DE60021956T2 - Herstellung einer Gasflasche - Google Patents

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21DWORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D51/00Making hollow objects
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21CMANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C23/00Extruding metal; Impact extrusion
    • B21C23/02Making uncoated products
    • B21C23/20Making uncoated products by backward extrusion
    • B21C23/205Making products of generally elongated shape

Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen einer zylindrischen Hülle, die zur Herstellung einer Gasflasche zur Aufnahme eines Gases dient. Mehr in einzelnen bezieht sich die Erfindung auf ein solches Verfahren, in welchem ein Block mit kreisförmigem Querschnitt verwendet wird, um die zylindrische Hülle durch Lochen des Blocks zu formen. Noch mehr im einzelnen bezieht sich die Erfindung auf ein solches Verfahren, bei welchem der Block aus einem ersten Abschnitt aus Stahl und einem zweiten Abschnitt aus Auskleidungsmaterial geformt wird, so daß die zylindrische Hülle eine äußere zylindrische Form aus Stahl und einen inneren Auskleidungseinsatz aufweist, der aus dem Auskleidungseinsatzmaterial gebildet ist.
  • Gasflaschen finden weit verbreitete Anwendungen in verschiedenen Industrien zur Speicherung von Gasen. Die Speicherung ultra-hochreiner Gase, wie sie in der Halbleiterindustrie verwendet werden, ist wegen deren korrosiver Natur besonders problematisch. Eine solche Korrosion kann Verunreinigung durch Teilchen erzeugen, die wiederum unannehmbare Fertigungsdefekte erzeugen können. Beispielsweise können korrosive Ätzgase wie beispielsweise Chlorwasserstoff Stahlflaschen korrodieren und teilchenförmige Verunreinigungen erzeugen. Wenn das daraus resultierende Teilchenmaterial in eine Stufe eines Halbleiterfertigungsprozesses mit eingeführt wird, kann das Produkt einer solchen Stufe ruiniert werden.
  • Daher sind Gasflaschen besonders konstruiert worden, um die Reinheit des Gases aufrechtzuerhalten, indem sie aus Nickel hergestellt werden. Wie einzusehen ist, sind Nickelgasflaschen unverhältnismäßig teuer. Des weiteren können reine Nickelflaschen nicht eingesetzt werden, wenn der vorgesehene Betriebsdruck 35,15 kg/cm2 übersteigt. Infolgedessen werden Gasflaschen für Anwendungen zur Lagerung hochreinen Gases mit einer Außenschicht aus Stahl für die mechanische Integrität und einer inneren Nickelplattierung für die Korrosionsbeständigkeit hergestellt.
  • Wie in unserer US-Patentbeschreibung 5 330 091 angegeben ist, stellt das Elektroplattieren einer zylindrischen Stahlhülle mit Nickel keine empfohlene Technik zur Herstellung von Gasflaschen dar, die für hochreine Lageranwendungen vorgesehen sind, weil das Plattieren Leerstellen oder Risse enthalten kann, die Stahlkorrosionsprodukte einfangen können. Daher beschreibt diese frühere Patentbeschreibung, daß zylindrische Nickel- und Stahlschich ten durch Zusammenwalzen oder Explosiwerschweißen miteinander verbunden werden. Die sich daraus ergebende zweischichtige Zylinderform wird dann als Rohling für einen Kaltziehprozeß benutzt, um die zylindrische Hülle herzustellen, die zur Bildung der Gasflasche verwendet wird. Bei einem Kaltziehverfahren wird der Rohling mit einem Dorn in eine becherartige Form gebracht, und die becherartige Form wird dann bei Raumtemperatur mittels des Dorns durch einen Reihe von Matrizen extrudiert.
  • Der Nachteil dieses früheren Verfahrens liegt darin, daß es sich nicht leicht für die Herstellung großer Gasflaschen einsetzen lässt. Die Erfindung betrifft die Schaffung eines Verfahrens zur Bildung einer nahtlosen stählernen zylindrischen Hülle mit einer korrosionsbeständigen Auskleidung, die zur Herstellung größerer Gasflaschengrößen eingesetzt werden können, als sie durch Kaltziehproduktionstechniken erhältlich sind.
  • Die WO 96 11 757 lehrt ein Verfahren zum Bilden eines Behälters mit geschlossenem Ende durch Rückwärtsextrusion. Der Behälter weist ein dünnes (< 0,1 mm) Auskleidungsmaterial zum Ermöglichen des Erreichens einer überragenden Oberflächengüte auf.
  • Die US-3 648 351 lehrt ein Verfahren zum Schlagextrudieren von Mehrmetalldosen.
  • Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer korrosionsbeständigen stählernen zylindrischen Hülle zur Verwendung als Gasbehälter vorgesehen, wobei das Verfahren umfasst das Herstellen eines Blocks mit kreisförmigem Querschnitt, wobei der Block aus einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt gebildet wird, vor denen der erste Abschnitt aus Stahl gebildet wird und einen Endteil und eine in dem Endteil gebildete Aussparung aufweist, und der zweite Abschnitt aus einem korrosionsbeständigen Auskleidungseinsatzmaterial gebildet wird, der in die Aussparung des Endteils des ersten Abschnitts passend geformt ist, und mit Lochen des Blocks zu der zylindrischen Hülle derart, daß der erste Abschnitt eine äußere zylindrische Form und der zweite Abschnitt einen Auskleidungseinsatz für die zylindrische Form ergibt.
  • Die Aussparung kann eine konische Seitenwand haben, und der zweite Abschnitt kann daher ein Kegelstumpf sein. Bei einem Verfahren nach der Erfindung kann das Ausklei dungseinsatzmaterial Nickel sein. Der Auskleidungseinsatz kann auch aus Hastalloy (Handelsmarke) C-22, Tantal, Titan, Gold oder Platin bestehen.
  • Das Blocklochen, wie es hier und in den Patentansprüchen benutzt wird, bezieht sich auf ein bekanntes Verfahren, das zum Bilden extrudierter zylindrischer Hüllen eingesetzt wird. Beim Blocklochen wird ein Block, beispielsweise ein Block nach der Erfindung, auf eine Temperatur zwischen etwa 1093°C und etwa 1204°C erhitzt. In einem nachfolgenden Becherbildungsvorgang wird der erhitzte Block dann mit einem Dorn eingestochen, um einen Becher zu bilden. Der Becher wird dann, während er noch heiß ist, weiter durch eine Reihe von Matrizen durch den Druck des Dorns extrudiert. Das Endergebnis der mehrfachen Extrusionen ist die zylindrische Hülle. Die zylindrische Hülle wird fertiggestellt, um eine Gasflasche zu bilden, in dem das Ende der Hülle in Schulter- und Halsbereiche geformt wird. Der Zylinder wird dann wärmebehandelt und anschließend abgeschreckt und getempert.
  • Der Blocklochungsvorgang steht im Gegensatz zu älteren Kaltziehverfahren, in welchen scheibenförmige Platten mit Schichten von Stahl und Nickel bei Raumtemperatur durch Matrizen gezogen werden. Wiederum besteht das Problem beim Ziehen darin, daß die fertige Gasflaschengröße auf etwa 21 Liter begrenzt ist. Größere Gasflaschen mit 43 Liter können nicht wirtschaftliche kaltgezogen werden.
  • Beim Versuch, einfach einen Block in zwei Abschnitten, Stahl und Nickel, mit dem in einem Kaltziehverfahren benutzten kreisförmigen Rohling, der zu einer zylindrischen Hülle führt, die zu einer Gasflasche gedrückt werden kann, hat sich gezeigt, daß das Problem beim Bilden einer zylindrischen Hülle in dieser Weise darin liegt, daß die Dicke des Nickels in der Flaschenwand zum oberen Ende der zylindrischen Hülle dramatisch zunimmt, während die Stahldicke abnimmt. Der Grund dafür liegt darin, daß das Nickel oder andere Auskleidungseinsatzmaterialien während des Lochungsvorgangs schneller fließen als der Stahl. Es ist jedoch der Stahl, der der fertigen Gasflasche ausreichende mechanische Integrität verleiht, um eine Druckbeaufschlagung zu ermöglichen.
  • Es hat sich gezeigt, daß das Einsetzen des Nickels in den Stahlblock gemäß der Erfindung eine größere Gleichförmigkeit der Stahl- und Nickeldicke schafft, so daß die zylindrische Hülle für den beabsichtigten Zwecke ingesetzt werden kann.
  • Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird nun lediglich beispielshalber Bezug auf die anliegenden Zeichnungen genommen, in welchen zeigt:
  • 1 einen Querschnitt eines zur Ausführung eines Verfahrens nach der Erfindung benutzten Blocks,
  • 2 einen Querschnitt des in 1 gezeigten Blocks nach Beendigung eines Becherformungsvorgangs,
  • 3 einen Querschnitt einer aus dem in 1 gezeigten Block extrudierten zylindrischen Hülle, und
  • 4 eine Grafik der Nickel- und Stahldicke über der Länge der zylindrischen Hülle bei der in 3 gezeigten zylindrischen Hülle.
  • Gemäß 1 ist ein Block 1 zum Ausführen eines Verfahrens nach der Erfindung dargestellt. Der Block 1 hat einen kreisförmigen Querschnitt und ist aus einem ersten Abschnitt 10 und einem zweiten Abschnitt 20 gebildet. Der Abschnitt 10 ist aus Stahl des Typs 4130 gefertigt und weist einen Endteil 14 auf, der mit einer innerhalb des Endabschnitts 14 gebildeten Aussparung 16 versehen ist. Ein zweiter Abschnitt 12 ist aus einem Auskleidungseinsatzmaterial gebildet, der so geformt ist, daß er in die Aussparung 16 des Endteils 14 hineinpaßt. Bei Gasflaschen, die zum Aufbewahren spezieller Gase dienen, ist das Auskleidungseinsatzmaterial ein korrosionsbeständiges Nickel oder Nickellegierungsmaterial. Auskleidungseinsatzmaterialien aus Hastalloy (Handelsmarke) C-22, Tantal, Titan, Gold oder Platin sind möglich. Wie dargestellt hat die Aussparung 16 eine konische Seitenwand, und daher ist der zweite Abschnitt 12 ein Kegelstumpf, der in der Aussparung 16 sitzt. Andere Formen sind möglich, wie beispielsweise halbkugelige Formen.
  • Es wurde unter Verwendung der Finite-Elemente-Technik eine Reihe von Blockabmessungen modelliert. Die 2 bis 4 stellen die Ergebnisse des Modellierens des Blocks 1 mit einer Höhe von etwa 22,86 cm und einem Durchmesser von etwa 20,32 cm dar. Die zweite Schicht 12 wurde aus Nickel mit einer Dicke von etwa 5,08 cm, einem Oberseitendurchmesser von etwa 17,78 cm, und einem Unterseitendurchmesser von etwa 15,24 cm modelliert.
  • Wie besonders aus 2 hervorgeht, ist der Block 1 mittels eines Dorns zur Erzeugung einer becherartigen Form 3 gelocht worden. Die becherartige Form 3 weist eine Innenschicht 18 aus Nickel, die aus dem Auskleidungseinsatzmaterial 12 entstanden ist, und einen äußeren Teil 20 auf, der aus dem ersten Abschnitt 10 aus Stahl entstanden ist.
  • Gemäß den 3 und 4 ist aus der becherartigen Form 3 eine zylindrische Hülle 4 gebildet worden, mit einer äußeren zylindrischen Form 22, die aus dem äußeren Teil 20 der becherartigen Form 3 entstanden ist, und einem Auskleidungseinsatz 24, der aus der Innenschicht 18 aus Nickel entstanden ist. Wie in 4 dargestellt ist, hat, obwohl die Nickeldicke zum oberen Ende der zylindrischen Hülle 4 zunimmt, der Stahl durchgehend eine minimale Querschnittsdicke, die größer als die minimal zulässige Wanddicke für eine 141,7 kg/cm2-Flasche gemäß den anwendbaren Department-of-Transportation-Regulierungen der Vereinigten Staaten. In 4 ist die minimal zulässige Wanddicke durch die gestrichelte Linie dargestellt, und die Länge der zylindrischen Hülle 4 ist vom geschlossenen zum offenen Ende bzw. vom Boden zum oberen Ende in der Darstellung nach 4 gemessen.
  • Es wurden verschiedene Blockformen modelliert. Beispielsweise Blöcke mit einem Oberseitendurchmesser von etwa 17,78 cm und einem Unterseitendurchmesser von etwa 10,16 cm, und Blöcke mit einem Oberseitendurchmesser von etwa 15,24 cm und einem Unterseitendurchmesser von etwa 10,16 cm. In allen Fällen blieb der Durchmesser des Stahls bei etwa 20,32 cm. Das Modellieren zeigte, daß die Verringerung des Durchmessers der Unterseite, beispielsweise von etwa 15,24 cm auf etwa 10,16 cm, ohne Änderung des Oberseitendurchmessers nur eine mäßige Auswirkung auf die Schichtgleichförmigkeit hatte. Das Verringern des Unterseitendurchmessers erzeugte geringfügig gleichförmigere Nickel- und Stahlschichten. Das Reduzieren des Durchmessers an der Oberseite des Nickels von etwa 17,78 cm auf etwa 15,24 cm hatte eine viel größeren Effekt auf die Schichtgleichförmigkeit.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Herstellen einer korrosionsbeständigen stählernen zylindrischen Hülle (4) zur Verwendung als Gasbehälter, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen eines Blocks (1) mit kreisförmigem Querschnitt, wobei der Block (1) aus einem ersten Abschnitt (10) und einem zweiten Abschnitt (12) gebildet wird, von denen der erste Abschnitt (10) aus Stahl gebildet wird und einen Endteil (14) und eine in dem Endteil (14) gebildete Aussparung (16) aufweist, und der zweite Abschnitt (12) aus einem korrosionsbeständigem Auskleidungseinsatzmaterial gebildet wird, der in die Aussparung (16) des Endteils (14) des ersten Abschnitts (10) passend geformt ist, und Lochen des Blocks (1) zu der zylindrischen Hülle (4) derart, daß der erste Abschnitt (10) eine äußere zylindrische Form (22) und der zweite Abschnitt (12) einen Auskleidungseinsatz (24) für die zylindrische Form ergibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aussparung (16) eine konische Seitenwand hat und der zweite Abschnitt (12) einen Kegelstumpf darstellt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Auskleidungseinsatzmaterial Nickel oder eine Nickellegierung ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Auskleidungseinsatzmaterial Hastalloy C-22, Tantal, Titan, Gold oder Platin ist.
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