DE4407908A1 - Verfahren zum Umformen metallischer Körper mittels über ein druckübertragendes Medium aufgebrachter hoher Drücke, Anwendung des Verfahrens und Vorrichtung dazu - Google Patents
Verfahren zum Umformen metallischer Körper mittels über ein druckübertragendes Medium aufgebrachter hoher Drücke, Anwendung des Verfahrens und Vorrichtung dazuInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen
metallischer Körper mittels über ein druckübertragendes
Medium aufgebrachter hoher Drücke, Anwendung dieses
Verfahrens auf verschiedene Umformprozesse und eine
Vorrichtung dazu.
Die Umformung metallischer Werkstücke erfolgt grundsätzlich
entweder durch direkten Angriff des Verdrängungskörpers
(Preßstempel, Hammer) oder indirekt über ein Druckmedium
(Flüssigkeit, wie Öl oder Gas) auf den umzuformenden Körper.
Klassische Verformungsverfahren der erstgenannten Kategorie
sind das Pressen, Hämmern, Schmieden, Stauchen.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der zweiten
Kategorie, bei der die Umformung über ein Druckmedium
erfolgt. Derartige Verfahren sind in einer Vielzahl von
Ausführungen bekannt. Stellvertretend wird die DE-OS
28 06 008 genannt, nach der ein kaltverfestigter Zylinder
in der Weise hergestellt wird, daß er zwischen zwei
ringförmige Flansche eingespannt und anschließend von innen
mit einer unter Druck stehenden Flüssigkeit beaufschlagt
wird. Ferner ist aus "Stahl und Eisen" 102 (1982) Nr. 23,
S. 1183-1189 für die Herstellung von Kappenringen aus Stahl
bekannt, die an Turbo-Generatoren die Wickelköpfe gegen die
durch die Drehbewegung des Rotors entstehende Fliehkraft zu
halten haben. Danach wird ein Kappenring mittels zweier
kegelstumpfförmiger Preßstempel, die über Öl als
Druckmedium den Kappenring mit Verformungsenergie
beaufschlagen, aufgeweitet. Bei dem aus der DE-PS
21 55 194 bekannten Verfahren zur Herstellung solcher
Kappenringe ist das Druckmedium von einem flexiblen Balg
umgeben. Statt Öl hat man auch Wasser als Druckmedium
verwendet. Beim heißisostatischen Pressen (HIP) wird als
Druckmedium ein Gas verwendet.
Die bekannten flüssigen und gasförmigen Druckmedien haben
folgende Nachteile:
- - Sie sind sehr stark kompressibel und erfordern daher entsprechend lange Wege des Verdrängungskörpers, bis ein entsprechender Druckaufbau erreicht ist;
- - Hohe Drücke lassen sich über solche Druckmedien nicht aufbauen, weil diese dann durch unvermeidliche Spalte zwischen dem Verdrängungskörper und der Preßform bzw. zwischen dem Verdrängungskörper und dem umzuformenden Werkstück entweichen mit der Folge eines Druckabfalls und der Gefährdung des Bedienungspersonal durch das mit sehr hoher Geschwindigkeit austretende Druckmedium.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Verfahren
zum Umformen metallischer Körper mittels über ein
druckübertragendes Medium aufgebrachter hoher Drücke
dahingehend zu verbessern, daß auch höchste Drücke ohne
Dichtungsprobleme aufgebracht werden können. Es soll auch
bei Anwendung höchster Drücke kein Druckmedium aus
irgendwelchen Undichtigkeiten der Umformvorrichtung
austreten. Dabei soll der Aufbau höchster Drücke auch schon
bei geringeren Mengen des Verdrängungskörpers erreichbar
sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß
vorgeschlagen, daß als druckübertragendes Medium ein
niedrigschmelzendes Metall oder eine niedrigschmelzende
Metallegierung mit hoher Plastizität verwendet wird. Diese
erfindungsgemäße Maßnahme löst die gestellte Aufgabe, denn
bei der Druckbeaufschlagung wird das metallische
Druckmedium in etwaige Spalte hineingedrückt und dichtet
diese dabei ab. Ferner wird der gewünschte hohe Druckaufbau
schon bei geringer Bewegungslänge des oder der
Verdrängungskörper erreicht, denn die Kompressibilität des
metallischen Druckmediums ist gegenüber den bekannten
flüssigen oder gasförmigen Druckmedien erheblich geringer.
Bevorzugt wird, daß mindestens ein Teil des
druckübertragenden Mediums vor oder bei der Umformung auf
eine die Plastizität erhöhende Temperatur erwärmt wird.
Dies erleichtert das Fließen des metallischen Druckmediums
in die Spalte, wo es sich dann abkühlt, erstarrt, dabei
erhöhten Fließwiderstand bekommt, das Nachströmen weiteren
Materials in die Spalte blockiert und dadurch den
anschließenden Aufbau hoher Drücke ermöglicht. Das
druckübertragende Medium sollte bevorzugt auf eine
Temperatur erwärmt werden, die mindestens 40% der
Liquidustemperatur beträgt. Es wird dabei von der üblichen
Regel ausgegangen, daß der Bereich der Warmumformung
oberhalb einer Temperatur liegt, die 50% der absoluten
Schmelztemperatur entspricht. Der Bereich ist durch den
Beginn thermisch aktivierter Prozesse gekennzeichnet.
Insbesondere durch den Vorgang der Rekristallisation,
wodurch es im Gegensatz zur Kaltverformung nicht zu einer
Verfestigung kommt. Dies ist der Bereich der
Warmumformungstemperatur des metallischen Druckmediums, in
dem es das günstigste Fließverhalten hat.
Gemäß einer Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens
soll das druckübertragende Medium bei der Umformung
teilweise im flüssigen und teilweise im festen Zustand
verwendet werden. Dieser Zustand setzt beispielsweise ein,
wenn man das Druckmedium im flüssigen Zustand in den
Preßhohlraum einfüllt, wonach es sich an den Wänden des
Preßhohlraums abkühlt und unter Bildung einer Schale um den
flüssigen Kern erstarrt. Der flüssige Kern läßt sich unter
Druck noch besser verdrängen, als wenn das metallische
Druckmedium im festen Zustand vorliegt.
Zwischen dem druckübertragenden Medium und dem
umzuformenden Körper kann eine plastisch verformbare Wand
den Wärmeübergang behindern. Als druckübertragendes Medium
hat sich Blei oder eine Bleilegierung am besten bewährt.
Man kann allerdings auch eine Metallegierung,
beispielsweise eine Zinnlegierung, verwenden, deren
Fließeigenschaft der von Blei entspricht. Blei hat neben
dem erwünschten niedrigen Schmelzpunkt hervorragende
Fließeigenschaft, weil seine Festigkeit gering und
Dehnbarkeit groß ist. Es hat ferner hervorragende
Schmiereigenschaften. Daher sollte es nach dem Eindringen
in die Spalte zwischen der sich relativ zueinander
bewegenden Teile der Preßvorrichtung und/oder zwischen
diesen und dem Preßling als Schmiermittel und fördert
beispielsweise ein Ausweichen des umzuformenden Körpers
unter dem Druck, ohne Verschleißmarken an der
Preßvorrichtung zu hinterlassen. Das Blei oder eine
Bleilegierung lassen sich fast rückstandsfrei wieder
verwenden, so daß keine Abfallbeseitigungsprobleme
entstehen. Blei hat zudem die vorteilhafte Eigenschaft, in
Eisen unlöslich zu sein. Dadurch kommt es an den
Kontaktflächen zwischen dem Umformling aus einer
Eisenlegierung und dem Druckmedium Blei nicht zum
Auflegieren mit Blei. Das Blei kann durch Erwärmen auf eine
Temperatur oberhalb seiner Schmelztemperatur rückstandsfrei
aus der Preßvorrichtung und/oder dem Umformling entfernt,
aufgefangen und wie gesagt wieder verwendet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens wird das druckübertragende
Medium durch einen unter dem Einfluß einer Kraft stehenden
starren Verdrängungskörper so unter Druck gesetzt, daß die
über die Verschiebung des Verdrängungskörpers erzeugte
Volumenänderung des druckübertragenden Mediums zum
überwiegenden Teil zu einer entsprechenden Umformung des
metallischen Körpers führt und daß der restliche Teil der
Volumenänderung sich beim Druckaufbau bildende Spalte
abdichtend füllt. Dazu sollte bevorzugt mindestens der in
unmittelbarer Nachbarschaft der Spalte befindliche Teil des
druckübertragenden Mediums auf eine seinen Fließwiderstand
vermindernde Temperatur erwärmt werden. Dies erleichtert
das Eindringen des Druckmediums in die Spalte, wo es sich
dann abkühlt, erstarrt und die Spalte abdichtet und
gleichzeitig als Schmiermittel wirkt.
Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist auf die Aufweitung eines metallischen an beiden Enden
offenen zylindrischen Hohlkörpers, etwa eines Kappenrings,
gerichtet. Dazu wird das Innere des Hohlkörpers mit dem
druckübertragenden Medium gefüllt, die offenen Enden werden
durch starre unter Druck stehende Wände verschlossen, und
das druckübertragende Medium wird durch mindestens einen
Verdrängungskörper unter Druck gesetzt. Das metallische
druckübertragende Medium kann dabei im festen Zustand
eingefüllt werden oder halb fest oder halb flüssig, aber
auch ganz in flüssigem Zustand. Mindestens eine der Wand
sollte bevorzugt den Verdrängungskörper in Form eines
koaxialen zur Symmetrieachse des Hohlkörpers hin sich
verjüngenden Konus bilden. Dabei sollte eine solche
Konusform für den Verdrängungskörper gewählt werden, daß
durch seine Bewegung in das druckübertragende Medium hinein
der Hohlkörper in die gewünschte Form aufgeweitet wird. Das
Volumen des konusförmigen Verdrängungskörpers sollte dabei
zumindestens dem Volumen entsprechen, welches für den
Volumenzuwachs bei der Umformung des Werkstücks benötigt
wird.
Eine andere bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist auf die Querschnittsverminderung von
Langprodukten, wie Rundstäben, durch Extrudieren gerichtet.
Dabei wird der Zwischenraum zwischen einer druckfesten Form
und dem durch diese koaxial hindurchgeführten Langprodukt
mit dem druckübertragenden Medium gefüllt. Das Langprodukt
wird mit dem es als Schmiermittel umgebenden
druckübertragenden Medium durch eine
querschnittsreduzierende Düse extrudiert. Dabei kann
druckübertragendes Medium kontinuierlich oder absatzweise
in die Form nachgefüllt werden.
Zur Erleichterung der Umformung kann erfindungsgemäß auch
der umzuformende metallische Körper vor der Umformung auf
erhöhte Temperatur, insbesondere Warmformgebungstemperatur,
erwärmt werden.
Eine weitere bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist auf das heißisostatische Pressen gerichtet.
Dabei wird der den umzuformenden metallischen Körper
enthaltende Pressenhohlraum mit dem druckübertragenden
Medium in flüssigem Zustand gefüllt, und dieses wird dann
durch einen Preßstempel als Verdrängungskörper unter hohen
Druck gesetzt.
Eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zum
heißisostatischen Pressen besteht aus einer zylindrischen
Preßform mit einem Boden, der nach dem Einsetzen des
Preßlings verschließbar ist. Sie weist ferner einen in das
gegenüber liegende offene Ende der Preßform einfahrbaren
Preßstempel auf, einen Stutzen für die Zufuhr von flüssigem
Blei oder einer flüssigen Bleilegierung und einen mittigen
Anschlag für den Preßling, insbesondere in Form eines quer
in den Preßhohlraum eingesetzten Siebes. Beim Einfüllen von
flüssigem Blei oder einer flüssigen Bleilegierung in den
Preßhohlraum schwimmt der Preßling auf und wird von dem
Sieb als Anschlag etwa mittig im Preßhohlraum quasi
berührungsfrei gehalten. Jedenfalls kann durch das Sieb der
Preßling allseits (isostatisch) durch das druckübertragende
Medium mit Druck beaufschlagt werden.
Bevorzugt kann der umzuformende Körper vor dem Preßvorgang
mit einer wärmedämmenden Schicht, z. B. einer Emaille-
Schicht oder einer Keramikschicht beschichtet werden, deren
Verformungswiderstand den Umformprozeß nicht behindert.
Anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf das Aufweiten eines zylindrischen Hohlkörpers,
etwa eines Kappenrings, schematisch im Längsschnitt,
Fig. 2 ist eine abgewandelte Ausführung mit einem
konusförmigen Oberstempel,
Fig. 3 zeigt schematisch eine Preßvorrichtung im
Längsschnitt zur Aufweitung eines mehrschichtigen
zylindrischen Hohlkörpers,
Fig. 4 zeigt das Aufweiten eines zylindrischen Hohlkörpers
mittels eines konischen Verformungsstempels, der
koaxial durch den Hohlkörper geführt wird und diesen
dabei aufweitet,
Fig. 5 zeigt schematisch einen Extrusionsvorgang und
Fig. 6 einen solchen mit absatzweisem Nachfüllen von
Druckmedium,
Fig. 7 eine Extrusion in abgewandelter Ausführung,
Fig. 8 zeigt in den Bildteilen a) bis c) den Ablauf beim
heißisostatischen Pressen nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren.
Ein metallischer Körper 1 in Form eines Rings aus einem
hochfesten austinitischen Stahl wird zwischen einer
Bodenplatte 32 und einer Deckplatte 31 gesetzt, die durch
Anwendung von Druckkräften 51, 52 den Körper 1 einschließen.
Durch eine auf einen Kolben 4 als Verdrängungskörper
wirkende Kraft 1 wird durch den Kanal 30 in der Bodenplatte
32 Blei 2 in den Innenraum des Körpers 1 hineingedrückt.
Das Blei hat dabei eine zwischen Raumtemperatur und seinem
Schmelzpunkt liegende Temperatur, bevorzugt
Warmumformungstemperatur. Im Bereich der Dichtungsflächen
zwischen dem Körper 1 und den Platten 31, 32 bilden sich bei
Druckanwendung Ringspalte der Dicke 22, in die ein Teil des
Bleis in Form eines Schmierfilms 21 hineinfließt. Dadurch
kann die Bewegung des Körpers 1 gegen die beiden Platten
31, 32 beim Aufweiten desselben in praktisch reibungsfreier
Weise erfolgen. Durch das Verschließen der Ringspalte durch
das Druckmedium Blei kann der Druckaufbau bis zu dem
Innendruck erfolgen, der zur Weitung des Körpers 1 benötigt
wird.
Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführung mit einem
Oberstempel 41, dessen konusförmige Mantelfläche 42 in
variabler Steigung so geformt ist, daß eine Bewegung des
Konus in den Körper 1 hinein zu einer Volumenverdrängung
führt. Diese sollte mindestens dem Betrag entsprechen,
welcher durch den Volumenzuwachs des geweiteten
ringförmigen Körpers 1 entsteht, so daß die Differenz in
Form eines Schmierfilms 21 abfließen kann. Mit einer in
Fig. 2 schematisch dargestellten Preßvorrichtung wurde ein
Versuch durchgeführt. Dabei wurde ein Ring aus einer
hochfesten stickstoffhaltigen austenitischen Stahllegierung
mit 18% Chrom, 18% Mangan und 0,6% Stickstoff als
wesentlichen Legierungselementen zum Zwecke der
Kaltverfestigung geweitet. Die Ausgangsmaße des Ringes
betrugen 200 mm Innendurchmesser, 280 mm Außendurchmesser,
370 mm Länge. Bauteile aus diesem Stahl werden als
sogenannte Kappenringe beim Bau von Stromgeneratoren
eingesetzt. Sie dürfen keine ferromagnetischen
Eigenschaften aufweisen und müssen neben einer hohen
Zähigkeit auch eine hohe Festigkeit aufweisen. Die
geforderte Streckgrenze von 1100 bis 1500 MPa kann nur
durch eine Kaltverfestigung eingestellt werden. Während
dies bei Ringen mit großem Durchmesser ohne weiteres durch
Aufweiten über einen Konus mit einer Folge von Keilen
möglich ist, kann diese Methode bei Ringen mit geringem
Innendurchmesser nicht eingesetzt werden, weil die
spezifische Flächenreibung so groß wird, daß auch eine
aufwendige Schmiertechnik nicht mehr zum Ziel führt.
Nach dem Aufsetzen des ringförmigen Körpers 1 auf die
Bodenplatte 32 wurde flüssiges Blei mit etwa 400°C in den
Hohlraum des Körpers 1 eingefüllt. Entlang der
Kontaktfläche zwischen dem Körper 1 und der Bodenplatte 32
sowie dem abwärts bewegten konusförmigen Oberstempel 41
erstarrt das Blei schnell und bildet in den entstehenden
Spalten zwischen dem Körper 1 und der Bodenplatte 32 bzw.
dem konusförmigen Oberstempel 41 Schmierfilme 21 aus.
Sobald die konische Mantelfläche des Oberstempels 41 die
obere Ringöffnung des hohlen Körpers 1 berührt, steigt der
hydraulische Druck stark an. Dabei bleibt der Schmierfilm
21 in einer Dicke von einigen hundertstel Millimetern
erhalten und fördert die Relativbewegung des Körpers 1 bei
seinem Aufweiten gegenüber der Bodenplatte 32 und dem
Oberstempel 41. Der erzielte Weitungsgrad betrug 40%.
Während des Weitungsvorgangs steigt die Kraft bis auf
2300 t. Bezogen auf die Öffnung des geweiteten Körpers 1
entsprach dies einem Druck von etwa 2400 bar im Blei.
Bemerkenswert war dabei die Tatsache, daß der Durchmesser
des Rings über seine gesamte Länge nur um 2 mm abwich. Das
beweist, daß sich Blei unter solchen Bedingungen als
praktisch ideales hydraulisches Medium mit isostatischer
Druckverteilung verhält. Anschließend wurde der
konusförmige Preßstempel 41 angehoben und das Blei
ausgeschmolzen. Bei einem Zugversuch ergab sich eine
Streckgrenze von 1475 MPa für den geweiteten Hohlkörper.
Die Ausführung der Fig. 3 entspricht der nach Fig. 2,
jedoch ist hier der Körper 1 ein in einer gasdichten Hülle
eingeschweißtes und gewickeltes Blechcoil, das auf die
Warmumformungstemperatur von 1200°C erwärmt wurde. Durch
eine wärmeisolierende und leicht verformbare Schicht 6 ist
das Blechcoil von dem druckübertragenden Medium 2 getrennt.
Die Schicht 6 vermindert den Wärmeübergang zwischen dem
heißen Blechcoil und dem druckübertragenden Medium 2 und
verhindert so dessen unzulässige Überhitzung einerseits und
einer allzu schnellen Abkühlung des Blechcoils
andererseits.
In einem Versuch mit einer solchen Vorrichtung wurde eine
Laminat aus einem rostfreien Stahlblech für die Herstellung
eines massiven hochfesten Ringes hergestellt. Ein Chrom-
Nickel-Stahlblech mit 0,6 mm Dicke und 350 mm Breite wurde
in einer Stickstoffatmosphäre bei 1200°C auf 0,4%
Stickstoffgehalt aufgestickt und anschließend auf eine
Wickelspule mit zwei Seitenwänden von 420 mm Durchmesser
und einem Dorn mit 260 mm Außendurchmesser fest
aufgewickelt. Die letzte Wickellage lag bei 415 mm, und das
Gesamtgewicht des rostfreien Blechs betrug 196 kg. Ein
Stahlblech wurde um die letzte Wickellage eng gepreßt und
dicht mit den Seitenwänden verschweißt, so daß ein
gasdichtes Paket entstand. Dieses wurde während 6 Stunden
in einem gasbeheizten Ofen auf 1200°C erhitzt. Ein
rostfreies Stahlrohr mit 2 mm Wandstärke und 350 mm Länge
wurde mit Blei gefüllt und mit einer Kombination aus einem
rostfreien Blech mit einem Hartkarton umwickelt. Der
Wickelvorgang wurde so lange fortgeführt, bis nach 11
Wickellagen ein Außendurchmesser von 235 mm entstand. Die
oberste Blechlage wurde dann mit dem Schweißgerät mehrmals
auf die letzte Lage angepunktet, so daß ein solider
Zylinder entstand, der gut in den Innendurchmesser von 250
mm des Blechcoins paßte. Gleichzeitig wurde noch ein
massiver Außenring 7 mit einem Innendurchmesser von 449 mm
bereitgestellt. Das heiße Blechcoil wurde in diesen Ring 7
hineingestellt, und der Zwischenraum zwischen beiden Teilen
mit Quarzsand aufgefüllt, um das Füllvolumen zu vermindern.
Diese Anordnung wurde zur Preise gefahren, wo das
umwickelte bleigefüllte Rohr schon auf dem Pressentisch
bereitstand. Nun wurden das Blechcoil mit umgebendem Ring 7
über das bleigefüllte Rohr abgesenkt. Der Totraum zwischen
dem Blechcoil und der kalten Außenfläche des bleigefüllten
Rohrs wurde mit Quarzsand aufgefüllt. Sodann wurde der
Konus auf die Bleifläche gesetzt und unter den Druck der
Kraft 51 gesetzt. Die gesamte Rüstzeit betrug weniger als 9
Minuten, so daß das heiße Blechcoil keinen nennenswerten
Temperaturverlust erlitt.
Nach dem Einschalten der Presse wurde in einer ersten Phase
das bleigefüllte Rohr geweitet, bis es mit dem heißen
Blechcoil Kontakt bekam. In der zweiten Phase wurde der
Druck im Blei auf ca. 500 bar gesteigert bis der Kontakt
des Blechcoils mit dem Stützring 7 erreicht wurde. Dies
zeigte sich in einem Anstieg des Preßdrucks auf 2100 bar.
Dieser Druck wurde während einer halben Minute aufrecht
erhalten und anschließend wurde wieder entlastet. Es zeigte
sich, daß das Blei noch fest war, d. h. der Verbund aus
Karton und Blech hatte in einwandfreier Weise funktioniert.
Einerseits verhinderte der Zwischenring den Wärmeaustausch
zwischen dem Blechcoil und dem Blei, andererseits übertrug
er den Druck des Bleis auf das Blechcoil. Erst nach 2
Stunden stieg die Temperatur im Blei so hoch an, daß dieses
zu schmelzen begann. Da der Zwischenring vorher über einen
Auffangbehälter gestellt worden war, konnte das Blei auf
diese Weise ohne Schwierigkeiten aus dem Coil entfernt
werden. Die spätere metallografische Untersuchung des
Blechcoils ergab eine einwandfreie Verschweißung der
einzelnen Blechphasen innerhalb des Coils.
Als weiteres Beispiel zeigt die Fig. 4 die Kaltweitung
eines rohrförmigen Körpers 1. Der Verdrängungskörper 41 mit
kegelstumpfförmiger Druckfläche wird durch die Kraft 51
über den Stempel als Verdrängungskörper 4 durch den Körper
1 unter Aufweitung desselben gedrückt. Der Hohlraum des
Körpers 1 ist mit Blei 2 gefüllt, das bei der
Vorwärtsbewegung des Verdrängungskörpers 4 durch den Spalt
zwischen diesem und dem Körper 1 unter Bildung eines
Schmierfilms 21 zwischen beiden Teilen und dem Körper 1
verdrängt wird.
Fig. 5 zeigt das Extrudieren eines Langproduktes, hier
eines Rundstabes. In dem Hohlraum 33 der Extrusionsform 34
ist der umzuformende metallische Körper 1 eingesetzt und
der Zwischenraum zwischen ihm und der Wandung des Hohlraums
33 ist mit Blei 2 gefüllt. Aufgrund der Druckkraft 51 auf
den Preßstempel 4 wird der umzuformende Körper 1 unter
Querschnittsverminderung durch die Extrusionsdüse 35
geschoben. Durch den Spalt zwischen der Innenfläche der
Extrusionsdüse 35 und der Außenfläche des
querschnittsverminderten Körpers 1 wird ein Bleifilm 21
herausgedrückt, der den Extrusionsvorgang fördert.
Fig. 6 zeigt das automatische Nachfüllen von Blei in den
Extruder. Eine Trommel 37 besitzt regelmäßig verteilte
Bohrungen 39. An einer Stelle wird ein zylindrischer Körper
24, z. B. aus Blei, in eine Bohrung 39 eingeführt. Nach
einer entsprechenden Drehung der Trommel 37 befindet sich
ein gleicher zylindrischer Bleikörper 25 vor dem Hohlraum
33 der Extrusionsform 34.
Fig. 7 zeigt eine Extrusionsvorrichtung wie in Fig. 5. Bei
der Ausführung gemäß Fig. 7 wird jedoch das Blei in
flüssiger Form in den Hohlraum 33 eingegossen oder ähnlich
wie bei Druckguß eingeschossen. Die Extrusionsdüse 35
und/oder der direkt angrenzende Bereich der Extrusionsform
34 ist wassergekühlt. Dadurch erstarrt in diesem Bereich 23
das Blei und bildet über seinen erhöhten Fließwiderstand
einen dichtenden und schmierenden Film 21 aus, über den der
hydraulische Druck im Hohlraum 33 der Extrusionsform 34
aufgebaut werden kann.
Fig. 8 zeigt in den Bildteilen a) bis c) eine Presse zum
heißisostatischen Pressen.
Ein druckfester Behälter 34 kann unten mit einem
Bodendeckel 32 verschlossen werden. Er besitzt eine
Innenbohrung von z. B. 40 mm Durchmesser, welche im unteren
Bereich mit einer keramischen Auskleidung 61 thermisch
isoliert ist. Auf diese thermische Isolierung 61, die z. B.
ein eingeschobenes Keramikpapier sein kann, wird eine
Keramik-Siebplatte 62 aufgesetzt, welche ähnlich wie die
bekannten Siebkerne bei Anschnittsystemen von Gußstücken
aufgebaut ist. Oberhalb der Siebplatte 62 verjüngt sich der
Hohlraum 33 des druckfesten Behälters 34 auf einer
Teilstrecke 33a bis auf den Innendurchmesser des
zylindrischen Teilstücks 33b, in dem der Preßstempel 4 mit
einem gewissen Spiel laufen kann. Seitlich befindet sich im
druckfesten Behälter noch eine Bohrung, in der ein
Keramikrohr 8 eingesetzt ist, durch welches flüssiges Blei
2 eingebracht werden kann.
Bei geöffnetem Bodendeckel 32 wird nun ein zu verpressender
Körper 1 in den Innenraum 33 eingefahren, welcher in einem
vorgeschalteten Wärmebehandlungsofen bereits auf
Arbeitstemperatur gebracht worden war. Der Deckel 32 wird
sodann geschlossen und mit dem Behälter 34 in nicht näher
beschriebener Weise druckfest verkoppelt. Der Behälter 34
enthält eine Wasserkühlung, welche nicht näher gezeigt ist.
Über das Seitenrohr 8 wird in Richtung des Pfeiles 81
flüssiges Blei 2 eingespritzt (Fig. 8b), wobei die bekannte
Technologie des Druckgusses zur Anwendung kommen kann. Die
Atmosphäre im Behälterraum 33 kann dabei über den Luftspalt
zwischen dem Stempel 4 und der Innenfläche 33b abfließen.
Der Füllstand des Bleis 2 gelangt z. B. bis zum Niveau 82.
Durch den Auftrieb der schweren Bleischmelze ist der Körper
1 aufgeschwommen, wird jedoch durch die Siebplatte 62 am
weiteren Aufstieg gehindert.
Sofort nach dem Füllvorgang kommt es an den Stellen, wo das
flüssige Blei mit der kalten Metallwand in Kontakt kommt,
zur spontanen Ausbildung einer festen Randschicht 23 (Fig.
8c), so daß sowohl der Dichtungsspalt des Bodendeckels 32
wie auch derjenige des Stempels 4 einwandfrei gegen den
hohen Druck gedichtet sind. Im Luftspalt fließt festes Blei
entsprechend dem Grundprinzip der Erfindung ab und schmiert
dabei. Wird auf den Stempel 4 mit Durchmesser von z. B. 40
mm eine Kraft von 60 t ausgeübt, so kommt es z. B. innerhalb
von Sekunden zum Aufbau eines isostatischen Druck von 5000
bar, was zur augenblicklichen Verdichtung des Körpers 1
führt. Da sich dieser in einem "thermisch isolierten
Keramikkäfig" befindet, erfolgt der Temperaturabfall
entsprechend langsamer. Er kann jedoch durch entsprechende
Dimensionierung der Wandstärken in weiten Grenzen variiert
werden.
Nach Ablauf des Preßzyklus wird der Druck entlastet und der
Bodendeckel 32 geöffnet, worauf der Inhalt ausgestoßen
werden kann. Er fällt z. B. auf ein Sieb, wo das Blei mit
der Restwärme abfließt und einem Sammeltank zufließt. Von
dort steht es für den nächsten Schuß bereit.
Vorteile einer solchen Anordnung sind im Gegensatz zu einer
normal HIP-Anlage:
- - kein teurer Ofen,
- - kein teuerer Kompressor,
- - keine Dichtungselemente,
- - kein Verbrauch an teurem Kompressionsgas.
Ein besonderer Vorteil ist dabei, daß Blei zwar einen
niedrigen Schmelzpunkt von 327°C besitzt, daß der
Siedepunkt jedoch erst bei Temperaturen oberhalb 1600°C
liegt. Bei den für die Metallverdichtungen üblichen
Temperaturen von z. B. 1150°C liegt der Dampfdruck also erst
im Bereich von 10 mbar. Hocherhitztes Blei würde jedoch
nicht mit der Umwelt in Kontakt kommen, da sich unmittelbar
nach dem Einspritzen eine dichte Schale aus festem Blei
bildet.
Claims (19)
1. Verfahren zum Umformen metallischer Körper mittels
hoher über ein druckübertragendes Medium aufgebrachter
Drücke, dadurch gekennzeichnet,
daß als druckübertragendes Medium ein
niedrigschmelzendes Metall oder eine niedrigschmelzende
Metallegierung mit hoher Plastizität verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens ein
Teil des druckübertragenden Mediums vor oder bei der
Umformung auf eine die Plastizität erhöhende Temperatur
erwärmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das
druckübertragende Medium auf eine Temperatur erwärmt wird,
die mindestens 40% der Liquidustemperatur beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das
druckübertragende Medium bei der Umformung teilweise im
flüssigen und teilweise im festen Zustand verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem druckübertragenden Medium und dem
umzuformenden metallischen Körper eine plastisch
verformbare Wand den Wärmeübergang behindert.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
als druckübertragendes Medium Blei oder eine Bleilegierung
eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
als druckübertragendes Medium eine Metallegierung verwendet
wird, deren Fließeigenschaft der von Blei entspricht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
das druckübertragende Medium durch einen unter dem Einfluß
einer Kraft stehenden starren Verdrängungskörpers so unter
Druck gesetzt wird, daß die durch die Verschiebung des
Verdrängungskörpers auf das druckübertragende Medium
ausgeübte Kraft zum überwiegenden Teil eine entsprechende
Umformung des metallischen Körpers herbei führt und der
restliche Teil der Kraft die sich beim Druckaufbau
bildenden Spalte mit einem Teil des druckübertragenden
Mediums abdichtend füllt.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens der in unmittelbarer Nachbarschaft der Spalte
befindliche Teil des druckübertragenden Mediums auf eine
seinen Fließwiderstand erhöhende Temperatur abkühlen
gelassen wird.
10. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1
bis 9, auf die Aufweitung eines an beiden Enden offenen
zylindrischen metallischen Hohlkörpers, wie eines
Kappenringes, dadurch gekennzeichnet,
daß das Innere des Hohlkörpers mit dem
druckübertragenden Medium gefüllt wird, die offenen Enden
durch starre unter Druck stehende Wände verschlossen sind
und das druckübertragende Medium durch mindestens einen
Verdrängungskörper unter Druck gesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens eine der Wände den Verdrängungskörper in Form
eines zur Symmetrieachse des Hohlkörpers hin sich
verjüngenden koaxialen Konus bildet.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Konusform des Verdrängungskörpers so gewählt wird, daß
durch seine Bewegung in das druckübertragende Medium der
Hohlkörper in die gewünschte Form aufgeweitet wird.
13. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1
bis 9, auf die Querschnittsverminderung von Langprodukten,
wie Rundstäben, durch Extrudieren,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Zwischenraum zwischen einer druckfesten Form und dem
durch diese koaxial hindurchgeführten Langprodukte mit dem
druckübertragenden Medium gefüllt wird und das Langprodukt
mit dem es als Schmierfilm umgebenden druckübertragenden
Medium durch eine querschnittsreduzierende Düse extrudiert
wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß
druckübertragendes Medium kontinuierlich oder absatzweise
in die Form nachgefüllt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß
der metallische Körper vor der Umformung auf erhöhte
Temperatur, insbesondere Warmformgebungstemperatur, erwärmt
wird.
16. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1
bis 9 mit 15 auf das heißisostatische Pressen,
dadurch gekennzeichnet, daß
der den umzuformenden metallischen Körper enthaltende
Preßhohlraum mit flüssigem druckübertragenden Medium
aufgefüllt und dieser dann durch einen Preßstempel als
Verdrängungskörper unter Druck gesetzt wird.
17. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach
Anspruch 16, gekennzeichnet durch
eine zylindrische Preßform (34) mit nach Einsetzen des zu
pressenden Körpers (1) verschließbarem Boden (32) an einem
Ende und mit einem in das Ende einfahrbaren Preßstempel
(4), einen Stutzen (8) für die Zufuhr von flüssigem Blei
(2) oder einer flüssigen Bleilegierung und durch einen
mittigen Anschlag für den Körper (1).
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch
gekennzeichnet, daß der Anschlag ein quer
in den Preßhohlraum (33) eingesetzte Siebplatte (62) ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch
gekennzeichnet, daß der umzuformende
Körper vor dem Preßvorgang mit einer wärmedämmenden
Schicht, z. B. einer Emaille-Schicht oder einer
Keramikschicht, beschichtet wird, deren
Verformungswiderstand den Umformprozeß nicht behindert.
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