DE3600140A1

DE3600140A1 - Verfahren und vorrichtung zur druckuebertragung

Info

Publication number: DE3600140A1
Application number: DE19863600140
Authority: DE
Inventors: Haruaki Hatayama; Takuji Higashihiroshima Hiroshima Okabe; Hideo Takei
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 1985-01-09
Filing date: 1986-01-07
Publication date: 1986-07-10
Also published as: JPH0377038B2; DE3600140C2; JPS61162297A; US4860542A; SE8600068L; SE466513B; US4729730A; SE8600068D0

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Druckübertragung von einem Kolben auf einen anderen Kolben wird eine superplastische Legierung als Druckübertragungsmedium verwendet, so daß die Vorrichtung als Kraftübersetzungseinrichtung angewendet werden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Druckübertragung unter Verwendung eines Druckübertragungsmediums.

Es ist bekannt, Gas (beispielsweise Luft) oder eine Flüssigkeit (beispielsweise Öl oder Wasser) bei pneumatischen oder hydraulischen Druckübertragungsvorrichtungen als Druckübertragungsmedium zu verwenden. Derartige Druckübertragungsmedien werden auch bei isostatischen Heißpreßvorrichtungen
<NichtLesbar>

Metallextrudern und dergleichen verwendet, bei denen unter Hochtemperaturbedingungen gearbeitet wird.

Ein flüssiges Medium kann zur Übertragung eines höheren Druckes verwendet werden als ein gasförmiges Medium, da Flüssigkeit eine geringere Kompressibilität als Gas hat. Bei der Verwendung von Öl als Druckübertragungsmedium treten jedoch im allgemeinen Probleme auf, beispielsweise Gas- oder Lufteinschlüsse, Abnahme der Kompressibilität bei sehr hohen Druckzuständen, und eine obere Grenze (bis zu 200 °C) hinsichtlich der Arbeitstemperatur. Eine derartige obere Arbeitstemperaturgrenze ist dadurch bedingt, daß Öl bei einer höheren Temperatur brennen kann. Flüssigkeiten und Gase können auch Leckverlusten unterworfen sein, und zwar infolge von Temperatur- und Druckschwankungen, insbesondere bei Hochdruckzuständen, so daß die Dichtungsstruktur sehr kompliziert und aufwendig wird. Ein weiterer Nachteil bei derartigen hydraulischen Flüssigkeiten oder Gasen besteht darin, daß dann, wenn das Speisesystem oder die Vorrichtung selbst undicht wird, die Flüssigkeit oder das Gas im Bereich der undichten Stelle ausspritzen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Druckübertragung zu schaffen, die selbst bei so hohen Drücken und Temperaturen funktionstüchtig sind, wie sie bei den bisher üblichen Verfahren dieser Art nicht möglich gewesen sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß als Druckübertragungsmedium eine superplastische Legierung verwendet wird.

Die Erfindung basiert darauf, daß eine superplastische Legierung ein sehr hohes Druckübertragungsvermögen hat. Wie bereits dargelegt, werden bei den bekannten

Druckübertragungssystemen Flüssigkeiten oder Gase verwendet, während im Gegensatz dazu bisher kein Druckübertragungssystem bekannt ist, bei dem als Druckübertragungsmedium ein Metall in Form eines Festkörpers benutzt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Druckübertragungsvorrichtung,

Fig. 2 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen zwei Kräften F[tief]1 und F[tief]2 und der Verlagerung eines kleinen Kolbens zeigt,

Fig. 3 ein Diagramm, daß das Verhältnis zwischen dem Wirkungsgrad "Q" der Druckübertragung und einer Geschwindigkeit eines kleinen Kolbens zeigt,

Fig. 4 ein Diagramm, welches ein Verhältnis zwischen dem Wirkungsgrad "Q" und einem Verformungsgeschwindigkeit-Empfindlichkeitsindex "m" bei kleines Alpha = 10,2 zeigt,

Fig. 5 ein Diagramm ähnlich wie Fig. 4 bei einem abgewandelten Wert kleines Alpha,

Fig. 6a eine Schnittansicht eines superplastischen Legierungsmediums,

Fig. 6b eine schematische Schnittansicht einer abgewandelten Vorrichtung zur Druckübertragung mit dem in Fig. 6a dargestellten Medium,

Fig. 7 und 8 Diagramme, welche die Verhältnisse zwischen Eingangs- und Ausgangskräften zeigen,

und

Fig. 9 eine schematische Schnittansicht einer Druckübertragungsvorrichtung zum Heißpreßsintern.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Druckübertragung enthält gemäß Fig. 1 einen Zylinder 1, einen Kolben 2 mit einem Kolbenquerschnitt A[tief]1, eine stationäre Kolbenführung 3 für den Kolben 2, einen Kolben 4 mit einer Kolbenquerschnittsfläche A[tief]2 und ein superplastisches Legierungsmedium 5. In dem dargestellten Fall ist die Kolbenquerschnittsfläche A[tief]2 größer als die Kolbenquerschnittsfläche A[tief]1. Das superplastische Legierungsmedium 5 besteht beispielsweise aus Sn-38%Pb (eutektisch) und befindet sich in dem Zylinder 1 zwischen der Kolbenführung 3 und dem Kolben 4.

"Superplastizität" bezeichnet ein Phänomen einer extrem großen Dehnung eines Metalls unter einem niedrigen Druck mit einer niedrigen Verformungsgeschwindigkeit. Wenn eine superplastische Legierung unter be- stimmten Bedingungen verformt wird, hat diese Legierung im allgemeinen eine hohe Dehnung von mehr als 200 %, und in bestimmten Fällen von mehr als 1000 %.

Ein Sn-38%Pb superplastisches Legierungsmedium wurde in der folgenden Weise hergestellt. Sn und Pb wurden geschmolzen und zu einem Sn-38%Pb-Barren mit einem Durchmesser von 55 mm und einer Länge von 240 mm gegossen. Der Barren wurde homogenisiert, indem er 7 Tage lang bei einer Temperatur von 423 K (150 °C) vergütet bzw. ausgeglüht wurde. Der Barren wurde anschließend zu Zylindern mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Länge von 50 mm zerspant. Die Zylinder wurden bei einer Temperatur von 373 K (100 °C) zu Stangen mit Durchmessern von 10 und 27 mm extrudiert. Die Stangen mit einem Durchmesser von 10 mm wurden zerteilt und dann bei Raumtemperatur geschmiedet, wobei ein Gesenk bzw. eine Form mit einer Durchgangsbohrung von 16 mm verwendet wurde, um Proben für ein druckübertragendes Medium herzustellen. Die Stangen mit einem Durchmesser von 27 mm wurden so bearbeitet,

als die Kraft (Belastung) F[tief]1 des kleineren Kolbens 2. Daraus ergibt es sich, daß das Sn-38%Pb-Medium (superplastische Legierung) ein Druckübertragungsvermögen hat.

Wenn das Medium anstatt einer superplastischen Legierung eine Flüssigkeit ist, wird entsprechend dem Prinzip von Pascal die folgende Formel erhalten:

F[tief]2 = (A[tief]2/A[tief]1) F[tief]1.

In diesem Fall ist "Q" gleich "1" (kleines Alpha = 1). Im Fall des Sn-38%PB-Mediums (superplastische Legierung) wird jedoch ein anderer Druckübertragungswert Q erhalten, der abhängig ist von der Geschwindigkeit des kleineren Kobens, dem Verformungsgeschwindigkeits-Empfindlichkeitsindex "m" und dem Flächenverhältnis, so wie es in den Fig. 3, 4 und 5 zum Ausdruck gebracht ist. Der Verformungsgeschwindigkeits-Empfindlichkeitsindex (m) ist definiert in Relation zu einer bestimmten Verformungs- bzw. Vorfließgeschwindigkeit. Gemäß den Fig. 3, 4 und 5 wird eine Verformungsgeschwindigkeit eines an den kleineren Kolben 2 angrenzenden Teiles der Probe als die Verformungsgeschwindigkeit der Sn-38%Pb-Probe betrachtet. Wenn die Geschwindigkeit (V) des kleineren Kolbens abnimmt, und wenn der Verformungsgeschwindigkeits-Empfindlichkeitsindex (m) sich seinem Maximalwert (etwa 0,68) nähert, vergrößert sich der Wert Q. Ein Wert von Q von 0,85 kann unter folgenden Bedingungen erreicht werden:

Kleines Alpha = 11.1, A[tief]1 = 176.7 mm[hoch]2, A[tief]2 = 1964 mm[hoch]2,

H = 10 mm, T = 423 K, V = 1.67 x 10[hoch]-6 m/s, und

m = 0.68, siehe Fig. 3. Es ist möglich, einen Wert Q von 0,93 bei kleines Alpha = 2,9 zu erhalten (Fig. 5). Die Vorrichtung kann als ein Kraftmultiplikationsgerät bzw. Kraftübersetzungsgerät verwendet werden.

Als Druckübertragungsmedium können die in den Tabellen 1 (a), 1 (b) und 1 (c) aufgeführten superplastischen Legierungen verwendet werden.

Tabelle 1 (a)

Tabelle 1 (b)

Tabelle 1 (c)

Wie es sich aus den Tabellen 1a, 1b und 1c entnehmen läßt, sind der Temperaturbereich, der es der superplastischen Legierung ermöglicht, als Druckübertragungsmedium zu wirken, und die Dehnung abhängig von der Zusammensetzung der Legierung. Die superplastische Legierung soll vorzugsweise eine Dehnung bzw. ein Dehnungsvermögen von mehr als 300 % haben. Die Kompressionsgeschwindigkeit (d.h. eine Kolbenverlagerungsgeschwindigkeit) liegt gewöhnlich im Beriech von 0,1 bis 50 mm/min (1,67 x 10[hoch]-6 bis 8,3 x 10[hoch]-4 m/s). Der Verformungsgeschwindigkeit-Empfindlichkeitsindex "m" ist vorzugsweise größer als 0,2, insbesondere größer als 0,3. Wenn der Wert "m" einer superplastischen Legierung sich einem maximalen

Wert nähert und/oder wenn die Geschwindigkeit des kleineren Kolbens abnimmt, hat die Legierung ein besseres Druckübertragungsvermögen. Wenn die superplastische Legierung ihren maximalen Wert "m" erreicht, ist dieses für das Druckübertragungsmedium am vorteilhaftesten. Um hinsichtlich der Anwendungs- und Bedienungsbedingungen ein Optimum zu erreichen, sollte demzufolge die am meisten geeignete superplastische Legierung ausgewählt werden.

Über die in den Tabellen 1a, 1b und 1c aufgelisteten Legierungen hinaus ist es möglich, die folgenden Legierungen als superplastische Legierung zu verwenden:

JIS-5083 Al-Legierung (Temperaturbereich für das Druckübertragungsvermögen: 350 - 510 °C), JIS-7075 Al-Legierung (450 - 510 °C), JIS-7475 Al-Legierung (450 - 510 °C), JIS-C6031 Aluminiumbronze (565 - 850 °C), und CDA-619 Aluminiumbronze (565 - 850 °C).

Entsprechend den Fig. 6a und 6b besteht eine in vertikaler Richtung wirksame Vorrichtung zur Druckübertragung aus einem Zylinder 12, einem kleineren Kolben 13, einem größeren Kolben 14 und einem superplastischen Legierungsmedium 11, das einen Körperabschnitt mit einem Durchmesser D von 50 mm und einen Ansatz mit einem Durchmesser d von 30 mm und einer Höhe h von 10 mm hat. Das superplastische Legierungsmedium 11 besteht aus Zn-22%Al und ist zwischen den Kolben 13 und 14 innerhalb des Zylinders 12 angeordnet. Das Zn-22%Al-Legierungsmedium wurde in der folgenden Weise hergestellt:

Zn und Al wurden geschmolzen und zu einem Barren aus eutektoidem Zn-22%Al mit einem Durchmesser von 55 mm gegossen. Der Barren wurde homogenisiert, indem er 7 Tage lang bei einer Temperatur von 653 K (380 °C) vergütet bzw. ausgeglüht wurde. Der Barren wurde anschließend zerspant, um den Körper bzw. das Medium 11 (Fig. 6a) mit den oben beschriebenen Dimensionen herzustellen. Das Medium 11 wurde auf eine Temperatur von 653 K (380 °C) erhitzt und mit Wasser abgeschreckt, um die Legierungsstruktur zu verbessern.

Das erhaltene Zn-22%Al-Medium wurde in die in Fig. 6b dargestellte Vorrichtung gegeben und untersucht bzw. getestet, indem man auf es mittels des kleineren Kolbens 13 eine Kraft (Belastung) F[tief]1 ausübte, um eine Beziehung zwischen der angelegten Kraft F[tief]1 und der durch den größeren Kolben 14 erhaltenen Kraft F[tief]2 festzustellen. Die Versuchstemperatur lag bei 523 K (250 °C), und die Kolbenvorschubsgeschwindigkeit betrug 1 mm/min (16,7 x 10[hoch]-6 m/s). Durch Veränderung der Einwirkungsdauer der Kraft F[tief]1 wurden die in den Fig. 7 und 8 dargestellten Resultate erhalten.

Während eines Anfangsstadiums ist die Kraft F[tief]2 kleiner als die Kraft (Belastung) F[tief]1, und zwar so lange, bis das superplastische Zn-22%Al-Legierungsmedium 11 in vollständigen Kontakt mit den Innenflächen des Zylinders 12 und den Flächen der Kolben 13 und 14 kommt. Nachdem der vollständige Kontakt erreicht ist, wird die Kraft F[tief]1 des Kolbens 13 in ausreichendem Umfang durch das Medium 11 auf dem KoIben 14 übertragen, so daß eine Kraft F[tief]2 erhalten wird, die größer ist als die Kraft F[tief]1. Selbst wenn die Kraft F[tief]1 auf 0 herabgesetzt wird (insbesondere wenn das Anlegen der Kraft F[tief]1 unterbrochen wird), sinkt die Kraft F[tief]2 nicht sofort auf den Wert 0. Die Kraft F[tief]2 nimmt schnell auf einen bestimmten Wert ab und sinkt dann fortschreitend weiter ab. Wenn während des Absinkens der Kraft F[tief]2 erneut eine Kraft F[tief]1, auf den Kolben 13 aufgebracht wird, nimmt die Kraft F[tief]2 wieder zu.

Das Auflegen und Entfernen der Kraft F[tief]1 werden abwechselnd mehrfach wiederholt, bevor das in Fig. 8 dargestellte gradoelle Abnehmen der Kraft F[tief]2 auftritt. Es zeigt sich, daß die oberen Spitzen und unteren Spitzen der Kräfte F[tief]1 und F[tief]2 jeweils nahezu fast gleichmäßig auftreten.

Es ergibt sich daraus, daß die superplastische Legierung die Fähigkeit bzw. das Vermögen zur Druckübertragung hat. Die vorliegende Erfindung, die auf der Verwendung einer superplastischen Legierung als einem Druckübertragungsmedium basiert, und zwar vorzugsweise in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Druckübertragungsvorrichtung, hat die folgenden Vorteile:

1. Die Vorrichtung kann durch Auswahl einer geeigneten superplastischen Legierung in einem weiten Temperaturbereich (von 0 °C bis 2000 °C) angewendet werden. Die Vorrichtung kann insbesondere bei einer hohen Temperatur von beispielsweise mehr als 200 °C benutzt werden.

2. Das superplastische Legierungsmedium kann nicht ausfließen bzw. entweichen, wie es Flüssigkeiten oder Gase können, so daß das Abdichtungssystem vereinfacht werden kann. Die Vorrichtung kann bei höheren Druckbedingungen benutzt werden.

3. Das superplastische Legierungsmedium wird im Gegensatz zu Öl nicht zusammengedrückt noch enthält es Gaseinschlüsse.

4. Selbst wenn ein Teil der Vorrichtung zu Bruch geht, spritzt das superplastische Legierungsmedium nicht nach außen.

5. Mit der Druckübertragungsvorrichtung ist es möglich, die von außen her angelegte Kraft zu vergrößern oder herabzusetzen und die Kraftangriffsrichtung zu verändern, und den Hub des Ausgangskolbens zu vergrößern oder herabzusetzen und diese Parameter in jeder beliebigen Weise zu kombinieren.

6. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können bei einer HIP-Einrichtung, einem Metallextruder, einer nach dem Heißpreßverfahren arbeitenden Sintereinrichtung für keramisches Pulver und metallisches Pulver und bei verschiedenen Einrichtungen zur Druckübertragung benutzt werden.

Gemäß Fig. 9 enthält eine Druckübertragungsvorrichtung zum Heißpreßsintern einen Behälter 21 mit einem Deckel 22, einem Kolben 23, ein aus zwei getrennten Teilen 24a und 24b bestehendes superplastisches Legierungsmedium und Heizelemente 25a, 25b und 25c. Ein aus Pulver bestehender Körper 26 aus Metallpulver, keramischen Pulver oder metallischen Pulver und Fasermaterial für ein faserverstärktes Metall wird zwischen den gesonderten Teilen 24a und 24b angeordnet, so daß sich dieser Pulverkörper 26 zwischen dem superplastischen Legierungsmedium befindet. Das superplastische Legierungsmedium 24a, 24b wird dann in den Behälter 21 gegeben, und der Deckel 22 wird auf dem Behälter 21 befestigt. Das den Pulverkörper 26 aufnehmende superplastische Legierungsmedium wird dann mittels der Heizelemente 25a, 25b, 25c erhitzt und einer Kraft (Belastung) 11 mittels des Kolbens 23 unterworfen, der beispielsweise hydraulisch beaufschlagt wird. Sobald die Sintertemperatur des Pulverkörpers 26 erreicht ist, wird die Kraft F angelegt, um auf den Pulverkörper einen isotaktischen Kompressionsdruck einwirken zu lassen. Auf diese Weise wird der Pulverkörper unter Druck gesintert.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, d.h. die Erfindung bezieht sich auch auf die im Rahmen der erfindungsgemäßen Lehre liegenden abgewandelten Ausführungsformen.

Claims

1. Verfahren zur Druckübertragung mittels eines Druckübertragungsmediums, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckübertragungsmedium eine superplastische Legierung verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die superplastische Legierung
<NichtLesbar>

"m" über 0,3 liegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das superplastische Legierungsmedium bei einer Temperatur von 0 °C bis 2000 °C anwendbar ist.

9. Eine Druckübertragungsvorrichtung zum Heißpreßsintern, bestehend aus einem Behälter mit einem Deckel und Heizelementen und einem Kolben und einem superplastischen Legierungsmedium innerhalb des Behälters, dadurch gekennzeichnet, daß das superplastische Legierungsmedium einen Aufnahmeraum für einen Pulverkörper aufweist, und daß auf das superplastische Legierungsmedium mittels eines Kolbens eine Kraft aufbringbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die superplastische Legierung einen Verformungsgeschwindigkeit-Empfindlichkeitsindex "m" von mehr als 0,2 hat.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungsgeschwindigkeit-Empfindlichkeitsindex "m" über 0,3 liegt.