DE3730011A1 - Bauteil mit wenigstens einem hohlraum, insbesondere einem stroemungskanal und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bauteil, insbesondere aus einem le­ gierten Stahl, welches die Merkmale des Oberbegriffs des An­ spruches 1 aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils.

Üblicherweise sind Hochdruckarmaturen, die nicht nur einem hohen Druck standhalten müssen, sondern auch gegenüber den sie durch­ strömenden Stoffen resistent sein müssen, Gußkörper. Die Herstel­ lungskosten solcher Gußkörper sind sehr hoch, zumal die Innenbe­ arbeitung aufwendig ist. Außerdem muß bei der Gestaltung des In­ nenraums auf die Bearabeitungsmöglichkeiten Rücksicht genommen werden, was eine Optimierung unter strömungstechnischen Gesichts­ punkten vielfach ausschließt. Hinzu kommt noch, daß vielfach we­ sentlich höhere Wandstärken vorgesehen werden müssen, als sie zur Beherrschung der auftretenden Drücke notwendig sind, um die Fer­ tigung überhaupt zu ermöglich. Aber auch bei anderen Bauteilen mit wenigstens einem inneren Hohlraum, insbesondere einem Strö­ mungskanal, ist die Herstellung aufwendig und aus Fertigungsgrün­ den häufig keine optimale Gestaltung des Hohlraumes möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Bauteile der in Rede stehenden Art zu schaffen, die frei sind von den genannten Nach­ teilen. Diese Aufgabe löst ein Bauteil mit den Merkmalen des An­ spruches 1.

Die Teilung des Bauteiles ermöglicht es, seine einzelnen Teile zu schmieden. Man kann hierdurch eine bessere Werkstoffqualität er­ reichen und vor allem die Teile auch vergüten. Weiterhin ist es bei derartigen Schmiedestücken möglich, den Strömungskanal oder die Strömungskanäle ausschließlich nach strömungstechnischen Ge­ sichtspunkten zu gestalten und zu optimieren. Schließlich können die Innenflächen vor dem Zusammensetzen und Verlöten der einzel­ nen Teile fertigbearbeitet werden, so daß die Kosten für eine naschträgliche Bearbeitung entfallen. Durch die Verwendung eines Lotes auf CrNi-Basis erreicht man man bei Bauteilen aus einer Cr­ Ni-Legierung auch im Bereich der Lötstelle oder Lötstellen die erforderliche Resistenz. Schließlich ist es durch ein Löten bei hohen Tempersturen im Vakuum oder Hochvakuum möglich, im Bereich der Lötstellen eine gleich hohe Festigkeit wie in den übrigen Bereichen zu erreichen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schmiedeteile im Bereich der Strömungskanäle und ihrer die Teilungsstellen defi­ nierenden Verbindungsflächen kalibriert. In der Regel ist dann eine weitere Bearbeitung dieser Flächen nicht mehr erforderlich.

Die Teilungsstellen können entsprechend den Erfordernissen ge­ wählt werden. In der Regel wird es vorteilhaft sein, sie in eine durch einen Längsschnitt definierte Ebene zu legen.

Sofern das Bauteil einen oder mehrere Einsätze enthalten muß, können diese vor dem Zusammensetzen oder beim Zusammensetzen des Bauteils eingesetzt werden. Bei diesen Einsätzen kann es sich auch um Keramikkörper handeln.

Sofern das Bauteil wenigstens einen Flansch aufweist, der mittels Schrauben mit einem Flansch eines anderen Anlagenteils verbunden werden soll, kann der Flansch mit Ausnehmungen versehen sein, die beim Schmiedevorgang hergestellt worden sind, um die Schrauben, vorzugsweise in Zugrichtung formschlüssig, aufzunehmen. Selbst­ verständlich ist es auch möglich, derartige Schrauben mit dem Flansch zu verlöten.

Um das positionsgenaue Zusammensetzen der einzelnen Teile zu er­ leichtern, sind vorteilhafterweise Positionierelemente vorgese­ hen. Hierbei kann es sich beispielsweise um Stifte handeln, wel­ che in miteinander fluchtende Bohrungen spielfrei eingreifen. Man kann aber auch beispielsweise Schrauben als Positionierelemente verwenden, die im Flanschbereich erforderlich sind und von Aus­ nehmungen aufgenommen werden, die teils im einen und teils im an­ deren Teil des Bauteils liegen.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Bauteile zu schaffen. Diese Aufgabe löst ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 13.

Das Löten bei hohen Temperaturen im Vakuum führt zu einer Dif­ fusion des Lotes in das Grundmaterial wodurch in Verbindung mit dem gegen Null gehenden Lötspalt eine Festigkeit der Lötverbin­ dung erreicht wird, welche die Festigkeit des Grundmaterials, also des Materials, aus dem die Teile des Bauteils bestehen, er­ reicht.

Vorzugsweise werden der die einzelnen Teile bildenden Werkstoff und die Lötstelle oder Lötstellen nach dem Lötvorgang einer Wär­ mebehandlung durch eine kontrollierte Abkühlung unterworfen. Man erhält dann eine Vergütung der Materialien, wodurch die Eigen­ schaften der erfindungsgemäßen Bauteile noch verbessert werden.

Vorzugsweise werden die geschmiedeten Einzelteile im Anschluß an den Schmiedeprozess kalibriert. Durch eine solche Kalibrierung erhält man eine so geringe Rauhigkeit der den Strömungskanal oder die Strömungkanäle begrenzenden Fläche und der Verbindungsflä­ chen, daß in der Regel eine weitere Bearbeitung nicht erforder­ lich ist. Vorteilhafterweise erfolgt das Kalibrieren im warmen Zustand der Schmiedestücke. Es kann auch gleichzeitig mit dem Ab­ graten des Schmiedestücks durchgeführt werden.

Soweit das Bauteil im fertigen Zustand, beispielsweise im Bereich eines Ventils, Einsatzkörper benötigt, werden diese bei einer be­ vorzugten Ausführungsform vor dem Zusammensetzen des Bauteils in dieses eingelegt. Diese Einsatzkörper können aus Keramikmaterial bestehen und im noch warmen Zustand des Schmiedestückes in dieses unter Druck eingelegt werden. Man erhält auf diese Weise ohne zu­ sätzlichen Aufwand eine dichte Anlage des Keramikkörpers am Ven­ tilgehäuse oder dergleichen.

Beim Schmieden können Ausnehmungen, insbesondere im Bereich eines Flansches vorgesehen werden, in welche Positionierelemente oder Schrauben eingesetzt werden können. Dies reduziert ebenfalls den Fertigungsaufwand und ermöglicht es außerdem, derartige Teile mit dem Bauteil zu verlöten.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt eines Hochdruck-Reduzierstückes nach der Linie I-I der Fig. 2,

Fig. 2 eine Frontansicht des Reduzierstückes,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Verbindungsfläche und die Innenräume des einen Teils eines aus zwei solcher Teile zusammengesetzten Gehäuses eines Hochdruck- Ventiles.

Fig. 4 einen Längsschnitt eines Ventils einer Hubkolbenma­ schine,

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4,

Fig. 6 einen Schnitt entsprechend Fig. 5 vor dem Lötvor­ gang,

Fig. 7 einen unvollständig dargestellen Längsschnitt einer Abwandlung des Ventils gemäß den Fig. 4-6.

Eine aus einer CrNi-Legierung bestehendes Reduzierstück, das für den Einbau in einen unter Hochdruck stehenden Leitungszug einer chemischen oder kerntechnischen Anlage bestimmt ist, besteht aus einem rohrförmigen Mittelabschnitt 1, an den sich einerseits ein Flansch 2 und andererseits ein Endabschnitt 3 anschließt, der im Bereich seines freien, zylindrischen Endes sowohl einen gegenüber dem Innendurchmesser des Mittelabschnittes 1 reduzierten Innen­ durchmesser als auch einen gegenüber dem Außendurchmesser des Mittelabschnittes 1 reduzierten Außendurchmesser hat. Wie Fig. 1 zeigt, ist der im Bereich des Endabschnittes 3 vorhandene Über­ gang vom kleineren zum größeren Außendurchmesser ausgerundet aus­ geführt. Hingegen erfolgt der Übergang des Innendurchmessers vom Mittelabschnitt 1 zum freien Ende des Endabschnittes 3 in zwei ausgerundeten Stufen, wobei der Innendurchmesser der zweiten Stu­ fe etwas kleiner ist als derjenige des freien Endes des Endab­ schnittes 3.

Die beiden Teile 4 können wegen ihrer identischen Form im glei­ chen Gesenk geschmiedet werden. Durch eine anschließende Kali­ brierung, die im gleichen Arbeitsgang mit dem Abgraten im warmen Zustand des Werkstückes erfolgt, erreicht man eine so geringe Rauhigkeit der Verbindungsfläche 5 und der Innenmantelfläche 6, daß beide in der Regel nicht mehr anschießend bearbeitet werden müssen.

Die beiden Teile 4 werden unter Zwischenlage einer Folie aus ei­ nem auf CrNi-Basis hergestellten Lot im Bereich der Verbindungs­ flächen 5 aufeinander gelegt und mittels je eines an beiden Enden des Reduzierstückes zwischen die beiden Teile 4 eingelegten Posi­ tionierungsbolzens in derjenigen Lage gehalten, in welcher die beiden Teile 4 genau aufeinander ausgerichtet sind. Selbstver­ ständlich wäre es aber auch möglich, die beiden Teile 4 mit auf­ einander ausgerichteten Vertiefungen zur Aufnahme von Positionie­ rungsstiften zu versehen.

In einem Vakuumofen wird das Reduzierstück auf die Löttemperatur erhitzt, welche im Bereich von 1000°C liegt. Sofern das Gewicht des einen Teiles 4 nicht ausreicht, um beim Schmelzen des Lotes den Spalt 7 zwischen den Verbindungsflächen 5 gegen den Wert Null hin gehen zu lassen, ist eine zusätzliche Belastungsvorrichtung erforderlich, da die erforderliche hohe Festigkeit der Lötverbin­ dung nur dann erreicht wird, wenn bei fertiger Lötverbindung die Weite des Spaltes 7 praktisch gleich Null ist. Dank des Lötpro­ zesses im Vakuumofen tritt eine Diffusion des Lotes in das Mate­ rial der beiden Teile 4 auf, was die hohe Festigkeit der Lötver­ bindung ergibt. Im Anschluß an den Lötvorgang erfolgt eine ge­ steuerte Abkühlung des Reduzierstückes, um das Material der Teile 4 zu vergüten und die Lötstelle einer Wärmebehandlung zu unter­ werfen, wodurch sie eine sehr hohe Zähigkeit erhält.

Ein anderes Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 3. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel handelt es sich um ein Hochdruck-Ventil mit je ei­ nem Flansch 102 als Endabschnitt. Das Gehäuse dieses Ventils ist analog zu dem Reduzierstück gemäß den Fig. 1 und 2 aus zwei Tei­ len 104 zusammengesetzt, die jedoch nicht identisch, sondern nur spiegelbildlich gleich ausgebildet sind. Die in der Längsmittel­ ebene liegende Verbindungsfläche, im Bereich deren die beiden Teile 104 miteinander verlötet sind, ist mit 105 bezeichnet.

Die beiden Teile 104 sind im Gesenk geschmiedet. Anschließend er­ folgt im warmen Zustand des Werkstückes ein Kalibrieren und gleichzeitig ein Abgraten. Beim Kalibrieren werden die das Ge­ häuse 101 durchdringenden Strömungskanäle 108 fertig bearbeitet. Bei der Gestaltung der Strömungskanäle 108 braucht deshalb nicht auf eine von außen her zu erfolgende Bearbeitungsmöglichkeit Rücksicht genommen zu werden. Vielmehr können sie ausschließlich unter dem Gesichtspunkt eines strömungstechnischen Optimums ge­ staltet werden.

Die Flansche 102 werden beim Schmieden mit Vertiefungen 109 ver­ sehen, welche zur Verbindungsfläche 105 hin offen sind und je die Hälfte eines abgestuften Loches zur Aufnahme des Kopfes einer Verbindungsschraube dienen. Da diese Schrauben in die Vertiefun­ gen 109 beider Teile 104 eingreifen, können sie als Positionier­ elemente verwendet werden.

Für das Verlöten der Teile 104 wird zwischen die Verbindungsflä­ chen 105 eine Lötfolie eingelegt, die wie bei dem Ausführungsbei­ spiel gemäß den Fig. 1 und 2 in ihrer Form an die Form der Ver­ bindungsfläche angepaßt ist. Es handelt sich um ein Lot auf CrNi- Basis, weil es sich bei dem Material, aus dem die Teile 104 be­ stehen, um eine CrNi-Legierung handelt. Beide Teile 104 werden während des Erwärmens im Vakuumofen mittels einer Kraft zusammen­ gedrückt, die ausreicht, um beim Schmelzen des Lotes den Spalt zwischen den Verbindungsflächen 105 praktisch auf den Wert Null zu reduzieren. Anschließend erfolgt während des Abkühlens eine Wärmebehandlung zur Vergütung der Werkstoffe.

Beim Zusammensetzen der beiden Teile 104 kann man zwischen diese Einsatzkörper einlegen. Bei dem in Fig. 3 mit strichpunktierter Linie dargestellen Einsatzkörper 110 handelt es sich um eine Buchse aus einem Keramikmaterial, die in den Teil 104 unter Druck eingesetzt wird, solange dieser noch warm ist. Hierdurch erhält man eine dichte Verbindung zwischen dem Einsatzkörper 110 und den Teilen 104 des Gehäuses 101.

Selbstverständlich ist es möglich, statt der Schrauben andere Positionierelemente, beispielsweise Positionierstifte, vorzuse­ hen.

Ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauteils zeigen die Fig. 4 bis 6. Es handelt sich hierbei um ein kühlbares Ventil für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor. Wie die Fig. 4 und 5 zeigen, enthält der Schaft 211 des als Ganzes mit 201 bezeichne­ ten Ventils zwei durch eine in der Längsmittelebene liegende Trennwand 212 voneinander getrennte, in Schaftlängsrichtung ver­ laufende Strömungskanäle 213, deren Querschnitt im Ausführungs­ beispiel spiegelbildlich gleich ist. Diese Strömungskanäle 213 schließen an einen im Ventilteller 214 vorgesehenen Hohlraum 215 an. Dieser Hohlraum 215 hat annähernd die Konfiguration des Ven­ tiltellers 214, wodurch sich in Verbindung mit der relativ ge­ ringen Wandstärke des Ventiltellers ein hervorragender Wärmeüber­ gang vom Ventiltell 214 zu einem den Hohlraum 215 füllenden Kühl­ medium ergibt. Um sicherzustellen, daß das durch den einen Strö­ mungskanal 213 in den Hohlraum 215 einströmende Kühlmedium den Boden des Ventiltellers 214 erreicht, setzt sich die Trennwand 212 in den Hohlraum 215 hinein fort. Selbstverständlich könnte dieses Ende der Trennwand 212 eine Form haben, die strömungs­ günstiger ist als die in Fig. 4 dargestellte Form.

Trotz der komplizierten Gestaltung des hohlen Innenraums des Ven­ tiles 201, insbesondere im Bereich des Hohlraums 215, ist die Herstellung des Ventils 201 verhältnismäßig einfach. Es besteht aus zwei gleichen, geschmiedeten und kalibrierten Hälften 204. Wie Fig. 6 zeigt, wird zwischen die durch die Wand des Ventilschaftes 211 und des Ventiltellers 214 sowie durch die Trennwand 212 ge­ bildeten, ebenen Verbindungsflächen 205 eine Lötfolie 217 gelegt, welche die Form der Verbindungsflächen hat und selbstverständlich wesentlich dünner ist als in Fig. 6 schematisch dargestellt. Die beiden Hälften des Ventils 201 werden dann unter Druck zusammen­ gehalten und im Hochvakuum miteinander verlötet. Dabei geht die Weite des zunächst vorhandenen Spaltes zwischen den beiden Teilen gegen den Wert Null. Der anschließende Abkühlvorgang wird zur Vergütung des Ventils 201 und, soweit erforderlich, zur Nitrie­ rung, genützt.

Wie Fig. 7 zeigt, braucht der Kühlmittelkreislauf nicht wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 innerhalb des Ventils in sich geschlossen zu sein. Man kann auch die beiden Strömungskanä­ le 213 am freien Ende des Ventilschaftes 211 getrennt halten und an ein Leitungssystem 218 eines äußeren Kühlmittelkreislaufes an­ schließen.

Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie auch die nur allein aus der Zeichnung entnehmbaren Merkmale sind als wei­ tere Ausgestaltungen Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und insbesondere nicht in den An­ sprüchen erwähnt sind.

Claims (20)

1. Bauteil mit wenigstens einem Hohlraum, insbesondere einen Strömungskanal, dadurch gekennzeichnet, daß die den Hohl­ raum begrenzende Wandung aus wenigstens zwei Teilen (4; 104; 204) zusammengesetzt ist und diese Teile (4; 104; 204) mittels eines Lotes miteinander verlötet sind.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine den Hohlraum begrenzenden Teile (4; 104; 204) Schmiedeteile sind.

3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmiedeteile zumindest im Bereich der Begrenzungswände ihrer Strömungskanäle (213, 215) und im Bereich ihrer die Teilungs­ stellen definierenden Verbindungsflächen (5; 105; 205) kali­ briert sind.

4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Teilungsstellen in durch wenigstens einen Längsschnitt definierten Ebenen liegen.

5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in ihm wenigstens ein vorzugsweise aus Keramik bestehender Einsatz (110) angeordnet ist.

6. Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es zumindest einen Anschlußflansch aufweist und dieser mit beim Schmiedevorgang gebildeten Ausneh­ mungen (109) versehen ist, in die Schrauben einsetzbar sind.

7. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrauben mit ihrem Kopf in Zugrichtung formschlüssig in je einer der Ausnehmungen (109) liegen und/oder in die Ausnehmungen (109) eingelötet sind.

8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekenn­ zeichnet durch wenigstens ein Positionierelement, das die einzel­ nen Teile (4; 104) formschlüssig bezüglich einer Bewegung in der Teilungsfläche in der richtigen Lage positioniert.

9. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierelemente durch je eine Materialpartie einer der Schrauben gebildet sind.

10. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer CrNi-Legierung besteht und das Lot ein Material auf CrNi-Basis ist.

11. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Hochdruck-Armatur ist.

12. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Ventil (201) einer Hubkolbenmaschine ist.

13. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils gemäß An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teile (4; 104; 204) bei hoher Tempertur im Vakuum und unter einer sie im Sinne einer Annäherung der die Trennstelle oder Trennstellen de­ finierenden Verbindungsflächen aneinander drückenden Kraft im Be­ reich dieser Verbindungsflächen verlötet werden.

14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenzeichnet, daß der die einzelnen Teile bildende Werkstoff und die Lötstelle oder Lötstellen nach dem Lötvorgang einer Wärmebehandlung durch eine kontrollierte Abkühlung unterworfen werden.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die einzelnen Teile (4; 104) geschmiedet und an­ schließend kalibriert werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalibrieren im warmen Zustand der Schmiedestücke er­ folgt.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kalibrieren gleichzeitig mit einem Abgraten durchgeführt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß in das noch warme Schmiedestück wenigs­ tens ein Keramikkörper eingebracht und gegen die für den Keramik­ körper im Schmiedestück vorgesehene Anlagefläche gedrückt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß beim Schmieden von Teilen für eine Armatur, welche wenigstens einen Flansch aufweist, der Flansch mit Ausnehmungen für die Aufnahme von Schrauben versehen wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrauben beim Zusammensetzen der einzelnen Teile als Positionierelemente in die Ausnehmungen eingelegt werden.