DE3927854C2 - Verfahren zur Herstellung einer Innenauskleidung eines Hohlraumes sowie Legierung zur Herstellung dieser Innenauskleidung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Innenauskleidung eines Hohlraumes eines Grundkörpers, der einen Teil einer Strangpress- oder Spritzgußvorrichtung bildet, sowie auf eine Legierung zur Herstellung dieser Aus­ kleidung.

Zylindrische Erzeugnisse, bei welchen die Bohrungsoberflächen gegen Abrieb und/oder Korrosion nach dem herkömmlichen Schleu­ dergußverfahren geschützt sind, weisen verschiedene Unzuträg­ lichkeiten auf. Bei dem herkömmlichen Verfahren wird ein als Grundkörper dienender Zylinder (oder Außenmantel der Ausklei­ dung) so bearbeitet, daß sein Bohrungsdurchmesser um 1/8 bis 1/4 Zoll Übermaß aufweist; die zur Oberflächenbildung und zum Oberflächenschutz dienende Legierung wird in Pulverform und in ausreichender Menge zur Erzeugung der gewünschten Oberflächen­ schichtdicke entlang der Längserstreckung der Bohrung verteilt, die Stirnseiten werden verschlossen und sodann das ganze Gebilde unter Erhitzung auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Oberflächenlegierung langsam rotiert, worauf das Gebilde sodann bei gleichzeitiger äußerer Kühlung schnell rotiert wird. Der als Grundkörper dienende Zylinder oder Außenmantel besteht häufig aus Stahl, und die Oberflächenlegierung ist zu­ meist eine Eisen-Nickel-Bor-Kohlenstoff-Legierung für Abrieb- bzw. Verschleißfestigkeit, eine Nickel-Kobalt-Bor-Silizium- Legierung für Korrosionsbeständigkeit oder eine Nickel-Bor- Silizium-Wolframcarbid-Legierung sowohl für Verschleiß- als auch Korrosionsbeständigkeit. Falls zylindrische Körper mit mehreren Bohrungslappen mit geschützten Bohrungsoberflächen erforderlich sind, werden sie traditionell in der Weise her­ gestellt, daß man zunächst die Oberflächenlegierung im Schleudergußverfahren in die erforderliche Anzahl einzelner Zylinder einbringt, diese sodann in Längsrichtung zur Bildung der einzelnen Bohrungslappen aufschneidet und sodann die ein­ zelnen Zylinder durch Schmelzschweißen zu dem mehrere Boh­ rungslappen aufweisenden Erzeugnis verschweißt.

Die US-Patentschrift 4 596 282 beschreibt Spritzgießen und Strangpressen als geläufige Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Kunststoffen, wobei ein erhitzter geschmolzener Kunststoff unter Druck in einen Formhohlraum eingepreßt wird, zur Erstarrung in der Form und Abmessung des Formhohlraums. Die in den Formhohlraum einzuspritzende Kunststoffcharge muß vor dem Einspritzen erhitzt und mit Druck beaufschlagt werden; gemäß einer Vorgehensweise wird das Ausgangs-Kunststoffmaterial in einen hohlen Zylinder mit einer sich durch diesen erstreckenden Schnecke zugeführt. Bei Drehung der Schnecke werden die Kunststoffmaterialien in eine erhitzte Zone des Zylinders vor einem am Kopfende der Schnecke angeordneten Rückhaltering gedrückt, derart, daß ein vorgegebenes Volumen an erhitztem, mit Druck beaufschlagtem Kunststoff für das anschließende Spritzgießen in die Formhöhlung (durch eine Vorwärtsverschiebung der Schnecke und des Checkrings innerhalb des Zylinders) vorbereitet ist.

Da die Wirtschaftlichkeit des Spritzgießens von der Erreichung langer Betriebslebensdauern der Vorrichtung abhängt, ist es bedeutsam, daß die Innenauskleidung des Zylinders eine hohe Beständigkeit gegenüber Abrieb und Verschleiß sowie Korrosion durch das erhitzte Kunststoffmaterial besitzt. Falls an der Innenseite des Zylinders ein Verschleiß auftritt, derart, daß der Innendurchmesser des Zylinders sich vergrößert, kommt es zur Bildung eines Spiels zwischen dem Checkring und der Schnecke einerseits und der Innenwandung des Zylinders andererseits, derart, daß das Kunststoffmaterial aus der mit Druck beaufschlagten Zone zurückströmt, mit dem Ergebnis, daß der für das Spritzgießen erforderliche Druck nicht erreicht wird. Der Zylinder muß dann aufgearbeitet oder ausgewechselt werden, oder es muß ein Checkring größeren Durchmessers verwendet werden, und in jedem Fall wird der wirtschaftliche Fertigungsprozeß unterbrochen.

Wie in der US-Patentschrift 3 836 341 beschrieben, wurden Strangpreßzylinder und Spritzgießzylinder in den zurückliegenden Jahren häufig mit Auskleidungen aus Legierungen mit hohem Eisengehalt gegossen. Diese bekannten Auskleidungen aus Eisenlegierungen besitzen typischerweise Härten bei Umgebungstemperatur im Bereich von 58 bis 64 Rockwell C, im Schleudergußzustand. Solche Auskleidungen mit hohem Eisengehalt zeigen zwar ausgezeichnete Abrieb- und Verschleißfestigkeit gegenüber in den Kunststoffzusammensetzung enthaltenen rauhen Füllstoffen, während dem Strangpressen oder Spritzgießen; jedoch weisen einige derartige Auskleidungen nur verhältnismäßig schlechte Korrosionsbeständigkeits- Eigenschaften auf, insbesondere unter Bedingungen, welche eine teilweise Zersetzung des verarbeiteten Kunststoffmaterials bewirken.

Nachteile dieser Verfahren sind unter anderem:

• 1. Die zum Oberflächenschutz verwendete Legierung muß einen wesentlich niedrigeren Schmelzpunkt als der umgebende Außenmantel besitzen; dies bildet eine einschneidende Beschränkung in der Wahl der Oberflächenlegierungen.
• 2. Das langsame Schmelzen und die lange Erstarrungsdauer der Oberflächenlegierung hat eine nennenswerte Auflösung des Metalls des Grundkörpers oder Außenmantels und eine Diffusion dieses Metalls in die Oberflächenlegierung zur Folge. Da der Außenmantel üblicherweise aus Stahl besteht, führt dies zu einer beträchtlichen Kontamination der Oberflächenlegierung mit Eisen. In vielen Fällen wird hierdurch die Korrosionsbeständigkeit der Oberfläche ernsthaft beeinträchtigt, und in manchen Fällen, beispielsweise bei zum Strangpressen von Fluorpolymeren verwendeten Zylindern, kommt es zu einer inakzeptablen Beeinträchtigung bzw. Degradation des Polymers.
• 3. Im Falle von Zylindern mit mehreren Zylinderlappen kann die Verschweißung nur in dem Metall des Grundkörpers vorgenommen werden und kann nur bis in die Nähe der Oberflächenlegierung ohne allzu große Annäherung an diese geführt werden, um eine Rißbildung und ein Abblättern der Oberflächenschicht zu vermeiden. Dies führt zur Bildung eines Spalts zwischen zwei oder mehreren Zylinderlappen, wobei sich dieser Spalt in das Substratmetall hinein erstreckt. Daher kann das verarbeitete Erzeugnis in diesen Spalt eindringen, was Verschleiß, Korrosion und Produktverschlechterung bewirkt.

Ein weiteres spezielles Problem ergibt sich, weil das mit Auskleidungen aus Legierungen mit hohem Eisengehalt verbundene Problem der Korrosionsbeständigkeit besonders akut wird, wenn das Ausgangsharzmaterial halogenierte Polymere oder Copolymere enthält, wie beispielsweise Fluorkohlenstoffharze. Als Folge einer Degradation des Ausgangsmaterials, die nur schwierig, wenn überhaupt, vollständig unter Kontrolle zu halten ist, wird das Extrudat in verhältnismäßig kurzer Zeit mit winzigen Metallteilchen kontaminiert. Diese Metallteilchen rühren aus dem auf die Legierung der Zylinderauskleidung einwirkenden korrodierenden Angriff her und werden aus der Auskleidung freigesetzt und wandern während der Bearbeitung in das Extrudat. Es wird angenommen, daß die korrodierenden Agenten die Halogene und möglicherweise andere im Verlauf des Spritzgießens bzw. Strangpressens ge­ bildete gasförmige Substanzen sind.

Zwar wurde Nickel als Bestandteil in unterschiedlichen Mengen in Auskleidungslegierungen verwendet (vgl. beispielsweise US-Patentschrift 3 836 341), jedoch wird es in den bekannten Verfahren in Verbindung mit nennens­ werten Mengen von Eisen oder speziellen Bestandteilen, wie beispielsweise Wolframcarbid, verwendet. Kurz gesagt, besteht das Problem darin, daß es bekannt war, daß Ausklei­ dungen mit hohem Eisengehalt in korrodierenden Atmosphären unerwünscht sind, während die bisher vorgeschlagenen Nicht- Eisen-Legierungen, welche zufriedenstellende Korrosions­ beständigkeit zeigen, nicht so abrieb- und verschleißfest wie die Auskleidungs-Legierungen mit hohem Eisengehalt sind. Außerdem kann die Anwendung spezieller zusätzlicher Legierungsbestandteile, wie beispielsweise Wolframcarbid, für bestimmte kommerzielle Anwendungen zu kostspielig sein. Legierungen auf Nickelbasis haben häufig nicht die erforder­ liche Härte.

Aus der DE-Z. Chem.-Ing.-Tech. 56 (1984), Nr. 1, S. 18 bis 23 ist weiterhin dir Herstellung eines Werkstoffverbundes durch heißisostatisches Pressen (HIP) bekannt, bei dem unter anderem ein zylindrischer Grundkörper auf seiner Innenoberfläche mit Pulver beschichtet und diese Pulverbeschichtung zur Bildung der Innenauskleidung dem HIP-Verfahren unterworfen wird. Hierbei ergibt sich jedoch eine Innenoberfläche der Innenauskleidung, die in aufwendiger Weise bearbeitet werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Legierung zur Herstellung einer Innenauskleidung der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, die eine verbesserte Härte, Abrieb- und Verschleißfestigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 bzw. 4 ange­ gebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine geeignete Le­ gierung in Form eines feinen Pulvers auf die Außenoberfläche eines rohrförmigen Dorns aufgebracht, dessen äußere Form an­ nähernd der Innenform der Innenauskleidung entspricht. Der mit dem Oberflächenüberzug versehene Dorn wird dann in den Grundkörper eingesetzt und die Oberflächenschicht durch heiß­ isostatisches Pressen (HIP) in die Innenoberfläche des Grund­ körpers eingepreßt. Danach kann der Dorn entfernt und die Innenauskleidung durch Oberflächenbehandlung auf die gewünschte Form gebracht werden.

Die erfindungsgemäße Legierung auf Nickelbasis, die maximal 1 Gew.-% Eisen enthält, eignet sich in besonders guter Weise zur Herstellung von Innenauskleidungen von Strangpreß- oder Spritzgußvorrichtungen, mit denen Kunstharze aus der Gruppe von Kunststoffkunstharzen und Kautschukkunstharzen verarbeitet werden. Dies gilt insbesondere, wenn die Kunstharze halogenier­ te Copolymere sind oder Schwefel enthalten, oder wenn die halogenierten Polymere oder Copolymere Fluorkohlenwasserstoffe enthalten.

Die erfindungsgemäßen Legierungen auf Nickelbasis enthalten we­ nigstens 80% Nickel, bis zu 0,4% Kohlenstoff, bis zu 1% Eisen, von 0,5 & bis 5% Silizium, von. 1% bis 4% Bor. Sämtliche Prozentangaben sind, soferne nicht ausdrücklich anders bemerkt, Gewichtsprozente und der Nickel wird jeweils in solcher Menge verwendet, daß die Zusammensetzung auf 100% gebracht wird. Des weiteren versteht sich, daß der Ausdruck "bis zu" auch einen Gehalt von 0% der betreffenden Komponente umfassen soll. Des weiteren umfaßt die Erfindung auch Legierungszusammensetzungen auf Nickelbasis, die bis zu 10% Chrom sowie Phosphor- und Schwefelverunreinigungen in Mengen bis zu 0,05% enthalten.

Die Legierungen gemäß der Erfindung haben nicht nur verbesserte Korrosionsbeständigkeit im Vergleich mit Auskleidungslegierungen auf Eisenbasis, sondern besitzen auch einen für Nickelbasis-Legierungen ungewöhnlich hohen Härtewert. So wurde gefunden, daß die bevorzugten Legierungen gemäß der Erfindung durch einen Härtewert im Bereich von etwa 55 Rockwell C gekennzeichnet sind.

Gemäß einem weiteren Merkmal und Aspekt der Erfindung werden diese Nickelbasis-Legierungen mit einem maximalen Eisengehalt von 1% als abrieb- und verschleißfeste und korrosionsbeständige Auskleidungen für verschiedene Vorrichtungen verwendet, für welche harte, verschleißfeste und korrosionsbeständige Oberflächen zum Materialkontakt benötigt werden. So können beispielsweise derartige Auskleidungen entweder an der Innenoberfläche oder der Außenoberfläche zylindrischer Gehäuse aus eisenhaltigen Metallen und für die daraus hergestellten Vorrichtungen ausgebildet werden. Die Auskleidung an der Innenwandung des rohrförmigen Stahlgehäuses, wie es in Strangpreß- und in Spritzgußvorrichtungen verwendet wird, bildet einen besonders vorteilhaften Verwendungsbereich für die Nickelbasis-Legierungen gemäß der Erfindung.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1a in Querschnittsansicht einen dünnwandigen Dorn (1), auf dessen Außenseite oder Außendurchmesser (A. D.) (2) die Oberflächenlegierung (3) beispielsweise durch Flammsprühen (M. S.) aufgebracht wurde,

Fig. 1b den mit dem Oberflächenüberzug versehenen Dorn (3) aus Fig. 1a nach Oberflächenschlichtung zur Erzielung einer Präzisionsgleitpassung in dem Grundkörper bzw. Außenmantel,

Fig. 1c den mit dem Oberflächenüberzug versehenen und oberflächengeglätteten Dorn (3) in seiner Lage innerhalb des Gehäuses oder Außenmantels (4),

Fig. 2 in Querschnittsansicht einen Dorn (5) mit Zwillings-Zylinderlappen, auf dessen Außenoberfläche die Oberflächenlegierung (3) aufgebracht wurde, nach Präzisionsbearbeitung der Außenoberflächen und im eingepaßten Zustand des mit Oberflächenüberzug versehenen Dorns (5) in einem Gehäuse oder Außenmantel (6).

Insgesamt umfaßt das Verfahren gemäß der Erfindung in seiner einfachsten Form die folgenden Schritte:

• 1. Es wird ein dünnwandiger Dorn aus einfachem Kohlenstoffstahl hergestellt, derart, daß der Außendurchmesser des Dorns geringfügig kleiner als der gewünschte endgültige Innendurchmesser (I. D.) des mit Oberflächenschutz versehenen Zylinders ist. Der Betrag, um den der Außendurchmesser des Dorns kleiner ist, reicht aus, um eine Dorndehnung während der Oberflächenlegierungskonsolidierung bei der HIP-Behandlung aufzunehmen, zuzüglich dem Maß der an der Bohrungsoberfläche gewünschten Oberflächenschlichtung.
• 2. Das Oberflächen-Legierungspulver wird auf die Außenseite (auf den Außendurchmesser) des Dorns nach einem beliebigen von mehreren verschiedenen Verfahren aufgebracht, welche gewährleisten, daß das Pulver während der nachfolgenden Schritte in seiner Lage verbleibt, Fig. 1a. Vorzugsweise erfolgt dies mittels Flammsprühen oder Aufschießen mit hoher Geschwindigkeit ("high velocity impact"), da diese Verfahren mehr von der feinen Teilchengröße und den besonderen mikrostrukturellen Eigenschaften des Ausgangspulvers bewahren als Schmelzauftragverfahren, wie beispielsweise PTA.
• 3. Die rohe Außenoberfläche des überzogenen Dorns wird durch Präzisionsbearbeitung oder Schleifen auf eine Abmessung gebracht, welche nach der HIP-Behandlung die gewünschte Dicke der Oberflächenlegierung ergibt, einschließlich Berücksichtigung einer abschließenden Oberflächenschlichtung der Bohrung, Fig. 1b.
• 4. Der Grundkörper oder äußere Gehäusemantel wird an seinem Innendurchmesser gerade so viel größer als der Außendurchmesser des mit Oberflächenüberzug versehenen Dorns bearbeitet, daß eine Gleitpassung zustande kommt.
• 5. Sämtliche Oberflächen werden gesäubert und der Dorn in das Außenteil eingesetzt, Fig. 1c.
• 6. An den beiden Stirnseiten des Zylinders wird eine (nicht dargestellte) dünne metallische Ringscheibe an den Dorn und das Gehäuse angeschweißt, um den die Oberflächenlegierung enthaltenden Raum dicht abzuschließen. Diese stirnseitigen Flansche können am besten während der Dornherstellung an den Dorn angeschweißt werden. Einer dieser stirnseitigen Verschlüsse sollte ein (nicht gezeigtes) Evakuierungsrohr enthalten.
• 7. Die Luft wird aus dem die Oberflächenlegierung enthaltenden Raum evakuiert, die Rohreindrückung verschweißt und abschließend schmelzverschweißt, um das Vakuum aufrechtzuerhalten.
• 8. Sodann wird das Aggregat in ein (nicht gezeigtes) Druckgefäß eingebracht und mit Wärme und Druck beaufschlagt. Temperatur, Zeit und Druck werden so gewählt, daß sie ausreichen, um den Dorn radial auswärts zu verschieben, wobei die pulverförmige Oberflächenlegierung verdichtet und konsolidiert und ein Verbund zwischen ihr und der Bohrung des Gehäuses oder Außenmantels erzeugt wird; jedoch sollen Temperatur und Zeit möglichst niedrig gehalten werden, um ein Schmelzen der Oberflächenlegierung zu vermeiden, was ein Kornwachstum in der Oberflächenlegierung oder eine meßbare Diffusion von Metallatomen aus dem Grundkörper oder Außenmantel in die Oberflächenlegierung bewirken würde. Die Präzisionspassung des mit Oberflächenüberzug versehenen Dorns in das Gehäuse oder den Außenmantel und die teilweise Verdichtung des Oberflächenlegierungspulvers während der Auf- und Einbringung haben eine weitgehende Verringerung der Radialverschiebungen während der HIP-Behandlung und damit eine hohe Genauigkeit der Abmessungen nach der Behandlung zur Folge.
• 9. Nach der Entnahme aus dem HIP-Gefäß werden die stirnseitigen Verschlüsse und der Dorn durch einfache spanende Bearbeitung oder durch Auflösung im Säurebad entfernt.
• 10. Die endgültigen Abmessungen werden durch spanende Bearbeitung, Schleifen oder Ziehschleifen erreicht. Die hohe Verarbeitungs-Abmessungsgenauigkeit verringert die erforderlichen Endbearbeitungsschritte und -kosten weitgehend.

Die Vorteile dieses besonderen Verfahrens zur Herstellung von Zylindern mit mehreren Zylinderlappen sind nun ohne weiteres ersichtlich. Statt mehrere einzelne, an ihren Bohrungen oberflächenbehandelte Zylinder aufzuschneiden und zu verschweißen, wird der Dorn hergestellt, in seiner Gänze oberflächenbehandelt und im Präzisionspaßsitz in das Gehäuse oder den Außenmantel, wie in Fig. 2 veranschaulicht, eingepaßt. Nach dem Verschließen der Stirnseiten und der Evakuierung wird das Aggregat wie oben beschrieben einer HIP-Behandlung unterzogen. Wegen der teilweisen Verdichtung der Oberflächenpulver und der Präzisionseinpassung in das Gehäuse ist die Verschiebung während der HIT-Behandlung minimal und es kann eine hohe Abmessungsgenauigkeit erzielt werden. Die abschließenden Bearbeitungsschritte und die Kosten hierfür können weitgehend verringert werden. Lücken bzw. Unterbrechungen oder Abstände in dem Oberflächenschutz treten nicht auf.

Die wesentlichen Merkmale und Vorteile dieses Oberflächenschutzverfahrens sind daher zweifacher Art, nämlich (1) die vorherige Aufbringung und teilweise Verdichtung der die Oberflächenschicht bildenden Legierungspulver zur Erzielung eines vollständigen Oberflächenschutzes und einer genauen Form, und (2) die Anwendung einer isostatischen Heißpressung (HIP) statt Schmelzen zur vollständigen Verdichtung und Konsolidierung der Oberflächenlegierung, wodurch Strukturänderungen und Zusammensetzungskontaminationen der Oberflächenlegierung vermieden werden. Innerhalb dieser grundsätzlichen Leitlinien sind in jedem Schritt des Verfahrens zahlreiche Abwandlungen möglich, von denen einige nunmehr diskutiert werden.

Als Dorn wird höchstwahrscheinlich ein dünnwandiges Rohr aus Weichstahl verwendet, da dieses bei niedrigen HIP-Temperaturen leicht verformbar ist und nach der HIP-Behandlung leicht durch spanende Bearbeitung oder Auflösung im Säurebad entfernt werden kann. Jedoch können Dorne mit größeren Wandstärken erforderlich sein, wenn die Oberflächenpulver mittels Schmelzverfahren, wie beispielsweise Auflageschweißen oder PTA, aufgebracht werden sollen. Aus besonderen Gründen können Dorne aus anderen Metallen verwendet werden; beispielsweise kann Nickel verwendet werden, falls absolute Vermeidung einer Eisenkontamination erforderlich ist. Statt rohrförmiger Dorne können auch Volldorne verwendet werden, falls die Bohrung eine komplexe Form besitzt oder besonders hohe Starre benötigt wird; der Volldorn kann dann anschließend aufgebohrt werden, um den Hohlraum für die HIP-Dehnungsbehandlung radial auswärts in das umgebende Gehäuse oder den Außenmantel zu schaffen. Unregelmäßig geformte Bohrungen, beispielsweise Nutbohrungen, lassen sich herstellen, indem man die komplementäre Form in dem Dorn vorsieht. Eine weitere Modifikation der Erfindung bestünde darin, daß man einen Volldorn verwendet, auf diesen die Oberflächenpulver aufbringt, den mit dem Oberflächenüberzug versehenen Dorn in ein wesentlich größeres dünnwandiges Rohr oder eine Umhüllung einbringt, den Raum zwischen dem Dorn und der äußeren Buchse mit Metallpulvern ausfüllt und sodann, eine HIP-Behandlung vornimmt, um gleichzeitig sowohl den Oberflächenschutz und die Formgebung des Gehäuses durch Metallkonsolidierung einwärts gegen den Volldorn zu erhalten.

Die Aufbringung der Oberflächenlegierungspulver auf den Dorn kann nach einer von mehreren verschiedenen Arten erfolgen. Die am meisten bevorzugten Verfahren sind Flammsprühen bei niedriger Temperatur oder Aufschießen mit hoher Geschwindigkeit ("high velocity impact"), um ein Schmelzen und Mikrostrukturänderungen in den Pulverteilchen weitgehend zu verringern und so optimale Eigenschaften in der endgültigen Oberflächenschicht zu erhalten. Jedoch können die Pulver auch nach irgendeinem der anderen üblichen Verfahren auf den Dorn aufgebracht werden, wie beispielsweise Auflageschweißen, PTA oder auch Umgießen des Dorns mit einer flüssigen Legierung in einer Form.

Die Oberflächenschutz-Legierungspulver können aus den üblichen für Verschleiß- und/oder Korrosionsschutz verwendeten Legierungen gewählt werden. Hierzu gehören Legierungen, wie sie beispielsweise in den US-Patentschriften 3 658 515 und 3 836 341 beschrieben sind. Diese herkömmlichen Oberflächenpulver wurden zur Anwendung bei Schmelzverfahren, beispielsweise Auflageschweißen oder Schleudergießen entwickelt, und zwar bei beachtlich relativ niedriger Schmelztemperatur zur leichteren Anwendung.

Jedoch können für die Zwecke der Erfindung nicht-herkömmliche Legierungspulver verwendet werden, und die Erfindung soll nicht auf die oben angegebenen Zusammensetzungen beschränkt sein. Beispiele anderer Legierungen zur Anwendung bei der Erfindung sind Tribaloy 800, Hastelloy C276 sowie Verbundlegierungen wie beispielsweise Hastelloy C276 unter Zugabe von Titancarbid- Pulvern, oder Verbundlegierungen aus einer wärmebehandelbaren Werkzeugstahlmatrix mit Titan oder Wolframcarbidpulvern. Die einzige Beschränkung für die Wahl der Oberflächenlegierung besteht darin, daß sie sich zur Voraufbringung auf die Außenoberfläche des Dorns eignen muß.

Wie weiter oben bereits angegeben, besteht ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung in der Entdeckung, daß bestimmte Legierungen auf Nickelbasis sich als besonders vorteilhaft brauchbar bei dem zuvor beschriebenen Verfahren erwiesen haben. Diese Nickellegierungen sind besonders nützlich als Auskleidungs- bzw. Überzugslegierungen für Strangpreß- und Spritzgießzylinder für die Kunststoff- und Kautschuktechnik. Die Verwendung dieser Legierung ist wesentlich beim Strangpressen oder Spritzgießen halogenierter Polymere und Copolymere, wie beispielsweise Fluorkohlenwasserstoffen, die sich bei der Verarbeitung zersetzen oder verändern können und hierbei eine hoch-korrodierende Umgebung schaffen können. Es wurde gefunden, daß der Eisengehalt der Nickelbasis- Legierung 1% nicht übersteigen darf, da Eisen dazu neigt, diese Zersetzung bzw. Veränderung halogenierter Kunstharze zu unterstützen. Die sich hierbei ergebende korrodierende Atmosphäre greift die herkömmlichen Auskleidungs- bzw. Überzugsmaterialien und -legierungen an mit der Folge, daß winzige Metallteilchen schließlich ihren Weg in das Strangpreß- bzw. Spritzgußmaterial finden und die fertigen Strangpreß- oder Spritzgußerzeugnisse kontaminieren.

Allgemein weist die Nickelbasis-Legierung gemäß der Erfindung eine Zusammensetzung aus den folgenden Bestandteilen auf:

Gew. -%
Kohlenstoff	0-0,4
Eisen	0-1,0
Chrom	0-10,0
Silizium	0,5-5,0
Bor	1,0-4,0
AL=L<Nickel, Rest auf 100%

Die Legierung kann auch kleinere Mengen Phosphor- und Schwefelverunreinigungen enthalten.

Eine besonders bevorzugte Legierung gemäß der Erfindung weist die folgende Zusammensetzung auf:

Gew.-%
Kohlenstoff	0,25-0,3
Eisen	0,82
Silizium	4,60
Bor	3,35
AL=L<Nickel, Rest auf 100%

Es wurde gefunden, daß die Nickellegierungen gemäß der Erfindung außer den hervorragenden Verschleißfestigkeits- und Korrosionsbeständigkeits- Eigenschaften auch überlegene Härtewerte aufweisen. Im einzelnen zeigen sie eine Härte im Bereich von etwa 55 bis etwa 62 Rockwell C, was über den Werten liegt, wie sie gewöhnlich bei herkömmlicherweise für Zylinder oder Gehäuse zum Strangpressen oder Spritzgießen von Fluorkunststoffen und anderen korrodierenden Kunstharzen verwendeten Legierungen gefunden werden. So besitzt Hastalloy C 276 (bei dem es sich um eine Legierung aus 1,0% Mangan, 0,08% Silizium, 15,5% Chrom, 2,5% Kobalt, 16% Nolybdän, 4% Wolfram, 5% Eisen, 0,02% Kohlenstoff, Rest Nickel handelt) eine Härte von 28 bis 32 Rockwell C, während Xaloy 306 (eine Legierung mit der typischen Zusammensetzung 1,0% Mangan, 1,5% Silizium, 3% Bor, 7% Chrom, 12% Eisen, 32% Nickel, 0,35% Kohlenstoff, Rest Kobalt) eine Härte von 48 bis 52 Rockwell C besitzt.

Es bestehen Anzeichen dafür, daß die wesentlichen Merkmale der Nickelbasis-Auskleidungslegierungen gemäß der Erfindung ein maximaler Eisengehalt von 1% in Verbindung mit wenigstens 80% Nickel, vorzugsweise von etwa 80 bis 95% Nickel, sind. Diese Merkmale und die kontrollierte Verwendung anderer Bestandteile in der Legierungszusammensetzung unterscheiden die erfindungsgemäßen Legierungen von den Nickelbasis- Legierungen nach dem bekannten Stand der Technik, wie sie etwa in den US-Patentschriften 3 341 337 und 4 528 247 beschrieben sind. Außerdem befaßt sich keine dieser bekannten Patentschriften nach dem Stande der Technik mit der Schaffung von Nickelbasis-Legierungen, die besonders als Auskleidungen bzw. Überzüge für Strangpreß- oder Spritzgieß-Bimetallzylinder geeignet sind, und zwar insbesondere wenn derartige Strangpreß- und Spritzgießvorrichtungen zur Verarbeitung halogenierter Kunstharze oder von Schwefelverbindungen verwendet werden, wo eine Zersetzung oder ein Abbau des Aufgabematerials, die unvermeidlich auftreten, zu einer korrodierenden Atmosphäre führen.

Der ausgekleidete Strangpreß- oder Spritzgießzylinder gemäß der Erfindung wird im allgemeinen eine Iunenauskleidung aus einer Nickelbasis-Legierung mit einer Dicke im Bereich von etwa 0,030 bis 0,250 Zoll aufweisen, vorzugsweise mit einer Dicke von etwa 0,050 bis 0,065 Zoll. Um diese Auskleidung aufnehmen zu können, wird der Eisen- oder Stahlzylinder bzw. das Gehäuse auf einen solchen Innendurchmesser aufgebohrt, daß er um 0,1 bis 0,5 Zoll weiter als die gewünschte End-Durchmesserabmessung ist.

Andererseits wird die Dicke der auf den Dorn bzw. Innenmantel aufgebrachten Legierungsoberflächenschicht von verschiedenen Faktoren abhängen. Für Schichten mit rauher Oberfläche wird eine größere Dicke benötigt, für die abschließende Schlichtungsbehandlung zur Erzielung einer glatten Oberfläche. Stärker poröse Schichten erfordern ebenfalls eine größere Dicke, um eine Verdünnung während der HIP-Konsolidierung zu gestatten.

Die Temperatur-, Druck- und Zeitbedingungen der HIP-Behandlung werden von der die Oberfläche bildenden Legierung und der das Gehäuse bzw. den Außenmantel bildenden Legierung abhängen. Die zur Konsolidierung der meisten gewöhnlichen Legierungspulver erforderlichen Temperaturen sind in der HIP-Industrie bekannt und geläufig. Jedoch können die herkömmlichen Oberflächen- Legierungspulver, da sie eine verhältnismäßig niedrige Schmelztemperatur besitzen, bei etwas niedrigeren Temperaturen als gewöhnliche Legierungspulver HIP-behandelt werden. Beispielsweise werden die meisten Nickelbasis-Legierungen bei 1850°F und darüber HIP-behandelt, während jedoch die zuvor beschriebene Nickellegierung mit 4% Silizium und 3% Bor bei 1750°F HIP-behandelt werden kann. Im allgemeinen ist es vorzuziehen, eine möglichst niedrige HIP-Temperatur anzuwenden, bei welcher eine Konsolidierung der Oberflächen-Pulver und ein Verbund der Oberflächenschicht an das Substratgehäuse oder den Außenmantel gewährleistet ist. Indem man so vorgeht, wird eine Diffusion von Metallatomen aus dem Substrat und dem Dorn in die Oberflächenschicht vernachlässigbar und die Kontamination der die Oberfläche bildenden Schicht weitgehend verringert.

Nach der HIP-Behandlung kann der Dorn auf mehrere verschiedene Arten entfernt werden. Am einfachsten durch spanabhebende Bearbeitung. In Fällen unregelmäßig geformter Bohrungen, wie beispielsweise einer mehrere Bohrlappen aufweisenden Nutbohrung, kann der Dorn mittels Säure herausgelöst werden, wobei in diesem Fall das Gehäuse bzw. der Außenmantel eine korrosionsbeständige Legierung sein kann oder, falls dies nicht der Fall ist, das Gehäuse bzw. der Außenmantel durch Maskierung gegen eine Berührung mit der Auflösungsflüssigkeit geschützt würde.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Soweit nicht anders angegeben, sind sämtliche Prozentangaben Gewichtsprozente.

Beispiel 1

Ein Strangpreßgehäuse von 1,499" Innendurchmesser (I. D.) × 3,499" Außendurchmesser (A. D.) × 41,750" Länge wurde gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt. Es wurde ein rohrförmiger Stahldorn mit Wandstärken von 0,350" hergestellt und auf 0,050" Untermaß Außendurchmesser geschliffen. Ein Nickelbasis-Legierungspulver mit 0,051% Kohlenstoff, 6,56% Chrom, 0,2% Eisen, 4,36% Silizium und 3,35% Bor und mit Teilchengrößen 88% zwischen Maschenzahl 325 und 200, wurde mit einem Wasserstoff-Sauerstoff-Stickstoff-Wärmesprühsystem auf den Dorn aufgebracht. Die Auftragdicke betrug 0,080", sie wurde unter Verwendung von lediglich Wasser als Schleif- Flüssigkeit auf 0,050" Außendurchmesser geschliffen. Das restliche Wasser wurde durch Ausheizen im Ofen bei 200°F entfernt. Der so überzogene Dorn wurde in ein Gehäuse aus Stahl 4140 von 1,609" Innendurchmesser eingesetzt, stirnseitig verschlossen und evakuiert. Das Aggregat wurde mit einem Druck von 15000 psi beaufschlagt und auf 1750°F erhitzt und 3 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. Nach Entfernung der Buchse durch Spanabhebung und Oberflächenschlichtung zeigte eine Schmelzprobe aus der Bohrungsoberfläche einen Eisengehalt von 0,27%. Die Härte der Bohrungsfläche betrug Rc 62. Der Zylinder wurde sodann in. Betrieb genommen zum Strangpressen von Schläuchen für medizinische Zwecke aus fluoriniertem Äthylenpropylencopolymer (FEP) mit Titannitrid und Bariumsulfat; der Zylinder hat ohne Verschleiß, Korrosion oder Produktkontamination funktioniert. Die besten früher verfügbaren Zylinder mit im Schleuderguß hergestelltem Schutz der Bohrung wurden demgegenüber fünfmal im Jahr ausgewechselt und Produktkontamination sowie Degradation bewirkten eine einschneidende Verringerung der Ausbeute.

Beispiel 2

Ein Zwillingszylindergehäuse von 2,08" I. D. auf 7,49" hänge wurde erfindungsgemäß hergestellt. Es wurde zunächst ein achterförmiger Dorn hergestellt, indem zwei Stahlrohre mit 0,350" Wandstärke und mit Außendurchmessern mit 0,004" Untermaß gegenüber dem endgültigen Bohrungs-Innendurchmesser in Längsrichtung axial geschlitzt und wieder zusammengeschweißt wurden. Der Dorn wurde wie in Beispiel 1 durch Aufsprühen mit Legierungspulver überzogen, gereinigt, geschliffen, in das Gehäuse eingesetzt, verschlossen, evakuiert und HIP-behandelt, mit dem Unterschied, daß eine Temperatur von 1850°F angewandt wurde. Es wurde eine radiale Dehnung des Dorns von nur 0,001" bewirkt und die abschließende Uberzugsdichte betrug im wesentlichen 100%. Nach abschließender Oberflächenbehandlung war die Bohrungs-Oberfläche vollständig geschützt und die Scheitelwinkel (Stege) zwischen den beiden Bohrungslappen waren glatt und exakt. Härte und Zusammensetzung waren ähnlich wie in Beispiel 1.

Beispiel 3

Es wurden vier Zylinder mit einem Außendurchmesser von 4,0", einem Innendurchmesser von 1,50" und einer Länge von 6,0" hergestellt, mit Auskleidungen aus Nickelbasis- Legierung mit den folgenden Zusammensetzungsbestandteilen:

Gew.-%
Kohlenstoff	0,3
Eisen	0,82
Silizium	4,60
Bor	3,35
Nickel	Rest

Zur Herstellung der Auskleidungen wurde zunächst ein Gemisch aus den Legierungsbestandteilen auf den Außenumfang eines Rohrs aus einer kohlenstoffarmen Legierung aufgesprüht, wobei die Abmessungen des Rohrs so gewählt waren, daß das Rohr im sprühüberzogenen Zustand in einen eisenhaltigen Außenmetallmantel, d. h. in ein Gehäuse aus Stahl 4140, eingesetzt werden konnte. Näherhin war der Außenmantel auf eine solche Abmessung aufgebohrt, daß die Legierung mit der gewünschten endgültigen Dicke aufgebracht werden konnte. Dies betrug etwa 0,125" je Seite über die gewünschte Dicke, die 0,060" betrug. Das Innenrohr wurde im Aufsprühverfahren mit der Legierung mit der gewünschten Dicke versehen, auf die richtige Abmessung geschliffen und sodann in das äußere Gehäuse eingesetzt. Zwischen dem Außendurchmesser des Innenrohrs und dem Innendurchmesser des Außenrohrs bestand ein Spalt von etwa 0,125".

Nach dem Zusammenbau des Aggregats wurde es durch Anschweißen von Kappen an den beiden Stirnseiten des Rohrs verschlossen und so die Legierungsbestandteile abgeschlossen. Durch eine in eine der Stirnkappen gebohrte Ausnehmung wurde ein kleines Evakuierrohr eingesetzt und die gesamte Luft mittels einer Vakuumpumpe abgesaugt. Sodann wurde das dicht verschlossene Aggregat in ein innen beheiztes Druckgefäß mit kalter Wandung eingesetzt und bei 15000 psi bei einer Temperatur von 1750°F 3 Stunden lang isostatisch heißdruckbehandelt (HIP-behandelt). Das Innenrohr wurde sodann durch spanende Bearbeitung entfernt.

Schnittproben aus den vier kleinen Zylindern zeigten bei metallographischer Untersuchung, daß sich ein vollständiger metallurgischer Verbund zwischen der Legierung und dem Stahlgehäuse gebildet hatte. Die Härte der Auskleidung aus Nickellegierung wurde zu 55 bis 61 Rockwell C gemessen.

Beispiel 4

Aus einem Gehäuse aus Stahl 4140 wurde ein Strangpreßzylinder hergestellt und mit einer Legierung der nachstehenden Zusammensetzung und unter Anwendung des Verfahrens gemäß Beispiel 1 ausgekleidet:

Gew.-%
Kohlenstoff	0,25
Eisen	0,82
Silizium	4,60
Bor	3,35
Nickel	Rest

Der Zylinder wurde in einer Strangpresse eingesetzt, in welcher ein fluoriniertes Äthylenpropylencopolymer (FEP) zu Schläuchen für medizinische Zwecke verarbeitet wurde. Nach sechs Wochen ununterbrochenem Betrieb war noch keinerlei Materialkontamination feststellbar. Bei Verwendung herkömmlicher Zylinder mit Korrosionsschutz, wie etwa der in den US-Patentschriften 3 658 515 und 3 836 341 beschriebenen Zylindern, begannen sich nach drei Wochen schwarze Flecken zu bilden, und das Problem verschlimmerte sich danach.

Das FEP-Schlauchmaterial wurde in Einzelsträngen extrudiert, mit Durchmessern im Bereich von 0,028 bis 0,085". Zusätzlich zu den FEP-Kunstharzen enthielt das Aufgabematerial auch 0,1 Gew.-% Titandioxid und 8,0% Bariumsulfat. Um den Strangpreßdruck niedrig zu halten, betrug die maximale Schneckendrehzahl 8 U/min. dies hatte eine ziemlich lange Aufenthaltsdauer des Kunstharzes im Zylinder zur Folge, wodurch sich die Gefahr eines korrodierenden Angriffs auf die Auskleidung erhöhte. Zwar sind die genauen Gründe, warum die spezielle Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung sich in dieser hoch­ korrodierenden Umgebung so wirksam erweist, derzeit noch nicht völlig aufgeklärt; es wird jedoch angenommen, daß der Erfolg der Legierung ihrem niedrigen Eisengehalt (weniger als 1%) und hohem Nickelgehalt (wenigstens 80%) zuzuschreiben ist.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung einer Innenauskleidung eines Hohlraumes eines Grundkörpers, der einen Teil einer Strangpress- oder Spritzgußvorrichtung bildet, mit den folgenden Schritten:
Bereitstellung eines Dorns, dessen Außendurchmesser geringfügig kleiner als der endgültige Innendurchmesser des Hohlraumes ist,
Aufbringen einer Legierung auf Nickelbasis auf die Außenseite des Dorns und Präzisionsbearbeitung der somit gebildeten Außen­ oberfläche des Dorns;
Einsetzen des Dorns in den Hohlraum, wobei der Hohlraum derart bearbeitet wurde, daß sich eine Gleitpassung ergibt;
Verschließen der Stirnflächen des Hohlraumes und Evakuierung des die Legierung enthaltenden Raums;
Anwenden der heißisostatischen Preßtechnik, um die auf den Dorn aufgebrachte Legierung mit dem Grundkörper zu vereinigen; und
Entfernen des Dorn-Materials derart, daß die Legierung auf Nickelbasis mit der gewünschten Schichtdicke und Oberflächen­ beschaffenheit auf der Innenoberfläche des Hohlraumes verbleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dorn ein dünnwandiges Rohr aus Weichstahl verwendet wird, wobei das Entfernen des Dorn- Materials durch spanende Bearbeitung und/oder Auflösung im Säurebad erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Legierung auf den Dorn durch Flammsprühen oder durch Aufschießen mit hoher Geschwindigkeit erfolgt.

4. Legierung zur Herstellung einer Innenauskleidung eines Hohlraumes eines Grundkörpers, der einen Teil einer Strangpress- oder Spritzgußvorrichtung bildet, wobei die Legierung eine Legierung auf Nickelbasis mit den folgenden Bestandteilen ist:
0,5 bis 5,0 Gew.-% Silizium,
1,0 bis 4,0 Gew.-% Bor,
0,0 bis 0,4 Gew.-% Kohlenstoff,
0,0 bis 10,0 Gew.-% Chrom,
0,0 bis 1,0 Gew.-% Eisen, sowie
als Rest wenigstens 80 Gew.-% Nickel.

5. Legierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung eine Härte im Bereich von etwa 55 bis 62 Rockwell C aufweist.