu erleichtern, empfiehlt es sich, zu Beginn des Verfahrens auf den Dorn von außen ein im wesentlichen zylindrisches Anfahrstück zu schieben. Im Außendurch- '■ messer soll es dem Außendurchmesser des Hohlzylinders entsprechen. Um das Aufschieben auf den Dorn zu ermöglichen, ist das Anfahrstück ( ; zumindest an einem Ende rohrförmig ausgebildet, wobei der Innendurchmesser des Rohres dem Innendurchmesser des zu erzeugenden Hohl Zylinders entspricht. Der Sprühstrahl wird zu Beginn des Verfahrens auf den aufgeschobenen Kopfbereich des Anfahrstückes gerichtet, so daß sich die Schmelzenpartikel mit diesem Anfahrstück 5 verbinden. Dadurch ist es ohne weiteres möglich, die Abzugsbewegung auf die entstehende Ablagerung zu übertragen.
Vorteilhaft wird das Anfahrstück im Kopfbereich außen konisch angeschrä'gt, wobei es weiterhin nützlich sein kann, in diesem angeschrägten Bereich Zapfen oder Nuten vorzusehen, die eine fornischlüssige Verbindung des Anfahrstückes mit der erzeugten Ablage- ^ rung sicherstellen. Dieser Kopfteil der Hohlwelle sollte leicht auswechselbar gestaltet werden, da er vor der Weiterverarbeitung des Hohlzylinders von diesem abgetrennt wird, wobei der zuerst gebildete Teil des Hohlzylinders als Schrott verloren geht.
Es empfiehlt sich, die Zerstäubung mit Hilfe einer Ringschlitzdüse vorzunehmen, da dabei die Zerstäubungsbedingungen besonders gut gesteuert werden können. Zwischen der Sprührichtung und der Abzugsrichtung sollte ein Winkel von größer als 90° eingehalten werden. Das bedeutet, daß die Abzugsrichtung, wenn der Sprühstrahl senkrecht von oben nach unten gerichtet ist, gegen die Horizontale geneigt sein sollte. Der Winkel dort allerdings nicht so gewählt werden, daß die Achsen des Zerstäubungsstrahles und des Domes parallel bzvu. annähernd parallel sind.
Wie bereits ausgeführt wurde, wird der Dorn in einer an sich ortsfesten Lage gehalten. Um jedoch ein Anhaften der zerstäubten Schmelzenpartikel an der Oberfläche des zylindrischen Dornes zu vermeiden, empfiehlt es sich, den Dorn eine oszillierende Bewegung
2>y um eine Mittel lage ausführen zu lassen. Diese Oszillationsbewegung kann in einer Längsbewegung in Richtung seiner Längsachse und/oder in einer Drehbewegung um seine Längsachse bestehen. Der Dorn führt aber auf keinen Fall vollständige Drehbewegungen aus, sondern bewegt sich lediglich um einige Winkelgrade (z.B. 5 - 10°). Auch die Längsbewegung ist in ihrem Hub auf geringe Längen beschränkt (z.B. 3 mm). Dadurch, daß der Dorn lediglich eine teil zylindrische Oberfläche aufweist und im übrigen innerhalb des gedachten Zylinders liegt, also kleiner ist als der gedachte Zylinder, ist gewährleistet, daß die hohl zylindrische Ablagerung auf keinen Fall auf
il> den Dorn aufschrumpfen kann und sich mit diesem verbindet.
L J
Eine weitere Maßnahme zur Unterstützung dieses Effektes besteht darin, den Dorn im Bereich der zylindrischen Oberfläche z.B. mit Hartmetall oder mit Keramik zu beschichten oder auch mit Hartstoffen (z.B. Titannitrid, Titanoxid, Aluminiumoxid) zu bedampfen. Zumindest sollte der Dorn im Bereich seiner zylindrischen Oberfläche gehärtet sein und dadurch eine erhöhte VerschleiBfestigkeit besitzen, damit seine Oberfläche möglichst lange glatt bleibt. Förderlich ist es auch, die gebildete Ablagerung von der Dornseite her zu kühlen. Hierzu weist der Dorn insbesondere in oberflächennahen Bereichen entsprechende Kühlkanäle zur Durchleitung eines Kühlmediums auf.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht zunächst aus einer an sich bekannten Einrichtung für die Gaszerstäubung einer Metallschmelze, wobei vorzugsweise eine Ringschlitzdüse vorgesehen ist. Unterhalb .der Zerstäubungsdüse ist der an sich ortsfeste Dorn angeordnet, dessen Oberfläche auf der dem Zerstäubungsstrahl zugewandten Seite als Teil mantel fläche eines Zylinders ausgebildet ist. Der Durchmesser dieses Zylinders entspricht dem des 0 zu erzeugenden metallischen Hohlzylinders. Die Teil mantel fläche erstreckt sich - im Querschnitt gesehen - über einen Kreissektor mit einem Öffnungswinkel von weniger als 180°. Im übrigen ist der Dorn kleiner als dieser gedachte Zylinder, liegt also innerhalb von dessen gedachter Außenkontur. Hinter dem Dorn ist in Abzugsrichtung eine Abzugsvorrichtung angeordnet, die motorisch angetrieben ist. Diese Abzugsvorrichtung überträgt eine spiralförmige Bewegung auf den abzuziehenden Hohl zylinder. Zur Übertragung der schraubenlinienförmigen Bewegung auf den abzuziehenden Hohl zylinder weist die Abzugsvorrichtung Scheiben, Räder oder Walzen auf, deren Drehzahl und Achswinkel einstellung regelbar sind. Durch Veränderung des Achswinkels kann der pro Umdrehung gewünschte Vorschub eingestellt werden, während durch Änderung der Drehzahl die Geschwindigkeit der Bewegung eingestellt wird. Diese ist bei sonst konstanten Bedingungen bestimmend für die entstehende Wanddicke des Hohl Zylinders.
- 10 -
Die Befestigung des Domes ist verstellbar ausgeführt, damit der Winkel zwischen der Längsachse des Domes und der Mittelachse des Zerstäubungsstrahles einstellbar ist. Vorteilhafterweise wird der Dorn nicht starr gelagert, sondern an einem Schwingungserreger c> befestigt, der ihn in oszillierende Dreh- und/oder Längsbewegungen bezüglich seiner Längsachse versetzen kann.
Anhand der Figuren 1 und 2 wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
in
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Anlage in Längsrichtung des Domes,
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Dorn mit aufgeschobenem I1' Anfahrstück und aufgesprühter Ablagerung senkrecht
zur Längsachse des Domes.
In Figur 1 sind die wesentlichen Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung, allerdings ohne die Abzugsvorrichtung dargestellt. In
2ü dem feuerfesten Gefäß 1 befindet sich die Metallschmelze 2, die am Boden des Gefäßes 1 in einem Gießstrahl 3 austritt. Der Gießstrahl 3 wird mit Hilfe der Ringschlitzdüse 5, die an eine Zufuhr 4 für das Zerstäubungsgas angeschlossen ist, in feine Tröpfchen zerstäubt. Der Zerstäubungsstrahl 6 trifft auf einen unterhalb der
Zb Ringschlitzdüse 5 ortsfest angeordneten Dorn 12 auf. Der Dorn 12 besitzt in dem dem Zerstäubungsstrahl 6 zugewandten Bereich, wie aus Bild 2 hervorgeht, eine teilweise zylindrische Oberfläche 13. Die Mantel teil fläche dieses Zylinders erstreckt sich im Querschnitt gesehen über einen Winkel von etwa 135°. Im übrigen Bereich ist der 0 Dorn 12 kleiner ausgebildet als der gedachte zu seiner ZyIinderteil mantel fläche gehörige Zylinder. Der Dorn 12 ist insbesondere im oberflächennahen Bereich von Kühlkanälen 14 durchzogen. Auf den Dorn 12 ist das abnehmbare Kopfstück 7 einer zylindrischen Hohlwelle 9 aufgeschoben. Das Kopfstück 7 ist mit einer Schraube 11 an
5'-> der Hohlwelle 9 befestigt. In seinem Endbereich ist das Kopfstück 7 konisch abgeflacht.
- 11 -
Zu Beginn des Zerstäubungsprozesses trifft der Zerstäubungsstrahl
6 auf den konischen Bereich des Kopfstückes 7 und bildet dort die Ablagerung 10. Die Ablagerung 10 verbindet sich mit dem Kopfstück
7 und wird zusätzlich durch den Zapfen 8 formschlüssig gehalten.
Während des gesamten Zerstäubungsprozesses unterliegt die Ablagerung 10 einer kontinuierlichen schrauben!inienförmigen Abzugsbewegung. Zu Beginn des Verfahrens wird diese durch die nicht dargestellte Abzugsvorrichtung über das Anfahrstück 9, 7, 11 übertragen. Im weiteren Verlauf wird die Abzugsbewegung unmittelbar von dem bereits erstarrten Teil des Hohlzylinders aufgenommen. Auf diese Weise entsteht ein metallischer Hohlzylinder "unendlicher" Länge. Seine Innenoberfläche ist dank der Formgebung durch den zylindrischen Teil des Domes vergleichsweise glatt, seine Außenoberfläche rauh.
- Leerseite -

Claims (17)

Mannesmann Aktiengesellschaft Mannesmannufer 2 400Π Düsseldorf 1 Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Hohlzylinders durch Zerstäuben einer Metallschmelze Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Hohlzylinders durch Zerstäuben einer Metallschmelze und Auffangen der ZerstäubungspartJkel auf einem Dorn in Form einer zusammenhängenden festen Ablagerung, dadurch gekennzeichnet, daß der nur teilweise mit einer zylindrischen Außenkontur versehene Dorn gegenüber dem Zerstäubungsstrahl während des Zerstäubungsvorgangs ortsfest und derart schräg gehalten wird, daß die Zerstäubungsstrahlachse und die Dornachse nicht parallel sind und daß die auf den Dorn aufgesprühte Ablagerung vuährend des Sprühens kontinuierlich in einer schraubRnlinienförmigen Bewegung in Richtung der Dornachse vom Dorn abgezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zu Beginn des Verfahrens auf den Dorn ein außen im wesentlichen zylindrisches Anfahrstück geschoben wird, dessen Außendurchmesser lj dem des zu erzeugenden Hohl Zylinders entspricht und das zumindest an einem Ende rohrförmig ausgebildet ist, wobei der Innendurchmesser des Rohres dem Innendurchmesser des zu erzeugenden Hohlzylinders entspricht, und daß beim Einsetzen der Abzugsbewegung der Sprühstrahl zunächst auf den aufgeschobenen Teil des Anfahrstückes trifft.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubung mit einer Ringschlitzdüse durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Sprührichtung (Mittelachse des Zerstäubungsstrahles) und der Abzugsrichtung (Längsachse des Domes)
0 größer als 90° ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn in seiner an sich ortsfesten Lage eine oszillierende 5 Längsbewegung in Richtung seiner Längsachse ausführt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn in seiner an sich ortsfesten Lage eine oszillierende Drehbewegung um seine Längsachse ausführt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgesprühte Ablagerung von der Dornseite her gekühlt wird.
-3- 3 A 4 7 5 5 7
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung für die Gaszerstäubung einer Metanschmelze und einem als Auffangfläche für die Zerstäubungspartikel dienenden, im Auftreffbereich des Zerstäubungsstrahles angeordneten Dorn, dadurch gekennzeichnet,
daß der Dorn (12) ortsfest und qegenuber der Zerstäubunnsstahlachse derart schräg angeordnet ist, daß die Achsen des Zerstäubungsstrahles und des Dornen nirht parallel sind, daß die Überfläche des Domes (12) auf der dem Zerstäubungsstrahl (ή) zuge-1Q wandten Seite als TeilmanteH lache (13) eines Zylinder.-, ausgebildet ist, dessen Durchmesser dem Innendurchmesser des zu erzeugenden Hohlzylinders (IQ) entspricht, wobei sich die leilmantelflache (13) - im Querschnitt gesehen - über einen Kreissektor mit einem Öffnungswinkel von weniger als 180° erstreckt und die übrigen Dereiche der Oberfläche des Domes (12) innerhalb des gedachten Zylinders liegen, und daß in Abzugsrichtung hinter dem Dorn (12) nine angetriebene Almiqnvorr irtil" iintj für das Abziehen des Hohlzylinders (10) in einer schrauben!inienförmigen Bewegung angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Längsachse des Dornes (12) und der Mittelachse des Zerstäubungsstrahles (6) größer als 90° ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung des Dornes (12) zur Einrichtung des Winkels zwischen der Längsachse des Dornes (12) und der Mittelachse des Zerstäubungsstrahles (6) einstellbar ausgeführt ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (12) über einen Schwingungserreger in eine oszillierende Längsbewegung in Richtung seiner Längsachse versetzbar ist.
- 4 BAD ORiQJNAL
-4- 3U7557
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (12) über einen Schwingungserreger in eine oszillierende Drehbewegung um seine Längsachse (Zylinderachse) versetzbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (12) mit Kanälen (14) für die Durchleitung eines Kühl medi ums durchzogen ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 - 13, dadurch gekennzeichnet,
daß der Dorn (12) im Bereich der zylindrischen Oberfläche (13) 1'-> gehärtet ist. *
15. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 8 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (12) im Bereich der zylindrischen Oberfläche (13) 0 mit Hartstoffen (z.B. Titannitrid, Titanoxid, Aluminiumoxid) bedampft ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 - 13, dadurch gekennzeichnet,
2b daß der Dorn (12) im Bereich der zylindrischen Oberfläche (13) mit Keramik oder Hartmetall beschichtet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 - 16, dadurch gekennzeichnet,
■lfi daß in der Abzugsvorrichtung zur Übertragung der schrauben!inien-
förmigen Bewegung auf den abzuziehenden Hohlzylinder Scheiben, Räder oder Walzen vorgesehen sind, deren Drehzahl- und Achswinkeleinstellung regelbar sind.
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