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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
US-3 648 351 lehrt ein Verfahren zum Schlagextrudieren von Mehrmetalldosen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Für ein besseres
Verständnis
der Erfindung wird nun lediglich beispielshalber Bezug auf die anliegenden
Zeichnungen genommen, in welchen zeigt:
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1 einen
Querschnitt eines zur Ausführung
eines Verfahrens nach der Erfindung benutzten Blocks,
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2 einen
Querschnitt des in 1 gezeigten Blocks nach Beendigung
eines Becherformungsvorgangs,
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3 einen
Querschnitt einer aus dem in 1 gezeigten
Block extrudierten zylindrischen Hülle, und
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4 eine
Grafik der Nickel- und Stahldicke über der Länge der zylindrischen Hülle bei
der in 3 gezeigten zylindrischen Hülle.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.